非對稱外傾異形鋼拱肋安裝施工技術(shù)研究

許賀

（中鐵山橋集團有限公司，河北 秦皇島 066200）

非對稱外傾異形鋼拱肋安裝施工技術(shù)研究

許賀

（中鐵山橋集團有限公司，河北 秦皇島 066200）

目前，在不適宜大面積開挖橋樁基礎(chǔ)的城市環(huán)境中,多采用鋼拱系桿拱橋,系桿平衡恒載產(chǎn)生的水平推力減輕了基礎(chǔ)的受力負擔，尤其異形鋼拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計新穎,更是近些年城市景觀需求較大的橋型之一。其獨特復(fù)雜的結(jié)構(gòu)造型及不同于其他類型拱橋的受力特點，使其施工工藝要求高,安裝難度大。結(jié)合工程實例對異形剛拱肋架設(shè)施工進行了研究,詳細闡述吊裝方案比選、安裝支架設(shè)計及拱肋安裝調(diào)整工藝措施，為今后類似項目施工提供借鑒。

異形鋼拱肋；圣維南原理；桁架式定位支撐；豎向轉(zhuǎn)體；合攏體系轉(zhuǎn)換

1 工程概述

府河大橋為非對稱外傾拱橋，位于半徑R=600 m圓曲線上，孔跨布置為44 m+150 m+55 m。鋼拱肋北拱高約38 m、外傾30°，南拱高約51.4 m、外傾18°；兩拱肋分別位于各自的傾斜平面內(nèi)。拱肋為矩形截面鋼箱拱，底面4 m等寬，從拱腳到拱頂側(cè)面高度5～3 m，見圖1。拱肋節(jié)段之間采用縱向加勁肋栓接、面板焊接的連接方式。鋼主梁為三跨連續(xù)“雙箱梁+格子梁”結(jié)構(gòu)形式，見圖2。

圖1 府河大橋鋼拱肋

圖2 鋼主梁效果圖

2 拱肋安裝方案及施工難點

由于結(jié)構(gòu)設(shè)計特點及橋址施工環(huán)境的影響限制，該橋拱肋安裝有以下關(guān)鍵點：（1）橋位處于城市核心景觀區(qū)，需優(yōu)化架設(shè)方案，盡量減少棧橋等臨時設(shè)施搭建，以降低恢復(fù)環(huán)境的難度；（2）異形拱節(jié)段需在吊裝過程中進行豎向轉(zhuǎn)體調(diào)整到安裝狀態(tài)才能準確就位；（3）異形拱肋節(jié)段需精確定位，節(jié)段間需精確連接才能保證成拱線形滿足設(shè)計要求；（4）考慮日照溫差對拱肋合攏最終線形造成的影響。

3 異形鋼拱肋吊裝方案比選及可行性分析[1]

拱肋吊裝一般多采用龍門吊機吊裝方法,施工工藝簡單，安裝方便快捷,可以保證足夠的精度,且龍門吊起吊比較平穩(wěn),增加了安全可靠性。但該橋拱肋為異形結(jié)構(gòu),兩拱肋間距為80 m,每條拱肋都須配備一臺龍門吊，而且要在水中單獨搭建臨時軌道棧橋，經(jīng)濟環(huán)保性較差。綜合該橋先梁后拱（即主梁在水上支架平臺安裝就位后安裝拱肋）的方案，經(jīng)分析計算后考慮選用履帶式汽車吊在已建橋面吊裝拱肋節(jié)段方案，吊車設(shè)備操控性能平穩(wěn)，調(diào)整靈活就位精確，更無需裝、拆，進、退場方便，適應(yīng)性較強。按照工程進度要求，大吊機與小吊車可配合使用，全橋只需1～2臺吊車，費用較低。該橋最大的節(jié)段為南拱肋S3,重量為57.79 t，經(jīng)過分析計算，該橋選用一臺QUY260 t的履帶起重機作為主吊設(shè)備，考慮90%的負載效率后，能滿足拱肋吊裝要求。

吊裝時汽車吊布置在主梁鋼邊箱上實施吊裝，由于吊車自重加上拱肋節(jié)段重量引起偏載效應(yīng)，為了保證吊裝施工安全，選擇此最不利工況，即拱肋構(gòu)件中水平吊距最遠的北拱肋S8段，進行了汽車吊吊梁施工結(jié)構(gòu)安全計算分析。

3.1 計算分析模型

根據(jù)該項目結(jié)構(gòu)特點和最不利吊裝工況[2-5]建立了分析計算模型，鋼橋面采用板單元模擬。

3.2 計算分析主要參數(shù)[6]

根據(jù)該項目結(jié)構(gòu)設(shè)計，鋼梁采用Q345C鋼材。其主要計算參數(shù)取值為：Q345C鋼E=2.06× 105MPa，γ=7.85 t/m3。北拱肋N8段吊重36 t和不利工況條件下QUY260 t吊車吊裝作業(yè)時結(jié)構(gòu)受力見圖3。

圖3 吊裝作業(yè)時結(jié)構(gòu)受力示意圖（單位：mm）

3.3 計算結(jié)果

通過計算可得：X=67.55+121=188.55t，Y=26.45+ 121=147.45 t；受力面積A=10.0 m2。如果將X、Y按均布面荷載加載為：XA=0.0822MPa，YA=0.0643MPa，由于鋼箱主梁為格子梁體系，對于該局部受力問題，考慮到全橋計算模型的規(guī)模太大，根據(jù)圣維南原理和正交各向異性橋面板理論[7]，宜選取位于腹板之間和兩橫隔板之間的頂板進行計算，并設(shè)周邊固結(jié)，履帶輪壓按(188.55+147.45)×10×1 000/2/ (1 000×5 000)=0.336 MPa計算。

根據(jù)以上參數(shù)建模分析，結(jié)構(gòu)有限元模型如圖4所示，選取兩腹板之間和兩橫隔板之間的一塊頂板進行計算，邊界條件設(shè)置為周邊固結(jié)，故屬于周邊支承板的結(jié)構(gòu)力學(xué)問題。計算結(jié)果如圖5（a）～圖5（c）所示。由圖4可見，不論橋面板位移還是應(yīng)力都在履帶輪壓范圍內(nèi)是最大的，結(jié)構(gòu)應(yīng)力云和位移云都呈現(xiàn)兩條明顯的帶狀。結(jié)構(gòu)變形如圖4所示，履帶輪壓下橋面板總位移最大值為1.02 mm，最大下?lián)衔灰茷?.67 mm，由于局部壓應(yīng)力作用，薄板在橫橋向位移最大，達到1.02 mm，但都在允許值范圍之內(nèi)。橋面板應(yīng)力計算結(jié)果如圖5（a）～圖5（c）所示，第一主應(yīng)力最大值為221.77 MPa，等效應(yīng)力最大值為 215.24 MPa，都在允許范圍之內(nèi)。另外，由圖5（c）所示的應(yīng)力矢量圖可以看出，在履帶輪壓下，橋面板橫向受力很明顯，且U肋在受力中發(fā)揮很大的作用。由于橋面板屬于薄板結(jié)構(gòu)，在荷載作用下，由于薄膜張力的作用，使得橋面板超載能力極大，履帶吊在計算中自重是按最大值取定的，且沒有考慮周邊其他板的協(xié)助支承作用，因而在履帶輪壓作用下，橋面結(jié)構(gòu)是安全的。

圖5 有限元計算結(jié)果

4 拱肋安裝支架設(shè)計

為便于拱肋加工廠實施“2+1”匹配加工，減少生產(chǎn)線及橋址臨時設(shè)施布置，鋼拱肋采用少支架法安裝，每條鋼拱肋劃分為13個施工節(jié)段,即全橋共需分布24個安裝支架。

每個拱節(jié)段的上端布置1付支架，每條拱肋下共布置12付。每付支架由4根ф1.5 m鉆孔灌注樁、1個（7×5×0.8）m的鋼筋混凝土承臺、4根ф630 mm× 16 mm鋼管及其剪刀撐、定位架和支撐架構(gòu)成。鉆孔樁穿透砂卵石覆蓋層進入基巖3 m，承臺頂比河床面低1 m，鋼管立柱對應(yīng)鉆孔樁布置，縱橫橋向間距3 m×5 m，支架橫橋向軸線垂直于該處拱肋。鋼拱肋安裝支架平面布置及結(jié)構(gòu)見圖6所示。

圖6 拱肋安裝支架布置圖

因拱肋吊裝作業(yè)空間需要，各拱肋節(jié)段安裝后，不能及時拉設(shè)纜風(fēng)繩，只能在距離拱肋吊裝位置2個節(jié)段的支架上設(shè)置纜風(fēng)繩，以調(diào)整、固定拱節(jié)段的橫橋向位置和增強支架的抗風(fēng)穩(wěn)定性。

支架設(shè)計高度需同時考慮計入拱節(jié)段自重、外傾力及橫橋向最不利風(fēng)荷載，計算得最高支架頂?shù)臋M橋向位移及內(nèi)外側(cè)豎向彈性壓縮量[8]。

同時，為保證拱肋節(jié)段安裝穩(wěn)定和線形，在每付支架頂設(shè)置1個拱肋定位架穩(wěn)定拱節(jié)段上端；拱節(jié)段的下端采用在已安裝拱肋上口焊接限位碼板輔助定位。型鋼桁架式定位架設(shè)計：采用型鋼構(gòu)成定位架和支撐架，定位架和支撐架焊接成一體；定位架外形尺寸1.6 m×5 m×4.3 m，一個重量約3～4 t。各條拱肋的定位架結(jié)構(gòu)基本相同，僅根據(jù)各節(jié)段的豎向傾角用楔形鋼板調(diào)整拱肋底面定位架頂面斜角。支撐架的高度根據(jù)各支架頂面與定位架底面實際高差和支架受氣溫和荷載影響的豎向位移值確定。拱肋型鋼桁架式定位架及支撐架見圖7。

圖7 拱肋型鋼桁架式定位架及支撐架

5 鋼拱肋安裝順序及關(guān)鍵工序控制方法

每條拱肋先從P2墩拱腳開始安裝4個節(jié)段，然后再從P1墩拱腳開始安裝4個節(jié)段，最后安裝跨中5個節(jié)段。各節(jié)段安裝后只進行栓接，不焊接面板環(huán)焊縫；安裝合攏段之前，校核調(diào)整已按節(jié)段的姿態(tài)達到設(shè)計線形后，從下往上依次焊接環(huán)焊縫；最后安裝合攏段實施合攏并焊接。

5.1 拱節(jié)段吊裝角度預(yù)先調(diào)整

用兩臺50 t龍門吊抬吊拱節(jié)段進行側(cè)向轉(zhuǎn)動，初步達到拱肋的外傾角度，然后吊放至已設(shè)置匹配角度專用胎架的平板運輸車上就位，運輸至吊裝位置。拱節(jié)段運輸如圖8所示。

圖8 拱節(jié)段運輸示意圖

5.2 拱節(jié)段豎向轉(zhuǎn)體吊裝及安裝作業(yè)流程

使用一臺吊車作業(yè)存在拱節(jié)段豎向轉(zhuǎn)體較難的問題，針對豎向轉(zhuǎn)體角度大小差異，擬定表1中兩種拱肋節(jié)段起吊豎向轉(zhuǎn)體方法分別對應(yīng)解決。

表1 吊拱豎向轉(zhuǎn)體方法及其優(yōu)缺點分析

圖9 拱節(jié)段邊起吊邊轉(zhuǎn)體示意圖

圖10 拱節(jié)段平吊懸空后再轉(zhuǎn)體示意圖

拱肋吊裝應(yīng)平穩(wěn)、緩慢進行，水平移動速度不大于1 m/s，提升速度不大于0.25 m/s。拱肋就位時，盡量調(diào)整角度自然對齊，不可強搬硬拉，更不得擅自切割。節(jié)段安裝前，履帶吊緩慢吊裝拱節(jié)段至安裝位置，吊裝節(jié)段下端放到已安裝節(jié)段前端的碼板上，先安裝臨時匹配件上的定位螺栓（不完全擰緊）；然后將吊裝階段的上端放到支架頂?shù)亩ㄎ惶ゼ苌?，調(diào)整接頭精確對位后安裝縱向加勁肋連接板，施擰高強螺栓，完成臨時連接，然后緩慢松鉤，解除吊繩，由此完成一個節(jié)段吊裝。同時注意各節(jié)段安裝后只進行栓接，不焊接面板環(huán)焊縫，為線性調(diào)整留有適當余地。

5.3 合攏段施工關(guān)鍵工序控制

合攏段安裝是全橋拱肋成型的關(guān)鍵，是一次體系轉(zhuǎn)換，能夠調(diào)整全拱肋各段焊接收縮變形、熱膨脹變形，起到保證拱軸線形的重要作用。為此對環(huán)境溫度進行連續(xù)監(jiān)測，取得合攏口48 h的變化數(shù)據(jù)，根據(jù)合攏口監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化規(guī)律并結(jié)合當時氣候條件，確定最佳的合攏時間，合攏時再測量一次節(jié)段間距離，考慮適當流量后進行切割，完成合攏段制作。

南、北拱肋合龍并焊接完成后，在兩拱肋之間設(shè)置橫橋向臨時對拉索和外側(cè)纜風(fēng)繩保證拱肋橫橋向穩(wěn)定性，然后從跨中向拱腳依次卸落并拆除拱肋安裝支架。

6 結(jié)語

通過對全橋施工過程中的監(jiān)控及檢測結(jié)果來看，在履帶吊負重作業(yè)過程中鋼箱梁受力合理，結(jié)構(gòu)安全可靠，拱肋支架、定位支撐架的設(shè)計充分考慮支架與定位架實際高差、氣溫和荷載等多方面因素影響，滿足不同節(jié)段的豎向傾角要求，保證拱肋節(jié)段安裝穩(wěn)定和線形。同時僅用1～2臺履帶式吊機就高效、安全地完成了拱肋安裝，在吊重狀態(tài)完成縱橫移作業(yè)時運行平穩(wěn)，移動靈活，工作效率極高，能夠滿足不同傾角拱肋節(jié)段空中豎轉(zhuǎn)和平轉(zhuǎn)等精確安裝定位要求，科學(xué)施工，控制合理，解決了其他設(shè)備難以完成的拱肋三維定位作業(yè)。而且，少支架法架設(shè)拱肋相比滿堂支架法節(jié)省了3/4的臨時設(shè)施，有效降低了造價，整套方案具有經(jīng)濟性、安全性、高效性等多方面綜合優(yōu)勢，在城市拱橋施工中應(yīng)用普遍，是該類型橋梁施工的優(yōu)選方案。

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四川古敘高速有望年內(nèi)通車

古敘高速公路是四川省高速路網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)的南向出川大通道宜賓—興文—敘永—古藺—習(xí)水高速的一段，全長65.73 km，概算總投資79.66億元。項目于2012年開工建設(shè)，計劃在2016年全線通車。

古敘高速公路建成后將打破“白酒金三角”交通制約瓶頸，串聯(lián)起京昆、廈蓉、成遵三大高速公路和宜賓、瀘州、仁懷三大白酒名城，成為四川與長江三角經(jīng)濟圈、珠江三角經(jīng)濟圈聯(lián)系和打造“中國白酒金三角”的主動脈。

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1009-7716（2016）05-0165-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.047

2016-03-02

許賀（1983-），男，山西大同人，工程師，從事鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)營銷工作。