钢箱系杆拱桥拼装架设线形控制技术

蒋宗全，高金亮，唐继舜，陈双权，朱浩波，孔小青

(1.中国水电建设集团，北京 100048;2.西南交通大学土木工程学院，成都 610031; 3.中国水利水电第十一工程局有限公司，郑州 450001)

钢箱系杆拱桥拼装架设线形控制技术

蒋宗全1，高金亮2，唐继舜2，陈双权3，朱浩波1，孔小青3

(1.中国水电建设集团，北京 100048;2.西南交通大学土木工程学院，成都 610031; 3.中国水利水电第十一工程局有限公司，郑州 450001)

新建铁路跨济兖公路特大桥中的钢箱系杆拱桥，为四线跨度96 m下承式简支钢箱系杆拱桥。本文结合该工程的结构设计和施工环境特点，介绍钢箱拱架设过程中线形控制的关键技术和主要架设过程，对新建铁路桥梁采用大跨度钢箱系杆拱桥有一定的借鉴作用。

钢桥 系杆拱桥 桥梁架设

1 工程概况

跨济兖公路特大桥中的钢箱系杆拱桥是北京至上海新建铁路中的一座重要桥梁，四线96 m的下承式简支钢箱系杆拱桥在国内是首次采用。一次建成四线桥，中间双线为高速正线，两边为联络线。本桥结构体系分为钢箱拱、钢箱梁、拱肋横撑、吊杆索及锚点构造、两端支座、两端横向限位装置及现浇混凝土桥面板。主拱采用变截面钢箱拱，拱肋理论拱轴线采用二次抛物线，实际拱轴线以折代曲，两折线交点为吊索中心线与理论拱轴线交点，折线间采用圆弧过渡。矢跨比1∶5，矢高19.2 m，两主拱间中心距11.68 m。钢箱梁长98 m，跨径96 m，拱脚处与主梁固结。两拱肋通过5道钢箱横撑连接，吊杆索水平投影间距为5 m。拱肋为箱形截面，箱宽1.2 m，高度由跨中处2.8 m变化至拱脚处5.5 m。主梁采用梁高3 m等截面单箱9室截面，顶宽25.7 m，底宽22.5 m，桥面采用正交异性板构造。该桥位于济南市西南，12#－13#跨越济兖公路和高速公路的匝道，13#－14#跨越京福高速公路匝道，由于桥下净空较小，所以本桥采用支架原位拼装施工方案，钢箱梁在支架原位拼装架设，钢拱肋在钢箱梁上拼装架设。

2 钢箱系杆拱桥总体施工安排

钢箱系杆拱桥的桥面钢箱梁、钢箱拱采用支架原位拼装的施工方法。考虑场地运输能力、起吊设备等因素，对全桥进行对称划分，桥面钢箱梁纵向分为11.5 m+15×5.0 m+11.5 m共17段，钢箱拱分为11段。由于济兖公路路面太宽，桥下净空不高，结合桥面钢箱梁的设计分段，充分利用钢箱梁自身的刚度，钢箱梁的拼装采用在临时支架上原位拼装。在12#，13#，14#墩间设置临时施工支架(图1)，施工支架采用大直径钢管，基础为混凝土扩大基础。先在临时支架上从12#，13#，14#墩依次拼装桥面钢箱梁。桥面钢箱梁拼装完成后，在桥面上搭设拱肋支架，在拱肋支架上从拱脚往跨中逐段拼装钢箱拱、横撑。

整个钢箱系杆拱桥全部采用大吨位汽车吊进行拼装。在拼装过程中临时交替封闭济兖公路部分车道。钢箱梁用平板车运输到施工现场后，直接在平板车上检查，合格后用大吨位汽车吊直接提升架设。为保证钢箱系杆拱桥施工过程中济兖公路的畅通无阻，在施工区域下面设置防护装备，净空高度≥5.5 m。该钢箱系杆拱桥支架原位拼装方案对桥下行车影响小，临时设备工程量小、不破坏现有公路路面、充分利用本桥两边的土地、工期快。

图1 钢箱系杆拱桥支架布置(单位:m)

3 钢箱系杆拱桥施工关键技术

3.1 桥面钢箱梁架设

桥面钢箱梁的拼装在临时支架上进行，采用先横向后纵向的拼装连接方式(图2)。桥面钢箱梁的线形主要考虑纵向坡度1.35%、设计预拱度及施工预拱度。本工程桥面钢箱梁采用支架原位拼装施工，公路上地基承载力较高，但公路边上绿化带的地基未进行预压，地基处理不彻底，地基的变形量和支架的变形量直接影响桥面钢箱梁的线形。因此，如何设置好施工预拱度，控制桥面钢箱梁的线形是施工中的一个关键。

图2 桥面钢箱梁架设

施工预拱度的设置考虑施工支架的变形、钢箱梁与支柱端头木质垫块的变形、地基变形。其中支架的弹性变形δ1按照理论计算得出，钢箱梁自重下的地基弹性变形δ2通过在施工前的预压及卸载试验中实测得出，还需考虑地基的滞后非弹性变形δ3，钢箱梁与支柱端头木质垫块的弹性变形δ4可计算得出，随着荷载变化的非弹性变形δ5通过试验得出。故施工预拱度δ=δ1+δ2+δ3+δ4+δ5。根据理论和沉降观测结果分析，最终确定主跨施工预拱度设置:公路上标准段为4 mm，绿化带上标准段为7 mm，拱脚段10 mm。主桥实际拼装后的高程与设计值偏差在+5～－3 mm范围内，预拱度设置基本合理。

3.2 钢箱拱架设关键技术

桥面钢箱梁拼装完成之后，在桥面上搭设拱肋支架，6个支架均布置在拱肋分段的接缝处。在拱肋支架上分段拼装拱肋、横撑，并按从拱脚到拱顶的顺序对称拼装，直至拱肋合龙(图3)。

图3 钢箱拱架设

由于钢箱拱实际不同时拼装，在各种因素的综合作用下，南北两侧钢箱拱前段的位移是不对称的，造成拱肋中心线偏离理论中心线且同里程处拱肋的横向距离与理论值也有误差。拱肋中心线偏离太大将造成合龙口的横向错位而合龙困难，横向距离误差过大将造成永久横撑的安装困难，对拱肋的合龙和受力产生不利影响。因此，必须严格控制两片拱肋间横向位移误差在允许的范围内。本桥采用在两段拱肋间及时安装横撑，确保两片拱肋横桥向的相对位置。同时通过在拱肋支架顶端设置的水平千斤顶，在必要时用来调整拱肋中心线的偏差。

钢箱拱采用先栓后焊的连接方式。在拱肋拼板孔对齐的情况下，两段拱肋连接处仅有很小的竖向调整量，且拱端高程的偏差是与里程成线性放大的规律。整个钢箱拱拼装过程中必须严格控制相同工况下两片拱肋的高程，一旦超出规范要求，必须通过相关措施进行调整，将两片拱肋的高差控制在10 mm内。

由于拱肋实际上的不对称施工，同侧两片拱肋前端的扭转角不完全相同，为防止合龙时出现“麻花”现象，需要在拱肋施工过程中逐步调整拱肋端口的扭转角。本桥从G1段拱肋安装开始调整端口的扭转角，通过施工支架顶端的水平千斤顶横向顶推，实现拱肋截面扭转角的控制。

3.3 非线性和温度的影响

在拱肋拼装过程中，钢箱拱最大悬臂的水平长度只有45 m，拱肋支架的非线性影响很小，且是在中跨钢箱梁合龙后要拆除的临时结构，因此，不考虑施工支架非线性影响。计算表明系杆拱桥拱肋受不均匀温度场影响较明显，而受系统温度变化的影响不大。而在拱肋施工期间，济南有较强的日照影响，因此必须考虑拱肋节段坐标随温度影响的修正，并在合龙时考虑温度变化对合龙口距离的影响。

3.4 钢箱系杆拱桥的焊接

桥面钢箱梁横向和纵向分块较多，钢箱拱分为11段。各梁段间采用栓焊连接，桥面钢箱梁顶板采用焊接，腹板、底板、加劲肋等采用栓接;钢箱拱腹板和顶底板为焊接，加劲肋为栓接。梁段间的对接焊缝的收缩量很难控制，各条对接焊缝变形量的累积比较大，对钢箱系杆拱桥总长和受力也有影响。因此钢箱系杆拱桥的焊接，必须特别注意焊接工艺和现场观测。

本桥采用陶质衬垫单面焊双面成型焊接工艺确保焊缝质量。为保证焊接接头的韧性，焊接宜采用小电流，多道焊的方法;根部焊道可适当加大电流，以确保有足够的热量输出，保证熔深并防止裂纹发生。焊接次序根据对称原则，以免发生严重焊接变形。钢箱梁采用横桥向从中间到两边，顺桥向从跨中到两端，每道焊缝均为从中间到两头的焊接顺序。用火焰矫正梁段对接钢板的错边量，定位马板，打磨焊缝口，焊缝背面贴陶质衬垫。用CO2自动焊打底施焊及进行填充施工焊。需要预热时，预热一定要充分，焊缝两侧50 cm范围内的任意测点均达到要求时即可进行焊接。所有焊缝均需经过探伤检查，合格后方可进行下一步施工。

钢箱拱吊装完GJ，G1，G2，G3，G4段后，测量钢箱拱中心线、高程、长度及端口扭转情况等，将实测数据与理论数据做比较分析。对有出入处，通过调节梁段端口间隙，修正其超差部分，调整好线形后对钢箱拱进行焊接。本桥钢箱梁的焊接施工在冬季，济南冬季的气温低于焊接要求的最低温度5℃，且风比较大。因此在焊接部位周围设置保温棚和加热设备，以减少温度和大风天气对焊接施工的影响。

3.5 合龙段的施工技术

在拱肋合龙前，对全拱肋线形进行测量。为使合龙能够顺利进行并使结构内力合理，在合龙段两边的支架顶端设置竖向及横向千斤顶，调整合龙口两侧钢箱拱的位移和转角，使合龙口两端的高程偏差、横向偏差、扭转角偏差在设计允许的范围内。合龙段拱肋拼接板采用一端工厂钻孔，另一端根据合龙时的实际距离现场钻孔。

工厂制造时考虑到钢箱梁的制造、测量、安装误差，焊接收缩变形及温差等因素的影响，合龙段两边各增加15 cm的富余长度作为现场配切。合龙段施工的前7 d进行气温观测，掌握气温变化对钢箱拱线形的影响规律，以确定最佳合龙时刻。选择与合龙气温差不多时分，测量南北两侧钢箱拱前端4个角点坐标，以便对合龙段进行长度修正，现场切割、做坡口。

12#－13#跨现场合龙在4月13日，夜间最低温度在2℃，13#－14#跨在4月23日，夜间最低温度6℃，远低于设计合龙温度20℃。合龙温度的降低除了会使高程发生变化外，还将引起钢箱拱的内力变化。在拱肋合龙端口上下缘设置千斤顶调整内力:上下两个千斤顶中心距2.9 m，12#－13#端口上缘理论顶推力1 960 kN，下缘理论顶推力2 070 kN;13#－14#端口上缘理论顶推力153 kN，下缘理论顶推力161kN，使合龙后主拱的内力和线性符合设计要求。最终钢箱拱的实测高程达到了要求，但实际顶推力比理论计算值小，钢箱拱的内力与设计相比有所偏差。

拱肋于2010年4月合龙，12#－13#墩间拱肋合龙段高差9 mm，轴线偏差8 mm;13#－14#墩间拱肋合龙段高差7 mm，轴线偏差4 mm，均满足合龙要求。

4 结语

跨济兖公路特大桥中的钢箱系杆拱桥是京沪新建铁路中的一个控制工程，在桥梁工程技术方面有一定的挑战性。该工程引进了大量的国外新建铁路施工的新标准、新技术、新检测方法。钢箱系杆拱桥的施工成为该铁路施工的关键工点之一，该项工程的施工经验也是新建铁路桥梁施工的技术积累。实践表明针对本桥的特点，对其关键技术所采取的这些措施切实可行。本桥于2010年4月合龙，该工程实例对今后类似桥梁的施工提供了宝贵的经验。

［1］中华人民共和国铁道部.铁建设［2007］47号新建时速300～350公里客运专线铁路设计暂行规定［S］.北京:中国铁道出版社，2007.

［2］中华人民共和国铁道部.TZ213—2005客运专线铁路桥涵工程施工技术指南［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［3］中华人民共和国铁道部.TB 10002.2—2005铁路桥梁钢结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［4］谭康荣.武广客运专线东平水道桥三主桁钢桁拱架设的技术创新［J］.铁道建筑，2010(1):71-74.

［5］宋晖，叶梅新.重庆菜园坝长江大桥提篮钢箱拱施工工艺［J］.桥梁建设，2005(6):52-55.

U448.22+5

B

1003-1995(2011)02-0036-03

2010-08-19;

2010-11-15

蒋宗全(1963—)，男，四川绵阳人，教授级高工。

(责任审编 赵其文)