大跨度鋼管系桿拱橋骨架拼裝成形整體吊裝施工技術(shù)研究

王慶雨

摘要：2011年國(guó)務(wù)院通過“國(guó)發(fā)號(hào)[ 2011 ]2號(hào)文”發(fā)布的《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快長(zhǎng)江等內(nèi)河水運(yùn)發(fā)展的意見》，意見提出要利用10年左右的時(shí)間，建成暢通、高效、平安、綠色的現(xiàn)代化內(nèi)河水運(yùn)體系，大力推進(jìn)高等級(jí)航道網(wǎng)建設(shè)，實(shí)施航道升級(jí)整治工程。航道等級(jí)升級(jí)后，通航凈空加大，眾多既有跨河橋梁需拆除改建。本文通過京杭運(yùn)河鎮(zhèn)江段辛豐公路南橋的施工，研究如何降低新建橋梁施工對(duì)既有航道的運(yùn)營(yíng)干擾，解決了鋼管混凝土系桿拱橋在運(yùn)河上施工必須搭設(shè)跨河支架、封航、設(shè)置防撞措施、工期長(zhǎng)等難題，為同類橋梁施工提供實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、可靠的施工技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：大跨度鋼管系桿拱；整體吊裝；技術(shù)難點(diǎn)；解決方；關(guān)鍵技術(shù)研究

一、工程概況

辛豐公路南橋橋跨采用1×16+104.4+1×16布置形式，主橋上部采用104.4m下承式鋼管混凝土系桿拱，為剛性系桿拱性吊桿，計(jì)算跨徑L=102m， 拱軸線為二次拋物線，矢跨比為1/5，矢高為20.4m。拱肋采用啞鈴型鋼管混凝土，每個(gè)鋼管外徑100cm，拱肋高為240cm，鋼管及腹板壁厚1.4cm，內(nèi)充C40微膨脹混凝土。系桿采用箱型斷面，系梁高為210cm，寬為120cm，壁厚30cm，吊桿間距5.0m，每片拱肋設(shè)吊桿19根，吊索為PES（FD）7-61成品拉索；設(shè)置5道一字型風(fēng)撐，2道K型風(fēng)撐，一字型風(fēng)撐鋼管外徑100cm，壁厚1.4cm，K型風(fēng)撐鋼管外徑70cm，壁厚1.4cm。主橋鋼管拱肋、勁性骨架采用岸地支架法施工，待拱肋、勁性骨架、風(fēng)撐、臨時(shí)中橫梁等部位拼裝成整體鋼骨架后，使用浮吊整體吊裝就位。

二、技術(shù)難點(diǎn)

蘇南運(yùn)河鎮(zhèn)江段辛豐公路南橋主拱鋼結(jié)構(gòu)拼裝成形整體吊裝施工存在技術(shù)難點(diǎn)如下：

1.拱肋大型鋼管構(gòu)件定位、對(duì)接。根據(jù)施工方案，主橋鋼結(jié)構(gòu)在岸地預(yù)拼，單根拱肋在廠內(nèi)分為三段加工，在組裝及吊裝過程中稍有變形或定位不準(zhǔn)將導(dǎo)致對(duì)接不上，因此給岸上組拼、測(cè)量、吊裝提出了很高的精度要求。

2.大跨度鋼管系桿拱橋鋼骨架岸地組拼成形吊裝對(duì)組拼支架的設(shè)計(jì)有要求，減少支墩則拱肋分段加長(zhǎng)，提高了吊裝能力、拼裝精度要求，增加支墩則增加施工成本，增大了拼裝時(shí)的焊縫數(shù)量，對(duì)拱肋整體性有影響。因此拱肋岸地支架設(shè)計(jì)是重難點(diǎn)，需要精確計(jì)算確定支墩數(shù)量及結(jié)構(gòu)形式。

3.大跨度鋼管系桿拱橋鋼骨架整體吊裝就位。主橋鋼骨架全長(zhǎng)104米，重約480噸，吊裝高度約10m，采用水上吊裝，浮吊的額定起重能力、臂長(zhǎng)、傾角等要滿足要求，鋼絲繩的捆綁應(yīng)牢固準(zhǔn)確、鋼絲繩的安全系數(shù)需經(jīng)過計(jì)算驗(yàn)證；另尚需檢算主橋鋼骨架在吊裝過程中的應(yīng)力與變形，確保變形在可恢復(fù)的彈性范圍內(nèi)，并小于規(guī)定的容許變形。需根據(jù)結(jié)構(gòu)重力分布檢算確定吊點(diǎn)位置。

4.系梁模板及鋼筋在河上安裝難度極大，工作面無法展開。

三、解決方案

針對(duì)蘇南運(yùn)河辛豐公路南橋主拱鋼結(jié)構(gòu)拼裝成形整體吊裝施工存在技術(shù)難點(diǎn)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，制定解決方案如下：

1.岸上組拼和岸地支架拼裝應(yīng)嚴(yán)格控制三維坐標(biāo)，糾正偏差，吊裝過程中通過計(jì)算選擇合理吊點(diǎn)減小變形，以保證順利對(duì)接。

2.廠內(nèi)加工時(shí)每根拱肋分為三段（兩邊節(jié)41.3m，中間節(jié)26.1m），在支墩設(shè)計(jì)時(shí)以方便吊裝、減低成本為原則進(jìn)行考慮，單根拱肋設(shè)2個(gè)支墩，共設(shè)支墩4個(gè)。鋼結(jié)構(gòu)整體吊裝時(shí)分階段拆除，可再利用。

3.大跨鋼管系桿拱橋半跨骨架拼裝成形整體吊裝前準(zhǔn)確計(jì)算選用起吊設(shè)備，采用有限元軟件精確計(jì)算吊裝過程中應(yīng)力變形，確保變形在可恢復(fù)的彈性范圍內(nèi)，并小于規(guī)定的容許變形。

4.主拱鋼骨架在岸地拼裝階段就將底模、內(nèi)模、系梁箍筋、人行道及防護(hù)欄桿等設(shè)施安裝到位，避免了吊裝后在水上高空中安裝上述設(shè)施，提高了工作效率，確保了施工生產(chǎn)安全。

四、關(guān)鍵技術(shù)研究

1.大跨度鋼管系桿拱橋鋼骨架岸地拼裝組合

大跨度鋼管系桿拱橋鋼管拱肋采用現(xiàn)場(chǎng)立式拼裝，拱肋在廠內(nèi)預(yù)制完成后運(yùn)至拼裝現(xiàn)場(chǎng)，單根拱肋分為三節(jié)段，拼裝順序?yàn)橄葍蛇吅笾虚g階段，完成拼裝。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙計(jì)算得拱肋每米自重約900kg，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和現(xiàn)有起吊設(shè)備資源，選用兩臺(tái)130t汽車吊作為拱肋岸地拼裝吊裝設(shè)備。拱肋在加工廠家內(nèi)加工預(yù)拼完畢后，由水路運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)。

第一步，安裝第一節(jié)段41.3m長(zhǎng)拱肋，2臺(tái)130噸汽車吊將構(gòu)件從運(yùn)輸拖船上直接起吊，就位于岸地預(yù)拼好的支架上，并與勁性骨架拱腳連接處焊接牢固。如圖1第一步所示。

第二步，安裝第二節(jié)41.3米長(zhǎng)拱肋，安裝方法與首節(jié)一致。如圖1第二步所示。

第三步，安裝第三節(jié)26.09米長(zhǎng)中段拱肋，控制好拱肋焊接變形，整條拱肋定位需通過測(cè)量控制網(wǎng)控制，在每次安裝時(shí)進(jìn)行精測(cè)定位。如圖1第三步所示。

第四步，安裝吊桿、吊索、風(fēng)撐等其他設(shè)施。如圖1第四步所示。

2.大跨度鋼管系桿拱橋鋼骨架整體吊裝

2.1 吊點(diǎn)選擇

根據(jù)300t、500t浮吊雙鉤的特點(diǎn)，每臺(tái)浮吊四吊點(diǎn)起吊，為了保證大跨度鋼管系桿拱橋鋼骨架整體吊裝應(yīng)力及變形最小，根據(jù)《路橋施工計(jì)算手冊(cè)》，拱肋及勁性骨架整體吊裝吊點(diǎn)選擇在0.22l處，即0.22l=0.22×104.4=23m。用MIDAS CIVIL有限元軟件進(jìn)行空間模擬，確定四吊點(diǎn)的位置為應(yīng)力及變形最小，吊點(diǎn)布置如圖2所示：

經(jīng)計(jì)算鋼骨架整體吊裝總重為477.62噸，根據(jù)拼裝場(chǎng)地及浮吊型號(hào)、浮吊吊裝能力等實(shí)際情況，采用500t、300t兩臺(tái)浮吊抬吊，參數(shù)詳見表1、2。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形及吊點(diǎn)位置，在吊裝時(shí)選擇主爬桿50m，角度為65°，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，2艘以上起重機(jī)雙抬吊重物時(shí)，必須按額定吊裝載荷的80%計(jì)算，則2艘浮吊總吊裝能力為：（350+250）=600t×80%=480t>477.62t，故安全。

2.2 變形計(jì)算

大跨度鋼管系桿拱橋鋼骨架整體吊裝時(shí)，拱肋需承擔(dān)自重、勁性骨架、吊桿、鋼筋、底模系統(tǒng)的荷載，因此需對(duì)拱肋進(jìn)行整體強(qiáng)度、剛度進(jìn)行計(jì)算，以確保吊裝安全，拱肋建模時(shí)未考慮拱肋內(nèi)環(huán)向加勁，以上荷載按線形荷載施加給拱肋，計(jì)算結(jié)果如下：

經(jīng)過計(jì)算并結(jié)合實(shí)際情況，最大應(yīng)力[σmax=170.9MPa≤σ=295MPa]，滿足要求。

大跨度鋼管系桿拱橋鋼骨架整體吊裝時(shí)最大變形：[fmax=126mm≤f=261mm]，滿足要求。

3.吊裝施工技術(shù)

大跨度鋼管系桿拱橋鋼骨架整體吊裝過程封航3.5小時(shí)，吊裝過程具體的操作步驟如下：

步驟一：浮吊就位，試吊鋼骨架確定安全后，進(jìn)行起吊。

步驟二：浮吊將鋼骨架吊起后，向后倒行約20米后，開始向橋位方向轉(zhuǎn)體。

步驟三：完成轉(zhuǎn)體后，浮吊向橋位平穩(wěn)行進(jìn)，兩浮吊行動(dòng)一致，將鋼骨架平移至距橋位約5米處。

步驟四：浮吊提高吊鉤高度，將鋼骨架提升至略高于主墩蓋梁后，靠近橋位，將鋼骨架吊裝至橋位正上方后緩慢下落，在下落過程中由技術(shù)人員進(jìn)行精確對(duì)位，確保鋼骨架安裝精度。對(duì)位完成后，浮吊將鋼骨架安裝就位，解除吊裝鋼絲繩，吊裝作業(yè)完成。

4.注意事項(xiàng)

（1）大跨度鋼管系桿拱橋鋼骨架拼裝成形整體吊裝吊點(diǎn)應(yīng)采用軟件空間準(zhǔn)確模擬計(jì)算，確保起吊后角度和變形控制在要求的范圍內(nèi)。

（2）大跨度鋼管系桿拱橋鋼骨架整體吊裝就位后，立即將支座上鋼板錨固螺栓安裝就位，避免由于吊裝過程彈性變形回復(fù)所導(dǎo)致的水平位移，鋼骨架下放至支座上時(shí)，應(yīng)將支座限制位移的約束全部解除，避免應(yīng)力破壞。

（3）鋼骨架吊裝就位時(shí)應(yīng)充分考慮整體因起吊產(chǎn)生的彈性變形，對(duì)線入位時(shí)提前計(jì)入彈性變形位移量，確保就位準(zhǔn)確。

五、結(jié)束語

大跨度鋼管系桿拱橋鋼骨架岸地拼裝成形整體吊裝施工技術(shù)不僅有效的解決了封航時(shí)間長(zhǎng)，水中架設(shè)支架等難題，而且減少了封航次數(shù)近80%，由于岸地施工，同比開展的工作面大，大大縮短了拱橋安裝施工工期近50%。

參考文獻(xiàn)：

[1]《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG T F50-2011）

[2]《鋼管混凝土拱橋》（陳寶春著，人民交通出版社，2007年1月出版）

[3]《路橋施工計(jì)算手冊(cè)》（周水興等著，人民交通出版社，2001年10月）

[4]《公路施工手冊(cè)-橋涵》（交通部第一公路工程總公司，人民交通出版社，2000年3月）