大跨径下承提篮式钢箱系杆拱桥安装技术

陈洪敏，赵 龙，杜 伟，张广东，任炎权

(中交第四公路工程局有限公司，北京 100007)

1 工程概况

S245涡河大桥主桥全长153.9m、桥宽40m(3.833m挑臂+3.2m拱梁结合段主纵箱梁+25.934m中间箱室+3.2m拱梁结合段主纵箱梁+3.833m挑臂)，一跨跨越涡河四级航道，为大跨径下承提篮式钢箱系杆拱桥。拱圈中心距桥面高度30m，矢跨比1∶5，主拱圈采用等截面双片钢箱拱。全桥从桥面上看两拱圈均向内倾斜12°，风撑为掏椭圆孔的异形箱梁。主桥共有46根吊杆、8根系杆。涡河大桥主桥效果如图1所示。

图1 涡河大桥主桥效果

桥梁主跨桥面系采用正交异性钢桥面板结构形式，桥面板厚18mm。桥面板由4根I形小纵梁进行支承，小纵梁梁高1 450mm，间距5.1m，钢板厚20mm。小纵梁之间再设置U形加劲肋，U形加劲肋采用顶宽300mm、高280mm、底宽170mm的闭口肋，闭口肋的间距为0.6m。横梁采用整板式横隔板，分普通横梁及吊杆区横梁2种，其中吊杆区横梁间距为6m，中间布置普通横梁，距吊杆区横隔板3m。主桥采用刚性与柔性组合系杆，即钢纵梁结构，作为主受力结构承受拱圈的水平推力，同时也作为桥面系的加劲梁结构，其中钢纵梁梁高2.2m、宽3.2m。两侧钢纵梁内各设置4根体外预应力钢绞线，组成结构的柔性系杆体系。桥面系立体结构如图2所示。

图2 桥面系立体结构

拱肋断面为等截面箱梁，截面高2.35m，横向宽1.85m。拱肋内部均采用I形加劲助，加劲肋高220mm，顶、底板加劲肋间距为450mm，腹板加劲肋间距为480mm。拱箱内，顺桥向每隔2m设置1道橫隔板，横隔板平面与拱轴线垂直，横隔板中心采用挖空处理，便于后期检修人员出入。挖空孔洞边缘采用宽150mm、厚12mm钢板包裹一圈进行加劲处理。在吊杆处另外设置吊杆加劲隔板，与吊杆轴线方向一致，加劲隔板厚25mm，加劲隔板中心预留1.0m空间，便于吊杆的锚固张拉。拱肋立体结构如图3所示。

图3 拱肋立体结构

2 现场安装方案比选

2.1 安装方案

根据涡河大桥施工环境和条件，对项目主桥安装方案进行设计和比选，具体有以下4种安装方案：①原位浮吊拼装施工；②原位门式起重机拼装施工；③缆索吊机拼装施工；④顶推拼装施工。

1)原位浮吊拼装施工 原位浮吊拼装施工如图4所示，主桥上部结构吊装采用先梁后拱施工方案，起吊设备采用1台320t浮吊，臂长80m。即先安装架设主桥钢梁，待钢梁安装完成后，再安装拱肋及风撑，并同步安装吊索，精确调整索力及线形后，拆除支架。在主桥桥位上方搭设拼装平台临时支架，支架采用钢管贝雷梁结构，在跨中留有双向30m通航孔，平板驳船运输钢梁节段至桥位处，利用浮吊按逐块拼装架设，完成桥面系钢梁安装，在钢梁上搭设拱肋风撑支架，采用浮吊分别从两端拱脚对称安装，至拱顶梁段合龙。

图4 原位浮吊拼装施工示意

2)原位门式起重机拼装施工 原位门式起重机拼装施工如图5所示，主桥上部结构吊装采用先梁后拱施工方案，起吊设备采用1台75t门式起重机。钢梁拼装前在主桥左、右侧搭设宽度45m门式起重机轨道支架，安装门式起重机作为提升站及架梁吊机拼装设备。安装时主梁端横梁采用管桩支架方式进行架设，标准梁段钢梁采用贝雷梁及钢管搭设节段梁的纵向支撑平台方式进行架设。主桥钢梁节段分幅采用驳船运输至梁段吊装孔，用门式起重机提升安装，纵桥向由拱脚节段向跨中节段合龙。拱肋和风撑工厂加工完后，在钢梁吊装孔封闭前运输至现场已安装完成梁段上临时存放，待剩余钢梁安装焊接完成后根据分段在现场架设支架，采用门式起重机分别从两端拱脚对称安装，至拱顶梁段合龙。

图5 原位门式起重机拼装施工

3)缆索吊机拼装施工 缆索吊机拼装施工如图6所示，主桥可采用先拱后梁施工方案，即在主引桥下部结构施工完成后，搭设缆索吊机系统和拱脚拼装支架，安装拱脚梁段并将两岸梁段钢绞线对拉固定，然后对称安装拱肋及风撑，同步安装吊索直至合龙后，逐块吊装安装钢梁栓焊连接，配切法完成梁段合龙施工，最后安装系杆预应力体系，完成张拉和最终调索，拆除缆索吊机系统。

图6 缆索吊机拼装施工

4)顶推拼装施工 顶推拼装施工如图7所示。在临岸一侧陆地上搭设主桥钢梁拼装平台和顶推支架，岸上顶推支架借助已完成的引桥承台，拼装支架个别借助已完盖梁，搭设较设计主桥标高高出20cm的拼装平台，利用1台跨径46m、吊重50t门式起重机进行钢梁节段安装，桥面系安装完成后搭设拱肋和风撑拼装支架，逐段拼装拱肋和风撑直至合龙，在拱梁支架设置钢支撑，河道中设置3排顶推支架辅助墩，安装15m前导梁，利用多台连续步履机顶推过河至主墩墩位，拆除拱梁钢支撑，张拉系杆和吊杆，完成体系转换后成桥。

图7 顶推拼装施工

2.2 安装方案比较分析

根据不同安装方法所适应的施工环境及优缺点，对各安装施工方案进行比较分析，如表1所示。

2.3 施工方案拟定

项目对主桥上部结构构造进行了细部研究，桥面系钢梁为常规结构，直接搭设支架安装便利，风撑为异形箱室结构，空间几何尺寸复杂，不易于工厂化加工制造；考虑到现场高空作业拼装难度将进一步加大，项目将中间部分拱肋和整个风撑在桥面钢梁低支架上整体拼装，降低拼装支架高度，进一步减小安全作业难度和风险，通过提升架，将中间部分拱肋和整个风撑整体提升到位后，安装合龙段拱肋，完成合龙施工。此种方法解决了异形风撑安装难度和施工风险，在整体顶推施工的基础上，结合风撑施工工艺，在同一座桥梁形成了部分提升+整体顶推法进行大跨径下承式钢箱系杆拱桥的独创安装工法。

涡河大桥施工关键阶段如图8所示，具体施工步骤为：主桥钢梁拟采取在引桥10～14号墩位置由下至上(即先梁后拱)进行拼装(地面起30m高以下的结构拼装采用50t门式起重机吊装、30m以上的结构吊装采用240t汽车式起重机吊装)，考虑到跨中78m的长拱与风撑高度较高、风撑制作难度大、与拱肋匹配难度大，故考虑跨中78m长的拱与风撑(700t)在桥面拼装成整体，采用提升的方式整体提升到位，然后对称焊接2m长拱肋嵌补段，最终实现合龙。主桥拼装到位前，完成水中4排顶推支架临时墩搭设；主桥拼装到位后，安装前导梁，对钢梁和拱肋进行刚性连接支撑加固，拆除拱肋拼装支架和提升支架，采用步履式起重机顶推方式，将主桥整体顶推到位，拆除前导梁、张拉系杆吊杆、实现成桥。

图8 涡河大桥施工关键阶段

3 施工模拟分析

3.1 有限元模型

根据主桥顶推施工流程，查找最不利工况进行分析，验算钢梁和临时支架体系结构的强度、刚度、稳定性，保证施工方法的正确性和合理性， 为现场准确施工的指导依据。顶推施工过程中，共有14个施工工况，在阶段CS1～CS14中，CS7，CS8，CS14分别为钢梁后悬臂、前悬臂最大，为最不利工况(控制工况)，在3个工况下进行钢梁及拱肋、支架体系的受力验算。本桥采用有限元分析软件MIDAS/Civil建立全桥模型，对桥梁整体顶推施工最不利阶段进行仿真模拟。涡河大桥有限元分析模型如图9所示。

3.2 计算结果

最不利施工状况下主梁及拱肋的计算结果如图10，11所示，涡河大桥提升、顶推施工过程中，最不利工况下的钢梁和拱肋最大应力、剪力及变形均符合规范限值要求，受压翼缘与纵向加劲肋区格、受拉翼缘与纵向加劲肋区格的钢梁局部稳定性满足规范要求，顶推过程中倾覆最不利工况下涡河大桥抗倾覆稳定性系数计算均满足>1.3的限值要求。

表1 各安装方案优缺点

图9 涡河大桥有限元分析模型

图10 施工过程钢梁与拱肋的应力和剪力包络图

图11 拱肋提升过程中对拉变形和提升受力验算

4 结语

本项目主桥部分提升+整体顶推施工工法结合式安装方案，能更好地结合实际工程需要进行综合讨论确定，变水上施工为陆地施工，引用先进的施工技术解决高空水上作业风险，减少钢梁拼装作业难度，为更好地实施质量进度管控提供了基础平台保障，通过测算，优化后的施工方案较原位拼装法施工，在现场大临结构措施费方面就节省近200万元，具有显著的经济和社会效益。