蔣本俊，余 昆

(中鐵大橋局第七工程有限公司，湖北 武漢 430056)

1 工程概況

湖北秭歸長江公路大橋為2×35m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋+531.2m中承式鋼桁架拱橋+9×30m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋，主橋拱軸計算跨徑519m，采用鋼桁架全推力中承式無鉸拱[1]，總體布置如圖1所示。大橋按雙向4車道設(shè)計，橋面寬27.3m(不含兩側(cè)各2.5m寬人行道)，汽車荷載為公路Ⅰ級。主拱采用柏式桁架、變截面雙主桁結(jié)構(gòu)，2榀主桁平行布置，矢跨比為1/4，拱軸系數(shù)為2.0[2]，拱頂、拱腳截面徑向高度分別為12，14m，桁寬25.3m(見圖2)。

圖1 大橋主橋總體布置(單位：m)

圖2 鋼桁拱標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位：m)

主桁共46個節(jié)間，總重約11 415t，橋面以下部分每節(jié)間布置1道桁架式風(fēng)撐，上、下弦均布置縱平聯(lián)，橋面以上部分每2個節(jié)間設(shè)置1道風(fēng)撐，僅上弦布置縱平聯(lián)。鋼桁拱弦桿采用面板焊接，加勁肋采用高強螺栓連接，主桁腹桿、風(fēng)撐及縱平聯(lián)均為高強螺栓連接。

大橋位于三峽地區(qū)兵書寶劍峽上游峽口處，距下游三峽大壩約90km，跨越長江主航道，出峽口后上游長江河谷開闊、河道較順直，峽口北岸與香溪河口毗鄰，在峽口處香溪河注入長江，常年水位落差達30m。橋址處峽谷兩岸地形陡峻、谷坡基本對稱并呈相對狹窄的V形，谷底水深最大可達180m。

受峽谷效應(yīng)影響，橋位處風(fēng)場復(fù)雜，風(fēng)速明顯增大，且無明顯高度變化，10min內(nèi)的平均年最大風(fēng)速極值為18.3m/s，極大風(fēng)速最大值為25.5m/s，10年一遇風(fēng)速值為26.6m/s，春夏季較小、秋冬季較大，陣風(fēng)性強，陣風(fēng)系數(shù)達1.56[3-4]。

2 鋼桁拱架設(shè)總體方案

綜合考慮地理環(huán)境、水文、氣象、地質(zhì)等條件，本橋鋼桁拱采用纜索式起重機+斜拉扣掛法進行施工，纜索式起重機與扣塔一體設(shè)計，以利用有限橋位基礎(chǔ)資源、減少邊坡處治投入及控制邊坡失穩(wěn)風(fēng)險，扣塔與基礎(chǔ)承臺固接后，纜塔在扣塔上進行設(shè)置并與扣塔頂鉸接，起重機主跨為601.2m，額定吊重260t，最大提升高度220m。

鋼桁拱共劃分8個拱腳段、44個桁片及1個合龍段，單側(cè)最大懸臂共11個節(jié)段。鋼桁拱在拱腳處設(shè)臨時鉸開始架設(shè)懸臂，架設(shè)4個節(jié)段后封鉸固結(jié)。鋼桁拱桁片及桿件工廠制造后經(jīng)長江水運至橋位下方，由纜索式起重機吊裝，第1～10節(jié)段每架設(shè)1個節(jié)段掛設(shè)1層共4組扣索、錨索。架設(shè)第11節(jié)段時，因扣索角度平緩，錨索可提供的豎向分力較小，需掛設(shè)2層扣索、錨索。合龍段設(shè)于跨中偏3號墩側(cè)節(jié)間內(nèi)，采用4根上、下弦桿，根據(jù)合龍口尺寸進行配切，并于溫度穩(wěn)定時段內(nèi)臨時鎖定兩側(cè)懸臂拱肋，完成弦桿焊接，斜桿與縱平聯(lián)桿件吊裝，連接高強螺栓后，實現(xiàn)正式合龍。合龍后對稱釋放扣索、錨索形成裸拱，進行后續(xù)主梁施工。主要施工步驟如圖3所示。

圖3 鋼桁拱架設(shè)施工步驟(單位：m)

3 鋼桁拱架設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

本橋鋼桁拱跨徑大、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、距水面最高處達200m。橋位處風(fēng)速大、風(fēng)場復(fù)雜、長江航運繁忙并受三峽大壩、葛洲壩翻壩和川江航道管制影響，運輸船舶最大尺寸為123.6m×20.6m[5]。采用纜索式起重機+斜拉扣掛法可解決起吊高度大、近岸節(jié)段無法豎直吊裝及懸臂平衡架設(shè)難題[6]，但仍存在無鉸拱線形及內(nèi)力調(diào)整相對困難、節(jié)段起吊循環(huán)周期長、占用航道時間長、大懸臂及吊裝施工易遭遇大風(fēng)影響等問題。為保證順利架設(shè)，采用臨時鉸架設(shè)初始節(jié)段、主桁及風(fēng)撐桁片式制造、運輸及吊裝，扣索、錨索抑振，大懸臂及桁片吊裝抗風(fēng)、無鉸拱自然合龍等技術(shù)。

3.1 臨時鉸架設(shè)初始節(jié)段技術(shù)

為使主拱初始懸臂架設(shè)時可轉(zhuǎn)動調(diào)整，避免無鉸拱因拱腳固結(jié)懸臂架設(shè)時難以調(diào)整線形、因調(diào)整措施引起主拱內(nèi)力超限等問題，在拱腳與拱座間設(shè)置臨時鉸支座，如圖4所示?？紤]拱肋懸臂架設(shè)過程中橫向風(fēng)荷載對根部臨時鉸支座的影響，為確保施工安全，在懸臂架設(shè)4個節(jié)段共8個節(jié)間后實施封鉸，此時懸臂長約88m，超過最大懸臂的1/3，可滿足根部節(jié)段精確定位要求，為后續(xù)節(jié)段線形、內(nèi)力控制提供基礎(chǔ)，同時隨著懸臂長度增大前端剛度減小，即使根部固結(jié)，仍可利用扣索對鋼桁拱線形、內(nèi)力進行調(diào)整。

圖4 臨時鉸支座結(jié)構(gòu)(單位：m)

臨時鉸支座結(jié)構(gòu)采用鋼鉸支座+鋼管混凝土鉸軸構(gòu)造，鉸軸直徑2m，拱座上預(yù)留封鉸槽口和弦桿承壓板過渡臺階。臨時鉸支座與鉸軸匹配制造并經(jīng)試拼后，與拱座一同澆筑預(yù)埋。鉸軸與第1節(jié)桁片組成整體，利用纜索式起重機吊裝桁片，鉸軸裝入鉸支座、安裝環(huán)形扣板進行固定，然后掛設(shè)扣索、錨索形成穩(wěn)定懸臂結(jié)構(gòu)。第1節(jié)段架設(shè)完成后，在鉸軸內(nèi)填充C50微膨脹混凝土。

施工時將弦桿拱腳固結(jié)桿件匹配主桁第1節(jié)段對應(yīng)部位并焊接，然后安裝拱座預(yù)留的封鉸槽口鋼筋，并立模澆筑C40微膨脹混凝土，弦桿承壓板下方過渡臺階預(yù)留<20mm間隙，進行重力式灌漿，最后按設(shè)計拉力張拉弦桿拱腳處的預(yù)埋鋼拉桿，并壓注黏結(jié)水泥漿。

3.2 桁片式制造、運輸及吊裝技術(shù)

吊裝方案應(yīng)充分利用纜索式起重機吊重能力強、可重載縱向移動的特點，滿足大壩及航道通行要求并合理設(shè)計纜索式起重機，需規(guī)避單次吊裝耗時長，進而引起航道占用時間長、單個節(jié)段循環(huán)周期長、高空作業(yè)節(jié)點多，可能導(dǎo)致的安全風(fēng)險增大、工期延誤、工藝質(zhì)量控制難等問題。

若采用立體桁段方案，運輸寬度25.3m，超出20.6m的船型限制，且質(zhì)量>600t，纜索式起重機系統(tǒng)規(guī)模過于龐大且設(shè)計、施工困難。因此，將主桁、風(fēng)撐劃分為桁片進行制造、運輸、吊裝，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段僅需4～5次吊裝即可完成全部作業(yè)，滿足施工要求。主桁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段由2個節(jié)間組成，可在節(jié)段內(nèi)保留1個完整節(jié)間，無須另設(shè)輔助桿件，節(jié)段最長37.5m，最重257.6t。風(fēng)撐桁片需在兩端增設(shè)臨時豎桿，保證桁片運輸、吊裝過程中的完整性。主桁桁片架設(shè)如圖5所示。

圖5 主桁桁片架設(shè)

主桁先制造板單元和桿件，然后在胎架上按“1+2”方式組拼成桁片，脫胎后轉(zhuǎn)運至運輸船上，立式運輸以方便多桁片運輸及吊裝。風(fēng)撐、縱平聯(lián)制作成桿件后，選取部分節(jié)段，采用平面輾轉(zhuǎn)法進行試拼，風(fēng)撐組成桁片、縱平聯(lián)為單件轉(zhuǎn)運至運輸船上，平位擺放。

架設(shè)時，運輸船在待架水域進行動力定位，主桁桁片經(jīng)纜索式起重機起吊時，前、后吊點應(yīng)同步分級加載，桁片脫離運輸船后一次調(diào)整姿態(tài)以優(yōu)化分配前、后點吊重，對位時二次調(diào)整姿態(tài)進行對位連接?？鬯?、錨索掛設(shè)張拉與纜索式起重機松鉤按2次分級加載、卸載控制，即桁片與后端節(jié)段臨時連接后，扣索、錨索張拉至50%初張拉索力，然后卸載纜索式起重機直至松鉤，扣索平衡單個桁片自重，避免因扣索索力過大，單個桁片橫向面外受力過大，導(dǎo)致桿件臨時連接破壞的問題。待節(jié)段間風(fēng)撐及縱平聯(lián)全部安裝完成后，繼續(xù)將扣索、錨索張拉至100%初張拉索力，并精確調(diào)整主拱線形及內(nèi)力，形成正式懸臂受力。

3.3 扣索、錨索抑振技術(shù)

本橋扣索、錨索由多股鋼絞線組成，施工階段在風(fēng)力作用下產(chǎn)生鋼絞線互相擊打和持續(xù)振動現(xiàn)象，極易出現(xiàn)錨頭處鋼絞線疲勞斷裂、夾片松動和鋼絞線擊打損傷等問題，為此設(shè)計錨前抑振筒、錨后防松裝置和鋼絞線束間固定裝置。

錨前抑振筒由密貼鋼絞線束的橡膠墊圈和固定夾持墊圈的鋼制哈弗夾具組成，可有效消除鋼絞線持續(xù)振動，保持錨具夾片呈靜力錨固狀態(tài)。錨后防松裝置由防松脫錨具和延長筒組成，防松脫錨具由制造廠家提供，為1塊帶夾片限位帽的圓形錨板，通過小螺栓與錨具連接。延長筒是在錨墊板上加設(shè)的圓筒形鋼結(jié)構(gòu)保護套，將扣索、錨索尾部逐根張緊并增加P錨，錨固于延長筒頂部，可避免錨具夾片處偶然振動導(dǎo)致脫錨等。鋼絞線束互相擊打，在較短的鋼桁拱架設(shè)期間，造成鋼絞線斷裂的風(fēng)險較低，但頻繁產(chǎn)生的擊打聲易讓施工管理人員產(chǎn)生不安全感，同時反復(fù)擊打?qū)︿摻g線表面造成一定損傷，為此在扣索、錨索可人工操作的近拱端、近扣塔端處，鋼絞線束間纏繞鋼絲繩以加強整體性，中間高空部分引入電力系統(tǒng)使用的單根防振鞭，該防振鞭為螺旋管狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑略大于鋼絞線外徑，可徑向活動地包覆在鋼絞線上，通過改變安裝處鋼絞線外形及質(zhì)量，以提升阻尼比，通過與線纜撞擊消散振動能量，進而減弱鋼絞線振動。防振鞭可沿鋼絞線縱向移動，高空部分由人工在端部裝入，然后利用牽引繩移動安裝到位。

3.4 鋼桁拱大懸臂及桁片吊裝抗風(fēng)技術(shù)

鋼桁拱懸臂施工的結(jié)構(gòu)體系由單側(cè)懸臂拱肋、扣塔、錨碇及連接的扣索、錨索組成，扣塔尺寸及剛度、扣索、錨索變形剛度及索力均與設(shè)計階段結(jié)構(gòu)體系存在一定差異。此外，由于主桁桁片構(gòu)造特點，前吊點設(shè)于下弦桿、后吊點設(shè)于上弦桿，吊點連線形成的傾覆線與桁片重心較接近，需驗證特殊風(fēng)場作用下扭轉(zhuǎn)響應(yīng)及傾覆風(fēng)速，因此委托同濟大學(xué)進行施工階段懸臂架設(shè)及主桁桁片吊裝的抗風(fēng)性能風(fēng)洞試驗。

經(jīng)試驗分析，鋼桁拱懸臂施工狀態(tài)顫振臨界風(fēng)速均高于檢驗風(fēng)速，且無明顯渦激振動現(xiàn)象[7]，但拱肋及扣塔在紊流場風(fēng)攻角+3°時的最不利風(fēng)況下，位移響應(yīng)接近0.3m，且在橫向風(fēng)作用下拱腳承受較大扭矩。試驗如圖6所示。為此，在扣塔頂橫向兩側(cè)端部與對岸拱座間增設(shè)前風(fēng)纜，與扣塔后風(fēng)纜對稱張緊，共同形成對扣塔頂?shù)募s束，以控制扣塔頂在風(fēng)力作用下的瞬時位移，同時改善扣塔與拱肋牽連引起的位移響應(yīng)，調(diào)整后經(jīng)試驗測試扣塔頂位移控制在12mm內(nèi)，并在鋼桁拱處架設(shè)4個節(jié)段，以封固拱腳處的臨時鉸支座，平衡橫向風(fēng)致扭矩。

圖6 鋼桁拱最大懸臂狀態(tài)紊流場試驗

主桁桁片吊裝測振試驗表明，繞水平方向扭轉(zhuǎn)位移斜率突變處，風(fēng)速作為傾覆風(fēng)速，除第5節(jié)段傾覆風(fēng)速為17.7m/s，小于橋位處平均年最大風(fēng)速極值18.3m/s，其他節(jié)段傾覆風(fēng)速均>23m/s。為防止第5節(jié)段吊裝時因風(fēng)力作用發(fā)生橫向扭轉(zhuǎn)傾覆，在纜索式起重機前，吊具與桁片上弦桿前節(jié)點間增設(shè)1組平衡索，原理是桁片沿前、后吊點連線的傾覆線發(fā)生橫向扭轉(zhuǎn)時，平衡索因張緊起約束作用，可產(chǎn)生抑制傾覆的穩(wěn)定力矩。

3.5 無鉸拱自然合龍技術(shù)

由于無鉸拱拱腳固結(jié)且拱上作業(yè)面受限，無法實現(xiàn)拱腳頂推縱移、拱上移動壓載等措施，調(diào)整合龍口高程、長度、橫向及可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)角偏差的措施，僅能依靠溫度變化、調(diào)整懸臂端扣索、兩側(cè)懸臂端對拉及對頂、合龍桿件配切等方法，為此研究分析強制合龍與自然合龍方案。

強制合龍的目的是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)無應(yīng)力狀態(tài)精確合龍，為消除鋼桁拱高程及轉(zhuǎn)角影響，將懸臂端頂平，然后迅速裝入合龍桿件，對兩側(cè)懸臂端采取等溫度變化或?qū)椒?，以消除合龍口長度偏差，再進行臨時鎖定。計算分析表明，變化懸臂端扣索索力可有效調(diào)整合龍口高程及轉(zhuǎn)角，但斜拉扣索產(chǎn)生的水平分力造成鋼桁拱軸向壓縮約260mm，采取對拉措施則拉力過大，依靠溫度變化由于日照影響，左、右兩主桁溫度梯度不同，無法同步實現(xiàn)長度變化。經(jīng)計算及觀測，溫度每變化1℃，合龍口長度變化9mm，260mm偏差需升溫29℃，現(xiàn)場氣象條件無法滿足。即使控制縮短合龍口長度，采取合龍桿件溫度縱移時的橫向限位等措施，確保理論上可行，但面臨現(xiàn)場日照、整體升降溫速率及幅度等因素影響，施工窗口期時段不易預(yù)測和把握，施工風(fēng)險較高。另外，采取合龍口對拉措施強制合龍并釋放扣索后，計算結(jié)果為裸拱線形低于理論線形，拱頂?shù)?09mm，對鋼桁拱運營階段受力不利。自然合龍是根據(jù)合龍時段合龍口實際長度，對弦桿桿件進行配切安裝，按合龍口長度比設(shè)計值長100，260mm進行計算分析，釋放扣索后，裸拱線形相比理論線形，拱頂?shù)?5mm、拱頂高131mm，其中合龍口長度控制在100mm時與理論線形較吻合，此時鋼桁拱施工內(nèi)力狀態(tài)滿足要求。

因此，采用自然合龍方案，合龍口高程及轉(zhuǎn)角偏差通過扣索索力進行調(diào)整，橫向軸線偏差通過對角線對拉進行調(diào)整，長度偏差根據(jù)觀測數(shù)據(jù)對合龍桿件進行配切調(diào)整。對扣索索力及橫向?qū)胧?、溫度變化進行相應(yīng)的敏感性分析，如表1所示。懸臂架設(shè)時，按敏感性分析結(jié)果規(guī)定合龍口相對偏差的控制標(biāo)準(zhǔn)，兩側(cè)懸臂端控制在設(shè)計(工況計算)高程的±30.000mm以內(nèi)、相對高程差<50mm、軸線偏位<20mm[8]，長度偏差按大于理論長度100mm內(nèi)控制。實際合龍開始時間為2018年5月17日夜間，溫度19℃與設(shè)計溫度20℃基本相符，合龍配切的弦桿桿件比設(shè)計值長約84mm，斜桿可按設(shè)計長度順利裝配，扣索釋放后拱頂比理論值低32mm，鋼桁拱線形及內(nèi)力與計算結(jié)果吻合性較好。

表1 合龍口敏感性分析結(jié)果

4 結(jié)語

湖北秭歸長江公路大橋的主拱采用鋼桁拱結(jié)構(gòu)，施工中充分結(jié)合水文、地質(zhì)、氣象條件，通過臨時鉸支座架設(shè)鋼桁拱4個初始節(jié)段，以精確控制線形；采用主桁及風(fēng)撐桁片式制造、運輸及吊裝技術(shù)，以及纜索式起重機提升作業(yè)效率、降低安全風(fēng)險；通過抑振筒、防振鞭等扣索、錨索抑振措施，防止扣索、錨索疲勞破壞；通過大懸臂及桁片吊裝抗風(fēng)性能試驗，采取針對性措施，解決鋼桁拱架設(shè)期間的抗風(fēng)問題；通過研究無鉸拱強制合龍與自然合龍方案，最終采用自然合龍方案，確?？墒┕ば院徒Y(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)。經(jīng)過檢查和質(zhì)量驗收，鋼桁拱線形、內(nèi)力控制精度均滿足設(shè)計及規(guī)范要求，實施過程安全可靠。該橋于2017年8月5日開始架設(shè)鋼桁拱，2018年5月22日完成鋼桁拱合龍，2019年10月1日正式通車。