中承式鋼箱拱橋纜索吊裝關(guān)鍵施工技術(shù)研究

陳列勇，陳玉相，閆小軍，張 紅，王成磊，王 濤

（中國中鐵七局集團(tuán)第三工程有限公司，陜西 西安 710032）

0 引言

拱橋是一種歷史悠久的橋型，具有眾多優(yōu)勢，成為不斷發(fā)展的橋梁形式［1］，而纜索吊裝施工技術(shù)作為一種施工方便、起吊重量大，技術(shù)先進(jìn)的吊裝技術(shù)被廣泛應(yīng)用于拱橋建設(shè)之中［2，3］。目前，大跨度拱橋一般采用纜索吊裝、斜拉扣掛的方法進(jìn)行施工［4］，施工難度大，且在施工過程中橋梁存在多次體系轉(zhuǎn)換，其受力結(jié)構(gòu)和受力狀態(tài)不斷發(fā)生變化［5］。通過多次專家論證，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，總結(jié)出了一套完整的鋼拱橋纜索吊裝施工技術(shù)［6］。拱橋的斜拉扣掛纜索吊裝施工中纜扣一體化已成為發(fā)展趨勢［7］，因此，有必要對纜索吊裝的關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行研究，確保拱肋節(jié)段的安全吊裝和線形控制滿足施工要求。

1 工程背景

1.1 項(xiàng)目概況

新灘溪特大橋中心里程 K48+465，位于云南省昭通市綏江縣新灘溪道路修復(fù)工程，跨越向家壩水電站庫區(qū)新灘溪淹沒區(qū)，是此段路線的重要控制性工程。新灘溪特大橋橋跨布置為 1～170 m 中承式鋼箱拱橋，橋面系采用格構(gòu)式組合梁，橋梁全長 179.3 m（伸縮縫中心距，不含橋臺），橋面寬為 10 m。

新灘溪大橋采用的無支架纜索吊系統(tǒng)為單索塔不對稱式布置，即只在水富岸橋臺處設(shè)置索塔，綏江岸直接錨固在隧道洞頂上方的山體上。整個(gè)纜索吊主索設(shè)計(jì)跨徑為 120 m+260 m，全橋共設(shè)計(jì)兩組承重索，兩組工作索。每組主索分別由 3 根φ56 mm（6×37+1）鋼絲繩組成，布置拱肋正上方，每組纜索上設(shè)計(jì) 2 個(gè)吊點(diǎn)，吊點(diǎn)間距 6 m，兩組主索橫向間距 12.6 m，吊重最大 29.5 t；工作索布置在兩拱肋上方靠內(nèi)側(cè)位置，保證工作吊籃能夠上下起吊，工作索由 1 根φ56 mm（6×37+1）鋼絲繩組成，單點(diǎn)起吊，吊重最大 5 t。纜索在施工中的最大荷載垂度設(shè)計(jì)為 18.7 m，垂跨比為 1/14。水富岸索塔采用扣索一體塔，扣塔和索塔鉸接，塔高 61.8 m，索塔位于水富岸橋臺拱座基礎(chǔ)上。綏江岸的主索錨碇位置標(biāo)高與水富岸索塔頂設(shè)置在同一高度。整個(gè)纜索吊系統(tǒng)立面布置如圖1 所示。

1.2 建設(shè)條件

橋址區(qū)屬河流侵蝕堆積地貌，地勢起伏較大，上覆第四系覆蓋層厚度變化大，下伏巖體為灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖，受地質(zhì)構(gòu)造影響，風(fēng)化差異明顯、巖體破碎，巖層軟硬不均，次厚度分布不穩(wěn)定，綜合判定屬不均勻地基。路線區(qū)地震基本烈度值為Ⅶ度、地震動峰值加速度值為 0.15g，分組為第二組，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.40 s。橋位區(qū)地表覆蓋層第四系沖洪積碎石、塊石層的厚度大，下伏基巖為灰?guī)r、粉砂質(zhì)泥巖。

1.3 項(xiàng)目難點(diǎn)

新灘溪大橋鋼結(jié)構(gòu)安裝數(shù)量大，主拱肋單節(jié)段重，安全風(fēng)險(xiǎn)高。新灘溪特大橋橋跨布置為 1～170 m 中承式鋼箱拱橋，橋梁拱圈為鋼結(jié)構(gòu)，兩個(gè)拱圈和橫撐共重 1 114.9 t，橋梁跨越新灘溪河流，采用纜索吊安裝橋梁拱圈及主梁，主梁單節(jié)段重達(dá) 29.5 t，安全風(fēng)險(xiǎn)高。

新灘溪大橋采用大跨度鋼結(jié)構(gòu)跨越新灘溪河流，鋼結(jié)構(gòu)采用纜索吊機(jī)及扣掛法施工拱橋，施工難度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高，橋梁拱圈安裝精度及線形控制要求高。

2 拱肋吊裝總體施工方案

2.1 拱箱節(jié)段加工

根據(jù)本橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，綜合考慮各種施工因素后，加工思路如下，按照設(shè)計(jì)拱肋分段結(jié)構(gòu)尺寸，在工廠內(nèi)支架進(jìn)行下料加工拱箱節(jié)段，并對拱箱節(jié)段進(jìn)行噴涂。加工完成后直接在工廠內(nèi)進(jìn)行試拼裝，待拱肋尺寸及接口確認(rèn)無誤后對其再進(jìn)行編號，加工后的拱箱節(jié)段如圖2 所示。

圖2 拱箱加工、吊裝節(jié)段圖

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件場內(nèi)加工工序如下，鋼廠內(nèi)定制鋼板運(yùn)輸至加工廠→鋼板預(yù)處理→零件放樣及下料→零件加工→拼板→單元件制作→分段制作→預(yù)拼裝→節(jié)段涂裝。

鋼箱拱肋截面積設(shè)計(jì) 2 m×3 m，最長的 1 號節(jié)段 10.5 m，最短 0# 節(jié)段的 2.7 m，合龍段長度 4 m。加工時(shí)考慮安裝預(yù)留拱肋沉降量，拱頂最大預(yù)拱度σ=7 cm，拱底預(yù)拱度為 0 cm，計(jì)入預(yù)拱度后的拱軸線為設(shè)計(jì)懸鏈線。

2.2 拱箱節(jié)段運(yùn)輸

拱箱節(jié)段運(yùn)輸如圖3 所示，K47+420 右側(cè)原浮橋橋臺做為碼頭，浮箱做為運(yùn)輸設(shè)施，浮箱長寬為 36 m×18 m。浮箱四周固定氣囊，水位變化時(shí)，通過氣囊的變化，升降浮箱。保持浮箱頂面與岸邊高度一致。碼頭地面和浮箱頂面均設(shè)置軌道，軌道設(shè)置保持寬度和高度上對接。拱箱上船采用軌道平車運(yùn)出。在岸上用兩臺 30 t 汽車吊將拱箱放上平車，通過軌道運(yùn)輸上浮箱。浮箱運(yùn)輸拱箱或格構(gòu)梁至橋下方。拱肋節(jié)段均采用立位吊裝，可以采用側(cè)向拉纜風(fēng)和固定支架等措施穩(wěn)定拱肋節(jié)段。

圖3 拱箱節(jié)段運(yùn)輸

2.3 拱箱節(jié)段安裝

鋼箱拱肋節(jié)段安裝采用斜拉扣掛、無支架纜索吊裝方法。單組纜索設(shè)計(jì)額定吊重為 29.5 t。順橋向單幅拱肋共計(jì) 23 節(jié)段，左右兩幅拱肋對稱布置，中間設(shè) 5 道橫撐，共計(jì)有 51 個(gè)節(jié)段均采用纜索吊施工。

如圖4 所示，全橋拱肋吊裝單個(gè)拱肋共計(jì) 23 個(gè)吊裝節(jié)段（包含合龍段）。拱肋總體吊裝順序?yàn)閺墓澳_至拱頂，對稱加載。利用 4 套跑車系統(tǒng)單肋單節(jié)段吊裝，待左、右幅同一節(jié)段安裝就位后，及時(shí)連接臨時(shí)橫撐形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，并采用扣索和纜風(fēng)進(jìn)行固定。安裝時(shí)左、右幅拱肋同步進(jìn)行，兩岸對稱安裝，同步到達(dá)合龍段。具體安裝方法如下。

圖4 拱肋布置示意圖（單位：m）

1）單個(gè)拱肋共計(jì) 23 個(gè)吊裝節(jié)段，中間為合攏段，橫橋向設(shè)左右兩肋，全橋兩條拱肋分為 46 個(gè)節(jié)段。

2）拱肋節(jié)段安裝采用兩岸對稱懸拼，共設(shè)有 10 個(gè)扣段。由于箱型拱較重，因此采用單索道單片吊裝的施工方法，待拱橋兩端拱肋就位后，連接相應(yīng)風(fēng)撐，即完成一組拱肋節(jié)段的吊裝。

3）拱肋采用纜索吊機(jī)兩套主索吊裝系統(tǒng)進(jìn)行吊裝。吊裝主拱肋時(shí)，由二套主索吊裝系統(tǒng)二個(gè)吊點(diǎn)抬吊，肋間橫撐由兩側(cè)兩個(gè)吊點(diǎn)抬吊。

4）兩岸分別自拱座節(jié)段開始對稱安裝，吊裝全過程中要全方位實(shí)施監(jiān)控。鋼箱拱肋合攏時(shí)，需調(diào)整拱肋線型，待標(biāo)高符合設(shè)計(jì)要求后，進(jìn)行各段間接頭的焊接，然后扣索逐級部分松扣，直至完成全部主拱肋節(jié)段的吊裝。

3 纜索吊裝施工技術(shù)

3.1 拱箱吊裝

拱箱吊裝技術(shù)是大跨度拱橋施工最重要的工序［8］，每一節(jié)拱箱均從綏江岸橋臺起吊，由纜索吊起重小車提升，緩慢駛向安裝部位，吊裝過程由纜索吊專業(yè)人員進(jìn)行操作。拱箱節(jié)段吊裝如圖5 和圖6 所示，保證兩起吊小車起重索及牽引索的同步進(jìn)行。在靠近水富岸拱腳位置吊裝時(shí)，增加輔助牽引索于水富岸邊對拱肋進(jìn)行拖拉，致使拱肋到達(dá)安裝位置。

圖5 第一節(jié)段拱箱吊裝示意圖

圖6 中間節(jié)段拱箱吊裝示意圖

3.2 拱箱連接

拱箱節(jié)段在起重小車的吊運(yùn)下，移動至節(jié)段安裝位置上方，然后緩慢降落至安裝位置，采用導(dǎo)鏈拽拉等措施將拱箱節(jié)段與已經(jīng)安裝好的節(jié)段進(jìn)行對中，并調(diào)整拱箱軸線方向，待前后兩節(jié)拱箱接頭基本吻合后，通過纜索吊系統(tǒng)將拱箱節(jié)段就位，與上一節(jié)段拱箱采用法蘭臨時(shí)連接，法蘭臨時(shí)連接如圖7 所示，先用 40 Cr 棒粗定位，調(diào)整標(biāo)高后采用 M24 高強(qiáng)度螺栓精確定位。拱箱連接處通過改變鋼墊塊厚度及 40Cr 棒與 M24 連接螺栓的緊固間距調(diào)整拱軸線線形。待線形調(diào)整完畢后，先將拱圈周邊焊接 6～8 道（＞75 % 板厚），不滿焊，然后去除臨時(shí)連接，進(jìn)行周邊滿焊。

圖7 臨時(shí)連接法蘭布置示意圖

3.3 拱箱節(jié)段扣索的安裝及張拉

通過纜索吊系統(tǒng)將拱箱節(jié)段就位，與上節(jié)段拱箱采用法蘭臨時(shí)連接后。開始安裝扣索和纜風(fēng)。每一節(jié)拱肋在同一個(gè)截面兩側(cè)設(shè)置兩束扣索，扣點(diǎn)布設(shè)在拱箱兩側(cè)腹板外側(cè)。

扣索施工如圖8 所示，每組扣索在橋梁兩端同步張拉和調(diào)整索力，并在相應(yīng)的地方設(shè)置操作平臺，張拉好正式扣索后，對拱肋高程按設(shè)計(jì)線型進(jìn)行調(diào)整，按分級和對稱的原則對正式扣索和臨時(shí)扣索進(jìn)行放松，以標(biāo)高控制為主，同時(shí)兼顧索力?？鬯鞯膹埨头潘墒褂枚嗯_千斤頂，逐步地將力傳給正式扣索，直至松去臨時(shí)扣索。

圖8 扣索施工實(shí)物照片

3.4 拱箱合攏

檢查拱肋線型，合攏長度是否符合施工要求，在設(shè)計(jì)規(guī)定的合攏溫度下安裝合攏段，實(shí)施強(qiáng)迫合龍，拱箱合攏如圖9 所示。

圖9 合龍段拱箱吊裝示意圖

拱肋合攏時(shí)的注意事項(xiàng)如下。

1）鋼拱肋的變形受溫度的影響較大，不同施工時(shí)間對拱肋的伸縮量有較大影響。因此，拱肋合攏溫度宜控制在 15～20 ℃。

2）拱肋線形滿足設(shè)計(jì)要求后，在傍晚測量接頭部位拱肋之間的間距，按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施焊固定，并按要求擰緊固定螺栓。

3）當(dāng)合攏溫度不符合設(shè)計(jì)規(guī)定值時(shí)，應(yīng)連續(xù)監(jiān)測合攏段前五天的溫度，取一平均值，報(bào)設(shè)計(jì)單位，設(shè)計(jì)單位根據(jù)氣溫資料重新計(jì)算，提出合攏時(shí)對接修正值。

4）為保證拱肋能夠順利合攏，在加工拱肋中間節(jié)段時(shí)，按設(shè)計(jì)要求設(shè)置嵌補(bǔ)段。合攏段就位后，及時(shí)在合攏段與相鄰段的空位處搭焊型鋼定位，以免拱肋受溫度影響而產(chǎn)生較大變形錯(cuò)位，最后進(jìn)行焊接合攏。

3.5 扣索卸載

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本工程扣掛系統(tǒng)在拱肋合攏后進(jìn)行松索，完成體系的轉(zhuǎn)換，使其與設(shè)計(jì)值相吻合［9］。

松扣程序從跨中最后一組扣索開始，兩岸各組的扣索依次分級放松，扣索拉力分 5 級，每級放 1/5。

各扣索先松一級，暫停 15～20 min 后，測試拱肋的應(yīng)力、標(biāo)高、立面及平面位置，經(jīng)施工各單位確認(rèn)后，再進(jìn)行第二級的放松循環(huán)。最后放松整個(gè)扣索，并拆除扣索。

4 結(jié)語

纜索吊裝施工技術(shù)因跨越能力強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)、施工方便等眾多優(yōu)點(diǎn)成為大跨度拱橋最常用的施工方法，但隨著纜索吊裝施工方法的應(yīng)用仍面臨拱肋拼裝線型要求高、環(huán)境復(fù)雜等難題。本項(xiàng)目針對目前跨水庫山區(qū)鋼拱橋開展了大跨度纜索吊裝的施工技術(shù)研究，歸納總結(jié)了拱橋拱肋吊裝技術(shù)和纜索吊裝施工技術(shù)，極大地推動了行業(yè)技術(shù)水平的進(jìn)步，為特殊建設(shè)條件下大跨徑橋梁方案選擇和設(shè)計(jì)提供了新的思考方向，為今后建設(shè)類似工程提供了參考。Q