大跨徑拱橋常備式鋼拱架安拆施工技術(shù)

王 偉，張 朋 崗

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

兩河口水電站密瓦段Ⅶ標(biāo)折多溝大橋?yàn)殇摻罨炷料湫凸皹?，全長183.5 m，上部為主跨110 m的上承式鋼筋混凝土箱形拱。主拱圈凈矢跨比為1/5，凈矢高22 m，拱圈寬6.08 m，全高2.1 m。橋位地處高山峽谷地帶，跨度大(110 m)、高差大(約90 m)，溝底亂石、雜木堆積。若采用傳統(tǒng)的落地式支架法作為主拱圈現(xiàn)澆支撐體系，不僅浪費(fèi)資源，而且技術(shù)安全風(fēng)險(xiǎn)高。經(jīng)研究決定，該橋主拱圈采用強(qiáng)度高、更輕便的常備式鋼拱架做為支撐系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)澆筑主拱圈的目的，筆者詳細(xì)解析了其安拆技術(shù)。

2 施工準(zhǔn)備

(1)吊裝設(shè)備準(zhǔn)備。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形、地貌情況及大型拱橋現(xiàn)澆主拱圈施工工藝，在進(jìn)行常備式鋼拱架施工前架設(shè)一套纜索吊裝系統(tǒng)[1]，主要承擔(dān)主拱圈鋼拱架的安裝與拆除、空心板吊裝及鋼筋、模板、混凝土等材料的吊運(yùn)?？紤]到施工過程中需要吊裝物體的最大重量，以右側(cè)邊板空心板(重17.9 t)設(shè)計(jì)纜索吊額定起重量為20 t；吊具重量為1.2 t，沖擊系數(shù)取1.4，因此，在進(jìn)行鋼絲繩、索塔、錨碇等纜索吊各結(jié)構(gòu)系統(tǒng)安全驗(yàn)算時(shí)采用的重量為：(20+1.2)×1.4=29.68(t)。計(jì)算時(shí)按30 t計(jì)。

(2)設(shè)置臨時(shí)拱座。為使主拱圈拱座結(jié)構(gòu)及受力不受鋼拱架支撐影響，在拱座前應(yīng)設(shè)置臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)：臨時(shí)拱座。為保證安全，臨時(shí)拱座宜采用與主體拱座同標(biāo)號(hào)混凝土結(jié)構(gòu)，且需設(shè)置在較完整的基巖基礎(chǔ)上。經(jīng)精確測(cè)量后，安放了可卸落式臨時(shí)支座并由預(yù)埋入臨時(shí)拱座的限位鋼銷進(jìn)行固定，臨時(shí)支座由16組橋梁專用砂筒活塞構(gòu)成。

(3)合理設(shè)計(jì)鋼拱架[2]。主拱圈內(nèi)弧長度為121.268 m。為便于對(duì)拱架上部的線型和高度進(jìn)行調(diào)整，鋼拱架組裝的總弧長應(yīng)略小于內(nèi)弧長度。常備式鋼拱架單片基本的三角長度為4 m，端三角長3 m，故每列需投入28片基本三角和2片端三角，計(jì)算得總弧長為118 m，較為合理。每列橫向間距為0.85 m，共需8列，計(jì)算得總寬度為6.8 m，滿足主拱圈寬度需要。

經(jīng)委托四川交大工程檢測(cè)咨詢有限公司，通過采用Midas/civil 2012有限元分析軟件建模，各桿件采用梁?jiǎn)卧M，全橋共14 134個(gè)單元，在采用螺栓連接處釋放桿件的橫橋向轉(zhuǎn)動(dòng)約束，按照主拱圈混凝土結(jié)構(gòu)加受力驗(yàn)算施工階段，綜合考慮風(fēng)荷載、溫度變化、地震作用等影響因素，分別對(duì)鋼拱架在預(yù)壓階段的鋼拱架受力、主拱圈底板及其施工荷載共同作用下與鋼拱架單獨(dú)受力驗(yàn)算；主拱圈底板、腹板、橫隔板荷載作用下受力驗(yàn)算，鋼拱架與底板鋼筋混凝土共同受力；主拱圈頂板荷載作用下鋼拱架與底板及腹板鋼筋混凝土共同受力驗(yàn)算；全部主拱圈及其施工荷載共同作用下受力驗(yàn)算，主拱圈底板、腹板及鋼拱架共同受力；五個(gè)工況下進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

3 施工方法

3.1 常備式鋼拱架的安裝方法

在綜合考慮主拱圈跨度、常備式鋼拱架結(jié)構(gòu)性能、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等因素后，鋼拱架的整體安裝思路[3]為：每列分3段在岸上組裝，纜索吊裝每段就位、空中懸拼合攏；逐列安裝，列與列之間采用專用桿件連接，形成整體。

(1)預(yù)拱度設(shè)置[3]。主拱圈施工期間的彈性撓度由鋼拱架的自重?fù)隙?澆筑第一環(huán)混凝土?xí)r的鋼拱架撓度+澆筑第二環(huán)混凝土?xí)r的鋼拱架撓度+澆筑第三環(huán)混凝土?xí)r的鋼拱架撓度+拆架后的拱肋撓度組成。參考相關(guān)資料，彈性撓度取δ1=25 mm。通過對(duì)基本三角(或端三角)上拼裝銷孔的間隙進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，每個(gè)接頭非彈性變形(銷孔間隙)為0.5 mm，主拱圈統(tǒng)一縱向平面有32個(gè)銷接接頭，則全橋ds=32×0.5=16(mm)；同跨徑時(shí)，由弧長與矢高的變化關(guān)系求得拱架頂部非彈性撓度δ2≈10 mm。由于砂筒安裝前已經(jīng)重物預(yù)壓，故將砂筒壓縮值修正為5 mm，同時(shí)，因現(xiàn)場(chǎng)所采用的墊木木質(zhì)較硬，筆者根據(jù)類似的工程經(jīng)驗(yàn)，將墊木的壓縮量修正為5 mm，得δ3=10 mm。則因恒載、溫度變化、混凝土收縮徐變及拱座水平位移產(chǎn)生的撓度δu=228 mm(設(shè)計(jì)已給定)。

綜合以上所述，取鋼拱架頂部總的預(yù)拱度值δ=δ1+δ2+δ3+δu=273(mm)。

(2)安裝順序。整體安裝順序：從一側(cè)安裝第一列→安裝臨時(shí)抗風(fēng)纜索→安裝第二列→安裝橫向連接及臨時(shí)抗風(fēng)纜索→直至8列安裝完成并安裝抗風(fēng)纜索。

單列安裝順序：分別進(jìn)行岸拱腳段吊裝就位→安裝臨時(shí)抗風(fēng)纜索→拱頂合攏段安裝就位→安裝臨時(shí)抗風(fēng)纜索→同樣方法安裝下一列。

(3)岸上單段組裝。根據(jù)材料剛度及穩(wěn)定性能并綜合考慮吊裝安全要求，單列由3段組裝而成：兩段由2片端三角和9片基本三角組成拱腳段，1段由8片基本三角組成跨中段，采用30 t汽車吊配合人工進(jìn)行組裝。組裝時(shí)，應(yīng)根據(jù)常備式鋼拱架結(jié)構(gòu)的基本受力及工作原理，采用墊木支墊，使每組裝段弧形心向下，不可橫向水平放置或吊裝以避免構(gòu)件變形。

(4)單段吊裝。由于該拱橋位區(qū)域順時(shí)風(fēng)速可達(dá)12級(jí)，為減少纜索吊的側(cè)向受力，確保施工安全，將纜索吊設(shè)計(jì)為中間固定式塔鞍，使每列常備式鋼拱架不可能垂直安裝就位。為解決安裝就位問題，該工程采用正吊歪拖施工工藝：① 吊裝前，將鋼拱架吊裝段固定在纜索吊前后兩吊點(diǎn)上，兩吊點(diǎn)距鋼拱架弧長的中心位置大致相等，吊點(diǎn)采用鋼筋環(huán)在其軸線位置進(jìn)行橫向限位，以使鋼拱架吊裝過程保持平衡，同時(shí)，在吊點(diǎn)位置安裝歪拖繩，歪拖繩采用左右兩側(cè)各1根φ21.5鋼絲繩，長300 m；② 在精準(zhǔn)測(cè)量放線的基礎(chǔ)上，利用纜索吊將安裝段吊至欲安裝部位的上方，收放起重索進(jìn)行縱向調(diào)整，待其下落至近安裝部位時(shí)，利用兩岸的5 t歪拖慢速卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行橫向調(diào)整，安裝就位。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況計(jì)算得到最大水平偏移：全寬(6.08/2)-列寬(0.52/2)=2.78(m)；最大偏移角度：Cot(最大水平偏移2.78/拱頂距主索高度14.79)≈10°。③ 每段安裝就位后，采用扣索及布置在橋兩側(cè)的8組風(fēng)纜進(jìn)行臨時(shí)固定，風(fēng)纜繩采用2Ф19.5的麻芯鋼索。安裝過程中，風(fēng)纜與地面之間的夾角不大于30°，風(fēng)纜水平投影與橋軸線之間的夾角不小于50°。為減小風(fēng)纜垂度的非彈性影響，風(fēng)纜初張力按5 t控制。

(5)單列合攏[4]。合攏段通過上述正吊歪拖施工工藝就位，通過收放扣索、起重索調(diào)整縱向合攏高度。鋼拱架合攏時(shí)，應(yīng)分別在兩拱腳及合攏連接段處設(shè)臨時(shí)鉸連接，采用鉸拱方式合攏(圖1)，以利于銷孔間隙、砂筒壓縮等非彈性變形產(chǎn)生的鋼拱架附加內(nèi)力的釋放。待合攏完成后，再利用小型倒鏈配合人工連接下弦，完成單列安裝。

(6)逐列安裝形成整體。采用同樣方法繼續(xù)安裝下一列。第二列安裝完成后，在扣繩、吊點(diǎn)牢固的情況下，在1、2列之間安裝完成所有的橫向連接件，以增加鋼拱架整體的穩(wěn)定性；同時(shí)，安裝臨時(shí)纜風(fēng)繩，方法與單列鋼拱架安裝的方式相同。依次安裝，形成拱架整體(圖2)。

圖1 單列合攏示意圖

3.2 常備式鋼拱架拆除的施工方法

圖2 安裝完成效果圖

拱架拆除系利用已經(jīng)成型的主拱圈固定拱架，采用纜索吊配合人工進(jìn)行拆除，基本上按照逆安裝順序分列、分段進(jìn)行。

(1)拱架的卸落條件。當(dāng)主拱圈混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求的支撐體系卸落結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，方可卸落；設(shè)計(jì)無要求時(shí)，可通過建立模型受力分析確定。為保證工程質(zhì)量和施工安全，該橋采用100%混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

(2)卸落量控制。鋼拱架卸落前，采用鋼絲繩進(jìn)行多點(diǎn)臨時(shí)固定，防止鋼拱架突然失穩(wěn)。在卸落鋼拱架時(shí)，只有當(dāng)其達(dá)到一定的卸落量時(shí)，鋼拱架才脫離主拱圈體并實(shí)現(xiàn)力的轉(zhuǎn)移。拱架脫離時(shí)的基本卸落量h=拱圈體彈性下沉量+鋼拱架彈性回升量。通過專業(yè)第三方計(jì)算：h=11.524 cm(未考慮計(jì)入風(fēng)纜初張力和部分非彈性及施工安全等因素)，該橋臨時(shí)支座(活塞式砂筒)實(shí)際設(shè)計(jì)總卸落量為16 cm，大于11.524 cm，滿足卸落要求。

(3)拱架整體分級(jí)卸落[5]。拱架卸落是主拱圈和鋼拱架的協(xié)同受力體系向主拱圈獨(dú)自承受結(jié)構(gòu)重量的應(yīng)力轉(zhuǎn)換過程，因此其拆卸量的大小直接影響到主拱圈的受力過程，若卸量過大、速度過快會(huì)使主拱圈應(yīng)力突然增大，可能產(chǎn)生應(yīng)力裂縫等質(zhì)量危害。因此，應(yīng)遵循逐級(jí)卸落原則，在鋼拱架卸落過程中，做好監(jiān)控量測(cè)工作。卸落鋼拱架時(shí)，應(yīng)先對(duì)稱松動(dòng)兩拱腳支座后緣的鑄鋼對(duì)口楔塊，再同時(shí)對(duì)稱卸落砂筒，使鋼拱架緩慢、均衡下落。設(shè)計(jì)砂筒的總卸落量為16 cm，分8個(gè)落次卸完，每次卸落量為2 cm左右，各個(gè)砂筒每次的卸砂量約為4.4 L。

(4)逐列逐段拆除。拆除鋼拱架時(shí)，將鋼拱架的單列從拱頂分段拆除，每列分5個(gè)吊運(yùn)段，每個(gè)吊運(yùn)段由6個(gè)基本三角(或5個(gè)基本三角和1個(gè)端三角)構(gòu)成。鋼拱架的節(jié)段拆除應(yīng)嚴(yán)格遵循對(duì)稱均衡原則，拆除并完成一列后，方可進(jìn)入下一列(圖3)。具體步驟為：①拆除拱段與相鄰幅之間的橫向連接及兩端的連接鋼銷、螺栓；②利用支撐于主拱圈上的倒鏈滑車組，前后對(duì)稱、均勻地將鋼拱架下放到一定高度；③轉(zhuǎn)移至天線起吊滑車上吊運(yùn)上岸：當(dāng)拆除段利用支撐于主拱圈上的倒鏈滑車組下放到一定高度后，天線主起吊滑車亦行駛至與拆除段相同的縱向位置，利用轉(zhuǎn)向滑車橫拉主起吊滑車的前后吊點(diǎn)，與拆除段的前后吊點(diǎn)連接；④提升主起吊滑車前后吊點(diǎn)至支撐于主拱圈上的滑車組完全放松后，拆除支撐于拱圈上的該段倒鏈滑車組，通過纜索吊將拆除段運(yùn)輸上岸。對(duì)于本列未拆除部分的鋼拱架需利用4道、8根φ21.5鋼絲繩固定上游第四列拱架(該列拱架最后拆除)，以保證其穩(wěn)定性。逐列拆除，直至全部拆除完成。

圖3 逐列拆除示意圖

4 施工控制要點(diǎn)

4.1 安裝施工控制要點(diǎn)

(1) 在纜索吊吊裝鋼拱架前，應(yīng)對(duì)纜索吊裝系統(tǒng)進(jìn)行全面的檢查并進(jìn)行試吊，其主要目的是檢驗(yàn)系統(tǒng)的吊重能力是否滿足設(shè)計(jì)要求、系統(tǒng)的安全可靠性及其工作狀態(tài)。根據(jù)纜索吊的設(shè)計(jì)要求，其額定起重量為20 t，直接利用成捆的鋼筋原材作為試吊重物，采用鋼絲繩索將成捆鋼筋捆成整體，通過改變?cè)匿摻畹臄?shù)量以滿足試吊重量要求。根據(jù)《公路工程施工安全技術(shù)規(guī)范》纜索吊機(jī)正式吊裝前應(yīng)進(jìn)行起吊試驗(yàn)[6]，為保證試吊過程安全，現(xiàn)場(chǎng)按60%G(12 t)→100%G(20 t)→125%G(25 t)進(jìn)行分級(jí)加載(G為纜索設(shè)計(jì)額定起重力，20 t)。

(2)拱腳處臨時(shí)支座(活塞式砂筒)所用的砂應(yīng)為潔凈的標(biāo)準(zhǔn)砂，砂筒與砂筒活塞之間的空隙應(yīng)用瀝青或黃油封閉，防止雨水或泥水滲入造成砂體板結(jié)，確保后期拱架卸載時(shí)其能順利流出。

(3)考慮到常備式鋼拱架結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，該橋單列鋼拱架采用3段吊裝空中懸拼施工，每段長度分別為43 m、32 m和43 m，同時(shí)采取了防變形措施：角鋼三角支架。若進(jìn)行其他跨徑條件下的安裝，應(yīng)根據(jù)材料的結(jié)構(gòu)性能及施工需要合理劃分吊裝節(jié)段。

(4)采用正吊歪拖施工工藝吊裝時(shí)，應(yīng)注意歪拖繩的牽引點(diǎn)須固定在拼裝節(jié)段吊點(diǎn)的扣環(huán)上，以防止鋼拱架發(fā)生扭轉(zhuǎn)，使吊裝節(jié)段保持順直狀態(tài)，便于節(jié)段的安裝和合攏施工。

(5)拱腳節(jié)段就位后，扣索應(yīng)通過纜索吊塔鞍固定于后方主錨上，以減少纜索吊主索塔的側(cè)向受力。同時(shí)，在該節(jié)段安裝時(shí)，應(yīng)設(shè)置一定的施工預(yù)抬高值(初步擬定拱腳段為8 cm)，以便于拱頂段的順利安裝和單列合攏。

(6)及時(shí)進(jìn)行每列鋼拱架的互連，以增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，同時(shí)，應(yīng)及時(shí)安裝臨時(shí)抗風(fēng)纜繩，在確保安全穩(wěn)定后方可結(jié)束該列施工。

4.2 鋼拱架拆卸的控制要點(diǎn)

(1)鋼拱架整體卸落時(shí)，應(yīng)遵循逐級(jí)卸落的原則，嚴(yán)格控制卸落量；兩側(cè)和同側(cè)應(yīng)均衡卸落，卸落量應(yīng)基本保持一致，可用量杯計(jì)量卸砂量和鋼尺標(biāo)記卸落剛度，防止在卸落過程中鋼拱架橫向傾斜。

(2)在鋼拱架卸落過程中，應(yīng)在兩岸L/4(L為拱橋的凈跨徑，長110 m)及拱頂設(shè)置主拱圈變形觀測(cè)點(diǎn)，做好主拱圈的變形觀測(cè)工作，及時(shí)反饋信息，確保施工安全。

(3)由于常備式鋼拱架卸落是利用主拱圈進(jìn)行固定，拱架的部分重力將作用于主拱圈上，而拆除過程會(huì)影響到主拱圈的受力，因此，應(yīng)遵循“由小到大、由慢到快”逐塊逐列拆除的原則，嚴(yán)格控制拆除塊的組成與重量。

5 結(jié) 語

折多溝大橋主拱圈采用常備式鋼拱架，有效解決了該橋跨徑大、高差大、安全風(fēng)險(xiǎn)大等施工技術(shù)難題，順利完成了主拱圈現(xiàn)澆混凝土施工，確保了工程質(zhì)量和安全。筆者從常備式鋼拱架安裝和拆除施工的技術(shù)角度出發(fā)闡述了其施工工藝和施工控制要點(diǎn)，并通過實(shí)際案例證明了正吊歪拖空中懸拼施工工藝和逐級(jí)卸落分段拆除施工技術(shù)的適用性與可靠性，為大跨徑拱橋常備式鋼拱架安拆施工積累了大量經(jīng)驗(yàn)，可供類似施工條件下拱橋工程的施工參考與借鑒。