大跨度钢桁架拱桥施工技术及质量控制研究

黄吉庆

摘 要：大跨度钢桁架拱桥是国家基础工程项目，近些年来，在经济与社会跨地域融合的促进下，此类工程项目的建设数量与难度逐年攀升。本文首先介绍大跨度钢桁架拱桥的特点，而后系统阐明大跨度钢桁架拱桥施工技术应用及控制方法与模型。

关键词：大跨度;钢桁架;施工技术;质量控制

0引言

我国及世界上，有不少典型的大跨度钢桁架拱桥，如九江长江大桥、南京大胜关长江大桥、新河谷大桥、榜花桥等，这些工程都是在多种科学施工技术的综合运用下被建设完成的，且施工阶段的控制可对工程安全、工期、成桥线性和应力等产生重大影响[1]。

1大跨度钢桁架拱橋特点

总体而言，大跨度钢桁架拱桥的特点如下所述：

（1）节间杆件的截面与钢种可以依据受力大小而发生变化，具有良好的经济性能。杆件大多是承受轴向力构件，可以较大化发挥材料本身的力学性能。

（2）因竖向刚度较好，故而可以充分满足不同的行车需求。

（3）桥型雄伟庞大，外形柔和优美，可轻易与周围景观呈现出和谐美，是现代工业化风的一种良好体现。

（4）所用材料必须具有较好、较长的防腐性能，整体功能要具有较佳的抗疲劳性能。

（5）由于弦杆与腹杆具有一定自由度，且所受水平推力较大，故未完工工程的整体稳定性能较弱。

基于以上特点，大跨度钢桁架拱桥施工方要严格遵守相关技术要求，并采用合适的控制方法与模型，及时评估工程质量与安全[2]。

2大跨度钢桁架拱桥施工技术

某钢桁架拱桥为中承式拱桥，由桁架主拱圈、桥面梁系、吊杆及边跨桁架梁组成，主要材料为Q345qD、Q345qE、Q370qE。

2.1选择施工方案与现场准备

本工程综合考虑现场实际施工条件，采用缆索吊机施工，施工时须全方位考虑工程结构、水文地质条件、地形地貌、交通运输状况及其他施工环境等多类因素，以充分保障工程安全、质量与进度。吊机由大型有经验的专业制造商按照工程具体要求专制而成。主墩墩身施工完成后，进行缆索吊机系统安装与调试，并试吊。边跨钢桁构件，于过渡墩外侧定点处起吊，在枯水期安装。桁拱以缆索吊机全悬臂实现安装，构件起吊至预定安装位置后精确安装。中跨桁拱合龙后，进行吊杆、桥面梁系及其他附属设施。

工程石料可在桥区周边地区的大型石料厂解决，普通钢材与水泥可就地购买，主桥所用特殊钢材与木材应从外地专业厂商处购买，以商品混凝土浇灌，工程用水直接利用城市供水及桥下水（指标符合规范要求）[3]。

2.2构件制作、运输及安装

（1）制作。钢桁构件应以设计、规范要求为依据，由专业厂家专门制作。全部构件都须进行电脑放样，对构件尺寸予以严格核对，并画出零件草图、下料草图、排版图，各图应将相关信息点标示明确、全面。钢桁构件施焊时，应先评定钢材对应焊接工艺，根据钢材焊接所需电流、电压、焊条、焊剂、焊接方式、焊缝层数、运条手法等，得到温度对构件尺寸及变形的具体影响，而后制定科学、合理的焊接工艺规程，以正确指导构件生产，保障焊接安全与质量。焊接完成后，还要按照一定的验收规范与标准严格、全面、及时检查焊缝质量，一旦发现质量瑕疵，要及时进行处理。

（2）试拼。出厂前必须依照一定要求进行试拼，以精准检验结构的精度与线性。试拼采用卧式间隔节间法试拼两侧主桁，过程为：先用型钢搭建试拼台座四个，每台座同时拼装两个节间，并于台座周围设置固定式测量平台，以测量节点几何尺寸与固定坐标值，而后将坐标值转化为以起始节点为原点的相对坐标，并与理论坐标进行对照，以此检验构件精度与桁拱线性。试拼时，为提升效率，可在设计要求满足的基础上，进行间隔一节间试拼。

（3）运输。构件试拼合格后，分类打包，方可出厂，并装船、装箱运输。运输到目的地后，利用桅杆吊机卸货。本工程所处地点交通运输网较为发达，施工材料、设备、设施可通过水路、公路、铁路三种方式联合运输。

（4）预拼。构件预拼时，最好先将每节点的节点板预装于第一根杆件上，因此要依照预计及现实安装效率设置多个预拼台座，台座采用型钢进行焊接。试拼及预拼过程中，为减弱损伤节点板与杆件摩擦，则不宜使节点板与杆件夹紧。

（5）边跨支架及构件安装。边跨支架是为对应构件安装提供支撑与辅助的，具体设置为：支架可采用嵌岩桩基础，规格φ1500mm;单桩承载力设计为500t;承台材质为钢筋混凝土，厚2.0m;支撑立柱为钢管，规格φ1000mm×20mm;每边跨各设置5排支架，并以最大悬臂时荷载控制设计各排支架;钢管一节为6-9m，连接方式为法兰接头，每排钢管竖向每6m则设置一道φ600mm钢管平联;各墩之间设置一道万能杆件作为纵向平联。支架构件完成后，就可进行钢桁构件安装，安装应尽量选择枯水期，并在具体过程中合理确定施工进度，以保证支架基础不被强水流冲刷。安装时，要依据中跨桁拱合龙方式、支墩弹性变形、设计院提供的参数，确定出边支点、临时支墩、中支点初始坐标，设置适合的预拱度，并良好安装桁拱合龙调节设备。

（6）斜拉扣挂与压载配重系统。为增强悬臂梁刚度、减弱悬臂端下绕幅度，将杆件内力控制在合理范围内，应在中跨桁拱悬臂安装中，于悬臂端上安置由扣塔、斜拉索、钢锚箱构成的斜拉扣挂，使其与悬臂梁共同受力。为确保桁梁倾覆稳定系数≥1.3，保证施工安全，则在钢桁节段悬臂拼装中，要对边跨靠近过渡墩的特定桁节进行数量一定的压载配重，配重材料为钢材[4]。

（7）中跨桁拱安装。中跨桁拱以缆索吊机安装。基于安装效率的考虑，应使用水上定位船，为缓解工程施工与河流航运矛盾，初步计划使用400t方驳为定位船。中跨桁拱安装注意要点有：1）合理预估是否要在洪水期或水位较高期间安装中跨桁拱;2）安装期间，要密切关注定位船吃水深度，以预防安全事故;3）当中跨桁拱安装至一定节段具有较小悬臂形态时，应在合适时机联测两侧桁拱高程及轴线，进而有效调整中支点高程及轴线误差;4）扣塔与中跨桁拱安装同时进行，为减小合龙难度，则要在桁拱安装至一定位置时，依照实测高程调整斜拉索初始张拉力。

（8）吊杆、桥面梁系及其他附属设施安装。吊杆安装以三种方法进行，具体为桁拱安装同时以缆索吊机安装、缆索吊机后安装、以其他方式同时安装桥面梁系与吊杆。若桥面梁系与吊杆未同时安装，则可在主桥合龙与两侧引桥施工后，利用汽车吊机于上层桥面板上进行逐跨安装。待桥面安装结束后，便可安装附属设施。

（9）施工监测与控制。由于工程安全、整体安装、成桥线形、合龙良好性等受多种因素影响，所以在确保各类技术方案严格执行外，还应当组建专门的监测部门或小组，制定细致的监测方案，对整体施工进行严密监测与控制，以保障工程质量，确保顺利施工。主要的施工监测点有：特定合龙方式下给定支点预拱度、支座应力、典型断面应力、最大受力杆件应力、斜拉索初始张拉应力及具体应力、杆件内力受温度的影响、桁拱合龙等[5]。

2.3中跨合龙施工

中跨合龙是大跨度钢桁架拱桥工程体系完成转换的关键，合龙方式及时机将直接决定构件受力、成拱线性、施工安全、工程效能等，中跨合龙施工关键点有：

第一，由于桁拱是空间桁架结构，本身就具有较强刚度，且桁拱线性已经具备基本样态，因此中跨合龙线性控制主要以调整高度、轴线位置、合龙节段长度为内容，调节方式为边支点调节法，通过下降边支点、转动中支点调节合龙节段口高度。

第二，桁拱周边偏差大小是确定调节方式的依据。若偏差较小，则可以通过设置侧向风缆，以桁拱侧向变形进行调节。若偏差较大，则要在调节高程前，于边支点位置设置侧向顶升千斤顶，转动中支点调节。

第三，中跨合龙应该选择在日平均气温为16～v18℃、昼夜温差相对较小的天气或季节进行。

第四，合龙段要尽量在夜间或阴天安装，以减弱阳光偏晒对合龙段的不利影响。安装完成后，要以最快的速度解除中支点活动支座临时固结[6]。

3大跨度钢桁架拱桥施工控制

3.1施工控制方法与原则

结构分析方法有两种，倒退分析和前进分析。以施工方案、施工顺序选择前进分析，分析內容为：杆件内力、悬臂位移、支点反力与位移、斜拉索初张拉力、斜拉索控制力、临时系杆控制力等。前进分析的实现以有限位移理论为依据，利用两个新节点间单元模拟同一施工段的新拼装杆件，且实现过程是循环往复的。循环结前进分析不但可作为成桥结构受力、刚度验算、结构强度的可靠性依据，还可用以确定施工理想状态，为桁架拱桥施工奠定坚实基础。

3.2施工控制模型

施工控制应采用平面分析与空间分析两种模型进行分析。平面分析模型，将主桁结构分为多个单元，以桥梁博士为辅助计算软件，采用拱肋平面建模，并基于横向联系及施工荷载的影响，应用等效节点力方式。空间分析模型，以空间结构有限元分析为计算软件，以设计施工图、尺寸及有关材料为依据，利用空间梁、杆、索单元实现模拟建模，其中主桁杆件、主桁横纵向联系结、刚性系杆以梁单元模拟，体外预应力束、吊杆以杆单元模拟，扣塔斜拉索、临时系杆以索单元模拟。通过以上控制模型，计算或测得相应数据，根据相关数据评价工程是否合格、安全、优质。

4结语

综上所述，为确保大跨度钢桁架拱桥工程的使用效能、经济效益、安全等，建设方要按照一定流程与标准应用相关施工技术，谨慎选择施工方案，做好施工准备，实现良好构件制作、运输及安装，并采取科学控制手段，以避免工程误差，有效完成相应项目建设。

参考文献

[1] 倪辉联.大跨度拱桥的结构型式及施工控制[J].交通世界（上旬刊），2017（5）：118-119.

[2] 孙步芹，艾祖斌，侯圣均.大跨度钢桁架桥梁施工监控技术研究[J].城市道桥与防洪，2017（12）：129-133.

[3] 常成.240m上承式钢桁架多跨拱桥设计[J].工程技术研究，2018（1）：1-4+34.

[4] 殷林，张文福，高明，等.钢管混凝土桁架拱桥施工阶段应力和位移的有限元分析[J].江苏建筑，2017（1）：51-53+76.

[5] 祝良红，许鑫，余昆.香溪长江公路大桥大跨度钢箱桁架推力拱合龙技术[J].世界桥梁，2019，47（2）：17-21.

[6] 钟武龙.高空大跨度钢桁架的施工与实践[J].福建建材，2017（9）：95-97.