非对称外倾异形钢拱肋安装施工技术研究

许贺

（中铁山桥集团有限公司，河北 秦皇岛 066200）

非对称外倾异形钢拱肋安装施工技术研究

许贺

（中铁山桥集团有限公司，河北 秦皇岛 066200）

目前，在不适宜大面积开挖桥桩基础的城市环境中,多采用钢拱系杆拱桥,系杆平衡恒载产生的水平推力减轻了基础的受力负担，尤其异形钢拱桥结构设计新颖,更是近些年城市景观需求较大的桥型之一。其独特复杂的结构造型及不同于其他类型拱桥的受力特点，使其施工工艺要求高,安装难度大。结合工程实例对异形刚拱肋架设施工进行了研究,详细阐述吊装方案比选、安装支架设计及拱肋安装调整工艺措施，为今后类似项目施工提供借鉴。

异形钢拱肋；圣维南原理；桁架式定位支撑；竖向转体；合拢体系转换

1 工程概述

府河大桥为非对称外倾拱桥，位于半径R=600 m圆曲线上，孔跨布置为44 m+150 m+55 m。钢拱肋北拱高约38 m、外倾30°，南拱高约51.4 m、外倾18°；两拱肋分别位于各自的倾斜平面内。拱肋为矩形截面钢箱拱，底面4 m等宽，从拱脚到拱顶侧面高度5～3 m，见图1。拱肋节段之间采用纵向加劲肋栓接、面板焊接的连接方式。钢主梁为三跨连续“双箱梁+格子梁”结构形式，见图2。

图1 府河大桥钢拱肋

图2 钢主梁效果图

2 拱肋安装方案及施工难点

由于结构设计特点及桥址施工环境的影响限制，该桥拱肋安装有以下关键点：（1）桥位处于城市核心景观区，需优化架设方案，尽量减少栈桥等临时设施搭建，以降低恢复环境的难度；（2）异形拱节段需在吊装过程中进行竖向转体调整到安装状态才能准确就位；（3）异形拱肋节段需精确定位，节段间需精确连接才能保证成拱线形满足设计要求；（4）考虑日照温差对拱肋合拢最终线形造成的影响。

3 异形钢拱肋吊装方案比选及可行性分析[1]

拱肋吊装一般多采用龙门吊机吊装方法,施工工艺简单，安装方便快捷,可以保证足够的精度,且龙门吊起吊比较平稳,增加了安全可靠性。但该桥拱肋为异形结构,两拱肋间距为80 m,每条拱肋都须配备一台龙门吊，而且要在水中单独搭建临时轨道栈桥，经济环保性较差。综合该桥先梁后拱（即主梁在水上支架平台安装就位后安装拱肋）的方案，经分析计算后考虑选用履带式汽车吊在已建桥面吊装拱肋节段方案，吊车设备操控性能平稳，调整灵活就位精确，更无需装、拆，进、退场方便，适应性较强。按照工程进度要求，大吊机与小吊车可配合使用，全桥只需1～2台吊车，费用较低。该桥最大的节段为南拱肋S3,重量为57.79 t，经过分析计算，该桥选用一台QUY260 t的履带起重机作为主吊设备，考虑90%的负载效率后，能满足拱肋吊装要求。

吊装时汽车吊布置在主梁钢边箱上实施吊装，由于吊车自重加上拱肋节段重量引起偏载效应，为了保证吊装施工安全，选择此最不利工况，即拱肋构件中水平吊距最远的北拱肋S8段，进行了汽车吊吊梁施工结构安全计算分析。

3.1 计算分析模型

根据该项目结构特点和最不利吊装工况[2-5]建立了分析计算模型，钢桥面采用板单元模拟。

3.2 计算分析主要参数[6]

根据该项目结构设计，钢梁采用Q345C钢材。其主要计算参数取值为：Q345C钢E=2.06× 105MPa，γ=7.85 t/m3。北拱肋N8段吊重36 t和不利工况条件下QUY260 t吊车吊装作业时结构受力见图3。

图3 吊装作业时结构受力示意图（单位：mm）

3.3 计算结果

通过计算可得：X=67.55+121=188.55t，Y=26.45+ 121=147.45 t；受力面积A=10.0 m2。如果将X、Y按均布面荷载加载为：XA=0.0822MPa，YA=0.0643MPa，由于钢箱主梁为格子梁体系，对于该局部受力问题，考虑到全桥计算模型的规模太大，根据圣维南原理和正交各向异性桥面板理论[7]，宜选取位于腹板之间和两横隔板之间的顶板进行计算，并设周边固结，履带轮压按(188.55+147.45)×10×1 000/2/ (1 000×5 000)=0.336 MPa计算。

根据以上参数建模分析，结构有限元模型如图4所示，选取两腹板之间和两横隔板之间的一块顶板进行计算，边界条件设置为周边固结，故属于周边支承板的结构力学问题。计算结果如图5（a）～图5（c）所示。由图4可见，不论桥面板位移还是应力都在履带轮压范围内是最大的，结构应力云和位移云都呈现两条明显的带状。结构变形如图4所示，履带轮压下桥面板总位移最大值为1.02 mm，最大下挠位移为0.67 mm，由于局部压应力作用，薄板在横桥向位移最大，达到1.02 mm，但都在允许值范围之内。桥面板应力计算结果如图5（a）～图5（c）所示，第一主应力最大值为221.77 MPa，等效应力最大值为 215.24 MPa，都在允许范围之内。另外，由图5（c）所示的应力矢量图可以看出，在履带轮压下，桥面板横向受力很明显，且U肋在受力中发挥很大的作用。由于桥面板属于薄板结构，在荷载作用下，由于薄膜张力的作用，使得桥面板超载能力极大，履带吊在计算中自重是按最大值取定的，且没有考虑周边其他板的协助支承作用，因而在履带轮压作用下，桥面结构是安全的。

图5 有限元计算结果

4 拱肋安装支架设计

为便于拱肋加工厂实施“2+1”匹配加工，减少生产线及桥址临时设施布置，钢拱肋采用少支架法安装，每条钢拱肋划分为13个施工节段,即全桥共需分布24个安装支架。

每个拱节段的上端布置1付支架，每条拱肋下共布置12付。每付支架由4根ф1.5 m钻孔灌注桩、1个（7×5×0.8）m的钢筋混凝土承台、4根ф630 mm× 16 mm钢管及其剪刀撑、定位架和支撑架构成。钻孔桩穿透砂卵石覆盖层进入基岩3 m，承台顶比河床面低1 m，钢管立柱对应钻孔桩布置，纵横桥向间距3 m×5 m，支架横桥向轴线垂直于该处拱肋。钢拱肋安装支架平面布置及结构见图6所示。

图6 拱肋安装支架布置图

因拱肋吊装作业空间需要，各拱肋节段安装后，不能及时拉设缆风绳，只能在距离拱肋吊装位置2个节段的支架上设置缆风绳，以调整、固定拱节段的横桥向位置和增强支架的抗风稳定性。

支架设计高度需同时考虑计入拱节段自重、外倾力及横桥向最不利风荷载，计算得最高支架顶的横桥向位移及内外侧竖向弹性压缩量[8]。

同时，为保证拱肋节段安装稳定和线形，在每付支架顶设置1个拱肋定位架稳定拱节段上端；拱节段的下端采用在已安装拱肋上口焊接限位码板辅助定位。型钢桁架式定位架设计：采用型钢构成定位架和支撑架，定位架和支撑架焊接成一体；定位架外形尺寸1.6 m×5 m×4.3 m，一个重量约3～4 t。各条拱肋的定位架结构基本相同，仅根据各节段的竖向倾角用楔形钢板调整拱肋底面定位架顶面斜角。支撑架的高度根据各支架顶面与定位架底面实际高差和支架受气温和荷载影响的竖向位移值确定。拱肋型钢桁架式定位架及支撑架见图7。

图7 拱肋型钢桁架式定位架及支撑架

5 钢拱肋安装顺序及关键工序控制方法

每条拱肋先从P2墩拱脚开始安装4个节段，然后再从P1墩拱脚开始安装4个节段，最后安装跨中5个节段。各节段安装后只进行栓接，不焊接面板环焊缝；安装合拢段之前，校核调整已按节段的姿态达到设计线形后，从下往上依次焊接环焊缝；最后安装合拢段实施合拢并焊接。

5.1 拱节段吊装角度预先调整

用两台50 t龙门吊抬吊拱节段进行侧向转动，初步达到拱肋的外倾角度，然后吊放至已设置匹配角度专用胎架的平板运输车上就位，运输至吊装位置。拱节段运输如图8所示。

图8 拱节段运输示意图

5.2 拱节段竖向转体吊装及安装作业流程

使用一台吊车作业存在拱节段竖向转体较难的问题，针对竖向转体角度大小差异，拟定表1中两种拱肋节段起吊竖向转体方法分别对应解决。

表1 吊拱竖向转体方法及其优缺点分析

图9 拱节段边起吊边转体示意图

图10 拱节段平吊悬空后再转体示意图

拱肋吊装应平稳、缓慢进行，水平移动速度不大于1 m/s，提升速度不大于0.25 m/s。拱肋就位时，尽量调整角度自然对齐，不可强搬硬拉，更不得擅自切割。节段安装前，履带吊缓慢吊装拱节段至安装位置，吊装节段下端放到已安装节段前端的码板上，先安装临时匹配件上的定位螺栓（不完全拧紧）；然后将吊装阶段的上端放到支架顶的定位胎架上，调整接头精确对位后安装纵向加劲肋连接板，施拧高强螺栓，完成临时连接，然后缓慢松钩，解除吊绳，由此完成一个节段吊装。同时注意各节段安装后只进行栓接，不焊接面板环焊缝，为线性调整留有适当余地。

5.3 合拢段施工关键工序控制

合拢段安装是全桥拱肋成型的关键，是一次体系转换，能够调整全拱肋各段焊接收缩变形、热膨胀变形，起到保证拱轴线形的重要作用。为此对环境温度进行连续监测，取得合拢口48 h的变化数据，根据合拢口监测数据的变化规律并结合当时气候条件，确定最佳的合拢时间，合拢时再测量一次节段间距离，考虑适当流量后进行切割，完成合拢段制作。

南、北拱肋合龙并焊接完成后，在两拱肋之间设置横桥向临时对拉索和外侧缆风绳保证拱肋横桥向稳定性，然后从跨中向拱脚依次卸落并拆除拱肋安装支架。

6 结语

通过对全桥施工过程中的监控及检测结果来看，在履带吊负重作业过程中钢箱梁受力合理，结构安全可靠，拱肋支架、定位支撑架的设计充分考虑支架与定位架实际高差、气温和荷载等多方面因素影响，满足不同节段的竖向倾角要求，保证拱肋节段安装稳定和线形。同时仅用1～2台履带式吊机就高效、安全地完成了拱肋安装，在吊重状态完成纵横移作业时运行平稳，移动灵活，工作效率极高，能够满足不同倾角拱肋节段空中竖转和平转等精确安装定位要求，科学施工，控制合理，解决了其他设备难以完成的拱肋三维定位作业。而且，少支架法架设拱肋相比满堂支架法节省了3/4的临时设施，有效降低了造价，整套方案具有经济性、安全性、高效性等多方面综合优势，在城市拱桥施工中应用普遍，是该类型桥梁施工的优选方案。

[1]周翰斌.外倾式费堆成拱桥安装方案综述[J].中外公路，2011（1）：169-173.

[2]李国豪.公路桥梁荷载横向分布计算[M].北京：人民交通出版社，1987．

[3]刘金平.独塔混合梁斜拉桥承载力的检测[J].世界桥梁，2011（4）：28-32.

[4]常付平，蒋彦征，李鹏.结合钢桁梁正交异性钢桥面板体系研究[J].桥梁建设，2011（6）：37-41.

[5]唐茂林，沈锐利，严 琨.受拉构件梁特性变化参数研究[J].桥梁建设，2011（5）：11-15.

[6]苏从辉，秦建刚.济宁市洸府河大桥结合梁架设施工技术[J].世界桥梁,2012（3）：33-35.

[7]常付平，蒋彦征.结合钢桁梁正交异性钢桥面板体系研究[J].桥梁建设，2011（6）：37-41.

[8]宋馨，黄鑫，孟丹丹.无锡兴塘大桥-外倾拱肋中承式钢拱桥的设计研究综述[J].城市道桥与防洪，2007（9）：31-34.

四川古叙高速有望年内通车

古叙高速公路是四川省高速路网规划建设的南向出川大通道宜宾—兴文—叙永—古蔺—习水高速的一段，全长65.73 km，概算总投资79.66亿元。项目于2012年开工建设，计划在2016年全线通车。

古叙高速公路建成后将打破“白酒金三角”交通制约瓶颈，串联起京昆、厦蓉、成遵三大高速公路和宜宾、泸州、仁怀三大白酒名城，成为四川与长江三角经济圈、珠江三角经济圈联系和打造“中国白酒金三角”的主动脉。

U445

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1009-7716（2016）05-0165-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.047

2016-03-02

许贺（1983-），男，山西大同人，工程师，从事钢结构技术营销工作。