桃花站特大桥100m简支拱拱肋施工

巩平福

摘 要：桃花站特大桥拱肋跨度为100m，呈提篮样式，拱肋断面采用哑铃型钢管混凝土等截面，面内截面高度为2.8m，钢管直径1m。同时拱肋结构安装危险性大，比中小桥梁施工更为复杂，因而建造大跨度桥梁施工技术和要求更高，本文着重介绍京沈高铁桃花站特大桥100m简支拱钢管拱肋施工工艺以及施工方案。

关键词：京沈高铁 特大桥 拱肋 施工

1、概况

新建铁路北京至沈阳客运专线辽宁段站前TJ-9标桃花站特大桥1-100m下承式无砟双线简支拱桥，位于辽宁省阜新市阜蒙县沙拉镇，简支拱跨预留新义铁路扩能右线及左线，斜角角度：152°08′00″。桃花站特大桥1-100m下承式提篮系杆钢管拱桥主要包括：主桥钢管拱肋、横撑的厂内制作及现场运输、涂装、安装等。

2、工程特点

桃花站特大桥100m下承式无砟双线简支拱桥全长102.7m，拱肋计算跨度为100m，矢跨比为f/L=1：5，拱肋立面投影矢高20m，拱肋在横桥向内倾8度，呈提篮样式，拱肋断面采用哑铃型钢管混凝土等截面，面内截面高度为2.8m，钢管直径1m，由16mm钢板卷制而成，每根拱肋的两根钢管之间用16mm腹板连接，在拱肋的腹板中焊接拉杆。拱肋之间设一道一字撑和四道K撑，一字撑采用外径1m厚12mm的圆管组成，斜撑采用外径1m厚12mm的圆管组成。吊杆采用平行布置，吊杆间距均为5m，吊杆纵向垂直于系梁布置，横向内倾8°。

3、施工环境条件

桥址区表覆第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）及上更新统坡残积（Q3el+el）粘土、粉质粘土、粉土、砂土及角砾土、圆砾土、碎石土，下伏侏罗系上统（J3）页岩、砂岩、砾岩等，产状185°<20°。

桥址区属燕山辽东山东半岛暖温带亚湿润季风性大陆气候区与松辽中温带亚湿润季风气候区、松辽上游中温带亚干旱季风气候区的过渡地带。按对铁路工程影响的气候分区，辽宁省范围属于寒冷地区，土壤最大冻结深度1.40m。

桥址区地震动峰值加速度为0.05g，地震烈度为Ⅵ度，动反应谱特征周期Ts为0.35s。

4、施工总体思路及施工工艺

综合考虑桃花站特大桥主桥的工程结构形式、施工条件以及工期要求，对桃花站1-100m钢管提蓝拱桥的上部结构安装施工采用"先梁后拱"的施工方案。尽量缩短施工准备期，尽早进入正常施工阶段。

1-100m简支拱拱肋施工工艺：号料→切割→边缘加工→卷管→焊缝→矫圆→拼接→超声波检测及X射线拍片→组装→试拼→防腐涂装→运输→安装到位。

钢管拱桥采用厂内分段预制，现场搭设临时支架分节吊装就位。钢管拱肋的加工在锦州加工基地进行，钢管拱的全部加工预制全部在基地内完成后，然后分节段运输到现场进行安装。现场安装采用搭设临时支架，钢管拱由柱脚段向合拢段进行安装，为保证受力平衡采用对称安装。

5、施工方法

本桥钢管拱采用多段在支架上拼装的施工方法，对精度的要求较大，鋼管拱的钢结构由相关加工经验的专业钢结构加工厂制造。所有管节均采用直缝焊接（坡口焊），焊缝等级为Ⅰ级。

现场安装各分段至钢拱肋合拢，运到现场后在支架上组拼，现场组拼时由拱脚向拱顶顺序进行。

钢管拱肋采用厂内分7段制作（见下图3），拱肋最大分段尺寸为3.9m（宽）×22m（长）×1.2m（高），最大重量约为37t，现场采用临时支架分段安装的总体施工方案。厂内预制时要考虑到厂内吊装能力、运输条件以及现场吊装能力，为此，先将每幅拱肋在厂内胎架上制成分段，汽车运输至现场。现场在系梁上搭设临时钢支架，用1台80t汽车吊配合1台350t汽车吊把拱肋片段由两边分段向中间、左右两幅对称的顺序进行吊装，实现全桥合拢。

5.1.钢管拱肋施工

钢管拱肋总体施工流程分为加工制作过程以及安装过程。

5.1.1钢管拱肋加工制作流程

拱肋分段划分→拱肋管节分段→胎膜制作→单管节钢板号料→管节钢板卷制→管节纵缝焊接→单管节对接焊→打砂除锈→涂装。

5.1.2.钢管拱肋安装工艺流程

临时支架安装→钢拱肋运输→钢拱肋吊装→钢拱肋吊装监测控制。

5.1.3钢管拱制作加工

⑴ 拱肋分段划分

拱肋单元节段的分段主要考虑吊装条件、结构对称性、即时合拢的原则，同时兼顾各节段的单体重量与长度。针对本工程的实际情况，将每幅拱肋除拱脚处外划分为5个单元节段，最大单元节段的长度为20.6m，重为37t，能满足汽车运输以及现场吊装的需求，具体分段如图3。

拱脚段计2段，单段长度8.3m，重量14.5t；

第一段计2段，单段长度20.2 m，重量34.4t；

第二段计2段，单段长度16.2m，重量27.54t

第三段（合拢段）1段，单段长度14.6m，重量24.82t

横撑计5节，斜撑计8节，总重量39.7t

⑵ 拱肋钢管管节分段方法

拱肋钢管按照"以直代曲"的方式加工，即将整幅的拱肋钢管分解成若干个1.5～2.0m直线段管节进行加工，再将各管节按照线性进行组拼成型。同时各管节的设置需考虑到主拱肋管环缝距吊索导管、钢横撑等接头相关缝200mm以上，上下主拱肋管接头错开200mm以上，按此原则排出详细的施工详图。

⑶ 胎模制作

预先在地面上放出1：1的半跨大样图，用全站仪在场地上按考虑预拱度后的拱轴线坐标精确放样，分别定出拱肋上弦上边、下弦下边、拱肋中心的三条拱轴线，再按设计图纸分别定出各吊杆位置。胎架材料采用I20a工字钢，并与地面预埋铁相连，使该胎架具有足够的强度和刚度。

⑷ 单管节钢板号料

主拱拱肋钢管直径为Ф1000mm，壁厚16mm，将由若干直管节拼焊而成，因此，每个直管节的制造公差将会影响到筒节拼接时的错边量，在单管节钢板号料时，考虑焊接收缩、焰切量、切割马蹄形斜口时的余量，号料长度L=管节实际长度+40mm。

管节实际长度根据单直筒节长度划分、配料尺寸确定，为折线单筒节长边长度。

⑸ 单管节卷制

采用四輥卷板机进行卷制，每节管体长度控制在1.5～2m，由于焊缝错开等原因使得钢管长度较小时，严格按照排版图进行卷制。管节卷制完成后进行校园管体矫圆分总体和局部两道工序。总体矫圆是在总体校圆夹具上进行。局部矫圆采用已制作好的弧形样板，内靠管体口附近多处，对不密贴处可采用局部锤击或千斤顶顶压，直到弧形样板与筒体内壁密贴为止。

⑹ 管节纵缝焊接

① 定位焊

定位焊缝距设计焊缝端部30mm以上，焊缝长为50～100mm，间距为400～600mm，定位焊缝的焊角尺寸不得大于设计焊角尺寸的1/2。

② 纵缝焊接

纵缝横向对接焊，两端设置引板，其厚度、材质、坡口尺寸与零件相同。引板长度不小于120mm，引弧长度不小于80mm。焊接完后，将引板用气割切掉，并对焊件边缘进行修磨，严禁用锤击落，损伤母材；

③ 焊缝质量检验

焊缝严格按照规范要求进行超声波、射线等无损检测，对不合格者进行返修和复检。

④ 单片管节对接

单片管节对接在工作平台上进行；根据单元筒节对接定位坐标图，在平台上按1：1比例放出管节各接口上、下缘，并划出管节的上、下缘线及接口端线，接口端线长度大于1200mm；在每个管节上缘线分别距两个端头200mm的位置上，组焊两个定位板；定位板组焊好后，从原点处管节开始依次将本单元中的所有管节吊到工作平台上，按放样的轮廓线逐一调整到位，并进行组装。

管节纵缝焊接采用CO2电弧焊，坡口形式60度V型口，为使焊缝外侧成型美观，坡口管内侧开设。

焊接时由两名焊工以拱肋单元的中心为对称轴分别向两边同时施焊，1、3、5为一人施焊，2、4、6为另一人施焊；同一条环缝焊接时，先焊第1段，然后将拱肋单元转动180。焊接第2段，再转动180。焊接第3段，......依次顺序焊接至最后段。

⑺ 吊索及导管定位安装

拱肋吊杆采用垂直水平线布置，吊杆间距为5m，由于每根吊索的角度与拱肋各不相同，同时下锚管预先浇筑在系梁上，因此如果吊杆稍有偏差就会产生角度的偏转，就无法正常安装及张拉吊索。

吊索孔开设时采用相贯线切割机进行孔洞样板绘制，同时利用相贯线切割机下200mm的导管头对孔洞进行检验，保证孔洞与导管吻合。

5.2临时支撑安装

现场临时支撑搭设在系梁上，钢支架采用矩形钢管结构，矩形钢管支架外形尺寸为2m×2m，钢管采用直径为180mm，壁厚10mm的钢管构成格构形式，中间加角钢缀条。在系梁上部的临时支架安装位置上横系梁方向设置H型钢，H型钢规格采用H400×400×10×10，每个支架下方设置4根，长度为8m，预先在系梁顶面对应隔板位置上预埋钢板，H型钢之间每个2.5m采用L50×5角钢进行连接形成整体，H型钢与预埋钢板进行焊接，预埋钢板的宽度为500mm，板厚为20mm，背部焊接锚固钢筋，锚固钢筋采用Φ16mm，长度为300mm，与系梁钢筋绑接到一起。格构柱底部铺设钢垫板，钢垫板规格为3m×3m，厚度为240mm，上下为满铺钢板，钢板厚度为20mm，中间夹20#槽钢，与钢垫板与H型钢座焊接在一起。支架顶部设双拼I32b工字钢通长布置，同时在其设I20a工字钢用于侧向支撑钢管拱肋，支架纵桥向采用两根直径为159mm壁厚为6mm的钢管对支架进行纵桥向拉结，横桥向在支架两侧同时设斜向拉结钢管，钢管规格为Φ159×6，设置高度为7m。临时支撑共12节，高度依次为4m、13.2m、17m，重量依次为3t、10t、14t。

吊装临时支架采用80t汽车吊吊装，吊装过程中最大吊装半径为8m，吊装高度为28m，吊杆长度为29m，此时最大吊装重量为18.8t吊装，满足吊装要求。

5.2.1吊装锁具选择

⑴ 卡环选用

拱肋吊装采用35t高强卡环吊装，用4个卡环吊装（备用2个），构件最重约34.4t，满足安全要求。

⑵ 吊点设置

吊点设置根据拱肋现场实际定位及吊装带吊装角度、吊点定位来确定。由于拱肋为钢管结构，因此采用兜绳捆绑法进行吊装。

⑶ 吊装带选用

吊装带实际受力计算：当被起吊物体重量一定时，吊装带与铅垂线的夹角a愈大，吊索所受的拉力愈大；或者说，吊索所受的拉力一定时，起重量随着a角的增大而降低。

⑷ 吊装带的计算

现以第一节最重拱肋（第一节）验算吊装安全：重量为34.4t，吊装采用2根35t吊装带吊装。

单根吊装带最大受力 P=18t。故选用2根35t吊装带进行吊装作业。

5.2.2拱肋安装

搭设拱肋支架完成之后，根据钢管拱肋分节情况，第一至第五段拱肋采用一台80t 汽车吊配合一台350t进行吊装。四个柱脚段拱肋采用80t汽车吊进行吊装。

安装柱脚段拱肋在底模及侧模支撑完成后先进行柱脚支架的安装，支架采用I25a工字钢以及I20a工字钢组成，支架底部用I20a工字钢将两侧支架连成整体。

安装第一段钢管拱吊装采用1台350t汽车吊配合1台80t汽车吊进行安装作业。首先第一段钢管拱通过平板车运输到待安装位置，然后利用350t汽车吊先将钢管拱肋卸到地面上，重新绑扎吊装带，绑扎时使钢管拱下端略低，缓慢起钩，将钢管拱调整到高度与系梁面一致后停吊。然后将80t汽车吊用吊装带挂在钢管拱肋的下端部，350t汽车吊承担全部的吊装重量，80t汽车吊只承担调整拱肋的倾斜角度。

吊装时350t汽车吊缓慢起升，80t汽车吊随之起杆直至到达高度后，调整方向然后缓慢落勾，当距离支架200mm时停止落勾，80t汽车吊缓慢加载，使拱肋斜度与安装斜度相同后，2台吊车同步缓慢落勾将拱肋落在支架上。拱管与拱脚段相连接的位置采用螺栓连接的方式在拱肋内部进行栓接定位，同样方法完成另一端的第1节段拱肋吊装工作，通过倒链拉紧调整，核对尺寸、轴线位置和标高无误后进行点焊固定。第1节与第5节单节拱肋重34.4t，吊装高度（离地面高度）上端20m，下端10m，吊装带加上吊车钩长度6m，现场用1台350t汽车吊进行吊装，在作业半径14m，臂长40m工况下可以吊装56t>40t，安全系数为1.25倍，满足要求。

第2节段拱肋吊装同第1节段，与第1节段相连接的位置采用螺栓连接的方式在拱肋内部进行栓接定位，同样方法完成另一端的第2节段拱肋吊装工作，通过倒链拉紧调整，核对尺寸、轴线位置和标高无误后进行点焊固定。第2段拱肋重27.52t，吊装高度（离地面高度）上端约为25m，下端20m。用1台350t汽车吊进行吊装，在作业半径16m，臂长46.1m工况下可以吊装45t大于27.52t，安全系数1.6倍，满足要求。

第3节段拱肋吊装同第2节段，与第2节段相连接的位置采用螺栓连接的方式在拱肋内部进行栓接定位，同样方法完成另一端的第3节段拱肋吊装工作，然后安装拱肋间支撑，通过倒链拉紧调整，核对尺寸、轴线位置和标高无误后进行点焊固定。第3段拱肋重24.82t，吊装高度（离地面高度）为33m。用1台350t汽车吊进行吊装。在作业半径18m，臂长46.1m工况下可以吊装40t>24.82t，安全系数1.6倍，满足要求。

横撑安装在拱肋全部安装、焊接完成之后安装。在厂内制作须与拱肋进行预拼装，以保现场安装的精确度。在厂内制作时先在拱肋上焊接横撑接头，在拱肋安装完成后由80t汽车吊安装，横撑分段后最重约5t，在15m回转半径、40m臂长情况下可以吊装8.5t，满足安全要求。吊装卡环采用2个5t的高强卡环，吊装绳用2根10t捆绑式吊装。

5.2.3拱肋钢结构防腐

防腐设计选用长效防腐方案，寿命按25年以上考虑。

全桥钢材进厂后在下料前，要求进行一次表面预处理--喷砂除锈到Sa2.5级，并喷涂无机硅酸锌底漆20um。

拱肋钢结构（含横撑）表面涂装采用以下防腐方案：

⑴ 钢结构外表面：

涂装前要求二次除锈--喷砂到Sa3，粗糙度要求达到Rz40um～80um；

水性无机富锌防锈底漆：2道100um；

棕红云铁环氧中间漆：1道40um；

氟碳面漆：2道80um。

⑵ 钢结构的内表面（不灌混凝土）：

涂装前用配套清洗剂清洗内表面，复合铁钛防锈层1道100 um。

⑶ 钢结构的内表面（灌混凝土）：

除锈、清除杂物，涂装前用配套清洗剂清洗内表面。

5.3钢管拱肋混凝土泵送顶升

5.3.1施工前准备

施工前组织所有参加施工的人员进行全面的技术交底，按试验室要求备齐所有原材料。钢管拱泵送混凝土前要有详细的拱肋线型测量资料，并在拱脚、1/4L、1/2L位置设置测量标记，便于在泵送混凝土过程中监测拱肋线型的变化。泵送前必须安装好钢管拱上的φ125mm排气管。为便于判断四角顶面标高，在拱肋顶面沿轴线每2.5m作标志。

5.3.2泵送混凝土技术性能指标

钢管混凝土拱肋为拱桥的主要承重结构，钢管内混凝土与钢管是共同受力结构，混凝土标号为C55，属高强混凝土，因此泵送混凝土的技术性能要求使其具有高强、缓凝、早强及良好的可泵性、自密实性和收缩的补偿性能。

5.3.3主要机具设备布置

凝土压注采用4台地泵同时进行施工，每侧钢管每次灌注混凝土方量约30～40m3。

5.3.4混凝土泵送压注施工

混凝土压注一次完成。施工中上、下弦管混凝土两侧分别同时四角对称压注，一次压完，且须在混凝土初凝以前全部壓注完毕。

为增强混凝土的密实性，保证混凝土的压注质量，在拱肋顶面附近开设φ125mm的孔，以利于排气，由φ125mm排气管排出含有石子的新鲜混凝土时，插入φ50振动棒进行振捣。

5.3.5钢管拱拱肋混凝土泵送压注施工技术要点

泵送混凝土选择在气温较低时进行。泵送混凝土前，必须先泵送一盘水泥砂浆以润湿混凝土地泵及泵管。水泥砂浆强度不低于混凝土的强度。

开始泵送时混凝土地泵处于低速压送状态，要注意观察混凝土地泵的工作压力和各部件的工作状况，待泵送正常后方可提高至正常压送速度。

四角泵送混凝土时要及时联系，压注速度要协调一致，四角压注长度相差不大于2.0m。保证钢管拱肋连续、基本同步对称压注完毕，同侧的混凝土必须在混凝土初凝以前压送完毕。

压注过程中，安排专人沿压注长度方向检查压注情况。

5.4吊杆安装及张拉

钢管拱肋内混凝土强度达到设计强度的90%后，开始安装吊杆并张拉。钢管混凝土拱桥为平行体系，吊杆平行布置，吊杆间距顺桥向5m，吊杆之间无交叉，吊杆钢绞线采用OVMLZM7-127（I）型新型吊杆，用复合包带缠紧，外挤双层PE护套，并外包不锈钢护管。

5.4.1吊杆的制作、防护

吊杆的制造工序繁琐，工艺质量要求严格，采用向专业厂家订制。采用直接挤压护套法，采取碳黑聚乙烯在塑料挤出机中旋转挤包于吊杆上而成的热挤杆套防护吊杆方法，即PE套管法。磁通量传感器由吊杆生产厂家在吊杆制作过程中安装好。拱肋端锚头为可张拉端锚头，横梁端为非张拉端锚头。

5.4.2吊杆的安装及张拉

在系梁及拱肋施工时预埋吊杆预留孔、锚头钢筋及螺旋钢筋预埋件等。吊杆实际下料时，在拱肋混凝土灌注完成后，精确测量上锚垫板顶面标高。同时上锚头预留长度调整差±50mm。

安装吊杆锚固端采用汽车吊。吊杆的安装次序从两端拱脚开始按设计要求对称依次安装至拱顶。在拱肋混凝土强度达到设计要求后，采用千斤顶在拱肋顶单端张拉，张拉端设置在吊杆底部，按设计图纸顺序张拉至初始应力后锚固，张拉顺序如下：

安装2#、2'#吊杆并张拉，单根吊杆初张力1300kN。依次安装张拉其余吊杆，其张拉顺序为4#、4'#（1250kN）→6#、6'#（1150kN）→8#、8'#（800kN）→3#、3'#（800kN）→5#、5'#（650kN）→7#、7'#（600kN）→9#、9'#（500kN）→10#、10'#（350kN）→1#、1'#（1000kN）。

5.4.3系梁第二批预应力张拉，吊杆应力调整

吊杆安装张拉完成后，张拉系梁第二批纵、横向剩余预应力索。拆除系梁支墩，进行桥面设备二期恒载等施工，桥面设备安装完成后，根据设计要求对吊杆预应力进行张拉调整，调整时必须按设计顺序对称进行，张拉力完毕及时做好保护罩，保证梁拱体系在施工过程中的受力平衡及成桥时吊杆应力符合设计要求。

5.5临时支架拆除

临时支架拆除在整个拱肋完成焊接施工后进行，临时支架拆除有中间向两端依次对称拆除，拆除时首先拆除顶部的工字钢支撑体系，使支架与钢管拱肋脱空，然后拆除横纵向拉结杆件，最后拆除支架，以及底部H型钢座。吊装临时支架采用80t汽车吊吊装拆除。

5.6施工监测

5.6.1系梁施工监测

施工检测方法：施工控制预告→施工→测量→修正→预告的循环过程。

技术流程为：前期结构分析计算→预告标高→施工→测量→誤差分析→修改设计参数→计算→预告标高。

实施流程为：阶段施工结束→现场测试→误差分析→监控组提供数据（设计代表认可）→监理组→施工单位→下一阶段施工开始。

测点布置：纵桥向每20m设一测量断面，测量断面具体分布如下：

第一监测断面：测量断面设置在距离梁端30m位置；根据计算该断面预拱度为20.2mm。

第二监测断面：测量断面设置在距离梁端50m位置；根据计算该断面预拱度为26.5mm。

第三监测断面：测量断面设置在距离梁端70m位置；根据计算该施工节段预拱度为20.2mm。

每测量断面布置3个测点，分部位于梁两边及中部。

测量工况：混凝土浇筑前、后，预应力张拉前、后，支架拆除前、后的相应数据，并认真填写监测记录表。

5.6.2钢管拱施工监控

钢管拱受力较为复杂，通过在施工过程中对钢管拱结构进行适时监控，再根据监测结果对施工过程中的控制参数进行相应调整。具体监控方式及方法以监控单位为准。

监测截面钢管的应力是随拱肋分节段拼装施工中自重荷载的增加而逐渐增加，应力监测采用稳定性好的钢弦式应变计进行检测。钢弦式应变计在拱肋节段吊装之前先安装到检测部位，并由仪器读取初始值，施工过程中，每一个阶段因自重荷载增加而产生的检测截面应力增量，再由仪器在各施工阶段读取，由此产生的应力时间历程曲线反映了与各施工阶段荷载相关的应力变化曲线。

待主桥上部结构全部完成后，最终得到的累计应力即结构的恒载应力，这对于今后的全桥荷载试验和实际承载力检定具有重要价值。

测点布置：根据该桥拱桥的结构特点，选择二端拱脚、L/4、3L/4和跨中拱肋共五个截面为本项目中的控制检测截面。这些测点将根据各施工阶段的进程分别进行安装和检测。

拱肋结构为超静定结构，温度变化所产生的附加应力将叠加到自重荷载应力上，因此必须同时进行表面温度测量，根据检测应变时的测点表面实测温度，对实测应变作相应的修正。

6结束语

京沈高铁施工中结合我公司以往从事类似工程的经验，从组织机构、思想教育、技术管理、施工管理以及规章制度等五个方面建立符合本工程项目的质量保证体系，并采用本施工方案进行指导性施工取得了良好的效果。在用钢板制作钢管时，下料准确，使成管直径误差控制在规范范围内，并推广采用大型吊机上桥进行分段吊装的方案，藉以减少大型设备及场地需要量，在保证钢管拱质量的同时也相应的降低了钢管拱肋的施工成本。