董海軍 ，丁振宇 （安徽路達公路工程有限責(zé)任公司，安徽 安慶 246001）

0 前言

近幾年來，隨著我國城鎮(zhèn)化以及交通事業(yè)的快速發(fā)展，橋梁工程建設(shè)也在逐步加大。鋼管混凝土系桿拱橋以其獨特的結(jié)構(gòu)體系、美觀大方的造型，解決了拱橋高強度材料的應(yīng)用和少支架施工的兩大難題，極大保證了橋下高速公路的凈空，被廣泛應(yīng)用在橋梁工程建設(shè)中。但系桿拱橋施工涉及到橋下高速公路行車安全及自身安裝施工，現(xiàn)場掌控難度大[1]。本文通過上跨寧績高速公路寧虹路大橋1m～77m系桿拱橋工程實例，重點分析系桿拱橋鋼管拱安裝施工技術(shù)控制。

1 工程概況

寧虹路大橋上跨寧績高速公路，主橋為1m～77m鋼管混凝土系桿拱，拱軸線為二次拋物線，計算跨徑77m，跨中計算矢高15.4m，矢跨比1/5。計算拱軸線拋物線方程為：y=4fx(L-x)/L2。拱肋截面為啞鈴型，拱肋高度1.8m，拱肋由兩根外徑75cm，壁厚16mm鋼管構(gòu)成，中間以綴板連接。拱肋鋼管材料采用Q345qC鋼，鋼管內(nèi)灌注C40混凝土，拱肋上橫向設(shè)置4道風(fēng)撐。系桿采用箱形截面，系桿高度1.8m，寬度1.2m。系桿和拱肋之間采用吊桿作為傳力結(jié)構(gòu)，吊桿每5m設(shè)置一根，主橋系桿之間采用橫梁相連接，橫梁與橋面板后澆濕接縫連接。

1.1 安裝施工技術(shù)難點

①施工區(qū)域位于既有高速公路上方,必須保障高速公路通車運營，交通風(fēng)險因素多，現(xiàn)場施工條件非常復(fù)雜；

②在系梁頂面搭設(shè)安裝支架，鋼管拱肋采用汽車吊安裝，最大吊裝節(jié)段構(gòu)件重約12.9t，起吊高度約30m，對安裝工藝及安全控制要求高；

③鋼管拱肋節(jié)段采用全焊接結(jié)構(gòu)，線形是保證鋼管混凝土系桿拱橋受力安全的先決條件,控制精度要求高。

2 安裝施工技術(shù)

2.1 總體方案

系桿采用支架現(xiàn)澆法施工，先梁后拱施工順序。鋼管拱肋、風(fēng)撐委托有資質(zhì)的專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠家制作，并進行組拼,然后分節(jié)運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，采用100t汽車吊吊至臨時支架上，通過頂部支墩上的千斤頂精確調(diào)整到位，再將各節(jié)段鋼管拱肋焊接成整體。

2.2 鋼管拱節(jié)段劃分

采用平板拖車運輸，考慮公路運輸條件，分段長度不應(yīng)大于20m。鋼管拱劃分為5個節(jié)段，其水平投影長度分別是G-A1（A2） 節(jié)段為 10212mm、G-B1（B2）節(jié)段為 15900mm、G-C1（C2）節(jié)段為19200mm。分段上弦管、下弦管不得斷在同一斷面上，對接焊縫錯開1000mm。節(jié)段劃分如圖1所示。

2.3 總體安裝步驟

步驟一：臨時支架設(shè)計、組裝及安裝；

步驟二：依次吊裝G-A、G-B、B節(jié)段風(fēng)撐、G-C節(jié)段、C節(jié)段風(fēng)撐；

步驟三：拱肋對接焊縫焊接；

圖1 鋼管拱節(jié)段劃分示意圖

步驟四：對焊縫進行打磨，焊縫外觀檢測合格后進行無損檢測，全部焊縫檢測合格后對焊縫區(qū)域進行油漆補涂；

步驟五：拆除臨時支架。

2.4 吊裝設(shè)備

2.4.1 汽車吊選型

根據(jù)鋼管拱吊裝重量、運輸車輛及吊機站位條件、現(xiàn)場交通疏導(dǎo)要求，擬定采用徐工QY100K型（最大起重量100t）汽車吊吊裝，最大鋼管拱肋節(jié)段為G-C段，重量為12.9t，考慮1.2倍動載系數(shù)，計算重量為15.5t，吊裝高差約30m，作業(yè)半徑為7m，計算吊臂長需達到30.81m。根據(jù)《QY100K-I起重機全伸支腿穩(wěn)定性能表》，100t汽車吊作業(yè)半徑為7m時，根據(jù)主臂定格長度，主臂長度可取36.9m＞30.81m，其額定起吊重量 30.4t＞15.5t，安全系數(shù)為 1.96，滿足要求[2]。吊車支腿支承在高速公路路面上進行作業(yè)，地基承載力滿足要求，汽車吊抗傾覆力驗算符合要求。

2.4.2 吊耳設(shè)置

每個鋼管拱肋節(jié)段上設(shè)置兩個臨時吊耳，按最大噸位12.9t計算，單個吊耳承受力6.45t，考慮不均勻受力，計算1.4倍的安全系數(shù)，單個吊耳承受力為9.03t。吊耳選用依據(jù)《中華人民共和國行業(yè)標準設(shè)備吊耳》（HG/T21574-94），選用10t～20t吊耳，耳板板厚d=20mm。臨時吊耳設(shè)在上弦管頂面正中位置，吊耳位置的鋼管內(nèi)增加橫隔板加強，均設(shè)在該吊耳距兩端頭長度為該吊裝段長度的0.21處[3]。如圖2所示。

圖2 吊耳布置示意圖

2.4.3 鋼絲繩選用

選用Φ36mm鋼絲繩。把每個分段簡化為一剛體，因剛體吊點是對稱布置，鋼絲繩與水平夾角按60°考慮，對三種區(qū)間按照最重梁段重量計算受力分析如下。

拱肋最大重量按12.9t計算，考慮1.2倍的吊裝動載系數(shù)，按15.5t計算，選用Φ36mm鋼絲繩。根據(jù)平衡原理，在直角坐標系建立方程ΣFy=0，G=Ly=15.5t。

單根鋼絲繩 L拉 =Ly/sin60?！?.8/2=15.5/0.866×9.8/2=87.7kN(鋼絲繩拉力)。

根據(jù)鋼絲繩破斷拉力，Φ36mm纖維芯鋼絲繩，其公稱抗拉強度為1870MPa,根據(jù)《五金手冊》，其破斷拉力Fg=805kN。鋼絲繩安全系數(shù)K=Fg/F=805/87.7=9.2＞8，鋼絲繩滿足要求。

2.5 臨時支架

2.5.1 支架結(jié)構(gòu)設(shè)計、組裝及安裝

支架采用綴條格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)。主要材料為φ273×8mm鋼管，格構(gòu)柱連接系采用10#槽鋼，分配梁采用H440×300H型鋼，支架連接采用焊接，以Z1支架為例，支架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 臨時支架結(jié)構(gòu)示意圖

在系桿支架上搭設(shè)鋼管拱臨時支架。設(shè)置在拱肋拼裝接頭位置處，全橋設(shè)計Z1與Z2兩種規(guī)格共8個拱肋支架；支架格構(gòu)柱腳加鋼板焊接加固，采用20mm纜風(fēng)繩順橋向錨在系桿上并采取緊固措施，防止安裝時產(chǎn)生推力而導(dǎo)致支架傾覆，并控制好支架支撐梁高程及位置。如圖3所示。

2.5.2 支架頂部支墩

支架頂部分配梁上設(shè)置臨時支墩，拱肋安裝定位后，吊車松鉤前在拱肋兩側(cè)設(shè)置斜撐，斜撐采用10#工字鋼，斜撐主要是防止拱肋傾覆。臨時支墩結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 臨時支墩構(gòu)造示意圖

2.5.3 支架受力驗算

①模型說明及加載

采用Midas Civil 2012建模，各桿件采用空間梁單元模擬。采用材質(zhì)為Q235鋼材,彈性模量E=2.06×105 MPa,容重r=78.5kN/m3,Q235鋼材容許正應(yīng)力[σ]=170MPa。根據(jù)支架的支承條件，拱肋重量采用節(jié)點集中力模擬，立柱作為自重加載。吊裝時自重系數(shù)取1.1，吊裝動載系數(shù)取1.2。臨時支架在吊裝過程中承受最不利的工況時，每個節(jié)段吊裝時落在2個支架支墩上。

②支架系統(tǒng)有限元建模受力分析

強度驗算：經(jīng)計算分析，本支架在此受力工況下支架系統(tǒng)最大應(yīng)力為22MPa＜170MPa，支架強度滿足要求。

剛度驗算：考慮吊裝過程中豎向荷載組合，支架最大變形位于分配梁中間，最大豎向變形為1.1mm。支架分配梁撓度容許值νr=2000/400mm=5mm（2000為分配梁兩支點最大跨度），支架剛度滿足要求。

穩(wěn)定性驗算：通過軟件計算分析支架系統(tǒng)最大支點反力為127kN，綴條格構(gòu)柱橫撐最大間距為200cm。

φ273×8mm鋼管的回轉(zhuǎn)半徑為9.373cm，鋼管立柱長細比：

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017-2017），得鋼管柱的穩(wěn)定性系數(shù)φt=0.979，鋼管柱最大壓應(yīng)力

19.5MPa＜170MPa，滿足穩(wěn)定性安全要求[4]。（上式中：Nt表示壓桿支點反力,單位：N；At為壓桿受力面積單位:mm2）

2.6 鋼管拱安裝技術(shù)

2.6.1 吊裝

拱肋節(jié)段運輸至橋位進行吊裝，遵循先兩端后中間的對稱原則。拱肋吊裝順序：A1節(jié)段→A2節(jié)段→B2節(jié)段→B1節(jié)段→B節(jié)段風(fēng)撐→C1節(jié)段→C2節(jié)段→C節(jié)段風(fēng)撐。根據(jù)施工現(xiàn)場實際環(huán)境，各節(jié)段拱肋吊裝時汽車吊的站位如圖5所示。

①拱腳預(yù)埋段

首先安裝拱腳預(yù)埋段A1與A2四片拱肋。在進行拱腳線性定位時，從系梁底模板外側(cè)現(xiàn)澆支架上搭設(shè)拱肋安裝定位支架，然后吊裝拱腳預(yù)埋段拱肋，精確測量起拱線高程、拱腳處傾角、兩拱肋間距和跨間距、吊桿位置、拱軸線坐標并精確定位。將拱腳與系梁混凝土一起同步澆筑完成。

②中間節(jié)段

系梁混凝土達到設(shè)計強度并張拉第一批預(yù)應(yīng)力鋼束完畢后，進行搭設(shè)鋼管拱肋中間節(jié)段安裝臨時支架。拱肋根據(jù)制作、運輸、安裝綜合考慮，包含拱腳預(yù)埋段A1和A2節(jié)段，單側(cè)全橋拱肋共分成五個節(jié)段。鋼管拱肋吊裝前，先在支架分配梁上精確測量定位出拱肋軸線和鋼管邊線，在鋼管邊線上布置橫向限位措施，限位措施采用型鋼布置。拱肋高程通過分配梁上布置千斤頂進行調(diào)整，水平方向偏位可通過在分配梁臨時固定手拉葫蘆進行調(diào)整。拱肋吊裝分段對接定位合格后，通過碼板臨時連接鋼管對接環(huán)口，碼板規(guī)格16×150×400，碼板在焊縫處開設(shè)R50的過焊孔，確保焊接時焊縫連續(xù)。碼板與拱肋鋼管采用雙面10mm焊腳，對接焊縫焊接完成后拆除碼板。綴板現(xiàn)場嵌補段在鋼管對接焊縫焊接完畢，檢測合格后再安裝。拱肋安裝調(diào)整如圖6所示。

圖6 拱肋安裝調(diào)整示意圖

③節(jié)段風(fēng)撐

采用2臺卷揚機安裝，對位后精調(diào)、焊接固定。卷揚機支點設(shè)置在待安裝風(fēng)撐的拱肋頂部。

④合攏段

根據(jù)對稱安裝的原則，合攏段是鋼管拱肋形成的關(guān)鍵，是結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的工序，起到調(diào)整全拱各單元體焊接收縮、熱膨脹、線型等重要作用。首先對環(huán)境溫度進行連續(xù)測量，取得至少48h的數(shù)據(jù)，確定合攏的最佳時間。同時測量合攏段C1和C2節(jié)段間距并切割下料，一次切出坡口打磨合格?？紤]合攏的對稱性，兩條拱肋必須連續(xù)完成，并及時安裝C節(jié)段風(fēng)撐，以免溫度變化時造成單側(cè)拱肋偏移。在兩側(cè)拱肋及跨間距、吊桿位置、拱軸線坐標符合設(shè)計要求的條件下，焊接全橋鋼管拱段[5]。

2.6.2 鋼管拱焊接

鋼管拱焊接由鋼管拱制作廠家派專業(yè)焊工來現(xiàn)場進行焊接作業(yè)。分臨時定位焊接和永久性焊接，焊接環(huán)縫要求全熔透，采用單面焊，雙面成形工藝。拱肋節(jié)段精確定位后，按要求進行環(huán)縫馬平，馬平時宜先馬平箱口剛性較大的邊側(cè)拐角部位，然后固定其余部位，采用定位板和火焰矯正相結(jié)合的方法進行局部調(diào)整。焊接前需用砂輪清除表面的鐵銹，清除范圍為焊縫兩側(cè)各50mm，并且除銹后24h內(nèi)須焊接完畢。焊縫需進行外觀檢驗、超聲波及射線探傷，并按相關(guān)規(guī)范檢測合格。

3 線性控制

鋼管拱安裝的線型控制分兩個階段，第一階段為廠內(nèi)制造加工，應(yīng)先確認拱軸線形及預(yù)拱度，精確放樣后進行鋼管加工，通過鋼管接長地樣線控制拱肋制造線形，控制好鋼管焊接變形對線形的影響。

第二階段為現(xiàn)場安裝。委托有資質(zhì)的監(jiān)控單位對拱肋安裝進行施工監(jiān)控，將應(yīng)變傳感器布設(shè)到拱肋測點部位，再根據(jù)監(jiān)測參數(shù)進行相應(yīng)調(diào)整。施工時提前將里程和高程通過預(yù)先在支墩上設(shè)的控制點和線與拱肋上設(shè)置的點和線相對應(yīng)來控制，同時用測量儀器同步進行監(jiān)控，以保證拱肋線型的流暢。

4 安全防護

鋼管拱安裝時間較長，不可能全部封閉運營狀態(tài)的高速公路，結(jié)合現(xiàn)場實地測量放樣，2#主墩承臺外邊緣離高速公路左側(cè)路肩最近為16.6m，3#主墩承臺外邊緣距離高速公路右側(cè)路肩最近為11.3m。在寧績高速公路上搭建承重門洞式、防護棚支架的方案進行交通安全防護。進行拱肋節(jié)段高空吊裝作業(yè)時，寧績高速公路半幅封道，單側(cè)封閉，另外一側(cè)改為雙向車道。現(xiàn)場施工時按要求布置交通警示標志，提前預(yù)警。

5 結(jié)語

綜合考慮拱肋運輸?shù)臈l件，安裝場地等限制，需對鋼管拱進行合理劃分節(jié)段。

重視拱肋安裝臨時支架結(jié)構(gòu)設(shè)計，對其平面布置、頂部標高、節(jié)點聯(lián)系及穩(wěn)定性做全面檢查，合格后方可進行下道工序。

鋼管拱焊接由鋼管拱制作廠家派專業(yè)焊工來現(xiàn)場進行焊接作業(yè)，有利于保證焊接質(zhì)量。

面對錯綜復(fù)雜的施工外部環(huán)境，為了充分保證施工的進度與安全以及工程建設(shè)的質(zhì)量，吊裝設(shè)備型號和起吊位置的選擇都相當(dāng)重要。