太原北中環(huán)汾河大橋鋼箱拱安裝支架設(shè)計(jì)方案比選

劉 校 明

(太原市城市建設(shè)管理中心，山西 太原 030009)

·橋梁·隧道·

太原北中環(huán)汾河大橋鋼箱拱安裝支架設(shè)計(jì)方案比選

劉 校 明

(太原市城市建設(shè)管理中心，山西 太原 030009)

以太原北中環(huán)斜跨拱橋?yàn)槔?，?duì)鋼箱拱安裝支架設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了比選，并對(duì)90 m跨鋼拱支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及施工工藝進(jìn)行了詳細(xì)闡述，總結(jié)了節(jié)段定位連接裝置、合龍段主動(dòng)施頂裝置、鋼箱梁支架加固等關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)計(jì)事項(xiàng)，最終取得了良好的施工效果。

拱橋，鋼筋拱，支架，設(shè)計(jì)

1 工程概況

太原北中環(huán)斜跨拱橋位于山西省太原市北中環(huán)與汾河交點(diǎn)處，由西向東依次跨越濱河西路、汾河、濱河?xùn)|路，屬于太原市北中環(huán)工程中跨汾河節(jié)點(diǎn)。其主橋橋型布置為(65+45+90+45+65) m的五跨五拱剛性梁剛性拱斜跨拱橋結(jié)構(gòu)[1]，采用高度不等的5個(gè)鋼拱，拱軸線采用二次拋物線，主梁采用鋼箱梁，主梁與鋼拱之間設(shè)有吊桿拉索。

全橋共5個(gè)鋼拱，對(duì)應(yīng)65 m，45 m，90 m跨徑布置三種尺寸。拱截面為帶倒角的等腰三角形，拱截面高度由拱腳至拱頂線性變化，高度尺寸變化分別為大拱 5 000 mm變至3 800 mm，中拱4 200 mm變至3 000 mm，小拱3 400 mm變至2 200 mm。最寬處尺寸變化分別為大拱4 829 mm變至3 710 mm，中拱4 083 mm變至2 963 mm，小拱3 337 mm變至2 218 mm。底面尺寸均為800 mm。鋼板厚度分別為大拱和中拱25 mm；小拱為20 mm。鋼拱內(nèi)部設(shè)有橫隔板及縱向加勁板。5個(gè)鋼箱拱總重量為2 324 t。

五拱采用順橋向間跳跨越主梁的布置方式，中拱與小拱在1號(hào)、4號(hào)墩處共用拱座，小拱與大拱在2號(hào)、3號(hào)墩處共用拱座。大拱順橋向跨度為83 m、中拱為58.4 m、小拱為40 m，鋼拱軸線為二次拋物線，45 m跨鋼拱矢跨比1∶1.31，60 m鋼拱矢跨比1∶1.17，90 m鋼拱矢跨比1∶1.28。

2 鋼箱拱安裝支架設(shè)計(jì)方案比選

太原北中環(huán)斜跨拱橋位于汾河濕地公園內(nèi)，地面經(jīng)處理可承受支架及地面吊機(jī)荷載，據(jù)此原則，鋼箱拱拱肋安裝考慮采用地面吊機(jī)分段吊裝并用落地支架法支承組焊的總體方案。但由于工期緊張，鋼箱拱安裝僅有2個(gè)月時(shí)間，同時(shí)安裝存在大量的高空作業(yè)，安全、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)很高，采用何種拱肋分段和安裝支架設(shè)計(jì)方案將影響施工安全、質(zhì)量、工期和施工投入，關(guān)系重大，須仔細(xì)研究決定。

根據(jù)拱肋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及施工環(huán)境，以單個(gè)90 m鋼箱拱為例，可采用的拱肋安裝支架設(shè)計(jì)方案有兩種：1)按原設(shè)計(jì)拱肋分段，采用200 t履帶吊機(jī)梁面站位吊裝，支架按每節(jié)段2個(gè)支點(diǎn)設(shè)計(jì)；2)充分利用鋼拱剛度大、截面強(qiáng)的特點(diǎn)，重新劃分拱肋節(jié)段，采用大噸位吊機(jī)地面站位吊裝，支架按鋼拱大懸臂+每節(jié)段單支點(diǎn)綜合考慮設(shè)計(jì)。

對(duì)以上兩種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比選分析如下：

1)方案1為設(shè)計(jì)推薦方案，支架采用每節(jié)段2支點(diǎn)的常規(guī)設(shè)計(jì)，采用200 t履帶吊機(jī)梁面站位進(jìn)行吊裝，存在以下缺點(diǎn)：a.支架規(guī)模大、用鋼量大，單個(gè)90 m鋼拱安裝支架總量約972 t，高空腳手平臺(tái)數(shù)量多，施工投入較大；b.節(jié)段劃分達(dá)到17段，吊裝及空中對(duì)接的次數(shù)較多，履帶吊機(jī)在梁面站位需考慮強(qiáng)大的梁下支承支架，安全風(fēng)險(xiǎn)高；c.高空主體結(jié)構(gòu)焊縫數(shù)量大，質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)大；d.高空安裝次數(shù)多、作業(yè)總天數(shù)多，受風(fēng)雨等氣象條件干擾影響，工期難以保證。

2)方案2按照“大節(jié)段、少支架”的設(shè)計(jì)原則，充分考慮本橋鋼拱結(jié)構(gòu)矢跨比大、截面強(qiáng)、剛度大，鋼拱與拱座固結(jié)的特點(diǎn)，盡可能利用拱座固結(jié)和鋼拱剛度實(shí)現(xiàn)初始節(jié)段大懸臂安裝；同時(shí)將梁面吊機(jī)改為地面吊機(jī)，并采用吊重能力大的650 t履帶吊機(jī)，從而減少吊裝節(jié)段數(shù)量；此外利用鋼拱拱軸線與水平夾角大、節(jié)段重力產(chǎn)生橫向分力較小的特點(diǎn)，將每節(jié)段后支點(diǎn)取消，改為由上一節(jié)段前端設(shè)臨時(shí)連接件支承，僅保留前支點(diǎn)。經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化，此方案具有以下明顯優(yōu)勢(shì)(仍以90 m跨鋼拱為例)：a.支架減少大量鋼管支點(diǎn)，第1～2節(jié)段采取大懸臂安裝，懸臂長度達(dá)36.5 m，其余節(jié)段均采用單支點(diǎn)，單個(gè)90 m鋼拱安裝支架總量約403 t，相比方案1節(jié)省鋼料約570 t，全橋5個(gè)鋼拱支架節(jié)省約2 100 t，經(jīng)濟(jì)效益顯著；b.節(jié)段劃分由17段減少為11段，全橋共減少38個(gè)節(jié)段，大量減少了施工循環(huán)次數(shù)和高空焊縫數(shù)量，安全風(fēng)險(xiǎn)降低、質(zhì)量更有保證；c.支架和鋼拱安裝數(shù)量大幅減少，受氣象條件干擾程度降低，支架加工工作量、支架及鋼拱安裝次數(shù)和高空工作量大幅降低，施工工期得以保證。支架設(shè)計(jì)方案2見圖1。

3 鋼箱拱安裝支架設(shè)計(jì)(以90 m跨鋼拱為例)

1)支架結(jié)構(gòu)形式及架設(shè)方案。本鋼拱架設(shè)施工支架布置于鋼箱梁頂面，由φ1 000 mm×10 mm鋼管樁立柱及鋼管連接系、柱頂分配梁、鋼拱安裝調(diào)節(jié)裝置組成。鋼拱安裝時(shí)利用履帶吊機(jī)分別站位于上下游便道上，逐塊吊裝鋼拱并定位調(diào)整其線形。

2)計(jì)算荷載。a.鋼拱自重：q1程序自動(dòng)考慮。b.施工荷載：q2=1.5 kN/m2。c.風(fēng)載：q3施工最大設(shè)計(jì)基本風(fēng)壓為0.3 kPa。d.溫度荷載，在架拱期間歷年的最大溫差為22 ℃左右。q4整體升溫25 ℃。q5整體降溫25 ℃。

3)計(jì)算說明及假定：a.根據(jù)施工要求鋼拱的施工工序?yàn)椋汗白颁摴暗坠?jié)安裝→鋼拱支架的安裝→鋼拱第一節(jié)懸臂拼裝→鋼拱第二節(jié)拼裝并通過支架調(diào)整線形→鋼拱和支架間超緊→鋼拱第三節(jié)拼裝并通過支架調(diào)整線形→鋼拱和支架間超緊→調(diào)整鋼拱合龍口的寬度及角度→安裝鋼拱第五節(jié)段→支架和鋼拱間脫空→安裝斜拉索；b.鋼拱的重量一部分通過本身傳至拱座，其他部分的荷載傳至支架；c.鋼拱架設(shè)過程中考慮鋼拱的整體升降溫效應(yīng)及風(fēng)載；d.計(jì)算未考慮主體鋼箱梁及其施工支架的變形的影響；e.支架對(duì)鋼拱只提供豎向支撐。

4)支架計(jì)算分析工況。根據(jù)施工要求支架主結(jié)構(gòu)的計(jì)算分為11個(gè)工況：工況一：懸臂拼裝第一節(jié)段鋼拱；工況二：拼裝二節(jié)段鋼拱并通過千斤頂調(diào)整其線形，(q1+q2+q3)；工況三：鋼拱第二節(jié)段與支架間抄墊，鋼拱及支架整體升溫25 ℃,(q1+q2+q3+q4)；工況四：鋼拱第二節(jié)段與支架間抄墊，鋼拱及支架整體降溫25 ℃,(q1+q2+q3+q5)；工況五：拼裝第三節(jié)鋼拱并通過千斤頂調(diào)整其線形，(q1+q2+q3)；工況六：鋼拱第三節(jié)段與支架間抄墊，鋼拱及支架整體升溫25 ℃,(q1+q2+q3+q4)；工況七：鋼拱第三節(jié)段與支架間抄墊，鋼拱及支架整體降溫25 ℃,(q1+q2+q3+q5)；工況八：拼裝第四節(jié)鋼拱并通過千斤頂調(diào)整其線形，(q1+q2+q3)；工況九：鋼拱第四節(jié)段與支架間抄墊，鋼拱及支架整體升溫25 ℃,(q1+q2+q3+q4)；工況十：鋼拱第四節(jié)段與支架間抄墊，鋼拱及支架整體降溫25 ℃,(q1+q2+q3+q5)；工況十一：拼裝第五節(jié)鋼拱，并適時(shí)將鋼拱支架脫空，(q1+q2+q3)。

5)檢算項(xiàng)目：a.計(jì)算各施工階段支架各構(gòu)件的強(qiáng)度；b.計(jì)算各施工階段支架各構(gòu)件的剛度；c.計(jì)算鋼拱施工過程中鋼拱的變形；d.計(jì)算各施工階段支架的支點(diǎn)反力；e.驗(yàn)算主梁在支架作用點(diǎn)的受力情況；f.驗(yàn)算鋼拱支點(diǎn)處的受力情況。

6)材料許用應(yīng)力。鋼箱拱安裝支架所用到的材料為Q235B，Q345B和40Cr，按規(guī)范各鋼材的容許應(yīng)力如表1所示。

表1 各板厚鋼材提高后的容許應(yīng)力值 N/mm2

7)計(jì)算模型。鋼拱及支架整體建模，計(jì)算軟件為midas2006/civil。根據(jù)支架的結(jié)構(gòu)形式及受力特點(diǎn)利用有限元分析軟件建立其與鋼拱的整體分析模型如圖2所示。

8)計(jì)算結(jié)果匯總見表2。

表2 計(jì)算結(jié)果匯總表

9)小結(jié)。由以上計(jì)算可知，90 m跨鋼拱架設(shè)安裝支架結(jié)構(gòu)受力滿足要求。

4 其他關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)計(jì)

1)節(jié)段定位連接裝置設(shè)計(jì)。鋼拱支架僅設(shè)前端支點(diǎn)，節(jié)段后端支點(diǎn)采取與前一節(jié)段固定連接的方式，同時(shí)為保證節(jié)段空中吊裝能夠快速定位，設(shè)計(jì)了節(jié)段定位連接裝置。裝置分為限位牛腿和臨時(shí)連接件兩類：限位牛腿布置于已安裝節(jié)段的前端底板、兩側(cè)腹板上，可使吊裝節(jié)段接近時(shí)能夠快速導(dǎo)向、定位；臨時(shí)連接件布置于相鄰節(jié)段端口處，鋼拱節(jié)段安裝時(shí),先由吊機(jī)初步對(duì)位，然后穿M39長螺桿收緊對(duì)接，最后上M30螺栓精確對(duì)位[3]。

2)合龍段主動(dòng)施頂裝置設(shè)計(jì)。合龍調(diào)整措施采用鋼拱主平面內(nèi)橫向、豎向起頂?shù)姆绞秸{(diào)整高程、高差、合龍口尺寸，主動(dòng)施頂裝置設(shè)計(jì)見圖3。

3)鋼拱最大懸臂狀態(tài)設(shè)計(jì)。與設(shè)計(jì)院一起對(duì)鋼拱最大懸臂狀態(tài)進(jìn)行分析，研究設(shè)計(jì)并對(duì)鋼拱錨固段進(jìn)行加強(qiáng)，確保拱腳應(yīng)力在鋼拱最大懸臂狀態(tài)滿足規(guī)范及施工要求。

加強(qiáng)后的拱腳在鋼拱最大懸臂狀態(tài)下鋼拱拱腳頂緣拉應(yīng)力為10.22 MPa，底緣壓應(yīng)力為-22.96 MPa。計(jì)算應(yīng)力遠(yuǎn)小于Q345qD的設(shè)計(jì)抗彎強(qiáng)度295.00 MPa，混凝土抗裂能力滿足要求。

4)鋼箱梁支架加固設(shè)計(jì)。鋼拱支架設(shè)置在鋼箱梁梁面，下部鋼箱梁支架未拆除，為確保下部鋼箱梁支架安全，鋼拱支架受力順利傳至地基對(duì)鋼拱范圍內(nèi)鋼箱梁支架進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)。

5)支架梁面應(yīng)力分布設(shè)計(jì)。為確保鋼箱梁梁面質(zhì)量及鋼拱支架安全，在鋼箱梁肋板梁面處布置墊梁及墊板，使鋼拱支架應(yīng)力由梁面?zhèn)髦龄撓淞嚎v腹板，確保鋼箱梁結(jié)構(gòu)安全。

6)提高支架橫向穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。為確保支架受橫向風(fēng)荷載及節(jié)段吊裝碰撞等偶然荷載時(shí)支架的橫向穩(wěn)定，支架底部與鋼箱梁進(jìn)行臨時(shí)焊接固結(jié)，沿支架橫向拉結(jié)雙層纜風(fēng)繩以保證支架的整體穩(wěn)定性[4]。

5 結(jié)語

太原北中環(huán)橋已經(jīng)于2013年10月底完成鋼橋面鋪裝，順利完成了全橋建設(shè)任務(wù)。全部鋼拱安裝僅用時(shí)45 d全部完成；鋼拱架設(shè)支架在已焊接的鋼箱梁上施工，采用對(duì)鋼箱梁支架加固及在鋼箱梁面上設(shè)置墊梁及墊板，確保了鋼拱支架及鋼梁支架的安全；通過在節(jié)段后端支點(diǎn)采取與前一節(jié)段固定連接的方式及設(shè)置節(jié)段定位連接裝置，加快了現(xiàn)場(chǎng)安裝施工進(jìn)度；在合龍段設(shè)置豎向、橫向主動(dòng)施頂裝置節(jié)約了合龍施工時(shí)間，且鋼拱合龍順利，成拱線形良好，滿足設(shè)計(jì)要求；在保證了鋼拱安裝精度的前提下，通過對(duì)鋼拱結(jié)構(gòu)分析，充分利用鋼拱矢跨比較大的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出只對(duì)鋼拱提供豎向支承、不提供橫向支承的鋼拱安裝支架；采取“大節(jié)段、少支架”的原則成功地減少了鋼拱節(jié)段數(shù)量和支架投入，取得了良好的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益，可供類似工程借鑒和參考。

[1] 吳學(xué)華，潘盛山，黃才良.斜跨拱橋的力學(xué)特性及工程實(shí)踐[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010(1)：124-130.

[2] 洪國松，孫 鋒，梅長春.東勝體育場(chǎng)大跨度傾斜鋼拱安裝技術(shù)[J].建筑技術(shù)，2011(11)：988-992.

[3] 陳丹華，張海燕.吉安白鷺大橋鋼管拱安裝技術(shù)[J].建筑技術(shù)，2006(2)：96-98.

[4] 鄧方春.淺析鋼拱安裝質(zhì)量控制[J].河南建材，2010(2)：69-73.

On comparison for design schemes for steel box arch installation bracket at Fenhe Bridge along North Middle Ring in Taiyuan

Liu Xiaoming

(TaiyuanUrbanConstructionManagementCenter,Taiyuan030009,China)

Taking the diagonal-span arch bridge at North Middle Ring in Taiyuan as the example, the paper compares the design scheme for the steel box arch installation bracket, illustrates the design methods and construction craft for the 90 m steel arch bracket structure, and sums up the key design precautions for the segmental orientation connection equipment, active roof equipment at the closure segment, and the bracket consolidation of the steel box girder, so as to achieve better construction effect.

arch bridge, steel box arch, bracket, design

1009-6825(2015)28-0148-03

2015-07-28

劉校明(1961- )，男，高級(jí)工程師

U445

A