大跨度拱橋穿橋式臨時支墩拱肋安裝施工技術

中國建筑土木建設有限公司 上海 200122

1 工程概況

鄭州市龐村西南水北調(diào)大橋位于鄭州市南出口暨鄭州至新鄭快速通道上，上跨南水北調(diào)總干渠，全橋長220.8 m。南水北調(diào)大橋跨徑布置為25 m+164.4 m+25 m，主橋采用下承桁架式鋼管混凝土無推力系桿拱橋，整體結構體系為內(nèi)部高次超靜定結構。主拱理論跨徑160 m，采用懸鏈線形，計算矢高32 m，矢跨比1∶5，拱軸系數(shù)m=1.3。橋面全寬60 m，分左右幅獨立設計。

南水北調(diào)拱橋主拱肋為4 肢鋼管桁架式斷面，每一拱肋為2 片由腹桿鋼管與上、下弦桿鋼管焊接形成的桁架片橫向連接形成；拱肋鋼管桁架為等截面布置，拱肋高3.8 m，拱肋寬2.1 m（圖1）。標準段拱肋上、下弦桿鋼管均采用Φ900 mm×16 mm的直縫焊接管，在拱腳至橋面以上約13 m范圍內(nèi)拱肋弦管采用Φ900 mm×20 mm鋼管；腹桿采用Φ351 mm×12 mm無縫鋼管；桁架中鋼管及橫向連接鋼板均采用Q345C鋼焊接連接。2 個主拱拱肋除通過橋面上的風撐連接外，在橋面與拱肋相交處設置拱肋肋間橫梁進行橫向連接。主跨橋面共設置5 道風撐。

圖1 鋼管拱結構

2 技術難點

（a）南水北調(diào)大橋設計要求采用先梁后拱的施工流程，在吊索未施工加應力的情況下，不允許將橋面板承受施工荷載。這樣在先梁后拱施工時，橋面板不能作為拱肋安裝的臨時承點，同時也無法使用滿堂腳手架方法安裝拱肋。而在橋面已完成的情況下，臨時支墩如何設置是施工一大難題。

（b）南水北調(diào)大橋拱肋的吊裝，因拱肋的高度高、跨度大、橋面寬、吊裝幅度大，在吊裝方案選擇時，如何保證安全和經(jīng)濟性是個技術難題。

3 方案設計[1,2]

3.1 方案比選

方案比選時，根據(jù)對施工現(xiàn)場的地形地貌的現(xiàn)場條件、現(xiàn)今技術裝備情況、經(jīng)濟性和安全性的綜合考慮；認為穿橋式臨時支墩安裝法雖然具有一定的難度，但其安全可靠，且經(jīng)濟。因此選定少支架安裝法作為本橋拱肋安裝的方法。

3.2 方案設計[3-5]

根據(jù)先梁后拱和橋面在吊索張拉前橋面板不能承受施工荷載，以及拱肋安裝方案采用少支架安裝法的原則，拱肋安裝的臨時支墩基礎設計在橋下地面上，在先梁后拱施工橋面板時，臨時支墩在橋面板處穿越孔洞，形成拱肋安裝的臨時支撐體系。但這樣施工時，應考慮對拱肋節(jié)段進行調(diào)整，保證臨時支墩的預留孔洞必須設置在橋面板，因此必須對拱肋節(jié)段進行調(diào)整，調(diào)整后的節(jié)段按圖2施工。

3.2.1 臨時支撐體系設計

臨時支墩需多處穿越橋面板，預留洞口必須準確。根據(jù)調(diào)整后的拱肋節(jié)段長度和拼接位置，臨時支墩的平立面布置見圖3、圖4。

圖2 鋼管拱分段示意

圖3 臨時支墩平面設計布置

圖4 穿橋式臨時支墩立面設計布置

根據(jù)鋼管拱節(jié)段的自重及現(xiàn)場的地質(zhì)條件，臨時支墩采取鋼管格構柱支架。臨時鋼管格構柱支架主肢均采用Φ426 mm×8 mm的Q235鋼管焊接組成。其邊墩橫斷面為3 m×3 m，中墩橫斷面為3 m×6 m，橫撐采用20#槽鋼，橫撐間距3 m，頂部分配梁采用500 mm×500 mm×12 mm×12 mm焊接工字鋼與鋼管焊接牢固，上人爬梯采用50 mm×50 mm×5 mm和40 mm×25 mm×4 mm角鋼，并安裝安全護圈和休息平臺，連接結構采用Φ273 mm×8 mm鋼管。

3.2.2 臨時支架基礎設計

臨時支墩基礎根據(jù)拱肋的節(jié)段大小不同而產(chǎn)生的荷載大小不同，選用兩種基礎：

（a）I型基礎：適用于跨中外側(cè)拱肋合龍段支墩，采用C20混凝土，其抗拉強度ft=1.1 N/mm2。設計采用HRB235鋼筋，fy=210 MPa。基礎底部l=5 m，b=5 m，頂部l'=4 m，b'=4 m，基礎高1 m，豎向荷載N=800 kN，M=370 kN·m。清除基礎內(nèi)腐土，然后壓實，鋪0.01 m碎石，基礎埋深要大于0.5 m（圖5、圖6）。

圖5 臨時支墩I型基礎平面

圖6 臨時支墩I型基礎立面

（b）II型基礎：適用于內(nèi)側(cè)拱肋跨中合龍段支墩基礎，采用C20混凝土，其抗拉強度ft=1.1 N/mm2。設計采用HRB235鋼筋，fy=210 MPa?；A底部尺寸l=8 m，b=5 m，頂部l'=7 m，b'=4 m，lc=6.426 m，bc=3.426 m?；A埋深1 m，豎向荷載N=1 600 kN，M=370 kN·m。清除基礎內(nèi)腐土，然后壓實，鋪0.01 m碎石，基礎埋深要大于0.5 m（圖7、圖8）。

圖7 臨時支墩II型基礎平面

圖8 II型基礎長邊立面

3.2.3 支架驗算

經(jīng)MidasCivil2006仿真計算，結構自重、吊裝荷載作用下：結構最大應力為27 MPa，強度滿足要求；豎向荷載作用下支架豎向撓度4.5 mm，剛度滿足施工荷載的需求；支架的穩(wěn)定性滿足要求。

考慮風載后：50年一遇按強度校核，強度滿足要求；6級工作風速工況按位移校核，剛度滿足施工荷載的需求；支架的穩(wěn)定性滿足要求。

3.3 安裝設備選用

根據(jù)現(xiàn)場地形、支墩布置和拱肋安裝情況，拱肋吊裝作業(yè)半徑9～38 m，吊裝質(zhì)量10～70 t，同時考慮主臂碰臂情況，選用采用QUY350履帶吊，超起配重，主臂60 m。

3.4 鋼管拱肋安裝步序設計[6-7]

鋼管拱肋安裝步序按下述步驟進行：預埋段和支架施工；內(nèi)側(cè)拱肋安裝施工；外側(cè)拱肋和風撐依次安裝；另一邊的外側(cè)拱肋和風撐依次安裝。

3.4.1 鋼管拱肋（G1～G4）安裝施工

（a）拱肋預埋段G1的施工。預埋段定位前將定位支架先澆筑固接，再定位預埋段，預埋件與定位支架焊接固接并在側(cè)面加適當?shù)墓羌苤?。檢查預埋段位置并采取相應措施糾偏；確認預埋段位置偏差在可控范圍內(nèi)后進行后續(xù)澆筑。

（b）G2～G4節(jié)段安裝施工。G2～G4節(jié)段安裝順序：內(nèi)側(cè)拱肋安裝施工；一邊的外側(cè)拱肋和風撐依次安裝；另一邊的外側(cè)拱肋和風撐依次安裝（圖9）。

圖9 拱肋安裝示意

3.4.2 合龍段G5的安裝施工

（a）合龍前線形調(diào)整：合龍前，監(jiān)控單位對鋼管拱肋線形及應力進行調(diào)整，使拱肋線形及應力符合設計要求。

（b）合龍溫度確定：施工的前半個月進行天氣觀察、氣溫測量，掌握氣溫變化規(guī)律，確定最佳合龍時刻。

（c）合龍段現(xiàn)場余量切割：考慮到鋼管拱肋的制造、測量、安裝誤差，焊接收縮變形及溫差等因素的印象，合龍段加工時增加10 cm的富余長度作為合龍時的調(diào)整余量。選擇與合龍氣溫差不多時間，測量左右2 個G4前端4 個角點坐標，以便對合龍段進行長度修正，現(xiàn)場放樣切割，并開好坡口。

（d）合龍：合龍段垂直起吊，當合龍段起吊至合龍口下方，調(diào)整起吊索，等待合龍時刻，準備對位。在與合龍溫度相同的溫度條件下，進行鋼管拱肋節(jié)段橫向環(huán)縫的焊接。

經(jīng)后期測量，結果滿足設計要求和相關規(guī)范的規(guī)定。

4 結語

鄭州市南出口暨鄭新快速通道改建工程龐村西南水北調(diào)特大橋的施工，克服了大跨度、超寬拱橋先梁后拱橋面不允許承受荷載的拱肋安裝難題；從施工方案設計、施工工藝、質(zhì)量控制等多方面總結了鋼管拱肋安裝施工技術，為以后類似工程提供了可借鑒的施工技術經(jīng)驗。