大吨位钢桁柔性拱施工方法研究

2018-09-20王振强

价值工程 2018年29期

王振强

摘要：随着我国铁路建设的高速发展和钢结构桥梁技术的日益完善，大跨度钢结构桥梁技术已广泛应用在铁路桥梁上。钢桁梁柔性拱桥将钢桁梁和曲线拱完美结合起来，充分利用两种不同结构各自的受力特点，发挥桁和拱的优势。同时柔性拱的安装方式也在不断的变化，包括支架法、竖转法、悬吊法、整体提升法，今天就来探讨一下柔性拱整体提升思路。

Abstract： With the rapid development of China's railway construction and the improvement of steel bridge technology， large-span steel bridge technology has been widely used in railway bridges. The steel truss flexible arch bridge perfectly combines the steel truss girder and the curved arch， making full use of the different force characteristics of the two different structures， and taking advantage of the raft and arch. At the same time， the installation method of the flexible arch is also constantly changing， including the bracket method， the vertical rotation method， the suspension method， and the overall lifting method. In this paper， the overall improvement idea of the flexible arch is discussed.

关键词：第一；钢结构；柔性拱；整体提升；合龙

Key words： first；steel structure；flexible arch；overall lifting；closure

中图分类号：U445 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）29-0164-03

1 工程概况

洪奇沥水道特大桥主桥采用下承式钢桁梁柔性拱，主跨通航净空为300×24m。主跨下承式连续钢桁梁柔性拱结构，跨度布置（138+360+360+138）m，全桥长998.8m，亚洲同类型拱桥第一跨度。两片主桁，桁高16m，桁间距15m，宽跨比1/24；拱肋矢高65.0m，矢跨比1 /4.67采用华伦式，全桥共2跨拱，每跨拱拱肋42个节段，两片拱肋间用X型拱上平联连接。

全桥钢材总重27411.38t，其中钢桁梁为22451.12t，钢桁拱为4960.26t，吊杆168根。

2 总体安装方案概述

跨洪奇沥水道特大桥是新建广州南沙港铁路5标的控制性工程，主跨为钢桁柔性拱连续梁结构，138+360+360+138m的跨度为国内同类型结构中最大跨度的桥梁。综合考虑工期、安全、质量、航运、水文、地质等情况，洪奇沥特大桥主跨钢桁梁施工拟采用先梁后拱的施工方案。

在钢桁梁的上弦设置临时支架体系，利用全回转桥面吊机进行柔性拱杆件的卧拼施工，其中单跨拱两侧前3个节间采用原位支架法安装，中间部分采用卧拼，卧拼从中跨向边跨的顺序进行，并对拱肋提升处进行加固，设置水平索，卧拼后进行拱肋的竖向整体提升及合龙嵌补段的安装完成拱肋合龙，然后进行拱肋吊索的安装和张拉施工，完成结构体系转换。

3 拱肋支架及拱肋节段的安装

本桥拱肋结构形式为平行拱，根据先卧拼后提升方案，在钢桁梁完毕后，根据钢桁拱的分段接口位置，在钢桁梁上弦杆上布置拱节段安装支架。

钢箱拱根据节段划分，每个拱单侧共计21个吊装段，双侧共设置38个支架。

钢桁梁安装完成后，利用桥面全回转架梁吊机，从跨中向两侧后退安装支架至弦杆上，每安装一组支架就将对应的拱肋节段安装至支架上。

拱肋支架为钢管柱结构，布设在上弦杆上方，支架采用6m、10m的标准段设置，采用法兰盘连接，方便安拆，连接系在下部组装为单片桁架结构进行吊装。支架采用Φ630×8mm钢管，连接系采用Φ400×6mm的钢管。支架底部与钢梁顶板进行螺栓连接，并设置加劲板。各支墩间设置横向连接桁架，保证支架的整体稳定性。

拱肋最重节段为54.2t，最高位置为桥面以上28m，桥面起重机满足拱肋节段的安装要求。

3.1 拱肋支架及拱肋安装流程

步骤一：①钢梁施工完毕后，桥面60t桅杆吊吊臂接长至51m。②大里程一侧吊机安装支架Z11，安装拱肋G23节段。

步骤二：①大里程侧吊机后退一个钢梁节间，安装支架Z10，安装拱肋G24节段，安装平联。②小里程侧吊机安装支架Z10，安装拱肋G22节段，安装平联。

步骤三：①大里程侧桥面吊机依次吊后退，直至安装支架Z5、安装拱肋G29节段，安装平联。②小里程侧桥面吊机依次吊后退，直至安装支架Z5、安装拱肋G17节段，安装平联。③利用桥面吊机安装拱肋提升扣塔下部结构。

步骤四：①大里程侧吊机后退一个钢梁节间，安装支架Z4，安装拱肋G30节段，安装平联。②小里程侧吊机后退一个钢梁节间，安装支架Z4，安裝拱肋G16节段，安装平联。③安装塔吊，并利用塔吊安装扣塔上部结构。

步骤五：①大里程侧桥面吊机依次吊后退，直至安装支架Z1、安装拱肋G33节段，安装平联。②小里程侧桥面吊机依次吊后退，直至安装支架Z1、安装拱肋G13节段，安装平联。

步骤六：①调整G13/G33、G14/G32、G15/G31线型并焊接。②桥面吊机前进一个节间，安装G15/G31平联。③桥面吊机后退一个节间，安装G13/G33、G14/G32平联。④拱肋拼装完毕后，桥面吊机拆除。⑤利用拱肋提升扣塔进行拱肋的提升施工。⑥进行后续施工。

3.2 拱肋节段的焊接

焊接是本工程钢结构安装中的关键工序，性能卓越的焊缝质量是本工程设计使用寿命的重要保证。拱肋节段间现场焊缝要求见表1。

所有焊工必须持有权威机构认可的焊工合格证书，并在有效期内。还需针对产品涉及的焊接方法与焊接位置进行上岗前考试，考试合格方可上岗，并不得超越上岗证规定的范围进行焊接作业。进行超声波和射线探伤的无损检测工作人员，需持有有效的二级以上合格证件，并经监理工程师认可方可上岗。焊接材料应由专用仓库储存，按规定烘焙、登记领用。当焊条、焊剂当班未用完时，应交回重新烘干。烘干后的焊条应放在保温桶内备用。陶质衬垫要求粘贴牢固，钢衬垫要求与母材贴紧密，间隙不得大于1.0mm。药芯焊丝扩散氢含量≤5ml/100g。焊接设备应处于完好状态，设备管理人员对焊接设备进行定期检查，抽验焊接时的实际电流、电压与设备上的指示是否一致。

4 钢桁拱整体提升

4.1 提升点的布置

拱肋提升重量1950t，现场采用8台液压千斤顶进行提升，提升支架采用格构柱支架，提升点设置在节点位置，示意图如图2。

4.2 提升设备拱肋提升段重量约为1950t，采用4点提升，单个提升点受力约为487.5t，考虑1.2倍动力系数，单个吊点受力约为585t，根据《重型结构整体液压提升技术规程》要求，千斤顶可以选用2台350t液压千斤顶。

钢绞线选用直径15.2mm，抗拉强度1860MPa的预应力钢绞线，单根钢绞线极限承载力为26t，根据《重型结构整体液压提升技术规程》要求，钢绞线受力不超过需用应力的50%，因此钢绞线选用：600/26*2≈47根，实际每个装拉顶布置32根钢绞线，左右旋钢绞线交替布置。

4.3 拱肋提升方法

提升油缸垂直放置在提升平台，用螺栓或七字耳板固定，同时提升平台下有钢绞线安装平台。打开提升油缸的上下锚具，每根钢绞线在穿入之前，应认真检查钢绞线切割处是否符合要求，根据钢绞线在提升油缸中的位置要求，逐一将每根钢绞线从疏导板经提升平台穿入油缸，钢绞线伸出后，用U形夹单独加紧，确认无误后，慢慢松掉，直到确认钢绞线不会下滑，然后穿下一根，所有钢绞线穿入完成后，锁住上下锚具，U形夹不准解除，在疏导板上根据油缸位置做好记号，同时用U形夹夹住底部两根钢绞线，将疏导板沿钢绞线从上到下理顺，然后安装地锚，注意地锚方向与油缸方向一致，整个安装过程切记钢绞线安全。

提升油缸的下锚连同油缸的支架固定在提升支架上，上锚则固定在主油缸的活塞杆上，能够随主油缸的活塞杆上下运动。油缸的初始状态是：上锚紧、下锚紧，主油缸全部缩钢。下锚松、上锚紧，主油缸可挟钢绞线上升一段距离；主油缸伸缸到位后，紧下锚，松上锚，进行缩钢，便可回到初始位置进行下一次提升。相反的动作过程则可以实现重物的下降。

桁架整体提升采用8台350T的穿芯千斤顶，四台油泵站和一个控制中心：一个计算机控制中心通过四台油泵站，每台泵站分别控制2台350T千斤顶。

根据工程的特点，整体提升过程中按荷载平衡方式对千斤顶进行控制，对于相对位移原则上只做观测，不做调整；但如果四个提升点的相对位移大于30mm时，应进行调整。

4.3.1 拱肋整体提升前的检查工作

构件提升前，然后安排人员对结构进行检查，焊缝是否有漏焊，与胎架相焊接的部位是否有未拆除的，加固措施是否满足加固要求，提升设施是否安全到位，相关人员是否各就各位，在检查无误的情况下，由起吊总指挥指挥吊装。

在正式提升之前，为验证提升过程结构自身和千斤顶系统的安全性，应进行试提升。

在试提升之前，应完成以下工作：

①所有结构的安装和焊接工作。

②同时对桁架已完成清理，无关杆件（零件）或无可靠连接的杆件（零件）、临时用的杆件（零件）等均以拆除。

③确认千斤顶系统已按施工方案要求正确安装，钢铰线已预紧，液压油缸工作正常。

④提升支架已按方案施工方案要求正确安装，且焊接质量可靠。

⑤需要加固的节点已按要求进行加固。

⑥试提升的方法：千斤顶按0—10%—20%—30%—40%—50%—60%—70%—80%—90%—100%順序加载到预定的荷载，然后提起一个到两个行程（约200～500mm），锁定千斤顶，静置30分钟到1个小时。

⑦在静置期间，对于结构的变形进行观测、节点位置进行检查、对于千斤顶的保压性进行检查以及提升架的变形等情况进行检查。

⑧在试提升中，如果一切情况正常，即可开始正式的提升。本次使用的千斤顶每次的行程为250mm，提升速度约为4～6m/h。提升过程中，可使用计算机进行全自动控制，不需要过多的人的干涉，施工过程中的组织与管理是施工的重点，施工监控要全部到位，每个位置应设置专人进行检查或监控、观测。

⑨结构提升到位后暂停，高空锁定，然后进行上下弦接口的对接，由于构件对接口处是用连接板先进行连接，所以构件提升到位后先用连接板连接，但提升设备仍处于工作状态，然后对对接口进行调整，调整时各吊点微调使廊桥钢结构精确提升到达设计位置，对接口调整后，立即安排焊接人员进行接口处的焊接，上下弦对接口焊接完毕，经探伤合格后，进行构件的补缺。

4.3.2 提升设施的拆除

拆除千斤顶时先拆除下部的吊装锚具，钢绞线在千斤顶内处于夹紧状态，然后对钢绞线在千斤顶两侧进行捆绑，用吊车把千斤顶和钢绞线一同吊在地面，在地面拆除钢绞线。千斤顶拆除完毕后，进行提升反力支架拆除。拆除时用履带吊进行拆除。

5 钢桁柔性拱合龙

5.1 拱肋提升分段及嵌补合龙段设置

拱肋跨度约为304m，其中中间213.4m作为提升段，两侧作为散装段，合龙口设在G15G16、G30G31拱肋弦杆上，长度2000mm。

5.2 拱肋合龙工艺

5.2.1 合龙前准备工作

①测试工作。包括中线、合龙口尺寸、大气和钢梁温度、钢梁应力测量等。

②設备准备。包括平衡索张拉设备、顶拉设施的安装和检查。

5.2.2 合龙天气选择

合龙前要与气象部门取得密切联系，准确掌握合龙前后的气象资料。应尽量选择良好的天气，合龙时钢梁梁体温度差最小或无温差。

5.2.3 合龙口位移调整

合龙前详细测量合龙口的纵、竖向偏移及转角和温差、日照影响，根据测量资料认真分析研究调整方法与步骤。

5.3 拱肋提升及合龙步骤

①利用塔架将拱肋提升到位；

②用倒链、水平索及对拉装置将合龙段调整到设计要求；

③安装拱肋杆件内部四个角安装锁定角钢将杆件锁定；

④先将一侧合龙段固定，另一侧合龙段一端先固定，另一端放置在底板上的底托上，调整到位后固定；

⑤按底板→腹板→腹板肋板→盖板的顺序安装嵌补段；

⑥先根据设计及监控要求顺序，安装部分吊杆；拆除水平索，再安装剩余吊杆；

⑦拆除临时结构，完成拱肋安装。

5.4 钢梁合龙主要措施

拱肋合龙的位移调整主要是包括转角和纵向、竖向的位移调整。合龙口纵向间距、竖向位移和转角的调整主要采用平衡索补张拉及拱肋合龙顶拉设施来实现。

①平衡索补张拉措施。拱肋提升到位后，测量合龙口尺寸，根据合龙口的具体测量尺寸，尺寸偏差较大，通过平衡索补张拉调整，合龙口的微调通过合龙口顶推装置调整。②合龙口装置及形式：合龙口设置顶推装置，进行合龙口位移微调。到位后通过匹配件定位合龙。

6 拱肋支架拆除

6.1 支撑牙板拆除

钢梁整体安装焊接完成后，即可拆除钢梁支撑牙板，将钢梁重量支撑转换至永久支座上。牙板拆除顺序：由跨中支墩向两端支墩拆除。采用火焰切割，施工时不得伤害钢梁油漆。

6.2 临时支架拆除

临时支架拆除需在支架完全卸载后进行。先拆除钢梁支撑垫梁，后拆除支撑立柱结构。杆件拆除时不得碰撞钢梁。支架拆除时需设置缆风绳。

在塔吊吊装范围内的临时支架利用吊塔进行拆除。下图所示塔吊吊装范围。

超出塔吊吊装范围的支架，在上弦杆上安装卷扬机，在拱肋下方安装导向滑轮，利用卷扬机进行拆除工作。

临时支架横向连接系采用两台卷扬机抬吊，直接下方到运梁小车上。

纵向支架分成小节段，利用卷扬机横向旋转后，整体下方到运梁小车上。

7 结束语

大吨位钢桁柔性拱施工研究，用三维建模软件，建立钢箱拱三维模型，模拟钢箱拱拱肋支架上拼装整体提升的施工工况，同时建立结构有限元模型，对施工工况进行模拟计算，确定合理的提升合龙施工方案、连续千斤顶等设备配置、扣锚点位置及形式、弓弦式拉索力的分级加载步骤及结构受力体系转换等，提供相关的数据支持，以指导钢箱拱拼装、提升施工作业，保证钢箱拱整体提升合龙的有效衔接及安全可控，同时缩短工期，加快施工进度。