中承式钢箱拱桥缆索吊装关键施工技术研究

陈列勇，陈玉相，闫小军，张 红，王成磊，王 涛

（中国中铁七局集团第三工程有限公司，陕西 西安 710032）

0 引言

拱桥是一种历史悠久的桥型，具有众多优势，成为不断发展的桥梁形式［1］，而缆索吊装施工技术作为一种施工方便、起吊重量大，技术先进的吊装技术被广泛应用于拱桥建设之中［2，3］。目前，大跨度拱桥一般采用缆索吊装、斜拉扣挂的方法进行施工［4］，施工难度大，且在施工过程中桥梁存在多次体系转换，其受力结构和受力状态不断发生变化［5］。通过多次专家论证，不断优化设计方案，总结出了一套完整的钢拱桥缆索吊装施工技术［6］。拱桥的斜拉扣挂缆索吊装施工中缆扣一体化已成为发展趋势［7］，因此，有必要对缆索吊装的关键施工技术进行研究，确保拱肋节段的安全吊装和线形控制满足施工要求。

1 工程背景

1.1 项目概况

新滩溪特大桥中心里程 K48+465，位于云南省昭通市绥江县新滩溪道路修复工程，跨越向家坝水电站库区新滩溪淹没区，是此段路线的重要控制性工程。新滩溪特大桥桥跨布置为 1～170 m 中承式钢箱拱桥，桥面系采用格构式组合梁，桥梁全长 179.3 m（伸缩缝中心距，不含桥台），桥面宽为 10 m。

新滩溪大桥采用的无支架缆索吊系统为单索塔不对称式布置，即只在水富岸桥台处设置索塔，绥江岸直接锚固在隧道洞顶上方的山体上。整个缆索吊主索设计跨径为 120 m+260 m，全桥共设计两组承重索，两组工作索。每组主索分别由 3 根φ56 mm（6×37+1）钢丝绳组成，布置拱肋正上方，每组缆索上设计 2 个吊点，吊点间距 6 m，两组主索横向间距 12.6 m，吊重最大 29.5 t；工作索布置在两拱肋上方靠内侧位置，保证工作吊篮能够上下起吊，工作索由 1 根φ56 mm（6×37+1）钢丝绳组成，单点起吊，吊重最大 5 t。缆索在施工中的最大荷载垂度设计为 18.7 m，垂跨比为 1/14。水富岸索塔采用扣索一体塔，扣塔和索塔铰接，塔高 61.8 m，索塔位于水富岸桥台拱座基础上。绥江岸的主索锚碇位置标高与水富岸索塔顶设置在同一高度。整个缆索吊系统立面布置如图1 所示。

1.2 建设条件

桥址区属河流侵蚀堆积地貌，地势起伏较大，上覆第四系覆盖层厚度变化大，下伏岩体为灰岩、泥质粉砂岩，受地质构造影响，风化差异明显、岩体破碎，岩层软硬不均，次厚度分布不稳定，综合判定属不均匀地基。路线区地震基本烈度值为Ⅶ度、地震动峰值加速度值为 0.15g，分组为第二组，地震动反应谱特征周期为0.40 s。桥位区地表覆盖层第四系冲洪积碎石、块石层的厚度大，下伏基岩为灰岩、粉砂质泥岩。

1.3 项目难点

新滩溪大桥钢结构安装数量大，主拱肋单节段重，安全风险高。新滩溪特大桥桥跨布置为 1～170 m 中承式钢箱拱桥，桥梁拱圈为钢结构，两个拱圈和横撑共重 1 114.9 t，桥梁跨越新滩溪河流，采用缆索吊安装桥梁拱圈及主梁，主梁单节段重达 29.5 t，安全风险高。

新滩溪大桥采用大跨度钢结构跨越新滩溪河流，钢结构采用缆索吊机及扣挂法施工拱桥，施工难度大，安全风险高，桥梁拱圈安装精度及线形控制要求高。

2 拱肋吊装总体施工方案

2.1 拱箱节段加工

根据本桥结构特点，综合考虑各种施工因素后，加工思路如下，按照设计拱肋分段结构尺寸，在工厂内支架进行下料加工拱箱节段，并对拱箱节段进行喷涂。加工完成后直接在工厂内进行试拼装，待拱肋尺寸及接口确认无误后对其再进行编号，加工后的拱箱节段如图2 所示。

图2 拱箱加工、吊装节段图

钢结构构件场内加工工序如下，钢厂内定制钢板运输至加工厂→钢板预处理→零件放样及下料→零件加工→拼板→单元件制作→分段制作→预拼装→节段涂装。

钢箱拱肋截面积设计 2 m×3 m，最长的 1 号节段 10.5 m，最短 0# 节段的 2.7 m，合龙段长度 4 m。加工时考虑安装预留拱肋沉降量，拱顶最大预拱度σ=7 cm，拱底预拱度为 0 cm，计入预拱度后的拱轴线为设计悬链线。

2.2 拱箱节段运输

拱箱节段运输如图3 所示，K47+420 右侧原浮桥桥台做为码头，浮箱做为运输设施，浮箱长宽为 36 m×18 m。浮箱四周固定气囊，水位变化时，通过气囊的变化，升降浮箱。保持浮箱顶面与岸边高度一致。码头地面和浮箱顶面均设置轨道，轨道设置保持宽度和高度上对接。拱箱上船采用轨道平车运出。在岸上用两台 30 t 汽车吊将拱箱放上平车，通过轨道运输上浮箱。浮箱运输拱箱或格构梁至桥下方。拱肋节段均采用立位吊装，可以采用侧向拉缆风和固定支架等措施稳定拱肋节段。

图3 拱箱节段运输

2.3 拱箱节段安装

钢箱拱肋节段安装采用斜拉扣挂、无支架缆索吊装方法。单组缆索设计额定吊重为 29.5 t。顺桥向单幅拱肋共计 23 节段，左右两幅拱肋对称布置，中间设 5 道横撑，共计有 51 个节段均采用缆索吊施工。

如图4 所示，全桥拱肋吊装单个拱肋共计 23 个吊装节段（包含合龙段）。拱肋总体吊装顺序为从拱脚至拱顶，对称加载。利用 4 套跑车系统单肋单节段吊装，待左、右幅同一节段安装就位后，及时连接临时横撑形成稳定结构，并采用扣索和缆风进行固定。安装时左、右幅拱肋同步进行，两岸对称安装，同步到达合龙段。具体安装方法如下。

图4 拱肋布置示意图（单位：m）

1）单个拱肋共计 23 个吊装节段，中间为合拢段，横桥向设左右两肋，全桥两条拱肋分为 46 个节段。

2）拱肋节段安装采用两岸对称悬拼，共设有 10 个扣段。由于箱型拱较重，因此采用单索道单片吊装的施工方法，待拱桥两端拱肋就位后，连接相应风撑，即完成一组拱肋节段的吊装。

3）拱肋采用缆索吊机两套主索吊装系统进行吊装。吊装主拱肋时，由二套主索吊装系统二个吊点抬吊，肋间横撑由两侧两个吊点抬吊。

4）两岸分别自拱座节段开始对称安装，吊装全过程中要全方位实施监控。钢箱拱肋合拢时，需调整拱肋线型，待标高符合设计要求后，进行各段间接头的焊接，然后扣索逐级部分松扣，直至完成全部主拱肋节段的吊装。

3 缆索吊装施工技术

3.1 拱箱吊装

拱箱吊装技术是大跨度拱桥施工最重要的工序［8］，每一节拱箱均从绥江岸桥台起吊，由缆索吊起重小车提升，缓慢驶向安装部位，吊装过程由缆索吊专业人员进行操作。拱箱节段吊装如图5 和图6 所示，保证两起吊小车起重索及牵引索的同步进行。在靠近水富岸拱脚位置吊装时，增加辅助牵引索于水富岸边对拱肋进行拖拉，致使拱肋到达安装位置。

图5 第一节段拱箱吊装示意图

图6 中间节段拱箱吊装示意图

3.2 拱箱连接

拱箱节段在起重小车的吊运下，移动至节段安装位置上方，然后缓慢降落至安装位置，采用导链拽拉等措施将拱箱节段与已经安装好的节段进行对中，并调整拱箱轴线方向，待前后两节拱箱接头基本吻合后，通过缆索吊系统将拱箱节段就位，与上一节段拱箱采用法兰临时连接，法兰临时连接如图7 所示，先用 40 Cr 棒粗定位，调整标高后采用 M24 高强度螺栓精确定位。拱箱连接处通过改变钢垫块厚度及 40Cr 棒与 M24 连接螺栓的紧固间距调整拱轴线线形。待线形调整完毕后，先将拱圈周边焊接 6～8 道（＞75 % 板厚），不满焊，然后去除临时连接，进行周边满焊。

图7 临时连接法兰布置示意图

3.3 拱箱节段扣索的安装及张拉

通过缆索吊系统将拱箱节段就位，与上节段拱箱采用法兰临时连接后。开始安装扣索和缆风。每一节拱肋在同一个截面两侧设置两束扣索，扣点布设在拱箱两侧腹板外侧。

扣索施工如图8 所示，每组扣索在桥梁两端同步张拉和调整索力，并在相应的地方设置操作平台，张拉好正式扣索后，对拱肋高程按设计线型进行调整，按分级和对称的原则对正式扣索和临时扣索进行放松，以标高控制为主，同时兼顾索力。扣索的张拉和放松使用多台千斤顶，逐步地将力传给正式扣索，直至松去临时扣索。

图8 扣索施工实物照片

3.4 拱箱合拢

检查拱肋线型，合拢长度是否符合施工要求，在设计规定的合拢温度下安装合拢段，实施强迫合龙，拱箱合拢如图9 所示。

图9 合龙段拱箱吊装示意图

拱肋合拢时的注意事项如下。

1）钢拱肋的变形受温度的影响较大，不同施工时间对拱肋的伸缩量有较大影响。因此，拱肋合拢温度宜控制在 15～20 ℃。

2）拱肋线形满足设计要求后，在傍晚测量接头部位拱肋之间的间距，按设计要求进行施焊固定，并按要求拧紧固定螺栓。

3）当合拢温度不符合设计规定值时，应连续监测合拢段前五天的温度，取一平均值，报设计单位，设计单位根据气温资料重新计算，提出合拢时对接修正值。

4）为保证拱肋能够顺利合拢，在加工拱肋中间节段时，按设计要求设置嵌补段。合拢段就位后，及时在合拢段与相邻段的空位处搭焊型钢定位，以免拱肋受温度影响而产生较大变形错位，最后进行焊接合拢。

3.5 扣索卸载

根据设计要求，本工程扣挂系统在拱肋合拢后进行松索，完成体系的转换，使其与设计值相吻合［9］。

松扣程序从跨中最后一组扣索开始，两岸各组的扣索依次分级放松，扣索拉力分 5 级，每级放 1/5。

各扣索先松一级，暂停 15～20 min 后，测试拱肋的应力、标高、立面及平面位置，经施工各单位确认后，再进行第二级的放松循环。最后放松整个扣索，并拆除扣索。

4 结语

缆索吊装施工技术因跨越能力强、适应性强、施工方便等众多优点成为大跨度拱桥最常用的施工方法，但随着缆索吊装施工方法的应用仍面临拱肋拼装线型要求高、环境复杂等难题。本项目针对目前跨水库山区钢拱桥开展了大跨度缆索吊装的施工技术研究，归纳总结了拱桥拱肋吊装技术和缆索吊装施工技术，极大地推动了行业技术水平的进步，为特殊建设条件下大跨径桥梁方案选择和设计提供了新的思考方向，为今后建设类似工程提供了参考。Q