钢箱拱桥空间异形拱肋合龙施工技术研究与应用

杨佳林 房超珺 李 波

1. 上海建工集团股份有限公司 上海 200080；2. 上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 上海 200092

目前国内桥梁设计越来越追求结构新颖、线形优美。拱桥施工目前主要采用下列几种工艺：

1）拱上吊机、对称悬臂拼装工艺。

2）支架法，大型浮吊安装就位施工工艺。

3）竖转法施工工艺。

4）平竖结合转体法施工工艺。

合龙段施工是整个钢拱桥工程重要的关键节点，合龙时相邻匹配面的精度控制至关重要，合龙后钢拱桥整体能否做到严丝合缝也是重难点之一。同时还应考虑合龙的时间、合龙段工厂制作长度与现场实际长度的匹配、吊装工况、临时固定等方面的问题[1-5]。

1 工程概况

某市沿江公路运河通道工程主桥为双孔异形下承式钢拱桥（图1），跨径为252 m＋106 m，全长约1.8 km，本桥拱肋分为主拱和边拱，在空间上呈现异形。桥梁跨径达358 m，高度达到近70 m，属于特大跨径钢结构拱桥，存在安装高、跨度大的特点，拱轴线采用二次抛物线，设计矢跨比1∶4.75，桥型一侧为单片拱，另一侧为双片拱。主拱由变高段和分叉段组成，边拱与主拱在拱顶交会，边拱与主拱之间设有横撑。

图1 运河二通道桥工程效果图

该工程主桥箱梁安装施工主要存在以下难点：

1）由于受运输影响，原设计节段划分无法满足陆路运输条件。

2）异形拱肋其吊点的设置，较为复杂。

3）异形拱肋节段安装较为复杂，尤其是拱梁结合段（首节段）情况复杂，既需要与箱梁对位，又要保证其精度。同时，合龙段由于是三肢合龙，对拱肋安装是个极大的考验。

针对上述难点，我们通过对设计节段的再划分，解决了拱肋节段的陆路运输问题；通过建立三维模型，解决了吊点的设置问题；通过一系列施工手段，完成了复杂的异形拱肋吊装。异形拱肋节段的安装施工，是本工程安装施工的一个难点、重点，下面作重点说明。

原设计意图合龙节段为三肢合龙，桥梁高度高、节点安装质量大、合龙时需要匹配的面过多，给施工带来很大的难度。后与设计沟通，对合龙工艺进行了调整。调整后，本工程拱肋共设有2次合龙，第1次为主拱合龙，第2次为边、主拱合龙，合龙位置均避开了拱顶交会段。

2 合龙前的准备

1）吊点的设置。为了保证桥位拱肋高空安装顺利及吊装安全，拱肋采取偏心吊装，即拱肋吊装姿态为安装姿态，此种吊装姿态大大增加了吊装困难。在吊装前，所有异形拱肋吊装节段全部用Auto CAD软件建模，软件自动导出节段重心。计算出重心后，根据重心位置，利用弯矩平衡原理算出吊点位置及钢丝绳长度，布置吊装吊耳。

2）吊装前拱肋节段翻身。由于运输的原因，拱肋节段在卸车时需要进行翻身操作。本工程采用了650 t履带吊辅以50 t汽车吊的空中翻身方法，使拱肋完成90°翻转，达到从运输姿态向吊装姿态的调整。具体方法为：首先履带吊将节段吊至地面，采用2台50 t汽车吊到达指定吊装位置，同时完成履带吊、汽车吊挂钩工作；其次采用履带吊、汽车吊缓慢提升，提升高度约7 m，停止提升，汽车吊缓慢降钩，直至全部卸载，履带吊承担全部吊装荷载；再次将汽车吊移位至节段内侧并挂钩，汽车吊提升，将节段翻身90°；最后将履带吊、汽车吊缓慢降钩，落至地面，完成后序吊装状态。

3 合龙时间的选择

考虑到钢结构材料具有的热膨胀特性，对气温的变化会十分敏感。施工中合龙段的起吊作业，宜考虑在气温较低时进行。伴随着现场温度的升高，合龙结构之间间距会逐步减小，达到设计要求后安装定位码板进行初固定，然后进行焊接作业，完成合龙施工。

1）绘制温度曲线。通过收集近期天气预报情况，并绘制48 h温度曲线。利用温度记录仪在每个整点时间下观察当前天气温度情况，并记录下相关数据。

2）记录对应温度下合龙间隙变化。同时选择南侧底板与顶板进行数据测量，记录下各个整点时间不同温度情况下底板、顶板的长度（图2）。根据温度曲线图，测量不同温度下，合龙间隙的变化数值，并记录成表。

图2 温度曲线示意

3）确定钢拱肋合龙时间。通过对现场测量情况进行的数据分析，得到实测最高温度为54 ℃，最低温度为28 ℃，两者合龙间隙相差1.50～1.80 cm，变化量在要求范围内。因为变化量并不大，所以经与业主、设计沟通后确定，将合龙时间定于上午十点，合龙时气温定为37 ℃。

4 合龙配切工艺

为保证钢拱能顺利合龙，合龙段钢拱在工厂制作时需留有余量。安装前，需精确测量、计算合龙段拱肋实际长度，并进行合龙段钢拱余量切割。合龙段余量切割工艺流程如下：

1）流程一：控制点复测。对已吊装、焊接完成节段控制点坐标进行反复测量。

2）流程二：布置监测点。在箱梁梁段及合龙段环口位置上布置加密的监测点。

3）流程三：测距。测量出每个监测点之间的直线距离长度。

4）流程四：余量线绘制。以合龙段基准端环口为基准，先以顶、底板控制点之间的数据画出余量线，再以两侧腹板控制点数据画出腹板余量线。顶底腹板上的余量线应为闭合的四边形，如不闭合，则数据出现问题，需重新测量，再画线。

5）流程五：切割余量。

5 合龙段吊装施工

合龙段吊装施工时，在吊装最不利的工况位置，即在拱顶交会处，拱肋节段自重约9 t/m。考虑设备的实际情况，节段分段质量必须控制在50 t以内，安装高度约68 m（拱顶标高：＋72.986 m，地面以＋5.500 m标高计）。同时由于此处桥面宽度为33 m，吊装此合龙段施工采用650 t履带吊吊装施工，采用抬吊施工方法将节段提升就位。吊机采用90 m把杆，在26 m工作半径，使各吊点及钢绞线受力均匀后缓慢提升。吊装初始定位位置应保证环口与环口对应，节段外侧面顶板、底板、腹板错口应平齐。

6 合龙段临时固定及焊接施工

合龙段吊装就位精度保证后，环口部位临时用码板固定，码板采用钢板在环口四周每50 cm设置1块。

根据现场温度变化对缝宽的影响，在施工之间，码板临时固定有2种预案可以选择：

1）合龙段两侧面同时开焊固定，安排2批焊工同时进行操作。

2）先将一侧用码板焊接固定好，待在合适温度时再行固定另一侧。

经过研究分析，在实际项目施工中，采用第2种方案，即合龙段就位后，先将一侧（东）环口按要求进行码板固定，开始焊接作业，此时，另外一侧（西）仍然处于自由状态。

待一（东）侧焊缝基本完成，此时温度也趋于稳定。另一（西）侧焊缝间隙达到要求后，快速进行码板固定，并进行焊接施工。

7 合龙定位措施

合龙前通过扣索、横向缆风索，对拱肋进行线形、标高的调整，并根据需要进行温度修正。合龙后对拱肋线形及位置实施精确测量，通过扣索和拱顶合龙装置进行精调，调整合格后固定合龙装置，进行合龙节段间连接处的焊接工作，完成后拆除临时合龙装置（图3）。

图3 合龙段定位措施示意

本工程在边、主拱合龙的时候，结构较为复杂，除了要采取上述合龙措施外，其如何定位是一个难点。

由于合龙段需要匹配的“面”较多，所以在施工的过程，制定了先选定一个“面”精确匹配，其他面随之调整的原则来进行。

在合龙节段安装前，选择BL7为基准面，用全站仪在BL7临时支架顶部的工字钢上测放出合龙段的轮廓边线，并用20a#工字钢垂直焊接在工字钢顶面，起到拱肋节段安装前的限位作用（图4）。

与BL7截面完全匹配后，该面焊接少量码板（单侧1块），在吊机不松钩的情况下，用千斤顶配合手拉葫芦，微量调整其他几个面的匹配情况。在此过程中，测量仪器为辅助手段，主要观察其他几个面的错边情况和焊缝间隙。当错边和焊缝间隙均小于10 mm时，合龙到位，迅速采用大量码板固结，进入焊接施工。

图4 合龙段定位措施示意

8 结语

钢箱拱桥空间异形拱肋合龙施工关键技术在该工程的成功应用，使得异形拱肋合龙段安装施工达到了以下预期的效果：

1）拱肋节段的再划分，有效地解决了梁段的运输问题，从而使后续吊装工作得以实现。

2）采用三维建模的形式，确定异形拱肋重心，从而准确地确定吊点，设置吊耳、吊绳，调整了拱肋的起吊姿态，降低了拱肋就位的难度。

3）根据钢结构的制造精度、气温、风力影响等情况，对梁端位移进行测算，施工过程利用钢结构自身的热膨胀性促使合龙段同两侧断面间距逐渐减小。

4）在异形拱肋的安装环节，从场内预拼开始，到节段的翻身、三肢合龙段施工，解决了一系列的施工难题，取得了良好的施工效果。

随着钢拱桥的设计越来越追求结构新颖、线形优美等发展趋势，此工程实例可为同类型桥梁的合龙施工提供一定的借鉴。