“提籃式”系桿拱橋主拱鋼管1/2臥式預(yù)拼架設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究

李 軍

（中鐵上海工程局華海工程有限公司，上海 201101）

1 工程概況

江蘇昆山城北大道跨太倉(cāng)塘特大橋全長(zhǎng)719 m（南北走向），跨徑組合為10 m×30 m+30 m+110 m+30 m+8 m×30 m，主橋?yàn)槿缱云胶怃摴芑炷痢疤峄@式”系桿拱橋，主跨拱肋為鋼管拱肋，邊拱為鋼筋混凝土拱肋，拱肋向橋梁內(nèi)側(cè)傾斜14°，如圖1所示。

圖1 主橋結(jié)構(gòu)立面示意圖

2 施工方案比選

傳統(tǒng)的鋼管拱橋拼裝合龍工藝有以下三種：①斜拉扣掛合龍。此方法一般用于拱橋跨越山谷河流，受地形限制，不具備整體吊裝或搭設(shè)架拼裝合攏的條件，但安裝過程繁瑣、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大、費(fèi)用高。②架上拼裝合龍。需搭設(shè)塔架，多用于不通航或航運(yùn)量不大的河道及路上拱橋，費(fèi)用較高。③浮吊吊裝。分兩種方法，第一單側(cè)拱肋拼裝為整體，拱橋部施加應(yīng)力保證拱肋的形狀，再用浮吊整體吊裝，兩側(cè)吊裝后安裝橫撐穩(wěn)定，適用與垂直拱肋的拱橋、河道具備大噸位浮吊運(yùn)吊的條件；第二是在水面寬闊的河道或湖面上，利用駁船分節(jié)拼裝成1/2拱，搭設(shè)高塔，先安裝拱腳，利用塔頂?shù)膹埨O(shè)備施加應(yīng)力，完成豎向轉(zhuǎn)體合龍，這一方法需搭設(shè)塔架，費(fèi)用較高。

基于以上各方法的特點(diǎn)及本工程的工況，筆者設(shè)計(jì)了雙側(cè)（南北）1/2拱肋臥式整體預(yù)拼、浮吊吊運(yùn)、豎向轉(zhuǎn)體合龍的方案。技術(shù)簡(jiǎn)單、質(zhì)量可靠、安全風(fēng)險(xiǎn)低、工期短、費(fèi)用低。

3 關(guān)鍵技術(shù)

施工中的主要工藝流程：預(yù)制場(chǎng)地主跨拱肋1/2臥式預(yù)拼—平移至駁岸邊—浮吊起吊、豎向旋轉(zhuǎn)、拱腳就位—空中對(duì)接合龍。其中最關(guān)鍵的技術(shù)是將拱肋的高度降低，在預(yù)制場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行預(yù)拼。

3.1 主跨拱肋預(yù)拼

3.1.1 主跨拱肋拼裝控制坐標(biāo)系統(tǒng)

3.1.1.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

主跨拱肋的線型控制是以每米設(shè)空間三維坐標(biāo)點(diǎn)，拱肋四個(gè)弦管的頂端點(diǎn)和底端點(diǎn)以及拱肋軸線上均以每米設(shè)立三維坐標(biāo)，并列出拱肋特征截面坐標(biāo)表，審核設(shè)計(jì)拱肋控制坐標(biāo)，做到理論上精確，嚴(yán)格控制拱肋制作和拼裝線型精度，如圖2、圖3所示。

圖2 坐標(biāo)軸示意圖

圖3 坐標(biāo)點(diǎn)清示意圖

此坐標(biāo)示意為理論上主跨拱肋制作和拼裝合龍的控制要點(diǎn)，但是在主跨拱肋拼裝場(chǎng)地分段組合拼裝成兩個(gè)半跨拱肋，考慮到主跨矢高為28 m，如果按主拱肋合龍坐標(biāo)系統(tǒng)在場(chǎng)地做架拼裝，拱頂架高度將達(dá)到30 m左右，架過高在拼裝吊裝施工過程中大大增加了施工難度和不安全因素。為了降底施工難度，最大限度地降低不安全因素，最好的方法就是將主跨拱肋合龍坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)化。坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化的主導(dǎo)思想是以原主拱合龍坐標(biāo)系的拱頂橫截面（坐標(biāo)原點(diǎn)就是橫截面的中心）為軸，兩個(gè)拱腳向上旋轉(zhuǎn)，讓拱腳軸線端點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到與拱頂軸線端點(diǎn)同一水平面后停止，其旋轉(zhuǎn)角度a=arctg（f/2L，f為矢高，L為跨度）。在坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的過程中，從主跨的投影可以明顯得知Z值不變，只有X、Y值改變，如圖4所示。

圖4 示意圖

參見圖4計(jì)算模型簡(jiǎn)圖所示，主跨拱肋拼裝坐標(biāo)系內(nèi)各點(diǎn)坐標(biāo)值與主跨拱肋合龍坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化公式如下：

由此，可得知主跨拱肋的1/4處旋轉(zhuǎn)后在拱肋的拼裝坐標(biāo)系內(nèi)成為半跨拱肋拼裝時(shí)的拱頂，此處架為最高，比矢高降低3倍左右。這樣就解決了因架過高而造成的吊裝施工難度，大大提高了架的穩(wěn)定性。

3.1.1.2 建立拼裝坐標(biāo)系

在拼裝場(chǎng)地內(nèi)建立設(shè)計(jì)坐標(biāo)系的X軸線，以拱頂O點(diǎn)為起點(diǎn)，河南、河北兩個(gè)半跨單獨(dú)建立各自的拼裝坐標(biāo)系。南側(cè)半跨按照設(shè)計(jì)平面坐標(biāo)系X軸的一半進(jìn)行導(dǎo)線布設(shè)，將導(dǎo)線點(diǎn)布于拼裝場(chǎng)地以外進(jìn)行拱肋的放樣；北側(cè)半跨將拱頂O點(diǎn)沿X軸向駁岸方向移動(dòng)3～4 m，單獨(dú)建立導(dǎo)線點(diǎn)進(jìn)行放樣。兩個(gè)半跨均布設(shè)4個(gè)閉合導(dǎo)線點(diǎn)。

3.1.2 主跨拱肋拼裝

主拱拱肋1/2臥式預(yù)拼在距離所承建橋址河岸邊預(yù)制場(chǎng)進(jìn)行預(yù)制，首先將主拱拱肋模擬到地面建立的拼裝坐標(biāo)，再根據(jù)主跨拱肋的撓度合理設(shè)置拼裝支撐架，然后進(jìn)行拱肋拼裝。

為了預(yù)制方便和安全，令1/2拱頂、拱腳設(shè)置距離地面高度相等；由于拱肋為空間曲線，與支架頂面的接觸理解為略有傾斜角的斜面；為了便于拱肋吊裝需在拼裝坐標(biāo)系內(nèi)，支架頂部不少于6個(gè)點(diǎn)（4個(gè)角點(diǎn)和中間橫斷面2點(diǎn)）的三維坐標(biāo)，通過分析和計(jì)算，主拱拱肋正面投影平均為5個(gè)均等部分，設(shè)置6個(gè)受力點(diǎn)及相應(yīng)拼裝支撐架，如圖5所示。

圖5 半跨拱肋支架支撐示意圖

3.1.2.1 支架受力分析

設(shè)置的原則一是要支架的強(qiáng)度必須滿足需要，以保證施工過程的安全；二是要保證支架的穩(wěn)定、保障預(yù)制肋的質(zhì)量和精度。由于拱肋曲線半徑比較大，支架設(shè)置間距比較小，在此拱肋節(jié)段可以看作是斜梁，選擇計(jì)算模型適用于工程用材估算，如圖6所示。

拱肋各內(nèi)力計(jì)算公式參見如下公式：

圖6 計(jì)算模型簡(jiǎn)圖

拱肋支架支撐點(diǎn)（B）受力，如圖7所示。

經(jīng)分析支撐點(diǎn)（B）受力為豎向壓力和水平推力，這就要求拱肋架設(shè)計(jì)時(shí)不但要充分考慮拱的豎向壓力，而且還要考慮由于拱的形狀、重量分布不均衡產(chǎn)生的水平方向的推力，防止出現(xiàn)拱肋落架后發(fā)生側(cè)向傾覆危險(xiǎn)。

圖7 拱肋架支撐（B）點(diǎn)受力示意圖

3.1.2.2 支架受力計(jì)算

支架荷載按照拱肋平均分布、拱肋橫撐和附屬施工結(jié)構(gòu)部件設(shè)為集中荷載，同時(shí)考慮施工人員、機(jī)具荷載、橫向風(fēng)力等級(jí)。由于拱肋向橋位中心線有一定的傾斜角，在支架上拱肋的內(nèi)側(cè)做斜撐，防止出現(xiàn)側(cè)傾覆危險(xiǎn)。拱肋落架后，在拱肋外側(cè)拉纜繩，加強(qiáng)拱肋的穩(wěn)定性。本橋采用萬能桿件拼裝，其支架拼裝大小和正投影面積，經(jīng)強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算而定。

可由以下算式獲得其他型鋼做支架時(shí)的支撐立柱的荷載值：

式中：[N]——立柱軸向壓力；

A——立柱面；

Ф——縱向彎曲系數(shù)；

[б]——立柱鋼材屈服點(diǎn)強(qiáng)度（MPa）。

3.1.2.3 確定支架的高度

考慮到模擬坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和施工操作的簡(jiǎn)捷、方便，拱肋支架的高度以拱頂與拱腳端的水平面相同且為最低點(diǎn)，其高度設(shè)置以人員操作和施工機(jī)具移動(dòng)方便確定（H），即拱頂與拱腳端兩端點(diǎn)連線的水平面在預(yù)制場(chǎng)地面以上H處。其他支架高度應(yīng)是拱肋低端處，拱肋拼裝坐標(biāo)系內(nèi)此點(diǎn)下弦管底端點(diǎn)的|Y|+H，如圖5所示。

3.2 主拱肋平移至駁岸邊

將預(yù)制完成的1/2主拱肋放置在平板車上，由卷?yè)P(yáng)機(jī)并與滑輪組組成牽引系統(tǒng)牽引、平移至駁岸，使左右幅主拱肋同時(shí)、勻速地移至駁岸，再由浮吊吊裝就位，最大限度地減小主拱肋上的應(yīng)力集中。

3.3 空中對(duì)接合龍

1/2主拱肋運(yùn)至駁岸后，由四臺(tái)浮吊吊起、豎向旋轉(zhuǎn)、拱腳就位，與另外1/2主拱拱頂空中對(duì)接、合龍，如圖8所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖8 浮吊吊起兩側(cè)1/2肋拱對(duì)接合龍

經(jīng)過研究應(yīng)用，得出該預(yù)拼架設(shè)技術(shù)的相關(guān)結(jié)論如下：臥式拼裝的最大特點(diǎn)即降低拼裝高度,將空中多節(jié)段拼裝、焊接的誤差最大限度地消化在陸地上，從而提高拱肋整體的拼裝精度；充分利用水資源，減少了高空作業(yè)的時(shí)間和工序，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)和作業(yè)難度；吊裝方法簡(jiǎn)單易行，3～5天內(nèi)即可完成吊運(yùn)合龍，占用河道時(shí)間短；合龍誤差小，質(zhì)量可靠；節(jié)約了工程成本。水系發(fā)達(dá)的南方地區(qū)，更有利于本技術(shù)的推廣應(yīng)用。