大噸位塔機懸臂拼裝上承式拱橋勁性骨架施工技術(shù)

馮文山

( 中鐵十四局集團 第五工程有限公司，山東 兗州 272117)

0 引言

隨著國內(nèi)以客運專線鐵路和高速鐵路為代表的鐵路建設(shè)的迅速發(fā)展，線路對于線下工程的沉降和剛度要求越來越高，鋼管混凝土拱橋以其剛度大、沉降少等顯著特點在鐵路建設(shè)中得到了部分應(yīng)用。根據(jù)鋼管混凝土在發(fā)揮材料和施工作用，鋼管混凝土拱橋分為兩大類別，一類內(nèi)灌混凝土，即鋼管表面裸露，與核心混凝土共同作用作為結(jié)構(gòu)的主要受力部分組成稱之為鋼管混凝土拱橋( Concrete Filled Steel Tubular Arch Bridge) 。另一類是內(nèi)灌注混凝土成鋼管混凝土后在掛模板外包混凝土形成斷面，鋼管材料可參與建成后的受力，但不是使用荷載控制，而是施工荷載控制［1］，稱之為鋼管混凝土勁性骨架拱橋( Steel Tube Concrete Arch Bridge) 。由于鐵路活載的特點，上承式拱橋多采用鋼管混凝土勁性骨架式。向莆鐵路尤溪大橋即是此類橋梁的一個典型例子。

1 工程概況

尤溪大橋設(shè)計孔跨布置形式為1 -24 m 簡支T 梁+1 -140 m 上承式拱橋+1 -32 m 簡支T 梁。橋址處地貌屬于剝蝕性底山區(qū)，地勢陡峭，自然坡度為35° ～55°。低山區(qū)間谷底，河谷深切，現(xiàn)為水庫，跨越處河床寬度為114 m，兩岸大部分基巖出露，橋臺山體陡峭，植被發(fā)育，主要為樹木與叢林，橋位處尤溪水面開闊，河道順直，水流緩慢，設(shè)計為Ⅵ級航道。拱肋為勁性骨架鋼筋混凝土X 形拱，拱頂處拱肋中心距為5．6 m，拱腳處拱肋中心距為11．4 m，拱頂內(nèi)傾2．9 m。其傾角為5．37°，拱肋計算跨徑140 m，計算矢跨比1/4．516，拱肋平面矢高30．864 m，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數(shù)m = 2．514。

2 勁性骨架拼裝方案選擇

勁性骨架拱橋施工主要施工方法有支架施工法、纜索吊裝法、平轉(zhuǎn)法、豎轉(zhuǎn)法以及幾種方法綜合應(yīng)用的施工方法。因尤溪大橋跨越130 m 左右寬度的水庫，支架施工方法難度較大。從現(xiàn)場地形地貌分析，勁性骨架拱角的中心標高在庫區(qū)水面以下，加之兩側(cè)上坡陡峭，沿橋方向施工場地極其狹窄，前期考察工地基本排除了平轉(zhuǎn)和豎轉(zhuǎn)施工方法。若采用纜索吊，安裝位置處于隧道口上方半山腰位置，纜索吊的后錨施工和構(gòu)件的拼裝難度大，施工周期長，且進入尤溪大橋施工道路曲折，大型運輸車輛無法通行，整體節(jié)段無法組裝和運輸。尤溪庫區(qū)為Ⅵ級航道，纜索吊垂直起降，需要在橋址水域水面搭設(shè)承受不少于55 t的水中移動平臺，與航道部門多次聯(lián)系，因牽涉安全原因，終未達成協(xié)議。

簽于以上情況，經(jīng)多次專家論證和評審，最終采用施工方案為:采用大噸位( D1100-63) 的塔機進行勁性骨架的單肢分段安裝，千斤頂斜拉扣掛法懸臂拼裝成拱方案，同時后續(xù)以塔機為吊裝主體，直至成橋。

3 塔機懸臂拼裝上承式勁性骨架方案和施工工藝

3．1 施工總體布置

塔機懸臂拼裝鋼管勁性骨架的關(guān)鍵技術(shù)主要為，塔機的選擇與骨架階段的劃分，千斤頂斜拉扣掛設(shè)計，一次性張拉扣鎖計算與分析。其總體布置圖見圖1 所示。

圖1 施工總體布置圖

3．2 塔機的選擇與骨架階段的劃分

尤溪大橋勁性骨架跨度為140 m，總質(zhì)量約460 t，考慮塔機吊裝合龍，塔機臂長不小于70 m。結(jié)合道路運輸和地形條件，綜合塔機市場情況分析，本著盡量減少骨架分段，節(jié)約費用為原則，最后選定D1100-63 型塔機。勁性骨架考慮安裝和合龍精度在塔機的起重曲線內(nèi)采用單肢分段吊裝。共分為13 個階段，即兩側(cè)各為6 個，合龍節(jié)1 各。

3．3 千斤頂斜拉扣掛施工技術(shù)

3．3．1 扣錨系統(tǒng)

(1) 扣塔的構(gòu)造。利用拱座墩預(yù)埋鋼板，焊接Φ50 壁厚為δ8 mm 鋼管支架作為扣塔使用，扣塔高度為8 m，之間采用Φ24．5 鋼管連接?？鬯敳吭O(shè)置錨梁和錨箱，用于張拉扣掛拱肋。具體形式見圖2。

(2) 前扣鎖和后錨索布置。通過計算，半跨拱肋設(shè)置錨索為10 組，以拱肋中心對稱布置?？坻i的錨固段設(shè)置在拱肋扣點上，張拉段設(shè)置在扣塔頂部扣錨梁上。后錨索錨固段設(shè)置在隧道洞內(nèi)仰拱上，張拉段同樣設(shè)置在扣塔頂部扣錨梁上，與前扣鎖對稱設(shè)置。張拉段采用自錨式夾片錨，錨固段采用群錨夾片工作錨并設(shè)置推壓板。具體布置形式見圖2 扣塔設(shè)計圖。

(3) 扣鎖和扣點［2］。扣鎖主要采用Φ15．24( R = 1 860 MPa) 低松弛高強度鋼絞線線束組成，半跨拱肋分10 組，左右兩片單肢對稱布置。根據(jù)拱肋懸拼各施工節(jié)段工況受力計算，確定扣鎖鋼絞線的布置。為減少傳統(tǒng)的扣點由于焊縫過多給主結(jié)構(gòu)帶來的不利影響，吊段斜拉扣索的扣點采用在上弦鋼管上設(shè)置的鋼錨梁，連接吊裝主拱肋與扣索。鋼錨梁通過拱肋的節(jié)點板支承拱肋，并以銷軸與拱肋節(jié)點板的綴板臨時連接，鋼錨梁采用2［32c。

(4) 后錨系統(tǒng)。結(jié)合本橋設(shè)計中對陡邊坡的處理方案，采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索加錨梁的主錨碇施工技術(shù)。錨索作為主要受力構(gòu)件，通過固定錨梁，直接平衡錨索的拉力。為了避免集中受力及便于施工操作利用兩側(cè)隧道仰拱作為后錨。

3．3．2 一次張拉扣鎖法［3］

圖2 扣塔設(shè)計圖

扣鎖一次性張拉的施工方法，即拱肋在施工中不要張拉和松弛扣鎖來調(diào)整骨架的拼裝線性，且各扣鎖的索力相對均勻，是一種理想的施工方法，將成為鋼管混凝土拱橋千斤頂鋼絞線斜拉扣掛施工方法的新趨勢。該方法關(guān)鍵技術(shù)在每段拱肋吊裝之前，預(yù)先準確計算拱肋控制點的預(yù)臺高值和扣鎖的索力，可以采用大型有限元程序MIDAS 進行非線性計算，計算過程從略。

3．4 拱肋拼裝施工工藝［4］

(1) 拱肋第1 節(jié)段安裝。拱肋支架拼裝完成，第1 節(jié)段運至設(shè)計位置。將已穿好的滑車組掛到節(jié)段的扣點上，收緊滑車組。調(diào)整吊點高度，使鋼管拱接近設(shè)計標高，用倒鏈調(diào)整位置，將節(jié)段拱腳端穿入拱座預(yù)埋鋼管內(nèi)，使拱腳相對固定到設(shè)計位置。在確保拱肋已受力后，確認無誤后拆除吊點。用千斤頂調(diào)整拱肋至設(shè)計標高，使拱軸線形滿足設(shè)計要求。

(2) 拱肋第2 節(jié)段安裝。第2 節(jié)段到達預(yù)安裝位置后，調(diào)整吊點的高度，在倒鏈配合下，使其和拱腳節(jié)段接頭法蘭能穿過螺栓。先用普通螺栓逐孔對位連接，待全部對位后，利用預(yù)先準備好的調(diào)整楔塊( 鋼板加工) 填塞法蘭間隙，再用高強螺栓逐一抽換，高強螺栓扭力采用扭力扳手進行控制。

(3) 拱肋第3 節(jié)段安裝。第3 節(jié)段到達預(yù)安裝位置后，調(diào)整吊點的高度，在倒鏈配合下，使其和拱肋第2 節(jié)段接頭法蘭能穿過螺栓。用吊籃將已穿好的扣索掛到節(jié)段扣點上，并用卷揚機進行預(yù)收，接近設(shè)計拱軸線及標高后改用倒鏈調(diào)整到監(jiān)控單位提供的位置。先用普通螺栓逐孔對位連接，待全部對位后，利用預(yù)先準備好的調(diào)整楔塊( 鋼板加工) 填塞法蘭間隙，再用高強螺栓逐一抽換，高強螺栓扭力采用扭力扳手進行控制。用千斤頂張拉臨時扣索和錨索，再調(diào)整至設(shè)計標高，使拱軸線形滿足設(shè)計要求。在確保扣索及錨索均已受力后，確認無誤后拆除吊點，繼續(xù)退繩至吊點不受力，從而完成吊、扣轉(zhuǎn)換。

(4) 第4 至第6 節(jié)拱肋安裝。吊裝方法相同，扣索為鋼絞線組;扣索用工作吊籃將鋼絞線束運至扣點位置，在相應(yīng)的位置安裝和固定錨梁，連接后先用卷揚機將鋼絞線張拉端牽引到張拉錨梁處，穿索并用24 t 千斤頂在拱肋錨梁處進行預(yù)收，以保證鋼絞線的受力均勻，再用群錨千斤頂整體張拉?？鬯鲝埨瓡r，主要以拱軸線和標高進行控制，張拉力按設(shè)計值進行控制。以骨架的標高和預(yù)留位移量進行最終控制。

(5) 拱肋合龍段第7 節(jié)段安裝。合龍前通過扣鎖和風(fēng)纜，對拱肋進行線性、標高的調(diào)整，并根據(jù)需要通過有線元模型對溫度進行修正，設(shè)計合龍溫度為20 ℃。合龍段運至跨中位置時，在兩相鄰段上端設(shè)兩臺倒鏈，然后起重繩徐徐下降，下降過程中逐步收緊倒鏈，確保合龍段不碰撞已安裝段，當合龍段降至比控制標高高出50 cm 時，利用倒鏈調(diào)整4 個端點的坐標和位置，下放吊點。調(diào)整鋼管位置，使合龍襯管能順利進入合龍段鋼管內(nèi)，檢查全橋的拱軸線及標高符合要求后，臨時固定合龍接頭，在合適溫度條件下先焊接一端的接頭，再用同樣的方法焊接另一個接頭，焊接完成后，卸除吊點的力，從而完成對鋼管拱的合龍施工。

(6) 松索和卸扣。鋼管拱肋合龍后，各節(jié)段接頭焊接完成，封固拱腳，拆除拱肋上的所有扣索和錨索，從而完成全橋拱肋的安裝?？坼^索拆除應(yīng)遵循對稱、同步、緩慢、跳段的原則，即拆索順序:5→3→1→4→2。拆除過程中，每條扣錨索分兩級卸荷，第一級卸荷50%，測量觀測1 d，無異常情況后再卸荷剩余的50%。卸荷完成后保留扣錨索，待拱腳固定完成后再對扣錨索進行拆除。

拆除全過程加強測量觀測，詳細記錄觀測數(shù)據(jù)，并與監(jiān)控單位的觀測數(shù)據(jù)對比、分析，最終確定扣錨索拆除后拱肋各項數(shù)據(jù)變化情況滿足設(shè)計要求。

4 施工監(jiān)控

4．1 施工監(jiān)控的目的與項目

通過過程監(jiān)控優(yōu)化和調(diào)整，前期有限元計算模型的參數(shù)，優(yōu)化和調(diào)整鋼管骨架拱肋各節(jié)段的拼裝標高，控制拱肋的線性，以保證勁性骨架順利合龍;在施工過程中保證受力部位在預(yù)測和容許范圍內(nèi)，以保證結(jié)構(gòu)安全性，校核理論分析的準確行。

本橋在勁性骨架拼裝至合龍過程，主要監(jiān)控項目: 幾何線性監(jiān)控、變形監(jiān)控、結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測、索力監(jiān)控。

4．2 施工監(jiān)工情況

各節(jié)段線性控制均在可控范圍之內(nèi)，其中最大里程偏差為9 mm，發(fā)生在一號墩向塘方向第四節(jié)段拱肋上游內(nèi)側(cè)處;應(yīng)力監(jiān)控基本與有限元計算相符，結(jié)構(gòu)安全可控，其中最大發(fā)生在莆田側(cè)下游上弦外側(cè)骨架的最大拉應(yīng)力為18．732 MPa，計算得產(chǎn)生的最大拉力為44．9 t;通過對索力監(jiān)控最大第四、五組扣鎖相差較大約10 t，主要扣鎖角度較小，受拼裝影響較大，但在計算誤差范圍內(nèi)。

5 施工體會

(1) 隨著塔式起重機核心技術(shù)和專用技術(shù)的日益成熟，大噸位、智能化也是塔機在鐵路建設(shè)工程得到廣泛應(yīng)用。尤溪大橋1-140 m 上承式勁性骨架拼裝，受客觀條件限制，優(yōu)化了原設(shè)計纜索吊方法，采用塔機無支架懸臂拼裝勁性骨架方案，在大跨度鐵路拱橋拼裝中尚屬首例。塔機作為骨架拼裝的主要工具，較纜索吊施工，安拆簡單、吊裝安全、靈活機動、操作簡單等優(yōu)點，為勁性骨架高精度合龍?zhí)峁┯辛ΡＷC，為以后類似工程提供一定經(jīng)驗。

(2) 本橋勁性骨架拼裝，在大型有限元軟件仿真計算的基礎(chǔ)上，預(yù)先計算各節(jié)段拱肋控制點的預(yù)抬高值和扣鎖的索力值，摒棄傳統(tǒng)采用多次收放扣鎖，松鎖合龍的來調(diào)整拱軸線型的方法，采用扣鎖一次型張拉的施工方法。該方法各扣鎖受力相對比較均勻、懸拼結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定、減少工作時間，節(jié)約拼裝工期等優(yōu)點，是一種理想的施工方法，將成為鋼管混凝土拱橋千斤頂鋼絞線斜拉扣掛施工方法的新趨勢。

［1］孫曉紅．鋼管混凝土拱橋施工監(jiān)控與拱肋吊裝計算［D］．福州:福州大學(xué)土木工程學(xué)院，2004．

［2］喬玉英．定長扣鎖法在大跨度鋼管混凝土拱肋安裝中的應(yīng)用［D］．重慶:重慶交通學(xué)院交通工程系，2003．

［3］劉愛家．纜索吊裝扣錨系統(tǒng)設(shè)計與“一次性扣鎖法”施工控制技術(shù)［J］．科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2009(7) :69-69．

［4］李繼宏．大跨度鋼管拱橋纜索吊拼裝方法施工［J］．科學(xué)之友，2007(07B) :3-4．