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大跨度桥梁钢管拱安装与架设关键技术研究分析何高产

发表时间：2020/9/17 来源：《建筑模拟》2020年第10期作者：何高产

[导读] 连续梁拱桥以其强度高、跨越能力强、施工便捷、经济效果好、外形美观等特点在我国桥梁建设中得到了广泛使用。连续梁拱桥施工工艺复杂，存在多次体系转换，尤其是在现场条件约束的情况下施工难度大，工期较长。本文以梁济运河特大桥跨日兰高速（90＋180＋90）m拱加劲连续梁施工为例，对大跨度钢管拱安装与架设施工控制技术进行了阐述和分析。

        中铁一局集团桥梁工程有限公司重庆市北部新区 401121
        摘要：连续梁拱桥以其强度高、跨越能力强、施工便捷、经济效果好、外形美观等特点在我国桥梁建设中得到了广泛使用。连续梁拱桥施工工艺复杂，存在多次体系转换，尤其是在现场条件约束的情况下施工难度大，工期较长。本文以梁济运河特大桥跨日兰高速（90＋180＋90）m拱加劲连续梁施工为例，对大跨度钢管拱安装与架设施工控制技术进行了阐述和分析。
        关键词：大跨度桥梁；钢管拱；制作；安装；控制分析

        1、工程概述
        梁济运河特大桥桥长22678.545m，其中高速公路G1511日兰高速处采用（90+180+90）m连续梁拱跨越。连续梁拱为下承式桥梁，主梁为单箱双室变高度预应力混凝土箱型结构，全桥长361.6m。主梁共分79个梁段，边孔梁段编号为K1’～K18’、K21’，中孔编号为K1～K20＃。箱梁顶宽14.2m，箱梁底宽10.8m。箱梁于各吊杆处共设15道吊点横梁，吊点间距为9m。连续梁拱采用钢管平行拱肋，计算跨度L=180m，设计矢高f=36.0m，矢跨比为f/L=1：5。施工拱轴线采用二次抛物线，拱肋于拱顶位置设置最大126mm预拱度，拱肋实际施工均采用施工拱轴线制作和拼装。连续梁拱由两榀平行钢管拱肋、风撑、吊索、附属结构以及混凝土连续梁组成。其中拱肋、风撑和附属结构采用钢结构。
        横撑两榀拱肋之间共设9道风撑，横撑均采用空间桁架撑，各横撑采用4根φ500x14mm主弦杆和32根φ500x12mm和32根φ250x10mm连接钢管组成，钢管内部不填充混凝土。全桥单侧拱肋共设18组双吊索，吊杆顺桥向间距9m。吊索上端穿过拱肋，锚于拱肋上缘张拉底座，下端锚于吊点横梁下缘固定底座。
        2、原位支架法大跨度桥梁钢管拱安装与架设
        2.1总体思路
        在混凝土连续梁施工结束后，采用钢管及型钢在桥面上搭设临时承重支架。在梁面上布置一台200t汽车吊，从拱脚开始将拱肋逐节段吊装到支架上进行拼装焊接直至拱顶合龙，最后进行拱肋注浆及吊索安装张拉。
        2.2 拱肋分段
        采用原位支架法的总体施工步骤为：拱段车间制作→构件运输→拱脚及锚管预埋→承重支架搭设（与拱肋架设同步）→拱肋及风撑安装→混凝土灌注→承重支架拆除→吊索安装及张拉→面漆涂装→竣工验收。
        通过对拱桥结构形式和现场施工条件进行综合分析，单榀拱肋共划分为14节段（含预埋拱脚）。
        2.3 施工总体部署
        2.3.1架设步骤
        主桥跨越G1511高速公路，车流量大，连续梁拱拱部结构架设过程中需要对G1511高速公路进行交通疏导组织。既要确保高速公路营运的安全畅通，又要保证施工人员、机械设备进出场的安全。经过实地调查研究，本着尽量减少对高速公路交通影响的原则，主拱架设共分为以下六个阶段。
        第一阶段：搭设126、127#墩侧端部承重支架，分别吊装两侧G1、G1’拱段以及对应风撑FC1、FC1’。第二阶段：分别吊装两侧G2、G2’拱段，第三阶段：分别吊装两侧G2、G2’和风撑FC2、FC2’。第四阶段：分别依次吊装127#墩侧G3、FC3、G4、G5、G6单元件。第五阶段：分别依次吊装126#墩侧G3’、FC3’、G4’、G5’、G7、G6单元件。第六阶段：分别依次吊装126#墩侧G5’、FC4’、G7、FC5、G5、FC4单元件。
        2.3.2 构件运输顺序及存放
        第一批次（G1、G1’、FC1、FC1’）→第二批次（G2、G2’、FC2、FC2’）→第三批次（G3、FC3、G4、G5、G6）→第四批次（G3’、FC3’、G4’、G5’、G7、G6）→第五批次（G5’、FC4’、G7、FC5、G5、FC4）。构件加工厂运输，拱肋及风撑等主体结构单元件将根据现场架设需求从工厂发货，到达现场后随即安装。
        2.3.3 拱段架设承重支架
        （1）支架布置
        承重支架是保证拱肋架设顺利进行的重要临设项目，承担各个拱段的自重荷载和外部荷载，属重要受力结构，要求支架具有足够的刚度、强度和稳定性。拱肋支架采用直径315mm壁厚7mm的双排钢管柱，拱肋支架布置在钢管拱分节接头处，分配梁采用I32b工字钢，系梁采用直径237mm壁厚7mm的焊管，立柱间水平支撑和斜撑采用〖14a槽钢，拱肋支架材料均采用Q235B，根据桥面的几何尺寸及荷载情况，并充分考虑支撑架的安全性。
        （2）支架基础
        按照承重支架布置图，梁部施工时设置预埋件，承重支架后期通过预埋件焊接与混凝土连续梁刚性连接。预埋件由锚板和锚筋组成，锚板板厚为20mm，锚筋采用φ20mm三级螺纹钢，锚筋预埋深度为600mm。为避免锚筋与混凝土连续梁中预应力钢索的干涉，锚筋的间距经与线下分部沟通后确定。
        （3）承重支架结构形式
        根据拱肋分段情况，在靠近每段拱肋的端部位置设置双柱型格构柱，单侧拱肋共布置11组立柱，两侧端部位置立柱采用3X2.5m三角形结构，主管规格为Φ219×8mm，其余位置采用双柱形式，柱间距2.5m，主管规格为Φ325×10mm无缝钢管，所有腹杆规格为Φ180×8mm。每相邻两组支架立柱之间采用系杆连接，以形成整体稳定结构，连接系弦杆采用Φ180×8mm无缝钢管，腹杆采用Φ159×6mm无缝钢管，所有钢管材质均为Q345B。分担梁根据竖向荷载采用Ｉ40a双工字钢。为便于承重支架的周转利用和现场安装，对超长支架立柱采用工厂分节段制作，现场通过法兰螺栓连接进行接长，系杆与立柱之间亦采用法兰螺栓连接。
        （4）承重支架搭设
        承重支架拼装采用汽车吊分段组拼，承重支架的搭设顺序和拱段的安装顺序一致，搭设时间比拱段的吊装时间提前1个节段，可充分利用拱段间环缝焊接时吊车闲置时间进行下一组支架的搭设。因承重支架体系现场主要采用螺栓法兰连接，为保证支架安装的精度，搭设过程应严格按照以下工艺执行。
        支架立柱安装前，根据立柱的间距对连续梁上的预埋件进行测量放线，并在埋件顶面上划出纵横向基准线，作为立柱定位线。支架立柱吊装定位过程中，使立柱下端钢管外皮上的纵横基准线分别和预埋件上的纵横向基准线一一对齐，保证立柱的纵横向精确定位。两组立柱安装定位完成后，紧接着把立柱间系杆安装到位。立柱节段对接以及系杆安装过程中，采用两台经纬仪实施监控立柱的垂直度，防止立柱倾斜。安装垂直度要求小于等于H/500，且不大于5mm。

         2.3.4拱肋架设施工工艺
        （1）拱脚及锚管预埋
        根据拱肋轴线尺寸对拱脚进行定位，并通过定位支架进行拱脚的位置精调和加固处理。拱脚预埋主要采用倒链和千斤顶配合进行调整，在起吊钢丝绳末端悬挂两个10吨倒链，并将拱脚与倒链连接，通过倒链精确调整到位后将拱脚与拱脚支架连接成一体，并与支撑钢筋牢固连接，从而达到拱脚埋设的精度要求。拱脚定位后，为了避免振动棒碰触拱脚预埋件，防止造成拱脚预埋件移位，施工过程中必须安排专人实时监控拱脚的定位尺寸，同时对拱座混凝土浇筑全过程进行旁站、监控。若拱脚预埋件在混凝土浇筑过程中发生移位，应立即停止混凝土浇筑施工，待拱脚预埋件复位并进行复核确定后方可继续浇筑混凝土。
        严格做好拱脚预埋前的测量定位及混凝土浇筑过程中的尺寸复测工作。依据预埋拱脚两端头的理论轴线及标高，对拱脚分段点进行测量控制。在拱脚上弦管上下管口向内100mm处各设置一个测量点，将拱脚提至安装位置后测量拱脚的轴线坐标值及高程，并与理论轴线及高程进行比较，微调分段口至最佳位置，各项参数符合要求后，方可加固。
        吊杆锚管预埋件、拼拱支架柱底预埋件的定位安装与连续梁的施工同步进行，其安装过程注意事项及各分部相互配合事项同拱脚预埋件施工。测量定位过程中，预埋锚管加密控制点需根据主桥挂篮施工进度进行布置，采用全站仪极坐标放样法，根据每个锚管理论轴线坐标与标高，对锚管进行放样测量。放样完成后，采用不同测量方法或控制点对放样点位进行复核，确保放样点位的准确无误。
        （2）吊装工况分析
        在地面上利用350t汽车吊将200t汽车吊提到连续梁桥面。作业半径11m，起吊高度25.5m，350t汽车吊在该工况下的额定起重能力为88t，大于200t汽车吊自重73t（含吊具），满足吊装要求。
        QAY200汽车吊尺寸（长*宽*高）为16130*3000*4000mm，吊车支腿处路基箱垫块尺寸为2000*2000mm，桥面尺寸满足汽车吊支腿全伸时的作业要求。


        图1 汽车吊桥面站位图
        拱肋吊装时汽车吊在桥中心线顺桥方向平行站位，靠近吊装单元件侧支腿支在连续梁腹板位置，另一支腿靠近另一侧腹板位置。吊装时可根据现场实际情况适当调整汽车吊站位位置，避免汽车吊作业时大臂碰到钢管支架或连接支撑。
        G1/G1’吊装工况分析：按作业半径10m，起吊高度30.5m计算。200T汽车吊在“69T全配重、支腿全伸”工况下的额定起吊重量为59t，大于38.9t，满足吊装要求。
        G2/G2’吊装工况分析：按作业半径12m，起吊高度30.5m计算。200T汽车吊在“69T全配重、支腿全伸”工况下的额定起吊重量为49.5t，大于30.6t，满足吊装要求。
        G3/G3’吊装工况分析：按作业半径14m，起吊高度39.1m计算。200T汽车吊在“69T全配重、支腿全伸”工况下的额定起吊重量为31.5t，大于23.0t，满足吊装要求。
        G4/G4’吊装工况分析：按作业半径9m，起吊高度43.4m计算。200T汽车吊在“69T全配重、支腿全伸”工况下的额定起吊重量为36.5t，大于21.5t，满足吊装要求。
        G5/G5’吊装工况分析：按作业半径9m，起吊高度47.7m计算。200T汽车吊在“69T全配重、支腿全伸”作业工况下的额定起吊重量为31.5t，大于18.4t，满足吊装要求。
        G6（合龙段）吊装工况分析：按作业半径11m，起吊高度52m计算。200T汽车吊在 “69T全配重、支腿全伸”作业工况下的额定起吊重量为24.9t，大于14.7t，满足吊装要求。
        风撑FC5工况分析：按作业半径20m，起吊高度47.7m计算。200T汽车吊在“69T全配重、支腿全伸”作业工况下的额定起吊重量为19.6t，大于11.8t，满足吊装要求。
        （3）线形控制
        拱段在试吊过程中，通过手拉葫芦调整拱肋上端口和下端口之间的高差，使试吊时拱段线形靠近理论轴线。拱肋吊装到对应位置后，通过匹配件把上、下段拱肋临时连接，控制拱肋的纵、横向位置；为了防止拱肋对接口处误差对拱肋对接产生影响，在腹板处制作嵌补段，待拱肋对接处焊缝焊接完成后再进行组装，同时加对接缝处补强圈。
        分别通过竖向和横向千斤顶进行竖向高度偏差和横向轴线偏差的纠偏。拱肋测量控制点分别为拱段的上端口底部、下端口底部以及锚管的底端，根据建模放样精确计算出各控制点坐标。下一拱段定位前，必须复测前一拱段的定位精度，确认合格后方可进行下一拱肋的定位安装。拱肋现场对接焊缝采用对称施焊的方法进行，避免由于焊接变形引起的线形偏差，在焊接过程中要实时对以上各控制点进行复测，当发现线形偏差超出允许范围时，应停止焊接，研究并制定纠正措施。基准点放样采用后方交会法设置在连续梁两端梁面上，拱肋节段拼装过程控制点采取“穿线”方式进行放样，确保全桥拱肋线形。
        通过计算软件对施工过程进行模拟分析，计算拱段架设、管内注浆以及吊索张拉过程中主拱轴线及标高变化理论值，与监控实测数值比较，当超出允许偏差范围，应停止施工，制定调整整改措施。
        （4）钢丝绳选用
        拱段吊装采用两根钢丝绳起吊，通过对各单元件的吊装工况进行力学分析，以钢丝绳受力最大的吊装工况进行钢丝绳型号选取。GD1拱段的吊装受力形式如下图所示。

        图2 G1吊装受力分析图
        设G1拱段吊装时，钢丝绳受力分别为A1和A2，按照力的平衡原理
        A1sin15°=A2sin25°，A1cos15°+A2cos25°=37.4，则A1=15.8，A2=24.7
        根据以上计算结果，G1吊装时，钢丝绳所受最大力为A1=24.7t，此处选取钢丝绳的容许拉力P=24.7t=247KN.经查《施工计算手册》，钢丝绳作吊装使用时，取安全系数K=6，钢丝绳不均匀系数a=0.82，则单根钢丝绳的破断拉力Sb=P*K/a=247*6/0.82=1807KN。查GB/T8918钢丝绳性能表，选用6*37系列（1670Mpa），公称直径为60mm的钢丝绳的破断拉力为1910KN，大于1807KN，可满足受力要求。
        2.4拱肋混凝土注浆工艺
        2.3.1 施工方法及工程量
        拱肋混凝土灌注采用从拱脚向拱顶泵送顶升法，根据设计要求，在每一分仓段下部设灌注孔管，上部设出气孔。在拱肋侧面设φ125mm的注浆孔，孔管水平，与泵管连接；在拱肋侧面设φ100mm的出气孔，以利于排气，孔管朝上。
        2.3.4 施工工艺流程
        第一阶段（现场准备阶段）：包括钢管拱验收、设备的定位、管道的连接试运行、材料到场现场检验、试验、计量设施的常规检查、设计配合比的现场调整和施工配合比确定等。灌注混凝土前，为了保证全桥拱肋处于自由状态，将拱肋下部承重支架支点处的千斤顶全部松开，且距离拱肋接触面的距离为200mm，保证拱肋在注浆后自由沉降后不接触受力至最佳线形状态。同时两条管路一次铺设完毕，并与地泵和入口泵管分别试拼接，以减少中间接管时间。
        第二阶段（压注施工阶段）：正式压注前拌制同标号的纯水泥浆湿润混凝土输送泵的管道及拱肋的内管壁，以减小压注混凝土时摩擦阻力，水泥浆的体积1m³～2m³。然后再泵送自密实补偿收缩混凝土。
        泵送混凝土的速度应协调一致，遵循对称、均匀的原则。泵送分为四个步骤。步骤一：泵送上弦管混凝土；步骤二：泵送下弦管混凝土；步骤三：泵送腹腔下半截混凝土，步骤四：泵送腹腔上半截混凝土。
        当上一步骤混凝土达到设计强度的90%后，才可进行下一步骤混凝土注浆。注浆过程中随时检查混凝土顶升情况，控制两拱脚混凝土泵送速度。泵送时，要求拱肋两拱脚混凝土泵送速度协调一致，尽量对称顶升。
        第三阶段（压注完成阶段）：混凝土压注到拱顶，待流出原浆一定时间后，方可停止泵送，利用混凝土截止阀对导入孔封闭，完成压注过程。混凝土现场养护试件强度达到设计要求后，方可拆除拱顶泄浆孔管和拱脚混凝土截止阀。
        3、结束语
        为降低连续梁拱桥的施工难度，加快施工进度，通过对传统施工工法进行改进和创新，能够在保证施工安全和质量的前提下保证连续梁拱桥的优质高效施工，对于连续梁拱桥而言，具有重要的应用价值。
        参考文献：
        [1]客运专线（76+160+76）m连续梁拱拱肋架设施工技术[J].李红英.铁道建筑.2011（04）
        [2]连续梁拱组合桥梁上部结构施工关键技术探讨[J].马书堂.中国高新技术企业.2016（13）