大跨钢管拱原位拼装施工技术的研究与应用

盛圣胜（中铁十四局集团第一工程发展有限公司，广东 东莞 523000）

1 工程概况

穗莞深城际轨道设计时速140km/h，横涌海特大桥主桥跨越横涌海水道（Ⅳ级航道），设计为（90+180+90）m连续梁拱桥，主桥上部为预应力混凝土连续梁与钢管混凝土拱组合结构，钢管拱设计矢高f=36.0m，矢跨比f/L=1/5，拱肋采用等高度哑铃形截面，截面高度3.1m。桥梁施工工序采用先梁后拱施工方法[1]。该区域属于典型的亚热带季风气候，全年雨水充沛，主要集中于4-9月，年平均降水量为1802mm；夏季（7-9月）常受海洋气候影响出现台风袭扰，近50年最大风力达11级。因此，雨季、台风季对大跨度、高精度拼装施工方案的制定及顺利实施有很大影响，也是难点问题。

2 施工方案研究比选

图1 横涌海连续梁钢管拱竖转施工示意图

2.1 卧拼竖转施工钢管拱

卧拼竖转施工工艺是指先在合拢的连续梁上搭设钢管拱胎架，在连续梁主墩0#块拱脚位置搭建竖转塔架，再进行钢管拱卧拼焊接，各项工作准备就绪后利用竖转塔架和连续千斤顶（计算机）设备对大小里程两个半拱进行竖转，待转体到位后再吊装钢管拱合拢段，焊接合拢[1]。安装工艺如图1所示。

2.2 原位拼装施工钢管拱

钢管拱原位拼装施工工艺是指在合拢的连续梁上直接搭设钢管拱支架，拱座混凝土施工时直接预埋钢管拱预留件，然后从大小里程拱座位置分段逐步往中跨进行钢管拱拱肋原位拼装（大吨位吊车桥面吊装），拼装过程中及时进行横联焊接，直至跨中钢管合拢段焊接拼装到位，经线型调整核实及各项检测合格以后立即拆除钢管拱肋支架，进入下一步施工工序[2]。

拱肋安装工艺如图2所示

图2 横涌海连续梁钢管拱原位拼装施工示意图

2.3 施工工艺比选

从表1施工工艺对比可看出，在施工条件允许的情况下，钢管拱原位拼装总体优于卧拼方案，有利于保质保量，缩短工期。

表1 横涌海连续梁钢管拱施工工艺比选表

3 钢管拱原位拼装施工工艺

3.1 拱座施工

先进行拱座钢筋、预应力、混凝土施工。在拱座混凝土浇筑前需要进行初始段钢管拱预埋，施工重点为预埋件定位和起始线形控制[3]。

3.2 拱肋支架的制作及安装

根据桥梁梁面施工条件和施工工期，选用制作简单、安装较快的制式钢管支架作为钢管拱原位拼装临时支架，在浇筑好的桥面上支架钢管位置设有预埋钢板[4]，支架采用4根直径180mm壁厚8mm的钢管柱，横腹杆采用直径76mm壁厚5mm的钢管，斜腹杆采用直径89mm壁厚5mm的钢管，4根主钢管和支撑钢管组成格构柱。支架底部固定在桥面预埋件上，顶部通过缆风绳与支架底部进行加固，保证施工安全。

图3 钢管拱制式支架加工制作结构图

3.2.1 拱肋支架的加工

拱肋支架在进行设计、计算、修改完善结构形式后，选取专业钢结构厂家加工制作，钢支架加工主要流程有流程：材料检测→号料、下料→钢管杆件组装、焊接→格构柱组装、焊接→防腐涂装[5]。

3.2.2 拱肋支架的安装

拱肋支架经预拼转运至桥址，利用梁面吊车进行拱肋支架安装施工，按节段从下往上吊装，遇到支架横联、纵联位置时及时连接，确保支架总体稳定性，直到拱肋支架全部安装完成后开始进行拱肋安装平台施工[6]。

3.3 钢管拱肋的加工制作

3.3.1 钢管拱加工技术控制重点

钢管拱的加工制造关键在于几何尺寸精度的控制和焊接质量的控制。采用先进的加工设备、制造工艺和焊接方法，严格控制关键件的加工，严格控制焊接质量和焊接变形是确保钢管拱制造质量的基础，焊接质量应满足《铁路桥梁钢结构设计规范》[7]的要求。根据本桥的特点，以及类似钢管拱的制造技术经验，并对国内外同类型钢管拱制造技术进行了全面的分析和研究，归纳以下几项技术控制措施：

1）按构件相似原理，将构件分类，进行流水线分道作业，专业化生产以取得规模效应。

2）运用数控等离子切割设备及远红外－液压自动温控弯管技术及胎架制作工艺，减少人为误差，实现精密制造。

3）按构件特征，在工厂内按设计的吊装节段加工制作并进行整拱预拼，然后解体成空间节段运至现场直接吊装，减少工地空间对位及焊接工作量，充分利用工厂制作机械化程度高、精度好、工效高的优点，减少工地施工量，以缩短施工总周期。

4）钢管由单元组成，单元最后要拼成拱桥整体，这就决定了各种单元制造过程的高精度要求。从筒节加工精度、组装对接精度，杆件相贯线切割精度，到工装胎具制作精度，焊接变形控制精度等都必须严格加以保证[8]。

3.3.2 钢管拱加工流程

钢板材质复检→号料→切割→边缘加工→卷管→焊接→超声波检测→矫圆→拼接（钢管接长、焊接对接环焊缝）→超射波检测及探伤→热弯→组装→焊接成桁架节段→超声波检测（必要时进行X射线拍片）→节段间试拚装→节段间整装→表面处理→涂装→制作完成，待运。

图4 钢管拱拱肋原位拼装工况模型

3.4 钢管拱肋的现场安装

3.4.1 钢管拱拼装总体方案

钢管拱分段吊装顺序：从两端对称依编号顺序吊装节段，即第1节段→第11节段→第2节段→第10节段→第3节段→第9节段 →第4节段→第8节段→第5节段→第7节段→第6节段（合拢段），最后进行合拢段的架设施工。每一分段按照起吊→对位→临时固定→调整线型→定位焊接→调整线型→正式焊接合拢的顺序吊装[9]。

180 m拱肋拼装利用各主墩塔吊及桥面2台100t汽车吊，辅助连续梁拱的吊运及拼装。钢管拱肋在工厂加工、预拼、检测合格后，将分段拱肋运至工地重型栈桥码头，利用浮吊吊装至桥面，通过桥面上的2台100t吊车进行拱肋对位及拼装。拱肋吊装最不利的节段为第2、10节段，单重31.71t。

3.4.2 各段拱肋按既定顺序依此安装

1）第1节拱肋的安装

准备工作：在安装平台上预先焊接2根钢管拱限位立柱及支撑横梁。

管口对位：用2台吊车吊起第一节段拱肋，拱肋上端缓缓放入安装平台限位立柱及支撑横梁上，拱肋下端管口对准拱座上的预埋管口，然后用手拉葫芦将管口对正拉紧，最后用连接板及螺栓将管口两端的耳板锁定。

横撑安装：待左右拱肋安装就位后，即可安装第一节段拱肋的横撑。

线型调整：因拱座预埋的钢管拱已固定牢固，无需调整第一节拱肋下端的线性，只需使用全站仪、千斤顶、手拉葫芦和焊机等工具将第一节拱肋上端的线性调整到设计值后固定即可，然后将拱肋与横撑焊接牢固，防止拱肋线型变位。

接口焊接：首先焊接拱肋主管对接管口（一级焊缝熔透焊，需要对焊缝检测），然后再将拱肋缀板焊接好。

2）后续拱肋吊装段安装

第N节段拱肋吊装：起吊第N节拱肋，拱肋上端缓缓放入安装平台限位立柱及支撑横梁上，拱肋下端管口对准第（N-1）节拱肋上端管口，然后用手拉葫芦将管口对正拉紧，最后用连接板及螺栓将管口两端的耳板锁定。其余各项步骤同上。

拱肋的拼装过程，也是一个误差累计的过程。因此在拼装过程中，每就位一个节段，都要对照施工坐标进行严格的检查，不停的修正误差，检查项目和规定值或允许偏差见表2。

3.4.3 钢管拱合拢段施工

合拢段及两侧拱肋出厂前在其周边焊接8道临时连接角钢，角钢与合拢段及两侧拱肋节段平齐，待合拢段吊装就位后，合拢段与拱肋两侧的连接角钢用4道临时角钢临时焊接牢固。焊接完成后，均铲除余高并打磨匀顺。对接焊采用单面坡口双面成形，坡口尺寸由焊接工艺评定确定。焊缝质量要求达到《铁路钢桥制造规范》的I级标准[10]，并用超声波探伤。衬垫采用80mm×10mm的钢衬管，点焊定位。

合拢段的施工顺序为：在一天当中气温较低且平稳的凌晨03：00～05：00时间内临时锁定，精测合拢段长度后，再精密下料，最后实施焊接[11]。其工艺流程：精确测量合拢段两侧前端净间距→根据测量数据对已加工的合拢段长度进行切割修正→提升就位→温度平稳时焊接临时固结角钢→焊接合拢段。

4 钢管拱原位拼装结构受力检算

本支架为临时支撑格构式管桁架，跨度11.5m～18m,柱高7.3～34m。按工程重要性分类，本支架安全等级为二级。桁架钢管、立柱钢管、各节点板、支座垫板均采用Q235B结构钢，支架各结构钢管型号上文已详述。

4.1 钢管拱支架计算荷载

本临时支撑架设计荷载考虑结构自重（主拱、支架）、活载、风荷载。

1）风荷载

根据《铁路桥涵设计规范》（TB10002-2017）风荷载计算公式如下式所示

① 1.2×1.（0恒载）+ 1.4×1.（0活载）+1.4×0.（6风载）

式中：K—风荷载强度（kN/m2）；

W0[—基本风压（kN/m2），根据上述规范附录D“全国基本风压分布图”，东莞地区50年一遇的基本风压取得0.55；

K1—风载体形系数，按上述规范取值1.3；

K2—风压高度变化系数，按上述规范取值1.37；

K3—地形、地理条件系数，按上述规范取值1.0。

W=K1×K2×K3×W0

=1.3×1.37×1.0×0.55=0.98 kN/m2

2）活载按1.0kN/m2考虑。

3）荷载组合系数.

为安全考虑，参照《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）规定，计算结构所考虑的组合最不利如下：

表2 钢管拱拱肋吊装检查表

② 1.2×1.（0恒载）+ 1.4×0.（7活载）+1.4×1.（0风载）

4.2 钢管拱支架计算结果

根据施工方案所述施工工艺，钢管拱肋支架受力可按安装节段分为六种不同的施工工况，计算采用Midas civil软件进行整体建立模型，支架柱、操作平台和侧向支撑桁架均采用梁单元模拟，根据不同工况加载上述荷载至相应单元上。

根据软件对钢支架阶段性受力分析可得，最不利受力部位为桁架的竖向立柱底、纵横桁架与竖向桁架连接处杆件，在各工况下上述杆件的正应力计算结果如表3所示。

表3 桁架立柱底、纵横桁架与竖向桁架连接部位正应力统计表（单位：MPa）

根据以上钢管支架强度计算可得桁架的的最大切应力、最大组合应力，结果如表4所示。

根据支架强度计算结果表4可知，纵横桁架与竖向桁架连接部位应力较大，是薄弱点，根据表2、表3支架强度计算结果可知，支架的最大正应力为σ＝113.0MPa，最大切应力τ＝28.7MPa。支架采用Q235B材质，根据《钢结构设计规范》表3.4.1-1查Q235钢的抗拉、抗压、抗弯强度设计值f＝215MPa，抗剪强设计值fv＝ 125MPa， 则 σ ＝ 113.0MPa＜f＝ 215MPa，τ ＝28.7MPa＜fv＝125MPa，计算结果表明钢管支架强度满足规范要求。

表4 钢管支架计算最大强度统计表

5 结 语

连续梁钢管拱桥的建造越来越多，钢管拱的施工方案受气候、施工条件和设计参数等因素制约，笔者提出的原位拼装方案具有过程受力明确、免铰接体系转换、较低成本与较短工期等优势，完全能够满足相关施工规范，可供类似工程借鉴采用。