許賀

（中鐵山橋集團(tuán)有限公司，河北 秦皇島 066200）

非對(duì)稱外傾異形鋼拱肋安裝施工技術(shù)研究

許賀

（中鐵山橋集團(tuán)有限公司，河北 秦皇島 066200）

目前，在不適宜大面積開挖橋樁基礎(chǔ)的城市環(huán)境中,多采用鋼拱系桿拱橋,系桿平衡恒載產(chǎn)生的水平推力減輕了基礎(chǔ)的受力負(fù)擔(dān)，尤其異形鋼拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎,更是近些年城市景觀需求較大的橋型之一。其獨(dú)特復(fù)雜的結(jié)構(gòu)造型及不同于其他類型拱橋的受力特點(diǎn)，使其施工工藝要求高,安裝難度大。結(jié)合工程實(shí)例對(duì)異形剛拱肋架設(shè)施工進(jìn)行了研究,詳細(xì)闡述吊裝方案比選、安裝支架設(shè)計(jì)及拱肋安裝調(diào)整工藝措施，為今后類似項(xiàng)目施工提供借鑒。

異形鋼拱肋；圣維南原理；桁架式定位支撐；豎向轉(zhuǎn)體；合攏體系轉(zhuǎn)換

1 工程概述

府河大橋?yàn)榉菍?duì)稱外傾拱橋，位于半徑R=600 m圓曲線上，孔跨布置為44 m+150 m+55 m。鋼拱肋北拱高約38 m、外傾30°，南拱高約51.4 m、外傾18°；兩拱肋分別位于各自的傾斜平面內(nèi)。拱肋為矩形截面鋼箱拱，底面4 m等寬，從拱腳到拱頂側(cè)面高度5～3 m，見圖1。拱肋節(jié)段之間采用縱向加勁肋栓接、面板焊接的連接方式。鋼主梁為三跨連續(xù)“雙箱梁+格子梁”結(jié)構(gòu)形式，見圖2。

圖1 府河大橋鋼拱肋

圖2 鋼主梁效果圖

2 拱肋安裝方案及施工難點(diǎn)

由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及橋址施工環(huán)境的影響限制，該橋拱肋安裝有以下關(guān)鍵點(diǎn)：（1）橋位處于城市核心景觀區(qū)，需優(yōu)化架設(shè)方案，盡量減少棧橋等臨時(shí)設(shè)施搭建，以降低恢復(fù)環(huán)境的難度；（2）異形拱節(jié)段需在吊裝過程中進(jìn)行豎向轉(zhuǎn)體調(diào)整到安裝狀態(tài)才能準(zhǔn)確就位；（3）異形拱肋節(jié)段需精確定位，節(jié)段間需精確連接才能保證成拱線形滿足設(shè)計(jì)要求；（4）考慮日照溫差對(duì)拱肋合攏最終線形造成的影響。

3 異形鋼拱肋吊裝方案比選及可行性分析[1]

拱肋吊裝一般多采用龍門吊機(jī)吊裝方法,施工工藝簡(jiǎn)單，安裝方便快捷,可以保證足夠的精度,且龍門吊起吊比較平穩(wěn),增加了安全可靠性。但該橋拱肋為異形結(jié)構(gòu),兩拱肋間距為80 m,每條拱肋都須配備一臺(tái)龍門吊，而且要在水中單獨(dú)搭建臨時(shí)軌道棧橋，經(jīng)濟(jì)環(huán)保性較差。綜合該橋先梁后拱（即主梁在水上支架平臺(tái)安裝就位后安裝拱肋）的方案，經(jīng)分析計(jì)算后考慮選用履帶式汽車吊在已建橋面吊裝拱肋節(jié)段方案，吊車設(shè)備操控性能平穩(wěn)，調(diào)整靈活就位精確，更無需裝、拆，進(jìn)、退場(chǎng)方便，適應(yīng)性較強(qiáng)。按照工程進(jìn)度要求，大吊機(jī)與小吊車可配合使用，全橋只需1～2臺(tái)吊車，費(fèi)用較低。該橋最大的節(jié)段為南拱肋S3,重量為57.79 t，經(jīng)過分析計(jì)算，該橋選用一臺(tái)QUY260 t的履帶起重機(jī)作為主吊設(shè)備，考慮90%的負(fù)載效率后，能滿足拱肋吊裝要求。

吊裝時(shí)汽車吊布置在主梁鋼邊箱上實(shí)施吊裝，由于吊車自重加上拱肋節(jié)段重量引起偏載效應(yīng)，為了保證吊裝施工安全，選擇此最不利工況，即拱肋構(gòu)件中水平吊距最遠(yuǎn)的北拱肋S8段，進(jìn)行了汽車吊吊梁施工結(jié)構(gòu)安全計(jì)算分析。

3.1 計(jì)算分析模型

根據(jù)該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和最不利吊裝工況[2-5]建立了分析計(jì)算模型，鋼橋面采用板單元模擬。

3.2 計(jì)算分析主要參數(shù)[6]

根據(jù)該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鋼梁采用Q345C鋼材。其主要計(jì)算參數(shù)取值為：Q345C鋼E=2.06× 105MPa，γ=7.85 t/m3。北拱肋N8段吊重36 t和不利工況條件下QUY260 t吊車吊裝作業(yè)時(shí)結(jié)構(gòu)受力見圖3。

圖3 吊裝作業(yè)時(shí)結(jié)構(gòu)受力示意圖（單位：mm）

3.3 計(jì)算結(jié)果

通過計(jì)算可得：X=67.55+121=188.55t，Y=26.45+ 121=147.45 t；受力面積A=10.0 m2。如果將X、Y按均布面荷載加載為：XA=0.0822MPa，YA=0.0643MPa，由于鋼箱主梁為格子梁體系，對(duì)于該局部受力問題，考慮到全橋計(jì)算模型的規(guī)模太大，根據(jù)圣維南原理和正交各向異性橋面板理論[7]，宜選取位于腹板之間和兩橫隔板之間的頂板進(jìn)行計(jì)算，并設(shè)周邊固結(jié)，履帶輪壓按(188.55+147.45)×10×1 000/2/ (1 000×5 000)=0.336 MPa計(jì)算。

根據(jù)以上參數(shù)建模分析，結(jié)構(gòu)有限元模型如圖4所示，選取兩腹板之間和兩橫隔板之間的一塊頂板進(jìn)行計(jì)算，邊界條件設(shè)置為周邊固結(jié)，故屬于周邊支承板的結(jié)構(gòu)力學(xué)問題。計(jì)算結(jié)果如圖5（a）～圖5（c）所示。由圖4可見，不論橋面板位移還是應(yīng)力都在履帶輪壓范圍內(nèi)是最大的，結(jié)構(gòu)應(yīng)力云和位移云都呈現(xiàn)兩條明顯的帶狀。結(jié)構(gòu)變形如圖4所示，履帶輪壓下橋面板總位移最大值為1.02 mm，最大下?lián)衔灰茷?.67 mm，由于局部壓應(yīng)力作用，薄板在橫橋向位移最大，達(dá)到1.02 mm，但都在允許值范圍之內(nèi)。橋面板應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖5（a）～圖5（c）所示，第一主應(yīng)力最大值為221.77 MPa，等效應(yīng)力最大值為 215.24 MPa，都在允許范圍之內(nèi)。另外，由圖5（c）所示的應(yīng)力矢量圖可以看出，在履帶輪壓下，橋面板橫向受力很明顯，且U肋在受力中發(fā)揮很大的作用。由于橋面板屬于薄板結(jié)構(gòu)，在荷載作用下，由于薄膜張力的作用，使得橋面板超載能力極大，履帶吊在計(jì)算中自重是按最大值取定的，且沒有考慮周邊其他板的協(xié)助支承作用，因而在履帶輪壓作用下，橋面結(jié)構(gòu)是安全的。

圖5 有限元計(jì)算結(jié)果

4 拱肋安裝支架設(shè)計(jì)

為便于拱肋加工廠實(shí)施“2+1”匹配加工，減少生產(chǎn)線及橋址臨時(shí)設(shè)施布置，鋼拱肋采用少支架法安裝，每條鋼拱肋劃分為13個(gè)施工節(jié)段,即全橋共需分布24個(gè)安裝支架。

每個(gè)拱節(jié)段的上端布置1付支架，每條拱肋下共布置12付。每付支架由4根ф1.5 m鉆孔灌注樁、1個(gè)（7×5×0.8）m的鋼筋混凝土承臺(tái)、4根ф630 mm× 16 mm鋼管及其剪刀撐、定位架和支撐架構(gòu)成。鉆孔樁穿透砂卵石覆蓋層進(jìn)入基巖3 m，承臺(tái)頂比河床面低1 m，鋼管立柱對(duì)應(yīng)鉆孔樁布置，縱橫橋向間距3 m×5 m，支架橫橋向軸線垂直于該處拱肋。鋼拱肋安裝支架平面布置及結(jié)構(gòu)見圖6所示。

圖6 拱肋安裝支架布置圖

因拱肋吊裝作業(yè)空間需要，各拱肋節(jié)段安裝后，不能及時(shí)拉設(shè)纜風(fēng)繩，只能在距離拱肋吊裝位置2個(gè)節(jié)段的支架上設(shè)置纜風(fēng)繩，以調(diào)整、固定拱節(jié)段的橫橋向位置和增強(qiáng)支架的抗風(fēng)穩(wěn)定性。

支架設(shè)計(jì)高度需同時(shí)考慮計(jì)入拱節(jié)段自重、外傾力及橫橋向最不利風(fēng)荷載，計(jì)算得最高支架頂?shù)臋M橋向位移及內(nèi)外側(cè)豎向彈性壓縮量[8]。

同時(shí)，為保證拱肋節(jié)段安裝穩(wěn)定和線形，在每付支架頂設(shè)置1個(gè)拱肋定位架穩(wěn)定拱節(jié)段上端；拱節(jié)段的下端采用在已安裝拱肋上口焊接限位碼板輔助定位。型鋼桁架式定位架設(shè)計(jì)：采用型鋼構(gòu)成定位架和支撐架，定位架和支撐架焊接成一體；定位架外形尺寸1.6 m×5 m×4.3 m，一個(gè)重量約3～4 t。各條拱肋的定位架結(jié)構(gòu)基本相同，僅根據(jù)各節(jié)段的豎向傾角用楔形鋼板調(diào)整拱肋底面定位架頂面斜角。支撐架的高度根據(jù)各支架頂面與定位架底面實(shí)際高差和支架受氣溫和荷載影響的豎向位移值確定。拱肋型鋼桁架式定位架及支撐架見圖7。

圖7 拱肋型鋼桁架式定位架及支撐架

5 鋼拱肋安裝順序及關(guān)鍵工序控制方法

每條拱肋先從P2墩拱腳開始安裝4個(gè)節(jié)段，然后再?gòu)腜1墩拱腳開始安裝4個(gè)節(jié)段，最后安裝跨中5個(gè)節(jié)段。各節(jié)段安裝后只進(jìn)行栓接，不焊接面板環(huán)焊縫；安裝合攏段之前，校核調(diào)整已按節(jié)段的姿態(tài)達(dá)到設(shè)計(jì)線形后，從下往上依次焊接環(huán)焊縫；最后安裝合攏段實(shí)施合攏并焊接。

5.1 拱節(jié)段吊裝角度預(yù)先調(diào)整

用兩臺(tái)50 t龍門吊抬吊拱節(jié)段進(jìn)行側(cè)向轉(zhuǎn)動(dòng)，初步達(dá)到拱肋的外傾角度，然后吊放至已設(shè)置匹配角度專用胎架的平板運(yùn)輸車上就位，運(yùn)輸至吊裝位置。拱節(jié)段運(yùn)輸如圖8所示。

圖8 拱節(jié)段運(yùn)輸示意圖

5.2 拱節(jié)段豎向轉(zhuǎn)體吊裝及安裝作業(yè)流程

使用一臺(tái)吊車作業(yè)存在拱節(jié)段豎向轉(zhuǎn)體較難的問題，針對(duì)豎向轉(zhuǎn)體角度大小差異，擬定表1中兩種拱肋節(jié)段起吊豎向轉(zhuǎn)體方法分別對(duì)應(yīng)解決。

表1 吊拱豎向轉(zhuǎn)體方法及其優(yōu)缺點(diǎn)分析

圖9 拱節(jié)段邊起吊邊轉(zhuǎn)體示意圖

圖10 拱節(jié)段平吊懸空后再轉(zhuǎn)體示意圖

拱肋吊裝應(yīng)平穩(wěn)、緩慢進(jìn)行，水平移動(dòng)速度不大于1 m/s，提升速度不大于0.25 m/s。拱肋就位時(shí)，盡量調(diào)整角度自然對(duì)齊，不可強(qiáng)搬硬拉，更不得擅自切割。節(jié)段安裝前，履帶吊緩慢吊裝拱節(jié)段至安裝位置，吊裝節(jié)段下端放到已安裝節(jié)段前端的碼板上，先安裝臨時(shí)匹配件上的定位螺栓（不完全擰緊）；然后將吊裝階段的上端放到支架頂?shù)亩ㄎ惶ゼ苌?，調(diào)整接頭精確對(duì)位后安裝縱向加勁肋連接板，施擰高強(qiáng)螺栓，完成臨時(shí)連接，然后緩慢松鉤，解除吊繩，由此完成一個(gè)節(jié)段吊裝。同時(shí)注意各節(jié)段安裝后只進(jìn)行栓接，不焊接面板環(huán)焊縫，為線性調(diào)整留有適當(dāng)余地。

5.3 合攏段施工關(guān)鍵工序控制

合攏段安裝是全橋拱肋成型的關(guān)鍵，是一次體系轉(zhuǎn)換，能夠調(diào)整全拱肋各段焊接收縮變形、熱膨脹變形，起到保證拱軸線形的重要作用。為此對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，取得合攏口48 h的變化數(shù)據(jù)，根據(jù)合攏口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律并結(jié)合當(dāng)時(shí)氣候條件，確定最佳的合攏時(shí)間，合攏時(shí)再測(cè)量一次節(jié)段間距離，考慮適當(dāng)流量后進(jìn)行切割，完成合攏段制作。

南、北拱肋合龍并焊接完成后，在兩拱肋之間設(shè)置橫橋向臨時(shí)對(duì)拉索和外側(cè)纜風(fēng)繩保證拱肋橫橋向穩(wěn)定性，然后從跨中向拱腳依次卸落并拆除拱肋安裝支架。

6 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)全橋施工過程中的監(jiān)控及檢測(cè)結(jié)果來看，在履帶吊負(fù)重作業(yè)過程中鋼箱梁受力合理，結(jié)構(gòu)安全可靠，拱肋支架、定位支撐架的設(shè)計(jì)充分考慮支架與定位架實(shí)際高差、氣溫和荷載等多方面因素影響，滿足不同節(jié)段的豎向傾角要求，保證拱肋節(jié)段安裝穩(wěn)定和線形。同時(shí)僅用1～2臺(tái)履帶式吊機(jī)就高效、安全地完成了拱肋安裝，在吊重狀態(tài)完成縱橫移作業(yè)時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)，移動(dòng)靈活，工作效率極高，能夠滿足不同傾角拱肋節(jié)段空中豎轉(zhuǎn)和平轉(zhuǎn)等精確安裝定位要求，科學(xué)施工，控制合理，解決了其他設(shè)備難以完成的拱肋三維定位作業(yè)。而且，少支架法架設(shè)拱肋相比滿堂支架法節(jié)省了3/4的臨時(shí)設(shè)施，有效降低了造價(jià)，整套方案具有經(jīng)濟(jì)性、安全性、高效性等多方面綜合優(yōu)勢(shì)，在城市拱橋施工中應(yīng)用普遍，是該類型橋梁施工的優(yōu)選方案。

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四川古敘高速有望年內(nèi)通車

古敘高速公路是四川省高速路網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)的南向出川大通道宜賓—興文—敘永—古藺—習(xí)水高速的一段，全長(zhǎng)65.73 km，概算總投資79.66億元。項(xiàng)目于2012年開工建設(shè)，計(jì)劃在2016年全線通車。

古敘高速公路建成后將打破“白酒金三角”交通制約瓶頸，串聯(lián)起京昆、廈蓉、成遵三大高速公路和宜賓、瀘州、仁懷三大白酒名城，成為四川與長(zhǎng)江三角經(jīng)濟(jì)圈、珠江三角經(jīng)濟(jì)圈聯(lián)系和打造“中國(guó)白酒金三角”的主動(dòng)脈。

U445

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1009-7716（2016）05-0165-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.047

2016-03-02

許賀（1983-），男，山西大同人，工程師，從事鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)營(yíng)銷工作。