跨南水北调干渠钢管拱桥竖向转体施工技术研究

■ 庞宇辉 高清炎

钢结构拱桥以其宏伟大气、美观、跨越能力好的优势，成为被广泛采用的桥梁结构形式。钢结构拱桥施工中的竖向转体法因为施工速度快、场地条件要求低、经济实用而被大量采用，成为一种相对成熟的施工工艺。同时，存在竖向转体塔架形式的选择、起重动力千斤顶不能实现双向升降、塔顶水平力处理、索鞍运行卡顿不平顺、合龙口对正偏差处理等难题[1-3]。

1 工程概况

1.1 设计概况

张良镇跨南水北调干渠钢管拱桥位于河南省鲁山县，跨越国家一级水源保护地——南水北调中线调水主干渠，是郑万铁路的控制性工程。桥梁设计为（74．5+160．0+74．5）m预应力混凝土连续梁钢管混凝土吊杆拱桥，主拱跨径为160 m，矢高为32 m，矢跨比为1/5，拱轴线采用二次抛物线（方程为y=-1/200x2+0．8x）。主拱轴线长178 m，重5 020 kN，采用桥面拼装1/2跨，两半拱同步竖向转体合龙施工。桥型布置见图1。

1.2 工程特点

（1）桥型设计新颖，造型美观，巧妙地解决了大跨度混凝土梁桥徐变变形影响高速铁路线路平顺性的问题。

（2）跨越国家一级水源保护地——南水北调中线调水主干渠，对环保施工提出较高要求。（3）竖向转体施工工艺科技含量高、安全风险高、施工难度大。

图1 桥型布置

1.3 钢管拱安装就位施工方案比选

钢管拱安装方案从钢管膺架直接设计位置拼装法、轨道车整体顶推平移就位法、矮管支架上拼装3种方法中进行了分析比选。

（1）钢管膺架直接设计位置拼装法。该方案应用比较普遍，具有成功的经验可以借鉴，但膺架搭设高度32．0 m，安全风险高，钢材用量多达460 t，费用高、吊车在拱节段吊装时受膺架空间干扰很容易发生管节撞击膺架，造成安全事故。

（2）轨道车整体顶推平移就位法。与方案（1）相比，虽然解决了吊车与膺架空间干扰问题，降低了安全风险（吊车可以站位于桥下两侧地面上），但同时增加了顶推移动过程，施工费用更高。

（3）矮管支架上拼装。矮管支架搭设高度10．8 m，塔架高度48 m，总用钢材量为215 t。

经综合比选确定采用钢管拱在桥面矮管支架上拼装，竖向转体就位方案进行施工。该方案由于减少了高空工作量，使安全质量更有保障，且技术先进、经济合理，虽具有一定的技术风险，但有类似成功经验可以借鉴，通过技术攻关所有问题完全可以得到解决。

2 关键技术问题

为确保拱桥安全、优质的一次建成，将竖向转体塔塔顶位移控制措施、索鞍设计、龙口自动对正纠偏、同步双向液压起重动力设备等列为关键技术攻关项目，进行重点研究攻关。

2.1 竖向转体工艺原理

图2 竖向转体系统布置

在主墩上方搭设塔架，顶部设索鞍，箱梁边跨端部的梁底设起重动力点，安装同步双向液压起重千斤顶，起重索采用工程预应力用钢绞线束，跨过索鞍后与钢管半拱前吊点连接，塔顶至动力点间设钢绞线背索，背索上端固结于塔架顶端，下端安装液压千斤顶，用以调整背索拉力。钢管半拱与拱脚接触处设转动铰，形成竖向转动体系。通过连续张拉起重千斤顶将半拱竖向转体起升到设计高度，实现空中对接合龙。同时通过张拉背索调整千斤顶，平衡塔顶不断变化的水平分力，确保塔架竖直度。竖向转体系统布置见图2。

2.2 受力分析

竖向转体过程系统受力分析（单塔）见图3。跨南水北调干渠钢管拱自重5 020 kN，1/2拱单侧塔柱作为一个受力分析单元，起重重量为1 255 kN；考虑施工荷载、起重动载系数，计算起重荷载G=1 374 kN。

图3 竖向转体过程系统受力分析

索鞍摩擦阻力系数按0．08计算，由图3可以计算出竖向转体至不同角度时转体系统各部位的受力情况，经计算可知当钢管拱竖向转体开始瞬间起重索拉力最大1 666．7 kN、塔架竖向压力最大1 849．0 kN。背索调整力最小110．8 kN；随着竖向转体角度增加起重索拉力和塔架竖向压力减小，当钢管拱竖向转体至最高点，开始回放准备合龙时起重索拉力最小1 062．6 kN、塔架竖向压力最小1 155．6 kN，但背索调整力由于索鞍摩擦阻力方向变为中跨方向而变得最大322．1 kN。竖向转体系统受力计算见表1。

2.3 关键部位各工况下检算结果

检算采用桥梁博士软件进行建模计算，结果如下：

（1）分别考虑横风、纵向风6级，钢管拱拱肋竖向转体时最大纵横向稳定应力32．1 MPa＜设计控制应力145．0 MPa。

（2）钢管拱拱肋竖向转体过程中最大挠度为-33 mm。f/L=3．3/8 750＜[1/400]，拱肋刚度满足要求。

（3）考虑施工中背索调整不及时造成塔架顶出现100 mm偏移情况，下塔架受力局部最大应力81．9 MPa，满足规范要求。最小失稳系数5．91＞3．00，满足要求。

（4）起重动力千斤顶采用一台2 500 kN同步双向液压起重千斤顶，动力储备系数为2 500/1 499．5=1．67，满足施工要求。

（5）起重索采用一束Φj15．24-19钢绞线，安全系数2．96，满足施工要求。

2.4 竖向转体系统关键部位技术处理

（1）起重索可调背索。起重索采用Φj15．24-19预应力钢绞线，前端为P锚型连接拉扣，连接钢管拱前吊点，后端绕过塔顶索鞍并穿过在箱梁边跨上预留的孔道，进入后锚点起重动力千斤顶。为平衡竖向转体过程中塔架顶随时变化的水平分力，塔架边跨侧设置了可调背索，背索索体为Φj15．24-5钢绞线，上端通过P型锚具和栓扣拉结于塔架顶端分配梁上，下端穿过箱梁预留孔，进入后锚点的背索调整千斤顶。

（2）转铰设计。转铰是竖向转体系统的转动构造，结构受力复杂。安装精度决定钢管拱竖向转体合龙精度，要求安装精度高。转铰凹隼预埋拱座内，凸隼在钢管拱侧。转铰轴曲面半径250 mm，轴长1 000 mm。铰轴曲面采用16Mn钢板，在工厂配对加工、抛光。转铰拱座浇筑预埋时，三维坐标精度控制在2 mm以内，竖向转体前凹凸接触面打润滑油。

（3）前吊点。为减小起吊过程中钢管拱拱肋挠度，将前吊点设在距半拱前端3．75 m处。吊点采用20 mm×250 mm钢板加工，钢板贯穿钢管拱上弦管，与弦管管壁相交处上下内外全部满焊以分散提拉力。为避免弦管变形失圆，弦管内壁设加强环箍。每吊点拉板为2块，外露部位留栓销孔，通过栓销与起重索拉扣连接。

（4）后锚点。设于箱梁边跨端部梁底，沿拉索方向贯穿箱梁预留2个孔道，梁底设钢筋混凝土锯齿块与箱梁同时浇筑。孔道间距510 mm，直径150 mm，外侧孔道为起重索孔道安装1台2 500 kN同步双向液压起重千斤顶，内侧为可调背索孔道安装1台800 kN-300 mm穿心式普通千斤顶。

（5）合龙和龙口自动对正纠偏措施。本桥采用无合龙段方法施工，根据竖向转体模拟数据，先将两半拱起升超过设计一定高度，进行调平之后同时回放下落合龙。转体前在万州半拱前端钢管拱弦管内壁焊4块楔形钢板，当两半拱调平后回落时楔板插入对向的弦管内，在楔板的导向作用下随龙口的减小对正误差逐渐减小，从而大大减小了合龙对正误差。

（6）索鞍。采用7×5辊轮式索鞍，每个索鞍辊轮7排，每排5个滚轮，每排辊轮内单层排放3根钢绞线。竖向转体索鞍采用16 mm钢板组焊，索鞍辊轮采用铸钢轮，轮轴比80/40 mm，45号钢轴，轴套采用专门定制的尼龙轴套。辊轮轮槽宽度设计为45．6 mm，轮缘深度15 mm。

（7）竖向转体塔架。塔高48 m，截面为3．2 m×2．5 m。塔柱由3个标准节和1个底节组成，节间以法兰高强螺栓连接。立柱管采用Φ530 mm×10 mm钢管加工，水平联系三道Φ329 mm钢管焊接。剪刀杆平撑杆为14号槽钢，采用栓接。

（8）液压同步控制系统和双向起重千斤顶。施工采用计算机控制液压同步起重系统，配套采用2台LSDB105A液压泵站及1套同步控制系统。系统需具备多台千斤顶同步起升功能、单独操作调整功能、集中自动化远程控制功能。普通连续液压千斤顶仅具有单向张拉功能，回放钢绞线需人工拨松夹片，费时费力且非常危险。为满足本次钢管拱竖向转体中过顶超高再回落合龙的要求，技术人员对起重千斤顶进行改造。在千斤顶前后各增加一套锚夹具和特别加工的夹片夹持器，实现每副夹片的自动顶锚和松拔功能，从而使单向张拉千斤顶具备双向张拉功能，满足施工工艺需要。

表1 竖向转体系统受力计算

3 施工过程控制要点

3.1 施工工艺流程

万州半拱竖向转体至H+2．2 m（H为设计标高）—郑州半拱竖向转体至H+0．5 m—万州半拱回放至H+0．5 m—万州、郑州两半拱同时同速度下落至设计高度—检查、调整—龙口定位焊接—临时结构拆除。

3.2 竖向转体系统测控和应力监控

竖向转体系统测控和应力监控主要有3个项目：塔架顶水平位移测控、钢管拱竖向转体过程高度和位置测控、塔架关键杆件应力监控。

（1）塔架顶水平位移测控。在塔架顶部贴反光刻度标和十字反光标，由设在横桥向200 m处的一台全站仪负责测控塔架顶纵横向位移确保塔架竖直度。塔顶位移允许偏差纵向50 mm、横向10 mm。

（2）钢管拱竖向转体过程高度和位置测控。钢管拱半拱的前端安装360°全向棱镜，棱镜随钢管拱一起起升。由设在南水北调干渠上下游的全站仪负责测控各半拱龙口适时标高和横桥向对正误差。竖向转体过程中钢管拱左右拱肋允许高差70 mm，前后半拱轴线相对偏差20 mm。

（3）塔架关键杆件应力监控。在塔架关键杆件上安装高精度数码应变计，适时监控竖向转体过程中该杆件的应力情况，允许应力140 MPa。

3.3 合龙精度

南水北调干渠钢管拱桥竖向转体施工自2018年5月15日开始准备至5月31日顺利合龙，历时16 d。合龙精度：高差5 mm＜[20 mm]，拱轴线误差5 mm＜[20 mm]，合龙相对误差2 mm＜10 mm。

4 效益分析

竖向转体施工减少了高空作业量，大大降低了施工安全风险。降低了施工成本，减少钢材用量350 t，节约成本150万元。

（1）索鞍设计创新优化。在以往的类似工程施工中，索鞍一直存在钢绞线跳槽、相互挤压变形散开、运行卡顿不平顺问题。竖向转体使用的索鞍设计时通过采用合适的轮槽深度、槽底宽度解决了以往施工中钢绞线跳槽、挤压变形散开问题。通过采用合适的轮轴比及采用有机长纤维尼龙轴套，彻底消除了索鞍卡顿、竖向转体不平顺现象。本次使用的索鞍运行平顺、适应性好，其设计思路和处理方法具有推广价值。

（2）龙口自动对正纠偏装置设计简单实用，具有一定的推广价值。

（3）通过改装的同步双向液压起重千斤顶，实现了竖向转体施工需要的千斤顶双向张拉要求。为类似起重作业提供了新的施工手段。

5 结束语

郑万铁路跨南水北调干渠钢管拱桥竖向转体施工中，根据桥梁特点，在学习借鉴以往类似工程施工经验的基础上，通过技术攻关解决以往施工过程中未出现的问题，形成了一套受力体系明确合理、安全可靠、可操作性高、费用低的竖向转体施工工艺。该工艺确保了桥梁竖向转体安全顺利施工，为同类型桥梁施工提供借鉴，具有较高的推广价值。