鋼箱系桿拱橋拼裝架設(shè)線形控制技術(shù)

蔣宗全，高金亮，唐繼舜，陳雙權(quán)，朱浩波，孔小青

(1.中國水電建設(shè)集團(tuán)，北京 100048;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031; 3.中國水利水電第十一工程局有限公司，鄭州 450001)

鋼箱系桿拱橋拼裝架設(shè)線形控制技術(shù)

蔣宗全1，高金亮2，唐繼舜2，陳雙權(quán)3，朱浩波1，孔小青3

(1.中國水電建設(shè)集團(tuán)，北京 100048;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031; 3.中國水利水電第十一工程局有限公司，鄭州 450001)

新建鐵路跨濟(jì)兗公路特大橋中的鋼箱系桿拱橋，為四線跨度96 m下承式簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋。本文結(jié)合該工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工環(huán)境特點(diǎn)，介紹鋼箱拱架設(shè)過程中線形控制的關(guān)鍵技術(shù)和主要架設(shè)過程，對(duì)新建鐵路橋梁采用大跨度鋼箱系桿拱橋有一定的借鑒作用。

鋼橋 系桿拱橋 橋梁架設(shè)

1 工程概況

跨濟(jì)兗公路特大橋中的鋼箱系桿拱橋是北京至上海新建鐵路中的一座重要橋梁，四線96 m的下承式簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋在國內(nèi)是首次采用。一次建成四線橋，中間雙線為高速正線，兩邊為聯(lián)絡(luò)線。本橋結(jié)構(gòu)體系分為鋼箱拱、鋼箱梁、拱肋橫撐、吊桿索及錨點(diǎn)構(gòu)造、兩端支座、兩端橫向限位裝置及現(xiàn)澆混凝土橋面板。主拱采用變截面鋼箱拱，拱肋理論拱軸線采用二次拋物線，實(shí)際拱軸線以折代曲，兩折線交點(diǎn)為吊索中心線與理論拱軸線交點(diǎn)，折線間采用圓弧過渡。矢跨比1∶5，矢高19.2 m，兩主拱間中心距11.68 m。鋼箱梁長98 m，跨徑96 m，拱腳處與主梁固結(jié)。兩拱肋通過5道鋼箱橫撐連接，吊桿索水平投影間距為5 m。拱肋為箱形截面，箱寬1.2 m，高度由跨中處2.8 m變化至拱腳處5.5 m。主梁采用梁高3 m等截面單箱9室截面，頂寬25.7 m，底寬22.5 m，橋面采用正交異性板構(gòu)造。該橋位于濟(jì)南市西南，12#－13#跨越濟(jì)兗公路和高速公路的匝道，13#－14#跨越京福高速公路匝道，由于橋下凈空較小，所以本橋采用支架原位拼裝施工方案，鋼箱梁在支架原位拼裝架設(shè)，鋼拱肋在鋼箱梁上拼裝架設(shè)。

2 鋼箱系桿拱橋總體施工安排

鋼箱系桿拱橋的橋面鋼箱梁、鋼箱拱采用支架原位拼裝的施工方法?？紤]場(chǎng)地運(yùn)輸能力、起吊設(shè)備等因素，對(duì)全橋進(jìn)行對(duì)稱劃分，橋面鋼箱梁縱向分為11.5 m+15×5.0 m+11.5 m共17段，鋼箱拱分為11段。由于濟(jì)兗公路路面太寬，橋下凈空不高，結(jié)合橋面鋼箱梁的設(shè)計(jì)分段，充分利用鋼箱梁自身的剛度，鋼箱梁的拼裝采用在臨時(shí)支架上原位拼裝。在12#，13#，14#墩間設(shè)置臨時(shí)施工支架(圖1)，施工支架采用大直徑鋼管，基礎(chǔ)為混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)。先在臨時(shí)支架上從12#，13#，14#墩依次拼裝橋面鋼箱梁。橋面鋼箱梁拼裝完成后，在橋面上搭設(shè)拱肋支架，在拱肋支架上從拱腳往跨中逐段拼裝鋼箱拱、橫撐。

整個(gè)鋼箱系桿拱橋全部采用大噸位汽車吊進(jìn)行拼裝。在拼裝過程中臨時(shí)交替封閉濟(jì)兗公路部分車道。鋼箱梁用平板車運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)后，直接在平板車上檢查，合格后用大噸位汽車吊直接提升架設(shè)。為保證鋼箱系桿拱橋施工過程中濟(jì)兗公路的暢通無阻，在施工區(qū)域下面設(shè)置防護(hù)裝備，凈空高度≥5.5 m。該鋼箱系桿拱橋支架原位拼裝方案對(duì)橋下行車影響小，臨時(shí)設(shè)備工程量小、不破壞現(xiàn)有公路路面、充分利用本橋兩邊的土地、工期快。

圖1 鋼箱系桿拱橋支架布置(單位:m)

3 鋼箱系桿拱橋施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 橋面鋼箱梁架設(shè)

橋面鋼箱梁的拼裝在臨時(shí)支架上進(jìn)行，采用先橫向后縱向的拼裝連接方式(圖2)。橋面鋼箱梁的線形主要考慮縱向坡度1.35%、設(shè)計(jì)預(yù)拱度及施工預(yù)拱度。本工程橋面鋼箱梁采用支架原位拼裝施工，公路上地基承載力較高，但公路邊上綠化帶的地基未進(jìn)行預(yù)壓，地基處理不徹底，地基的變形量和支架的變形量直接影響橋面鋼箱梁的線形。因此，如何設(shè)置好施工預(yù)拱度，控制橋面鋼箱梁的線形是施工中的一個(gè)關(guān)鍵。

圖2 橋面鋼箱梁架設(shè)

施工預(yù)拱度的設(shè)置考慮施工支架的變形、鋼箱梁與支柱端頭木質(zhì)墊塊的變形、地基變形。其中支架的彈性變形δ1按照理論計(jì)算得出，鋼箱梁自重下的地基彈性變形δ2通過在施工前的預(yù)壓及卸載試驗(yàn)中實(shí)測(cè)得出，還需考慮地基的滯后非彈性變形δ3，鋼箱梁與支柱端頭木質(zhì)墊塊的彈性變形δ4可計(jì)算得出，隨著荷載變化的非彈性變形δ5通過試驗(yàn)得出。故施工預(yù)拱度δ=δ1+δ2+δ3+δ4+δ5。根據(jù)理論和沉降觀測(cè)結(jié)果分析，最終確定主跨施工預(yù)拱度設(shè)置:公路上標(biāo)準(zhǔn)段為4 mm，綠化帶上標(biāo)準(zhǔn)段為7 mm，拱腳段10 mm。主橋?qū)嶋H拼裝后的高程與設(shè)計(jì)值偏差在+5～－3 mm范圍內(nèi)，預(yù)拱度設(shè)置基本合理。

3.2 鋼箱拱架設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

橋面鋼箱梁拼裝完成之后，在橋面上搭設(shè)拱肋支架，6個(gè)支架均布置在拱肋分段的接縫處。在拱肋支架上分段拼裝拱肋、橫撐，并按從拱腳到拱頂?shù)捻樞驅(qū)ΨQ拼裝，直至拱肋合龍(圖3)。

圖3 鋼箱拱架設(shè)

由于鋼箱拱實(shí)際不同時(shí)拼裝，在各種因素的綜合作用下，南北兩側(cè)鋼箱拱前段的位移是不對(duì)稱的，造成拱肋中心線偏離理論中心線且同里程處拱肋的橫向距離與理論值也有誤差。拱肋中心線偏離太大將造成合龍口的橫向錯(cuò)位而合龍困難，橫向距離誤差過大將造成永久橫撐的安裝困難，對(duì)拱肋的合龍和受力產(chǎn)生不利影響。因此，必須嚴(yán)格控制兩片拱肋間橫向位移誤差在允許的范圍內(nèi)。本橋采用在兩段拱肋間及時(shí)安裝橫撐，確保兩片拱肋橫橋向的相對(duì)位置。同時(shí)通過在拱肋支架頂端設(shè)置的水平千斤頂，在必要時(shí)用來調(diào)整拱肋中心線的偏差。

鋼箱拱采用先栓后焊的連接方式。在拱肋拼板孔對(duì)齊的情況下，兩段拱肋連接處僅有很小的豎向調(diào)整量，且拱端高程的偏差是與里程成線性放大的規(guī)律。整個(gè)鋼箱拱拼裝過程中必須嚴(yán)格控制相同工況下兩片拱肋的高程，一旦超出規(guī)范要求，必須通過相關(guān)措施進(jìn)行調(diào)整，將兩片拱肋的高差控制在10 mm內(nèi)。

由于拱肋實(shí)際上的不對(duì)稱施工，同側(cè)兩片拱肋前端的扭轉(zhuǎn)角不完全相同，為防止合龍時(shí)出現(xiàn)“麻花”現(xiàn)象，需要在拱肋施工過程中逐步調(diào)整拱肋端口的扭轉(zhuǎn)角。本橋從G1段拱肋安裝開始調(diào)整端口的扭轉(zhuǎn)角，通過施工支架頂端的水平千斤頂橫向頂推，實(shí)現(xiàn)拱肋截面扭轉(zhuǎn)角的控制。

3.3 非線性和溫度的影響

在拱肋拼裝過程中，鋼箱拱最大懸臂的水平長度只有45 m，拱肋支架的非線性影響很小，且是在中跨鋼箱梁合龍后要拆除的臨時(shí)結(jié)構(gòu)，因此，不考慮施工支架非線性影響。計(jì)算表明系桿拱橋拱肋受不均勻溫度場(chǎng)影響較明顯，而受系統(tǒng)溫度變化的影響不大。而在拱肋施工期間，濟(jì)南有較強(qiáng)的日照影響，因此必須考慮拱肋節(jié)段坐標(biāo)隨溫度影響的修正，并在合龍時(shí)考慮溫度變化對(duì)合龍口距離的影響。

3.4 鋼箱系桿拱橋的焊接

橋面鋼箱梁橫向和縱向分塊較多，鋼箱拱分為11段。各梁段間采用栓焊連接，橋面鋼箱梁頂板采用焊接，腹板、底板、加勁肋等采用栓接;鋼箱拱腹板和頂?shù)装鍨楹附?，加勁肋為栓接。梁段間的對(duì)接焊縫的收縮量很難控制，各條對(duì)接焊縫變形量的累積比較大，對(duì)鋼箱系桿拱橋總長和受力也有影響。因此鋼箱系桿拱橋的焊接，必須特別注意焊接工藝和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。

本橋采用陶質(zhì)襯墊單面焊雙面成型焊接工藝確保焊縫質(zhì)量。為保證焊接接頭的韌性，焊接宜采用小電流，多道焊的方法;根部焊道可適當(dāng)加大電流，以確保有足夠的熱量輸出，保證熔深并防止裂紋發(fā)生。焊接次序根據(jù)對(duì)稱原則，以免發(fā)生嚴(yán)重焊接變形。鋼箱梁采用橫橋向從中間到兩邊，順橋向從跨中到兩端，每道焊縫均為從中間到兩頭的焊接順序。用火焰矯正梁段對(duì)接鋼板的錯(cuò)邊量，定位馬板，打磨焊縫口，焊縫背面貼陶質(zhì)襯墊。用CO2自動(dòng)焊打底施焊及進(jìn)行填充施工焊。需要預(yù)熱時(shí)，預(yù)熱一定要充分，焊縫兩側(cè)50 cm范圍內(nèi)的任意測(cè)點(diǎn)均達(dá)到要求時(shí)即可進(jìn)行焊接。所有焊縫均需經(jīng)過探傷檢查，合格后方可進(jìn)行下一步施工。

鋼箱拱吊裝完GJ，G1，G2，G3，G4段后，測(cè)量鋼箱拱中心線、高程、長度及端口扭轉(zhuǎn)情況等，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)做比較分析。對(duì)有出入處，通過調(diào)節(jié)梁段端口間隙，修正其超差部分，調(diào)整好線形后對(duì)鋼箱拱進(jìn)行焊接。本橋鋼箱梁的焊接施工在冬季，濟(jì)南冬季的氣溫低于焊接要求的最低溫度5℃，且風(fēng)比較大。因此在焊接部位周圍設(shè)置保溫棚和加熱設(shè)備，以減少溫度和大風(fēng)天氣對(duì)焊接施工的影響。

3.5 合龍段的施工技術(shù)

在拱肋合龍前，對(duì)全拱肋線形進(jìn)行測(cè)量。為使合龍能夠順利進(jìn)行并使結(jié)構(gòu)內(nèi)力合理，在合龍段兩邊的支架頂端設(shè)置豎向及橫向千斤頂，調(diào)整合龍口兩側(cè)鋼箱拱的位移和轉(zhuǎn)角，使合龍口兩端的高程偏差、橫向偏差、扭轉(zhuǎn)角偏差在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)。合龍段拱肋拼接板采用一端工廠鉆孔，另一端根據(jù)合龍時(shí)的實(shí)際距離現(xiàn)場(chǎng)鉆孔。

工廠制造時(shí)考慮到鋼箱梁的制造、測(cè)量、安裝誤差，焊接收縮變形及溫差等因素的影響，合龍段兩邊各增加15 cm的富余長度作為現(xiàn)場(chǎng)配切。合龍段施工的前7 d進(jìn)行氣溫觀測(cè)，掌握氣溫變化對(duì)鋼箱拱線形的影響規(guī)律，以確定最佳合龍時(shí)刻。選擇與合龍氣溫差不多時(shí)分，測(cè)量南北兩側(cè)鋼箱拱前端4個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)，以便對(duì)合龍段進(jìn)行長度修正，現(xiàn)場(chǎng)切割、做坡口。

12#－13#跨現(xiàn)場(chǎng)合龍?jiān)?月13日，夜間最低溫度在2℃，13#－14#跨在4月23日，夜間最低溫度6℃，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)合龍溫度20℃。合龍溫度的降低除了會(huì)使高程發(fā)生變化外，還將引起鋼箱拱的內(nèi)力變化。在拱肋合龍端口上下緣設(shè)置千斤頂調(diào)整內(nèi)力:上下兩個(gè)千斤頂中心距2.9 m，12#－13#端口上緣理論頂推力1 960 kN，下緣理論頂推力2 070 kN;13#－14#端口上緣理論頂推力153 kN，下緣理論頂推力161kN，使合龍后主拱的內(nèi)力和線性符合設(shè)計(jì)要求。最終鋼箱拱的實(shí)測(cè)高程達(dá)到了要求，但實(shí)際頂推力比理論計(jì)算值小，鋼箱拱的內(nèi)力與設(shè)計(jì)相比有所偏差。

拱肋于2010年4月合龍，12#－13#墩間拱肋合龍段高差9 mm，軸線偏差8 mm;13#－14#墩間拱肋合龍段高差7 mm，軸線偏差4 mm，均滿足合龍要求。

4 結(jié)語

跨濟(jì)兗公路特大橋中的鋼箱系桿拱橋是京滬新建鐵路中的一個(gè)控制工程，在橋梁工程技術(shù)方面有一定的挑戰(zhàn)性。該工程引進(jìn)了大量的國外新建鐵路施工的新標(biāo)準(zhǔn)、新技術(shù)、新檢測(cè)方法。鋼箱系桿拱橋的施工成為該鐵路施工的關(guān)鍵工點(diǎn)之一，該項(xiàng)工程的施工經(jīng)驗(yàn)也是新建鐵路橋梁施工的技術(shù)積累。實(shí)踐表明針對(duì)本橋的特點(diǎn)，對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)所采取的這些措施切實(shí)可行。本橋于2010年4月合龍，該工程實(shí)例對(duì)今后類似橋梁的施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

［1］中華人民共和國鐵道部.鐵建設(shè)［2007］47號(hào)新建時(shí)速300～350公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定［S］.北京:中國鐵道出版社，2007.

［2］中華人民共和國鐵道部.TZ213—2005客運(yùn)專線鐵路橋涵工程施工技術(shù)指南［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［3］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.2—2005鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［4］譚康榮.武廣客運(yùn)專線東平水道橋三主桁鋼桁拱架設(shè)的技術(shù)創(chuàng)新［J］.鐵道建筑，2010(1):71-74.

［5］宋暉，葉梅新.重慶菜園壩長江大橋提籃鋼箱拱施工工藝［J］.橋梁建設(shè)，2005(6):52-55.

U448.22+5

B

1003-1995(2011)02-0036-03

2010-08-19;

2010-11-15

蔣宗全(1963—)，男，四川綿陽人，教授級(jí)高工。

(責(zé)任審編 趙其文)