拱橋鋼－混凝土連接段鋼帽定位精度控制技術(shù)

吳 明

(中鐵二局股份有限公司，四川成都610031)

1 工程概況

1.1 橋梁概況

南寧大橋由跨越邕江的主橋、南北兩岸引橋、引道及附屬工程組成，路線設(shè)計總長1 314.773 m。橋梁總長734.502 m，由3×46 m+50 m+300(300.502)m+50 m+4×46 m跨組成，其余為引道路基，橋面及路基寬度均為35 m，雙向六車道。主橋為大跨徑曲線梁非對稱外傾拱橋，單孔跨度300 m，由兩條不對稱外傾斜拱肋、橋面曲線梁、傾斜的吊桿及橋面系桿組成如圖1。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計概況

圖1 橋梁立面布置

主橋拱肋由混凝土拱肋段、鋼－混凝土結(jié)合段以及鋼箱拱肋段三部分組成，東西兩拱肋向外非對稱傾斜?；炷凉袄叨问卿撓涔袄叩闹谓Y(jié)構(gòu)，鋼箱拱肋與混凝土拱肋的連接段為鋼混凝土連接過渡段，是為保證拱肋多次應(yīng)力擴散的設(shè)計結(jié)構(gòu)，同時能保證拱肋應(yīng)力均勻、有效過渡。在混凝土拱肋段頂部，設(shè)置封頭端板、開孔板連接件等構(gòu)成的鋼帽結(jié)構(gòu)，鋼帽為10.01 m×7.5 m×0.56 m的框架復(fù)合結(jié)構(gòu)。在封頭端板上，設(shè)置混凝土振搗孔，確保混凝土拱肋段頂部的混凝土能澆筑密實。在鋼混凝土接合面處，混凝土拱肋的高度、寬度均比鋼箱拱每邊增大46 mm，是為確保在鋼箱拱1號節(jié)段吊裝后，可以進行適當(dāng)微調(diào)，以補償混凝土拱肋澆筑時可能產(chǎn)生的誤差。鋼混凝土連接過渡段結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 總體施工順序

鋼帽由鋼拱肋廠家在工廠內(nèi)與鋼箱拱一號節(jié)段同步匹配整體制造，鋼帽工廠制造并經(jīng)檢驗合格后，用船運至工地現(xiàn)場進行安裝。

為保證拱肋鋼－混凝土連接段安裝精度及質(zhì)量，同時避免鋼箱拱1號節(jié)段與鋼帽焊接時對混凝土產(chǎn)生不良影響，拱肋鋼－混凝土連接段封頭板鋼帽利用臨時架空索道整體吊裝安裝。鋼帽整體安裝提前預(yù)埋在前一段混凝土拱肋內(nèi)的勁性骨架上，在勁性骨架上設(shè)置鋼帽找平角鋼及鋼帽定位角鋼以及限位裝置，鋼帽安裝就位后利用鏈條葫蘆及千斤頂對鋼帽進行精確調(diào)整就位。

圖2 鋼混凝土連接過渡段結(jié)構(gòu)

鋼帽精確就位后，將鋼帽與勁性骨架焊接后，安裝鋼箱拱肋1號段，1號段與鋼帽匹配件連接后，安裝及張拉1號段扣索并調(diào)整后松吊，然后焊接鋼帽與1號段環(huán)焊縫。最后進行混凝土拱肋最后一節(jié)段混凝土以及鋼拱肋內(nèi)小立柱混凝土澆筑的施工方法進行施工，在混凝土澆筑完成并達到強度要求后進行拱肋預(yù)應(yīng)力的張拉施工。

3 拱肋鋼筋安裝

混凝土拱肋鋼筋設(shè)計安裝高度為鋼帽封頭板下底面，故為保證鋼帽安裝的順利進行，拱肋最后節(jié)段鋼筋安裝時，只先安裝縱向鋼筋，其余箍筋在鋼帽安裝就位后方可安裝。同時由于鋼帽內(nèi)開孔板的安裝，拱肋縱向鋼筋在鋼帽安裝時將與開孔板相沖突，故為確保鋼帽安裝順利，拱肋縱向鋼筋安裝時必須通過現(xiàn)場放樣，將縱向鋼筋通過定位鋼筋將每根縱向鋼筋進行定位。

4 勁性骨架補強設(shè)計

考慮勁性骨架與鋼帽焊接工藝以及鋼帽安裝后與鋼箱拱1號段焊接對局部混凝土的不良影響，設(shè)計將鋼箱拱1號節(jié)段安裝完成后方可澆筑混凝土拱肋最后段及小立柱混凝土，由于1號節(jié)段重量最大為218 t，那么原設(shè)計勁性骨架受力工況將大大改變。為保證一號節(jié)段安裝精度以及為確保勁性骨架在鋼箱拱1號段安裝后的強度、剛度及穩(wěn)定性，設(shè)計根據(jù)各種受力工況對原勁性骨架及鋼帽過渡段進行結(jié)構(gòu)計算，確定將混凝土拱肋最后一段澆筑面安排在距鋼帽理論頂面1.44 m處，勁性骨架懸臂長度為0.4 m，勁性骨架主弦桿角鋼由原來的∠100×10加強為∠160×14角鋼。為保證鋼帽安裝精度，在勁性骨架頂端設(shè)置∠160×14找平角鋼以及∠75×6粗定位角鋼，以方便鋼帽安裝時的定位。鋼帽勁性骨架補強結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鋼帽勁性骨架補強結(jié)構(gòu)

5 鋼帽吊裝

鋼－混凝土連接段鋼帽封頭板由原來的30 mm變更為40 mm后，其單件總重達16.67 t(包含焊縫重量，按總重的1.5%考慮)，外形尺寸較大，采用船運到工地橋位下，利用纜索吊機主索道的一個起重小車進行整體吊裝施工。鋼帽安裝需準確調(diào)整其空間姿態(tài)進行定位。

為控制吊裝時封頭板鋼帽撓度變形，在原設(shè)計中，鋼帽N1板由3 cm后變更為4 cm。起吊時最適宜的吊點是保證鋼帽自重產(chǎn)生的正負彎矩能夠相互抵消，通過計算，吊點距中心的距離為3.08 m(四個吊點均在鋼帽10.1 m長邊上)。按最不利考慮，即鋼帽斷面不計加勁肋板和扣除494×530及460×530空腔部分，計算模型按簡直梁考慮，長邊方向吊點距離6.16 m，撓度僅為0.338 mm;短邊方向計算跨度按6.64 m計算，撓度只為0.459 mm。通過分析，直接吊裝(不加任何輔助設(shè)施)鋼帽，不會造成其產(chǎn)生較大的變形。

鋼帽吊裝時，加工四根長度為2 m的吊索，其中一根千斤繩用卸扣與起吊點、纜索吊機起重小車下掛連接(圖4中L1)。其余三根吊索(圖6中L2、L3、L4)分別穿過吊點孔，與三個5 t鏈條滑車相連牢固的掛在起重小車下掛上，吊索采用Φ22 mm鋼絲繩制作(其破斷拉力為19.4 t，安全系數(shù)為6.23)。鋼帽起吊方式如圖4所示，圖中未示鋼帽吊裝臨時加固措施。

圖4 鋼帽起吊示意

鋼帽上有Φ80 mm的透氣兼振搗孔，千斤繩從該孔中穿過，孔下通過Φ40 mm的鋼銷固定，鋼銷與千斤繩之間必須栓緊，一個鋼銷容許抗剪力為27.6 t。

鋼帽起吊后，操作人員在測量人員的指揮下，利用三個鏈條滑車調(diào)節(jié)鋼帽的空間位置。

6 鋼帽的精確定位

找平角鋼用以初步確定鋼帽沿拱軸線標高，定位角鋼初步確定鋼帽在垂直拱軸線平面的平面座標。在找平角鋼上預(yù)先設(shè)置千斤頂反力架，通過使用千斤頂對鋼帽堅向(沿拱軸線方向)及橫向(沿拱軸線平面方向)進行空間位置座標的精確調(diào)整，保證鋼帽安裝時的空間位置精度要求。在找平角鋼上共設(shè)置了十三個位置橫向調(diào)整點，鋼帽調(diào)整至空間坐標后，通過加墊鋼板等材料將鋼帽臨時定位，然后將鋼帽與勁性骨架多點對稱焊接連接后方可拆除千斤頂。鋼帽堅向調(diào)整同樣通過堅向安裝千斤頂進行調(diào)整。鋼帽精確定位機構(gòu)如圖5所示。

鋼帽吊裝時通過定長吊索大概調(diào)整至空間原位后，安裝放置于拱肋施工勁性骨架頂端設(shè)置的找平及定位角鋼上，然后通過多次調(diào)整將鋼帽精確調(diào)整至空間位置后，將鋼帽與勁性骨架進行焊接連接。

7 勁性骨架與鋼帽焊接

圖5 鋼帽精確定位機構(gòu)

由于勁性骨架為角鋼結(jié)構(gòu)，鋼帽為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，為確保鋼帽安裝就位并在一號節(jié)段安裝后的空間位置精度，鋼帽在安裝定位后需及時與勁性骨架焊接連接。為確保焊接的后鋼帽的空間位置精度，鋼帽與勁性骨架焊接采用CO2氣體保護焊多方位多點對稱焊接的方法。

由于鋼帽內(nèi)開孔板布置較多，鋼帽與勁性骨架焊接采用開孔板與勁性骨架頂端定位角鋼焊接的方式進行，每塊開孔板與定位角鋼接觸處均采用CO2氣體保護焊焊接。

8 鋼拱肋1號段安裝

為確保鋼箱拱一號節(jié)段與鋼帽對接焊接時對鋼－混凝土結(jié)合段混凝土不產(chǎn)生燒傷等破壞，在鋼－混凝土結(jié)合段鋼帽安裝就位后先安裝鋼箱拱肋1號段，與鋼帽焊接對接后再進行鋼－混凝土結(jié)合段自密實混凝土的灌注的方法施工。

安裝順序為:拱節(jié)段運輸就位→拱節(jié)段吊裝就位→匹配件安裝定位→拱節(jié)段與鋼帽對接焊→下步工序作業(yè)。

鋼箱拱吊裝采用臨時架空索道吊裝施工，由于1號段重量較大、傾斜角度較大，吊裝前先在翻身平臺的翻身胎架上將鋼箱拱翻身至橋位角度后，再利用臨時架空索道進行吊裝施工，由于1號段軸線與架空索道平面交叉，故需利用側(cè)向纜風(fēng)索進行空中角度的調(diào)整，1號段吊裝就位后先將臨時匹配件連接好，安裝1號段扣索，扣索安裝好后拆除吊具，測量及監(jiān)控單位對鋼箱拱全過程監(jiān)控并同時進行調(diào)整，就位后在混凝土拱肋現(xiàn)有支架平臺上進行1號段與鋼帽的焊接。

在鋼帽與鋼箱拱1號段精確定位并固定好后，進行1號段與鋼帽的對接焊接。為保證焊接變形得到有效控制，焊接時根據(jù)焊接工藝評定試驗相關(guān)數(shù)據(jù)進行作業(yè)，焊接時必須采用對稱焊接的方法進行施工，嚴禁采用單數(shù)量焊機非對稱焊接操作。

9 鋼混連接段混凝土澆筑

鋼拱肋內(nèi)設(shè)置了28個混凝土小立柱，鋼混連接段鋼帽高0.56 m，混凝土14.8 m3，鋼帽以下混凝土拱肋最后澆筑節(jié)段高0.84 m，混凝土23.5 m3。過渡段混凝土為C60自密實混凝土，在鋼構(gòu)件安裝后，進行混凝土澆筑，澆筑混凝土?xí)r通過布設(shè)的振搗孔進行混凝土搗固，確?；炷撩軐嵭?。

由于鋼帽封頭板的安裝，鋼帽及鋼帽以下拱肋混凝土將無法從端頭順利進行灌注。另外，鋼箱拱內(nèi)混凝土小立柱頂面安裝有預(yù)應(yīng)力錨具，混凝土從頂面下料也很困難。為保證連接段混凝土的澆筑以及確?；炷临|(zhì)量，布料孔布置在鋼帽的封頭端板上，利用封頭鋼板上的部分Φ80 mm振搗孔，采用氧割將孔擴大為Φ120 mm，作為混凝土布料孔。

由于混凝土澆筑面為傾斜面，與水平面傾角最大為52°，故混凝土澆筑總體按由低到高的順序進行，即從拱底外腹板開始澆筑，最后結(jié)束于拱頂內(nèi)腹板。待混凝土強度達到設(shè)計強度的100%后，進行28個小立柱的預(yù)應(yīng)力張拉。至此，拱肋鋼混連接段施工完成。

10 結(jié)語

南寧大橋共四個鋼帽，其安裝誤差均在允許范圍之內(nèi)，為鋼箱拱肋1號段的精確定位提供了保證，為類似橋梁施工提供了借鑒。

［1］湯國棟.拱式橋梁的新進展——成渝公路內(nèi)江提籃拱橋建成［J］.成都科技大學(xué)學(xué)報，1996(2)

［2］陳寶春.鋼管混凝土拱橋設(shè)計與施工［M］.北京:人民交通出版社，1999