跨高速公路系杆拱桥钢管拱安装施工技术分析

董海军 ，丁振宇 （安徽路达公路工程有限责任公司，安徽 安庆 246001）

0 前言

近几年来，随着我国城镇化以及交通事业的快速发展，桥梁工程建设也在逐步加大。钢管混凝土系杆拱桥以其独特的结构体系、美观大方的造型，解决了拱桥高强度材料的应用和少支架施工的两大难题，极大保证了桥下高速公路的净空，被广泛应用在桥梁工程建设中。但系杆拱桥施工涉及到桥下高速公路行车安全及自身安装施工，现场掌控难度大[1]。本文通过上跨宁绩高速公路宁虹路大桥1m～77m系杆拱桥工程实例，重点分析系杆拱桥钢管拱安装施工技术控制。

1 工程概况

宁虹路大桥上跨宁绩高速公路，主桥为1m～77m钢管混凝土系杆拱，拱轴线为二次抛物线，计算跨径77m，跨中计算矢高15.4m，矢跨比1/5。计算拱轴线抛物线方程为：y=4fx(L-x)/L2。拱肋截面为哑铃型，拱肋高度1.8m，拱肋由两根外径75cm，壁厚16mm钢管构成，中间以缀板连接。拱肋钢管材料采用Q345qC钢，钢管内灌注C40混凝土，拱肋上横向设置4道风撑。系杆采用箱形截面，系杆高度1.8m，宽度1.2m。系杆和拱肋之间采用吊杆作为传力结构，吊杆每5m设置一根，主桥系杆之间采用横梁相连接，横梁与桥面板后浇湿接缝连接。

1.1 安装施工技术难点

①施工区域位于既有高速公路上方,必须保障高速公路通车运营，交通风险因素多，现场施工条件非常复杂；

②在系梁顶面搭设安装支架，钢管拱肋采用汽车吊安装，最大吊装节段构件重约12.9t，起吊高度约30m，对安装工艺及安全控制要求高；

③钢管拱肋节段采用全焊接结构，线形是保证钢管混凝土系杆拱桥受力安全的先决条件,控制精度要求高。

2 安装施工技术

2.1 总体方案

系杆采用支架现浇法施工，先梁后拱施工顺序。钢管拱肋、风撑委托有资质的专业钢结构厂家制作，并进行组拼,然后分节运输到施工现场，采用100t汽车吊吊至临时支架上，通过顶部支墩上的千斤顶精确调整到位，再将各节段钢管拱肋焊接成整体。

2.2 钢管拱节段划分

采用平板拖车运输，考虑公路运输条件，分段长度不应大于20m。钢管拱划分为5个节段，其水平投影长度分别是G-A1（A2） 节段为 10212mm、G-B1（B2）节段为 15900mm、G-C1（C2）节段为19200mm。分段上弦管、下弦管不得断在同一断面上，对接焊缝错开1000mm。节段划分如图1所示。

2.3 总体安装步骤

步骤一：临时支架设计、组装及安装；

步骤二：依次吊装G-A、G-B、B节段风撑、G-C节段、C节段风撑；

步骤三：拱肋对接焊缝焊接；

图1 钢管拱节段划分示意图

步骤四：对焊缝进行打磨，焊缝外观检测合格后进行无损检测，全部焊缝检测合格后对焊缝区域进行油漆补涂；

步骤五：拆除临时支架。

2.4 吊装设备

2.4.1 汽车吊选型

根据钢管拱吊装重量、运输车辆及吊机站位条件、现场交通疏导要求，拟定采用徐工QY100K型（最大起重量100t）汽车吊吊装，最大钢管拱肋节段为G-C段，重量为12.9t，考虑1.2倍动载系数，计算重量为15.5t，吊装高差约30m，作业半径为7m，计算吊臂长需达到30.81m。根据《QY100K-I起重机全伸支腿稳定性能表》，100t汽车吊作业半径为7m时，根据主臂定格长度，主臂长度可取36.9m＞30.81m，其额定起吊重量 30.4t＞15.5t，安全系数为 1.96，满足要求[2]。吊车支腿支承在高速公路路面上进行作业，地基承载力满足要求，汽车吊抗倾覆力验算符合要求。

2.4.2 吊耳设置

每个钢管拱肋节段上设置两个临时吊耳，按最大吨位12.9t计算，单个吊耳承受力6.45t，考虑不均匀受力，计算1.4倍的安全系数，单个吊耳承受力为9.03t。吊耳选用依据《中华人民共和国行业标准设备吊耳》（HG/T21574-94），选用10t～20t吊耳，耳板板厚d=20mm。临时吊耳设在上弦管顶面正中位置，吊耳位置的钢管内增加横隔板加强，均设在该吊耳距两端头长度为该吊装段长度的0.21处[3]。如图2所示。

图2 吊耳布置示意图

2.4.3 钢丝绳选用

选用Φ36mm钢丝绳。把每个分段简化为一刚体，因刚体吊点是对称布置，钢丝绳与水平夹角按60°考虑，对三种区间按照最重梁段重量计算受力分析如下。

拱肋最大重量按12.9t计算，考虑1.2倍的吊装动载系数，按15.5t计算，选用Φ36mm钢丝绳。根据平衡原理，在直角坐标系建立方程ΣFy=0，G=Ly=15.5t。

单根钢丝绳 L拉 =Ly/sin60。×9.8/2=15.5/0.866×9.8/2=87.7kN(钢丝绳拉力)。

根据钢丝绳破断拉力，Φ36mm纤维芯钢丝绳，其公称抗拉强度为1870MPa,根据《五金手册》，其破断拉力Fg=805kN。钢丝绳安全系数K=Fg/F=805/87.7=9.2＞8，钢丝绳满足要求。

2.5 临时支架

2.5.1 支架结构设计、组装及安装

支架采用缀条格构柱结构。主要材料为φ273×8mm钢管，格构柱连接系采用10#槽钢，分配梁采用H440×300H型钢，支架连接采用焊接，以Z1支架为例，支架结构如图3所示。

图3 临时支架结构示意图

在系杆支架上搭设钢管拱临时支架。设置在拱肋拼装接头位置处，全桥设计Z1与Z2两种规格共8个拱肋支架；支架格构柱脚加钢板焊接加固，采用20mm缆风绳顺桥向锚在系杆上并采取紧固措施，防止安装时产生推力而导致支架倾覆，并控制好支架支撑梁高程及位置。如图3所示。

2.5.2 支架顶部支墩

支架顶部分配梁上设置临时支墩，拱肋安装定位后，吊车松钩前在拱肋两侧设置斜撑，斜撑采用10#工字钢，斜撑主要是防止拱肋倾覆。临时支墩结构如图4所示。

图4 临时支墩构造示意图

2.5.3 支架受力验算

①模型说明及加载

采用Midas Civil 2012建模，各杆件采用空间梁单元模拟。采用材质为Q235钢材,弹性模量E=2.06×105 MPa,容重r=78.5kN/m3,Q235钢材容许正应力[σ]=170MPa。根据支架的支承条件，拱肋重量采用节点集中力模拟，立柱作为自重加载。吊装时自重系数取1.1，吊装动载系数取1.2。临时支架在吊装过程中承受最不利的工况时，每个节段吊装时落在2个支架支墩上。

②支架系统有限元建模受力分析

强度验算：经计算分析，本支架在此受力工况下支架系统最大应力为22MPa＜170MPa，支架强度满足要求。

刚度验算：考虑吊装过程中竖向荷载组合，支架最大变形位于分配梁中间，最大竖向变形为1.1mm。支架分配梁挠度容许值νr=2000/400mm=5mm（2000为分配梁两支点最大跨度），支架刚度满足要求。

稳定性验算：通过软件计算分析支架系统最大支点反力为127kN，缀条格构柱横撑最大间距为200cm。

φ273×8mm钢管的回转半径为9.373cm，钢管立柱长细比：

根据《钢结构设计规范》（GB50017-2017），得钢管柱的稳定性系数φt=0.979，钢管柱最大压应力

19.5MPa＜170MPa，满足稳定性安全要求[4]。（上式中：Nt表示压杆支点反力,单位：N；At为压杆受力面积单位:mm2）

2.6 钢管拱安装技术

2.6.1 吊装

拱肋节段运输至桥位进行吊装，遵循先两端后中间的对称原则。拱肋吊装顺序：A1节段→A2节段→B2节段→B1节段→B节段风撑→C1节段→C2节段→C节段风撑。根据施工现场实际环境，各节段拱肋吊装时汽车吊的站位如图5所示。

①拱脚预埋段

首先安装拱脚预埋段A1与A2四片拱肋。在进行拱脚线性定位时，从系梁底模板外侧现浇支架上搭设拱肋安装定位支架，然后吊装拱脚预埋段拱肋，精确测量起拱线高程、拱脚处倾角、两拱肋间距和跨间距、吊杆位置、拱轴线坐标并精确定位。将拱脚与系梁混凝土一起同步浇筑完成。

②中间节段

系梁混凝土达到设计强度并张拉第一批预应力钢束完毕后，进行搭设钢管拱肋中间节段安装临时支架。拱肋根据制作、运输、安装综合考虑，包含拱脚预埋段A1和A2节段，单侧全桥拱肋共分成五个节段。钢管拱肋吊装前，先在支架分配梁上精确测量定位出拱肋轴线和钢管边线，在钢管边线上布置横向限位措施，限位措施采用型钢布置。拱肋高程通过分配梁上布置千斤顶进行调整，水平方向偏位可通过在分配梁临时固定手拉葫芦进行调整。拱肋吊装分段对接定位合格后，通过码板临时连接钢管对接环口，码板规格16×150×400，码板在焊缝处开设R50的过焊孔，确保焊接时焊缝连续。码板与拱肋钢管采用双面10mm焊脚，对接焊缝焊接完成后拆除码板。缀板现场嵌补段在钢管对接焊缝焊接完毕，检测合格后再安装。拱肋安装调整如图6所示。

图6 拱肋安装调整示意图

③节段风撑

采用2台卷扬机安装，对位后精调、焊接固定。卷扬机支点设置在待安装风撑的拱肋顶部。

④合拢段

根据对称安装的原则，合拢段是钢管拱肋形成的关键，是结构体系转换的工序，起到调整全拱各单元体焊接收缩、热膨胀、线型等重要作用。首先对环境温度进行连续测量，取得至少48h的数据，确定合拢的最佳时间。同时测量合拢段C1和C2节段间距并切割下料，一次切出坡口打磨合格。考虑合拢的对称性，两条拱肋必须连续完成，并及时安装C节段风撑，以免温度变化时造成单侧拱肋偏移。在两侧拱肋及跨间距、吊杆位置、拱轴线坐标符合设计要求的条件下，焊接全桥钢管拱段[5]。

2.6.2 钢管拱焊接

钢管拱焊接由钢管拱制作厂家派专业焊工来现场进行焊接作业。分临时定位焊接和永久性焊接，焊接环缝要求全熔透，采用单面焊，双面成形工艺。拱肋节段精确定位后，按要求进行环缝马平，马平时宜先马平箱口刚性较大的边侧拐角部位，然后固定其余部位，采用定位板和火焰矫正相结合的方法进行局部调整。焊接前需用砂轮清除表面的铁锈，清除范围为焊缝两侧各50mm，并且除锈后24h内须焊接完毕。焊缝需进行外观检验、超声波及射线探伤，并按相关规范检测合格。

3 线性控制

钢管拱安装的线型控制分两个阶段，第一阶段为厂内制造加工，应先确认拱轴线形及预拱度，精确放样后进行钢管加工，通过钢管接长地样线控制拱肋制造线形，控制好钢管焊接变形对线形的影响。

第二阶段为现场安装。委托有资质的监控单位对拱肋安装进行施工监控，将应变传感器布设到拱肋测点部位，再根据监测参数进行相应调整。施工时提前将里程和高程通过预先在支墩上设的控制点和线与拱肋上设置的点和线相对应来控制，同时用测量仪器同步进行监控，以保证拱肋线型的流畅。

4 安全防护

钢管拱安装时间较长，不可能全部封闭运营状态的高速公路，结合现场实地测量放样，2#主墩承台外边缘离高速公路左侧路肩最近为16.6m，3#主墩承台外边缘距离高速公路右侧路肩最近为11.3m。在宁绩高速公路上搭建承重门洞式、防护棚支架的方案进行交通安全防护。进行拱肋节段高空吊装作业时，宁绩高速公路半幅封道，单侧封闭，另外一侧改为双向车道。现场施工时按要求布置交通警示标志，提前预警。

5 结语

综合考虑拱肋运输的条件，安装场地等限制，需对钢管拱进行合理划分节段。

重视拱肋安装临时支架结构设计，对其平面布置、顶部标高、节点联系及稳定性做全面检查，合格后方可进行下道工序。

钢管拱焊接由钢管拱制作厂家派专业焊工来现场进行焊接作业，有利于保证焊接质量。

面对错综复杂的施工外部环境，为了充分保证施工的进度与安全以及工程建设的质量，吊装设备型号和起吊位置的选择都相当重要。