钢箱拱桥复合支架原位拼装施工关键技术研究

胡立楷 蒋昌盛 张坤球

摘要：文章以大风江大桥建设为例，对钢箱拱桥复合支架原位拼装施工关键技术进行了研究。总结了钢箱拱桥复合支架原位拼装施工特点及控制重点，对施工中临时支撑体系的应力及位移进行有限元分析计算，并对拱肋、钢格构梁安装线形控制给出合理的建议，可为同类型桥梁的安装提供借鉴。

关键词：钢箱拱；复合支架；原位拼装；线形控制

中图分类号：U448.22    文献标识码：A

文意编号：1673-4874（2024）04-0165-03

0 引言

随着我国经济建设的发展，钢结构加工与制造技术不断进步，钢箱拱桥利用自身受力性能合理、稳定性高且跨度越大越节省钢材的优势，正处在高速发展状态。对于钢箱拱桥，当前常见的施工方法有顶推施工法、缆索吊装法及原位拼装法等［1-2］。在中小跨径的拱桥施工中，原位拼装法施工有着无须大型吊装设备、横斜撑安装便捷、拱轴线形容易控制等优势，且其施工占地少，对旧有道路影响小，在改扩建工程中有着较大的优势。本文结合大风江大桥建设工程，对钢箱拱桥复合支架原位拼装施工关键技术进行研究，以确保桥梁施工质量。

1 工程概况

1.1 工程简介

大风江大桥是兰州至海口高速公路广西钦州至北海段改扩建工程上的主线桥梁，该桥位于钦州市高塘村境内，在河道弯曲处跨越大风江。桥梁跨径为20 m+120 m+20 m，主桥为下承式钢箱系杆拱，净跨径120 m，净矢高27 m，净矢跨比为1/4.44。拱轴线采用二次抛物线，拱肋横向中心间距为25.10 m，主拱由钢箱拱肋、横撑组成，拱肋为等截面钢箱拱，截面高度2.5 m，宽度1.8 m。桥面系为钢-混组合结构，主墩为实体墩、承台+桩基础的形式，全桥用钢量约为2 130 t，临时结构用钢量约2 400 t。

1.2 原位拼装施工法的提出

该项目为高速公路改扩建施工，新建桥梁桥面距旧桥桥面仅12.6 m，为降低施工对高速公路通行的影响，实现无感化施工，保证通行安全，最终选取原位拼装法，通过先梁后拱［3］的模式进行大风江大桥的施工。

1.3 复合支架体系的提出

现场搭设水上钢平台作为施工平台，在平台上依次进行钢格构梁及拱肋安装的施工。

为保证作业安全，提高施工精度，项目根据桥梁结构形式设计了一套复合支架体系，作为结构施工中的临时支撑。该复合支架体系由支撑拱肋的胎架、支撑钢格构梁的支墩及支撑整体上部结构的水上钢平台三部分组成，并通过三个临时结构的协同受力保证拱桥施工中的整体稳定性，确保施工安全。

2 施工技术参数

2.1 拱肋胎架

胎架主要承受主拱肋、横撑、自重、风荷载及温度荷载作用。根据高速公路运输要求及安装情况将拱肋分为9段，在对应拱肋连接处安装拱肋胎架，共安装16组胎架。

胎架两侧呈对称布置，胎架中轴线离拱脚中心的水平距离分别为10.77 m、26.96 m、40.56 m、53.60 m，上游侧胎架中轴线的高度分别为9.71 m、19.55 m、25.31 m、27.80 m。桥梁拱肋沿桥宽中心线对称布置，两拱肋轴线的水平距离为26.1 m。拱肋横撑共5节，每一节自重均为40.98 t。拱肋共9节，从南宁侧到北海侧单片拱肋重量依次为47.37 t、49.24 t、36.62 t、35.89 t，合龙处单片拱肋重28.44 t。

考虑胎架立柱由377 mm×10 mm钢管组成，钢管横撑由76 mm×5 mm钢管组成，底座为HW 400 mm×400 mm×13/21 mm型钢，标准节间由螺栓连接，现场布置如图1所示。

2.2 钢格构梁支墩

为便于运输及安装，钢格构梁分为13.6 m、18.75 m两段，为保证施工质量，降低自重对结构变形的影响，将结构简化为双悬臂简支梁计算，受均布荷载，最合理的位置是使支点处负弯矩与跨中正弯矩绝对值相等，即取2∶6∶2安装每段钢格构梁下支墩，考虑支墩由377 mm×10 mm钢管组成，并沿纵桥向将端头处相邻支墩由76 mm×5 mm钢管连接，增强稳定性。

2.3 水上钢平台

水上钢平台作为全桥施工过程中主要受力部位，除应考虑桥面各部件自重荷载及移动荷载外，还要对洪水有一定的抵抗能力，确保足够的安全系数。钢平台全长117 m、宽36 m，其横、纵断面布置图如图2所示。

3 原位拼装施工分析与控制

3.1 原位拼装施工控制要点

3.1.1 临时结构稳定性控制

临时支架体系中，拱肋胎架除考虑拱肋安装过程中，温度、风荷载、自重荷载等作用下的杆件应力及位移外，还应重点控制其各部件局部及整体的稳定性；钢格构梁支墩通过相邻部件连接增强其稳定性；重点控制水上钢平台的局部稳定性及施工荷载、水流荷载作用下结构的整体稳定性。

3.1.2 钢格构梁线形调整

由于钢结构加工厂位于桥体南宁岸方向，为提高施工效率，现场采用同一根钢格构梁分两段依次运输到现场，通过2台50 t吊车，依次从由北海岸往南宁岸倒退安装的方式，使全桥梁体完成临时粗定位。通过三维千斤顶从两端向中间对梁体进行精调，并进行实时测量监控，待梁体线形满足设计要求后按照“两岸向跨中同步焊接”的原则进行施工。全桥部分钢格构梁平面坐标监测结果如表1所示。

钢格构梁安装完成后，以14对吊杆为测点对主梁线形进行复核，偏差均在±5 mm以内，满足规范要求。

3.1.3 拱肋线形调整

拱肋安装中，线形控制尤为重要，为使成拱后尽量达到合理拱轴线，需对其线形进行较精确的控制［4］。拱肋胎架安装完成并验收合格后，采用2台160T汽车吊按照“左右对称，由拱脚至跨中”的顺序分段安装拱肋至合龙。以限位侧向挡板或前一节段底部、侧向匹配件为参考导向，配合测控点测量，进行节段就位，每节段拱肋出厂时在其顶板上四角冲有控制点，安装时依据理论计算的四点空间坐标通过测量机器人对四个冲点进行空间定位，提高控制精度。在现场安装过程中借助场内拼装时预设匹配件将拱肋节段后端与前一节段的上口对齐进行粗定位。采用一种钢棒作为承压件，上下结构以弧形卡扣对接，用液压千斤顶对结构进行调节，通过结构前后左右滑动及绕销轴转动，对拱肋进行精确调整，精调装置如图3所示，下游侧拱肋高程监控结果如表2所示。

对拱肋安装进行实时监控，通过该施工工艺及新装置的使用，将拱肋安装偏差控制在1 cm以内，且合龙偏差为4.9 mm，保证了施工精度。

3.2 原位拼装施工模拟

3.2.1 施工模拟

通过Midas Civil软件建立有限元模型，全桥模型由拱肋、胎架、钢格构梁、支墩及水上钢平台五部分组合而成，采用桁架单元对各构件进行模拟，结构共97 205个节点、157 019个单元。钢管桩底部深入覆盖层，边界条件设为固接；水上钢平台单元间由下至上均采用仅受压弹性连接；钢格构梁支墩与水上钢平台面板及分配梁焊接固定，结构间采用刚性连接；钢格构梁安放在支墩上，结构间采用仅受压弹性连接；拱肋胎架与钢格构梁通过型钢及卡扣近似固接，结构间采用弹性连接的刚性连接形式；拱肋仅安放在胎架上，结构间采用仅受压弹性连接。有限元模型示意图如图4所示。

3.2.2 全过程分析

对拱肋胎架进行全过程分析，按1.2自重+0.8温度荷载+0.75风载进行荷载组合。

温度荷载取值为：起始温度为20 ℃，温度变化为±20 ℃，即验算0 ℃、20 ℃和40 ℃三种温度荷载。

风荷载取值为：依据《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T 3360-01-2018）附表A.3及《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012），以6级风荷载作为正常使用状态下风荷载，以百年一遇风荷载作为承载能力极限状态下风荷载。

拱肋胎架计算结果汇总如表3所示。

计算结果显示，拱肋安装过程中，结构最大应力及最小特征值均发生在安装4#拱肋阶段，均满足规范要求。

分别以5段拱肋安装过程中，两台汽车吊就位后、拱肋起吊未完成安装就位前，单台吊车就位、拱肋节段运输为最不利工况进行分析，计算不同工况下水上钢平台下横梁、贝雷梁、分配梁及桥面板的正应力、剪应力、变形情况，并按最大水流流速V=4 m/s计算洪峰来临时结构的承载力、稳定性与抗倾覆能力。

最终确定安装4#拱肋时，单台吊车就位、拱肋节段运输阶段的构件处于最不利工况，计算结果如表4所示。

由表4可知，在最不利工况下，各构件正应力、剪应力及变形均满足规范要求。

钢管桩采用529 mm×10 mm钢管，许用应力为170 MPa，其最大反力P=466.39 kN。对单根钢管桩进行安全性分析，其最小工作安全系数n/nw=1.45。

根据荷载反力及地质情况，确定钢管桩长度，取最不利自由长度为18.12 m进行结构整体稳定性分析，在钢管桩全部浸没的情况下，MA（平衡）/MA（倾覆）=4.3，结构满足规范要求。

4 结语

本文探讨了钢箱拱桥复合支架原位拼装结构的施工关键技术。在该桥施工中，重点关注两方面的控制：临时结构设计及施工、钢格构梁及拱肋线形调整。其中拱肋胎架、钢格构梁支墩及水上钢平台既起到了临时支撑作用，同时也为钢结构安装提供足够的工作平台。

为保证复合支架体系具备足够的强度、刚度、稳定性，应充分考虑施工时的最不利荷载形式以确定结构的布置形式，并建立有限元模型进行验算，对局部可优化处提前进行规划设计，确保设计合理且施工便捷后方可进行施工。施工过程中应进行实时监控，确保全过程处于安全可控、安装精度高的状态下。

本文所述复合支架原位拼装法能满足钢箱拱桥施工要求，可为同类型桥梁安装提供思路。

参考文献

［1］中交第二公路工程有限公司.公路桥梁施工系列手册［M］.北京：人民交通出版社，2014.

［2］胡青松，刘坤鹏，徐 军，等.大跨度网状吊杆钢箱拱桥顶推施工控制技术［J］.公路，2021，66（4）：115-118.

［3］叶增发.下承式系杆拱桥“先梁后拱”施工技术与应用［J］.交通世界（建养机械），2013，7（4）：252-253.

［4］张广潭.钢拱桥拼装施工关键技术研究［J］.铁道建筑技术，2018（12）：73-76.

［5］GB50009-2012，建筑结构荷载规范［S］.

［6］黄绍金，刘陌生.装配式公路钢桥：多用途使用手册［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［7］GB 50755-2012，钢结构工程施工规范［S］.

［8］JTG/T 3360-01-2018，公路桥梁抗风设计规范［S］.

作者简介：胡立楷（1993—），工程师，主要从事道路与桥梁工程工作。