无通航条件连续三跨下承式系杆拱桥拱肋安装技术

段新鸽

(中铁十六局集团第三工程有限公司 浙江湖州 313000)

1 工程概况

石浦大桥为浙江省丽水市生态产业集聚区水阁至腊口公路的控制性工程，是衔接青田县城西区和城东区的重要交通纽带。桥梁跨越瓯江大溪，桥址处为五里亭电站库区，航道规划等级为Ⅳ级，桥梁荷载等级为公路-Ⅰ级。全桥总长359.2 m，主桥为(74.1＋105＋74.1)m下承式钢管混凝土系杆拱桥。

桥址库区常水位标高36.0 m，水深4～10 m，桥梁上游为开坛电站库区，每年有端午、台风两主汛，汛期洪水涨幅较大，最高达6.0 m，洪水流量亦较大，桥下无陆地吊装条件。

全桥拱肋截面为哑铃形，主跨设置2道一字型风撑和4道K型风撑，边跨设2道一字型风撑和2道K型风撑，拱肋主要参数如表1所示，整体模型如图1所示。

图1 整体模型

表1 拱肋参数 mm

拱肋矢跨比1/5，边跨最大安装高度14.95 m，主跨最大安装高度21.3 m。拱肋及风撑均为Q345qC材质，拱肋钢管卷制，采用 “以折代曲”工艺[1]，后期钢管内压注C50自密实补偿收缩混凝土，风撑内不压注混凝土。

2 拱肋节段规划

2.1 节段划分

拱肋节段划分充分考虑设计要求、制作工艺、交通环境、吊装方案及下部结构施工方案等因素。

结合现场环境条件，为满足工程质量，拱肋节段在工厂弧形胎架上采用1＋1方式组拼[2]。制作加工后汽运至施工现场，再进行安装。边跨和主跨单根拱肋均划分为9个节段(含拱脚预埋段)。

2.2 节段反力计算

安装节段吊运于支架上未同已安装节段连接之前，拱肋对两端支架产生竖向力的同时还存在水平推力(水平合龙节段除外)，拼拱支架承受的荷载可通过几何模型(如图2所示)计算出竖向和水平力数值。将每个节段拱肋假定为斜直梁，根据几何原理并通过CAD获取角度参数，计算各斜直梁支座反力。

图2 拱肋节段及反力计算模型

计算公式如下:

∑X＝0，则:RA×cos θ－G×sinα＝0

∑Y＝0，则:RA×sin θ－G×cosα＝RB

竖A＝RA×sin(α＋θ)

平A＝RA×cos(α＋θ)

竖B＝RB×cosα

平B＝RB×sinα

主跨拱肋各节段反力如图3所示。

图3 主跨拱肋节段反力示意

3 拼拱支架设计

支架总体采用格构式型钢塔架，考虑满足吊杆安装空间需求，布置间距和吊杆间距相匹配，保证钢管接头位于塔架中心附近位置，塔架立柱HN350×175×7/11型钢、立柱平面内布置间距3.0 m，平面外布置间距1.5 m，塔顶横梁采用双拼HN300×150×6.5/9型钢。拱肋和塔顶横梁接触面垫坡桥鹰架弧形钢垫板支座[3]，以保证斜面接触均匀受力和横梁局部稳定；两侧垫楔形钢板进行侧向稳固，底脚平联采用HN300×150×6.5/9型钢，柱间平联采用125×10 mm角钢沿塔高方向每4.5 m一道，以减轻塔架重量[4]，斜缀条采用120×10 mm角钢(仅布置于平面外两侧)；支架各节点采用焊接连接，立柱底部焊接20 mm厚钢垫板，每块钢垫板采用4个化学螺栓同系杆梁混凝土固定连接；对于高度大于5.0 m的塔架，采用一种塔架风撑[5]进行防风加固，风撑为拉压型，呈八字形固定于中横梁预埋铁件上。塔架结构如图4所示。

图4 塔架结构

为确保支架安全稳定，采用MIDAS Civil对塔架进行结构应力和屈曲分析，取主跨最高塔架进行计算。拱肋自重荷载在安装时为动载，取1.5倍动载系数。约束塔柱底部 DX、DY、DZ三个平动自由度[6]，塔架两横梁承受竖向荷载分别为186.55 kN、111.0 kN，平面内水平推力为13.65 kN，荷载工况组合依据自重、竖向力和水平推力按«公路桥涵设计通用规范»自动生成，1阶屈曲模态[7]如图5所示。

图5 屈曲模态

经计算支架1阶屈曲特征值为10.16，最大组合应力发生在顶横梁跨中位置，数值为86.2 MPa，小于规范容许强度215 MPa要求，满足强度和稳定性要求。

4 拱肋安装

由于桥址位于库区，上下游均为电站，受船闸吨位限制，无浮吊设备进场交通条件。结合桥梁系杆梁现浇支架，采用穿巷龙门吊进行吊装施工的方案，龙门吊基础设置于系杆梁施工支架贝雷梁上。

4.1 设备安装

根据安装节段最大重量和主跨最大吊装高度，选用DCS60-25 A3型龙门吊，最大吊装高度25 m，跨度29.35 m。最大起吊重量为主跨一字型风撑，重量为160.4 kN。

(1)龙门吊基础采用两片加强型321贝雷梁，贝雷中心间距22.5 cm，布置在系杆梁外侧，同系杆梁支架贝雷梁通过定制支撑架连接。贝雷梁下部为主桥现浇支架横梁和钢管桩，贝雷梁一般跨度为12 m，最大跨度为15 m。龙门吊轨道同贝雷梁之间采用“一种基于贝雷梁龙门吊扣轨装置”[8]通过定制的扣板进行连接，扣板每块长度149 cm，安装时预留1 cm间隙逐块固定于贝雷梁顶面。扣板结构及连接如图6所示。

图6 扣板结构及连接(单位:mm)

为保证施工安全，施工前选取边跨近岸处，采用混凝土预制块对支撑贝雷进行分级加载的方式预压，以检验基础支架体系的刚度、强度、稳定性[9]，预压荷载为龙门吊自重＋最大施工荷载，荷载系数取1.2。

(2)由于龙门吊安装位置较高，桥梁两侧为水域，安装时设置缆风措施困难，且安全保障性差。利用边跨近岸水深较浅条件，填渣筑岛形成场地，采用“一种龙门吊高处整体安装方法”进行安装[10]。

龙门吊采用先梁后腿“逆作法”进行安装，即先行在桥下卧拼横梁和支腿，拼装好的横梁用汽车吊安置于高处系杆梁上，以平行错位方式悬挂安装两端支腿。对接完成后，两端支腿呈悬挂状态，再用两台汽车吊整体抬吊，底端超出系杆梁顶再平移至安装位置，下放就位。龙门吊安装顺序如图7所示。

图7 龙门吊安装顺序示意

4.2 拱肋安装顺序

为了满足设计线形和安装对接精度要求，拱肋节段制作后需要在加工场地放长线大样，进行节段拱肋预拼，预拼无误达到设计及规范要求后出厂安装。

龙门吊高度受控于主跨安装高度，全桥安装施工顺序为边跨－边跨－主跨，避免了从桥一端取物吊运高度空间不足的问题；单跨安装遵循前后、左右侧对称同步原则，先拱肋、后风撑。风撑在两侧拱肋合龙后进行，风撑安装顺序为先中间、后两端。

4.3 线形及预埋件控制要素

钢管拱拱脚预埋钢管安装是整个桥梁拱肋线形的“首发”姿态，是全桥施工的关键，需严格控制其安装三维坐标。同时在拱脚浇筑完成后，要进行精确复测，为后续节段加工安装提供参数调整依据；拱肋和拼拱支架均为钢构件，尤其拱肋为长线形钢结构，温度敏感性很强，安装时间需要规划，按照设计合龙温度要求并在气温稳定时段统一安装、统一时间测量。

钢管拱肋中吊杆索套管除需要在下料、放样、焊接环节加强控制其精度外，在拱肋安装过程中还需要考虑拱肋安装误差积累对其位置的影响，以及系杆梁混凝土预应力张拉应变、收缩徐变和温度等因素[11]，预埋索套管在安装前需要精确测量下部系杆梁对应预埋索套管平面位置，及时进行微调整匹配。

5 内法兰连接

根据«公路钢管混凝土拱桥设计规范»(JTG/T D65—06—2015)钢管拱肋要求采用内法兰临时连接，在需要连接的拱肋接头处两端设置内法兰装置。内法兰由肋板、法兰盘及连接螺栓等组成，不设合拢凑合段[12]，如图8所示。在普通节段连接时通过吊装设备进行安装，调节拱肋姿态，法兰对接，螺栓穿孔组合等工序完成。而在合龙时，会出现比传统方法更为困难的情况，螺栓连接需要无间隙紧贴，否则会改变设计合龙时钢管拱肋的应力状态，但如果完全无间隙就会出现合龙节段无法进入安装空间的矛盾。

图8 内法兰结构

将合龙节段一端的内法兰不固定并回缩至管内一定长度，另一端按设计提前固定到位，合龙段进入安装空间后，将固定好的内法兰同已安装的节段内法兰进行固定连接。连接好后，合龙段合龙处活动内法兰同相邻内法兰采用长螺栓紧固，并逐个替换成永久性连接螺栓。完成后，等待合龙温度达到(20±2)℃设计规定要求条件时，布置多人环向间隔对称完成活动内法兰肋板同拱肋钢管内壁焊接，完成合龙，最后完成外包对接管的焊接工作。

6 结束语

利用龙门吊高处整体安装方法和穿巷龙门吊实现了无通航吊装条件连续三跨下承式钢管混凝土系杆拱桥拱肋安装施工，方法稳定可靠、便捷经济。对拱肋节段合理划分是进行吊装设备选型、保证施工安全的关键；同时加强拱肋线形控制、预埋构件位置控制、焊缝质量检测、温度观测、合龙时机把控等都是保证工程质量、运营安全的重要工作。