上承式CFST 拱肋施工安全技術研究?

白向龍，張 義，田世寬，王志金，莫晨星

（中交一公局第四工程有限公司，廣西 南寧 530033）

0 引言

我國交通基礎設施建設重心已經轉移到西部山區，拱橋因其天生的結構受力優勢，耐久性和經濟性好、剛度大、抗震性能強，在山區高山峽谷的應用越來越多。 然而，山區大溫差、峽谷風場，橋梁建造環境更加艱險惡劣，亟待發展更加安全、高效、精準的高品質拱橋建造技術。 上承式鋼管混凝土拱橋（concrete filled steel tubular，CFST）無吊桿、系桿，充分利用橋跨結構，結構整體剛度大，因其獨特的優越性，在地質條件滿足的情況下，在跨越山谷、江河的工程中有著很強的競爭力［1-2］。 大跨度拱橋施工主要采用纜索吊＋斜拉扣掛施工方法，該類型橋梁施工融合了斜拉橋、懸索橋的施工工藝，工序繁多，涉及多道工序轉換，臨時結構規模大，施工過程中均為高空作業，安全風險較其他橋型高。 目前大型橋梁設計圖依舊以二維圖像為主，管理人員需花費大量時間了解橋梁結構形式，了解結構物的空間位置，因此難以準確預判高空施工作業安全隱患。如何降低拱橋的施工安全風險，對大橋的安全施工有著重要的意義［3］。

1 工程概況

德余高速烏江特大橋主跨504m 上承式CFST，是目前在建最大跨徑同類型拱橋（見圖1）。 主拱肋采用8 根直徑1.4m 鋼管組成的等寬變高（8.4 ～11.4m）空間桁架結構，計算矢高90m，拱肋共計60個節段，最大吊重157t，鋼管內為C70 混凝土，拱上立柱為矩形截面，最大立柱高度約79m；橋面為開口槽型梁＋UHPC150 預制板。

圖1 烏江特大橋Fig.1 Wujiang Major Bridge

大橋采用纜索吊＋斜拉扣掛施工，主要涉及工序有：拱座施工→引橋施工→纜索吊安裝→主拱圈吊裝→鋼管混凝土灌注→拱上立柱安裝→橋道系安裝，主橋為大噸位吊裝作業，對接精度要求高，過程主要為高空作業，空中對接，安全風險大。 為此需從設計優化、施工組織、施工方案、大臨結構設計等方面進行研究，著力提升大橋施工安全管控水平。

2 設計優化

2.1 拱肋高度優化

通過對烏江航道全線進行調查，對運輸線路、船閘尺寸、運輸船只、水位等詳細調查，明確烏江航道最大通行船只尺寸為56m×10.8m×9.8m。 原初步設計拱肋高度為14 ～16.2m，大部分節段無法通過船閘，為此，提出以水運尺寸進行拱肋高度優化，將拱肋高度調整為8.4～11.4m，拱肋節段由初步設計的64 個優化為60 個。 工廠化制作大幅度提升鋼結構加工質量，整體水運至現場，現場僅栓接作業，有效地減少了現場作業量，提升了施工效率，同時降低了現場高空作業安全風險［4］；鋼結構涂裝全部廠內進行，現將僅對節點、臨時焊接進行補涂裝，避免大量現場油漆涂裝作業，減少對環境的影響；拱肋節段數量由64 個優化為60 個，減少現場安裝次數，縮短了拱肋吊裝工期1 周，一定程度上減少了大懸臂狀態時間，降低了安全風險，拱肋節段整體運輸模擬如圖2 所示。

圖2 拱肋節段整體運輸模擬Fig.2 Overall transport simulation of the arch rib segment

2.2 連接節點優化

提出拱肋弦管與腹桿通過節點板連接，取消了腹桿相貫線焊接［5］，減少高空焊接工程量，腹板通過節點板連接，有利于質量控制。 為提高標準化，將原初步設計中的米字撐全部統一為K 撐（見圖3），更有利于風撐對位。 通過對腹桿節點優化，減少高空焊接，實現高空腹桿快速連接，提升腹桿節點質量。 米字撐優化，實現風撐標準化制作，更有利于加工質量控制，為實現風撐同步安裝奠定基礎。

圖3 節點優化Fig.3 Node optimization

2.3 合龍構造優化

原設計圖紙采用花籃螺栓，實際施工中，由于合龍段兩端存在錯邊或不垂直的情況，無法保證螺桿兩端密貼，受力不可靠。 優化后為雙排型鋼短接頭構造，通過高栓節點快速實現連接鎖定，實現合龍段快速鎖定，更有利于合龍接頭質量控制（見圖4）。 傳統合龍接頭采用環形加勁肋，合龍速度慢，焊接變形大，現場焊接工程量大；采用花籃螺栓現場難以實施。 采用優化后的接頭，可2d 內完成瞬時無應力鎖定，大橋8 根弦桿合龍對準偏差小于3mm，合龍精度達到行業領先水平，合龍工效快，有效控制了大懸臂狀態時間。

圖4 優化后的合龍接頭Fig.4 Optimized closure joint

3 施工組織優化

合理的施工組織和工序安排將有效降低安全風險，大橋施工合同工期為36 個月，比同類型橋梁少6 個月，工期壓縮給安全風險的管控帶來了較大難度。 前期總體組織規劃提出2 種組織方案，方案對比如表1 所示。

表1 總體方案對比Table 1 Comparison of overall plans

1）方案1（見圖5a） 拱座施工時，兩岸引橋同步施工，適當超配資源，待拱座及交界墩施工完成后，同步貫通兩岸引橋，然后進行索塔拼裝，最后組織主橋施工，主橋完工后即具備通車條件。

圖5 施工組織方案Fig.5 Construction organization schemes

2）方案2（見圖5b） 先施工拱座、24 號和28號墩、然后施工纜索吊裝系統和扣掛系統，再進行主橋吊裝施工，待主橋施工完成且纜索吊拆除后，架設兩岸T 梁，最后實現通車條件。

4 施工設計

4.1 纜索吊裝系統結構安全設計

纜索系統設計時，考慮實際投入的材料情況，參照多項規范要求，對不同安全數據要求項目，按較大值進行選取，以確保纜索系統安全，纜索系統安全取值如表2 所示。

表2 纜索系統安全設計取值Table 2 Safety design value of the cable system

纜塔塔架采用全裝配式設計，立柱鋼管采用螺栓法蘭連接，橫向聯系為雙拼槽鋼與鋼管之間采用普通螺栓連接。 纜塔塔架安裝過程無高空焊接作業，提高了安裝作業的安全性，保證了高空安裝的質量，加快了施工工期。 纜塔施工作業臨邊安全防護、垂直安全通道也均采用無焊接標準化安裝方法。

4.2 斜拉扣掛系統結構安全設計

全過程采用最優一次張拉成拱計算，采用Midas Civil 有限元軟件建立全橋帶施工階段的有限元模型，進行懸臂拼裝過程的仿真模擬，有限元模型如圖6 所示。 主拱肋、交界墩和扣塔均采用梁單元模擬，拉索采用索單元模擬［6］，在施工階段控制中，勾選非線性分析以此來考慮拉索的幾何非線性效應，扣索與主拱肋、扣索與扣塔及背索與扣塔采用彈性連接的剛性連接進行約束。 封鉸前，拱腳鉸座采用只釋放沿橋梁橫向方向的轉動約束，待封鉸后改為固結約束［7］。

圖6 有限元計算模型Fig.6 Finite element calculation model

兩岸均從拱腳位置開始，分左右幅交叉進行拱肋節段懸臂吊裝施工，安裝橫撐，歷經拱肋節段4 安裝橫撐后進行拱腳封鉸，直至懸臂拼裝到拱肋節段15 主拱圈完成合龍拆除扣背索。

全過程最優一次張拉成拱采用Midas Civil 有限元軟件建立全橋帶施工階段的有限元模型，進行懸臂拼裝過程的仿真模擬。 主拱肋、交界墩和扣塔均采用梁單元模擬，拉索采用索單元模擬［6］，在施工階段控制中勾選非線性分析以此來考慮拉索的幾何非線性效應，扣索與主拱肋、扣索與扣塔及背索與扣塔采用彈性連接的剛性連接進行約束［8］。 封鉸前，拱腳鉸座采用只釋放沿橋梁橫向方向的轉動約束，待封鉸后改為固結。

將拆索成拱線形與一次落架線形的位移控制點允許差值控制在2mm 內，交界墩縱偏限值20mm，扣塔縱偏限值25mm，墩與塔連接部位混凝土的應力約束在混凝土抗壓、抗拉強度設計值內，約束條件為：

式（1）～（3）可轉化為有約束多變量的非線性規劃求解問題的不等式約束條件，不等式約束限值向量的維數由約束條件的個數確定，在扣掛系統方案設計時，相關安全取值如表3 所示。

表3 扣掛系統安全取值Table 3 Safety value of the buckle system

4.3 后錨系統結構安全設計

為避免不良地質風險，項目對后錨位置進行專項勘查，對場區進行專項地質災害分析，獲得后錨設計基礎參數，以確保設計的準確性。 考慮項目地處喀斯特地區，溶巖、裂隙比較發育，根據地質實際情況，后錨設計主要采取重力錨的形式，同時為提高安全儲備，每個巖錨設置一定數量的后錨，以降低不良地質災害帶來的安全風險，如圖7 所示。 后錨相關安全取值如表4 所示。

表4 后錨系統安全取值Table 4 Safety value of the back anchor system

圖7 后錨系統設計Fig.7 Design of the rear anchor system

5 結構自動監測

根據規范要求，結合鋼管混凝土拱橋結構特性分析、橋梁管養分析和易發事故橋分析等，烏江特大橋施工過程監測有：結構位移監測、結構應力監測、溫度監測、索力監測及環境監測等。

5.1 系統搭建

系統平臺采用1＋5 方式，以數據集成、分析、應用為核心主要系統模塊有：纜索吊自動檢測系統、拱肋線形監測系統、環境監測（見圖8）。

圖8 監測系統Fig.8 The monitoring system

5.2 纜索吊自動化監測

纜索吊監控系統主要監測項目有纜塔偏位，纜塔關鍵部位受力、后錨滑移情況、鋼絲繩受力情況、纜索吊運行監控系統等。 現場設備安裝完成后，通過5G 數據進行數據傳輸（見圖9，10）。

圖9 現場監測布置Fig.9 Site monitoring layout

圖10 纜索吊自動化系統界面Fig.10 Interface of the cable crane automation system

1）纜塔偏位分析 北斗動態采集數據和人工監測數據對比，其偏差值控制在1cm 左右，可為纜索安全吊裝提供數據指導。

2）纜塔應力分析 應力監測數據變化與設計理論值相符，確保纜塔結構安全。

3）錨碇滑移分析 錨錠滑移監測數據變化2mm 以內，與人工測量數據相吻合，真實反映錨錠位移情況，為纜索安全吊裝提供數據支撐。

5.3 扣掛系統自動化監測

主要監測要點有：扣背索索力、扣塔偏位、扣塔應力、后錨滑移、拱肋線形、拱肋應力等。 結合后期運營需求，研發拱肋吊裝監測系統，系統分為6 個板塊（見圖11）。

圖11 扣掛監測系統界面Fig.11 Interface of buckle monitoring system

5.4 環境監測方面

環境監測方面，在橋位處設置氣象觀測站，對橋梁全范圍進行環境監測，為大橋安裝提供基礎數據。

5.5 安全預警方面

項目建立分級預警機制（見圖12），根據不同重要程度，設置不同等級閾值，及時了解設備狀態，降低安全風險。 通過手機短信、網絡廣播等將報警數據推送至相關人員，減少了人員巡查工作量，提升了項目管理效率。

圖12 分級安全預警系統Fig.12 Graded safety warning system

6 BIM 技術應用

6.1 BIM 三維技術

本項目施工難度大，全構件采用栓接形式，精度要求高、結構形式復雜，拱肋吊裝完成，后風撐與安裝平臺空間位置狹小，容易產生沖突，且圖紙中各個構件重疊，結構形式不容易理解，給現場施工與管理帶來了許多困難。 為提升對大橋的認識，建立烏江特大橋三維模型以對結構形式進行深入了解，克服設計圖中各構件重疊缺點，清晰展示結構的空間位置，為大橋主橋施工帶來便利（見圖13）。

圖13 大橋臨時設施三維模型Fig.13 3D model of temporary bridge facilities

6.2 BIM＋數字項目管理平臺

1）布置安全管理模塊（見圖14），應用平臺APP 端進行即時管理，實現安全隱患、質量問題人人查、人人拍、專人管的良性循環，推進問題核查、整改落實定人、定時閉合管理，促進職能部門、管理人員責任上肩和對待問題正面面對、認真落實的管理意識提升，及時發現問題、解決問題，動中糾偏，保障施工過程安全管理有效、可控。

圖14 基于BIM 平臺安全管理Fig.14 Security management based on the BIM platform

2）人員實名制模塊，在重點施工現場安裝人臉識別門禁系統，對項目管理人員、勞務作業人員實現全覆蓋錄入管理，采用活體識別，人臉識別通過后自動開閘，并記錄考勤信息，杜絕代打卡、虛假打卡事件的發生。 同時防止外部人員進入施工現場，確保施工區域安全，實現線上線下同步管理。

3）借助智能電表實時記錄當月、今日、昨日用電量，進行實時用電成本監測和統計分析，同時對線纜溫度、線圈溫度及漏電電流進行監測并報警提醒，當線路上的剩余電路、溫度超過設定閾值，系統會自動報警，防止用電安全隱患事故發生。

6.3 三維可視化交底

傳統的技術交底只是通過施工方案與二維圖紙進行交底，趨于形式化，不夠簡單明確，大型橋梁設計結構復雜，現場實際操作人員文化水平不高，不能充分理解圖紙中各結構的空間關系，給現場管理帶來很多不便。

本項目拱肋線形要求高，且受到日照、溫差、風力等多重因素疊加影響，構件連接采用栓接，安裝容許偏差3mm，首節段安裝三維姿態精度保障是大橋成敗的關鍵，項目為克服此難題研發了多點約束支架與三維千斤頂組合精調裝備，然而設備為項目首創，拱肋與設備間的空間關系難以判別；且節段吊裝后需進行拱肋操作平臺吊裝，在平臺上進行高強螺栓安裝、包板焊接等，屬于高空、水上作業，安全風險極高。 如操作人員不能理解各結構的空間關系，導致節段在空中進行反復調整，甚至出現空間位置上的沖突，不僅耽誤施工進度，更容易發生安全事故。 運用BIM 技術建立三維模型（見圖15，16），將支架模型、操作平臺與拱肋模型結合，闡明各結構的空間關系，根據三維圖像對現場管理人員與作業人員進行可視化交底［9］，避免因操作人員無法辨別構件空間位置而產生安全風險。

圖15 拱肋支架模型Fig.15 The arch rib bracket model

圖16 拱肋操作平臺模型Fig.16 Model of the arch rib operating platform

7 研究效果

7.1 經濟效益

通過開展全裝配式臨時結構設計，有效保證了臨時結構現場質量，提升了施工效率，纜塔拼裝節約工期1 個月。 在后錨方面，采用重力錨＋巖錨的組合方式，每處錨碇設置5 根巖錨，安全系數為1.5，在同樣的安全系數下，減少了錨碇結構誤工量的15%，按照水平抗力等效替換的原則，大幅度降低了后錨工程量，節約了施工成本。 同時引入全自動大型臨時結構自動化監測系統，實現對橋梁長期穩定的在線監測，節約了大量的巡查人員成本，在設備投入方面，減少了現場全站儀設備投入，提高了拱橋現場管理效率，節約費用約68 萬元。

7.2 社會效益

1）在上承式拱橋中提出永久結構與裝配式臨時吊扣系統組合的標準化設計方法、全系統耦合受力分析方法、工廠化制造與裝配化安裝技術，顯著提升大型臨時結構的質量及安裝效率，減少了高空作業工程量，降低了高空作業風險。

2）采用“BIM＋物聯網”技術，有效提升了項目安全管理水平。 利用空間三維軟件進行拱肋吊裝空間模擬，分析操作可行性，提升方案可行性。 工序制造三維動畫，采用三維互動交底、全息投影、AR等技術，提高交底效果。 避免因設計不合理導致返工處理，大大減少工作量，提前識別大橋施工安全危險點，制定有效應對措施，提升大橋安全管控水平。

3）纜索吊研發全套自動化監測系統，將纜塔偏位、后錨滑移、關鍵結構部位應力、鋼絲繩索力、控制運行系統等進行數據化、可視化監測，實時掌握纜索吊運行狀態。 建立的安全預警監測平臺，可實現對德余高速烏江特大橋施工過程有效監控及管理，安全性評估，保障橋梁建造的順利進行，有效地降低結構安全風險。

8 結語

大跨度鋼管混凝土拱橋是融合懸索橋、斜拉橋的施工工藝，過程中涉及繁多，工序轉換復雜，過程控制的精度要求高、安全風險相比其他橋梁較高。該類型的橋梁施工，風險管控更多的是通過優化設計方案、合理的施工組織、施工方案、大型臨時結構的自動安全監測等方面來進行。 基于此，以貴州德余烏江特大橋為背景，系統梳理、分析了大橋的風險安全要點，并采取了有效措施進行應對，可為相似類型橋梁施工提供借鑒。