中铁十局集团第三建设有限公司工程技术管理部 合肥 230601
摘要：本文以兰州市城关区中心滩黄河大桥的施工为例，介绍采用缆索吊装系统，安装变截面异形钢箱拱肋的线性控制技术，分析拱肋成桥线型的影响因素和控制措施，拱肋节段控制点设置、监测方法和监测数据的计算，以及拱肋线型调整和施工监测实施要点，为类似结构桥梁同工况下提供借鉴。
关键词：桥梁；缆索；吊装；钢箱拱肋；影响因素；线型；监测
一、工程概况
中心滩黄河大桥位于甘肃省兰州市，为三跨钢箱拱，跨径组合为（46.0+138.0+46.0）m。单片拱平面位于竖直平面内；中拱跨度138m，失高34.5m，拱轴线为平面二次曲线，拱肋宽度为1.8m不变，高度自拱顶2.0m渐变至拱脚4.0m高；边拱跨度46m竖向高度8.525m，拱轴线为二次抛物线，拱肋宽度为1.8m不变，高度保持3.5m不变。沿着两条边拱肋设置纵桥向预应力系杆，系杆锚固于边拱的端横梁上，以平衡两个主墩上的水平推力，吊杆横梁与桥面板固接。因为本桥所跨越的河段要考虑施工期间通航要求，所以本桥采用缆索吊装系统，分段吊装主桥上的钢箱拱和风撑结构。
二、主拱肋定位观测点设置和测设方法
主跨拱肋分为左右两幅，每幅对称分GL02 2段GL03 2段GL04 2段GL05 1段计7段，两侧共计14段。其中，两侧拱脚段的GL01采用劲性钢骨架定位，其余节段采用缆索吊机系统吊装，通过扣索张拉定位，直至拱肋合龙和风撑安装完成后，解除扣索，完成主拱肋的安装。
拱肋吊装过程中，节段拱肋的定位观测，通过预先设置在每个拱肋节段上的定位观测点进行，每个定位观测点处测量时安装一个全站仪棱镜头。节段拱肋控制点的理论三维坐标通过计算确定，节段拱肋吊装时，用全站仪测量每个拱肋节段控制点的实际坐标，根据所测实际坐标和理论计算坐标的偏差值来调整节段拱肋的位置，从而实现每个节段拱肋的定位。
中心滩黄河大桥拱肋控制点设置在节段合龙侧顶板中线处，测量棱镜放置于节段端头顶板中心线处，图1小圈处。
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图1 节段测点位置立面图
三、影响主拱肋安装线型的主要因素和控制措施
钢箱拱主拱安装线型主要受设计预拱度、温度、施工中节段预抛高、焊缝切割长度损失、现场接头焊接变形、拱脚段埋设安装精度、索塔位移及测量观测误差等影响因素。
（一）设计预拱度设置
根据设计要求主拱矢跨比为1/4，以拱顶设置为平面坐标原点，共轴线方程为；y=34.50-0.007246376812x2，考虑二期恒荷载+1/2活荷载的作用，设置5cm的预拱度（按平均气温25°C考虑），从而拱轴线方程变为；y=34.55-0.007256878807x2。
按照本工程的施工图和设计参数，应用空间有限元分析软件Midas Civil- 2006，分别建立钢箱拱合龙和主桥结构整体模型，定义相应的荷载工况和边界条件，计算钢箱拱合龙后在自重作用下拱顶位移、一期恒荷载作用下的拱顶位移和二期恒荷载作用下的拱顶变形。
计算分析结果：①钢箱拱合龙（扣索解除）节段，拱顶位移为-8.8mm；②钢箱梁，横梁及行车道板完成时，即全桥一期恒荷载节段，拱顶位移为-12.4mm；③桥面铺装、人行道等附属设施完成，即全桥二期恒荷载节段，拱顶位移为-3.5mm。
根据以上结构分析结果，表明钢箱拱合龙后经过横梁吊装、系杆张拉、行车道板安装和桥面铺装等工序，直至二期荷载加载完毕，拱顶位移为-24.7mm。
即 -12.4-3.5-8.8=-24.7mm。如果要保证主拱二期恒荷载加载完毕以后的预拱度为50mm，那么钢箱拱合龙以后拱顶的预拱度就不得少于50+24.7+5.3=80（其中5.3mm为主拱在1/2活荷载作用下将产生的向下变形量）。
针对这种情况下，钢箱拱的制作加工时，要求主拱轴线的加工曲线方程调整为： y=34.58-0.007263180004x2。
（二）主拱肋矢高温度修正值
因为钢箱拱加工时的温度和吊装时不同，会导致钢箱拱长度变化，从而引起拱肋线型变化，兰州中心滩黄河大桥钢箱拱的加工时间为2012年2月到4月，月平均气温为8°C，主拱肋吊装时间为2012年5月到6月，月平均气温为26°C，加工和吊装时的温差18°C。
按照矢高34.58m计算，钢箱拱肋加工时候的共轴线长134.03m，（近似取GL02、GL03、GL04、GL05各节段弦长计算）；根据《钢结构设计手册》，温度在20°C-100°C时，钢材的线膨胀系数为（1.06~1.22）x10-5，我们取1.20x10-5，温差18°C，其变形量计算：
△L=134.03×1.20×10-5×18=0.029m=2.9cm。
在拱脚刚性连接的前提下，钢箱拱发生2.9cm的变形，将导致拱轴线的矢高加大2cm，使得拱轴线方程变为：y=34.60-0.007267380802x2。
（三）主拱肋出厂前分段加工长度损失
钢箱拱加工采用1：1进行施工放样，分段制作，进行预拼装，经全面检查验收后，运输到现场，采取缆索吊装工艺安装。分段制作控制节段长度，将会使钢箱拱长度损失，根据化三建提供的数据，每个接头使钢箱拱长度损失2mm，所以全部7个节段累计长度缩短14mm，将会使钢箱拱失高减小10mm，矢高变为34.59m。
（四）现场对接焊接变形
现场焊缝的焊接变形将会对钢箱拱的线型造成一定的影响，减少现场焊接变形对钢箱拱线型影响的措施主要从焊接工艺上解决，要求严格按照分段、对称、均匀施焊的原则进行现场焊缝的焊接工作，尽量减小焊接变形对钢箱拱线型的影响。
（五）拱脚预埋段定位精度
拱脚段的拱肋是通过劲性骨架定位，按照放样坐标，考虑到各种因素的影响，预埋在拱坐中的，其定位精度将影响到其余节段的吊装，必须高度重视。主要采取措施：
1.劲性骨架焊接必须牢固，且应与拱座钢筋连接牢靠，使得拱脚段放在上面不至于移动；
2.拱脚段放置到位后，须对拱脚段控制点的平面位置和坐标高程进行反复复测，确认无误后，再安排浇筑拱脚混凝土；
3.拱座浇筑过程中，混凝土输送或者混凝土吊斗不得撞击拱脚段；
4.同时要做好拱脚测量监控，若发现有位移现象，应立即调整。
（六）观测误差
控制点观测误差主要有后视点和前置棱镜点坐标偏差、观测点定位螺栓焊接误差、观测时间的温度、读数等因素造成观测误差等几个方面。针对这些情况，为了观测误差而采取的主要措施：
1.钢箱拱安装前，对即将使用的测量点的坐标和高程数据进行多次多人复测，确认无误后方可使用，并采取有效措施将这些点保护起来，防止遭到破坏或者位移；
2.吊装前观测所用的全站仪、水准仪等送专门的检测机构重新标定，前置所用的棱镜应通过检测机构检测，确定其棱镜常数值，棱镜常数值不同的，应将棱镜进行编号，对应不同的棱镜，以修正全站仪的测量结果；
3.钢箱拱节段上放置棱镜的定位控制点，必须按要求精度标记出，并且保护好；
4.应指定专人测量、专人复核，以保证测量数据的连贯和相对准确；
5.钢箱拱的吊装作业，应该提前一天将各项准备工作做充分，尽可能在第二天早上进行，最好在上午9点之前完成节段钢箱拱的定位和调整工作，并开始焊接；
6.钢箱拱的控制点观测，适合在每天气温和日照变化不大时进行，对于6~7月份的天气，宜控制在上午10点之前完成。
（七）施工节段预抬高值
主拱肋节段焊接完成后，先安装并张拉扣索，然后放松缆索吊机的起重索，因受节段钢箱拱自重下绕、扣索变形和索塔变形等因素的影响，使得钢管拱的控制点高程会比吊点放松前的高程低。这部分下沉变形量很难通过结构计算求得，一般根据实践经验，定位控制点的高程时，在目标标高的基础上增加一个预抬高度，来补偿这部分下沉量。基本的原则是宁高勿低，主要原因是一旦起重索放松，扣索已经受力，如果发现控制点高程低于或者等于目标标高，再通过扣索将钢箱拱拉起来是相当困难和危险的，但是如果发现控制点的高程高了，则比较容易通过缓慢、对称、均匀的放松扣索实现对控制点标高的调整。
根据查阅资料和同类桥的施工经验，考虑中心滩黄河大桥的跨度，经与设计和监理单位协商，按照第一节段抬高7cm，第二节段抬高5cm，第三段抬高3cm控制。
四、主拱安装前的计算
（一）主拱肋目标轴线方程确定
根据对主拱安装轴线影响因素的分析，最后确定兰州中心滩黄河大桥吊装的目标拱轴线的方程为：y=34.59-0.007265280403x2
各控制测点的目标坐标和高程将根据这个方程计算得出。
（二）观测点相对高程计算
钢箱拱的顶板中线控制观测点里程分别设置于K0+314.758、K0+324.515、K0+341.057、K0+410.943、K0+427.485、K0+437.262处；拱轴线最高处设为坐标原点，根据共轴线方程 y=34.59-0.007265280403x2 代入各测点在坐标系投影Xi 坐标值，计算出设计共轴线相应高程 h轴，再根据h测-h轴+1/2L 计算出观测点相对高程，L为测点处拱肋铅锤距离，这个L值可以在CAD图中直接量出来，也可以通过计算得出。计算时对轴线方程 y=34.59-0.007265280403x2 求导，可以求出相应测点切线角度，
代入相应测点x值，即可求得此处角度，在通过求得， S为钢箱拱测点处轴线垂向距离。如图2所示。
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图2 拱肋计算详图
（三）控制观测点三维坐标换算
观测点的相对高程计算出来后，根据全局坐标和绝对高程，计算出各控制观测点的三维坐标（x，y，z），计算方法略。
五、缆索吊机分段吊装主拱肋施工中的线型控制
（一）缆索吊概况及拱肋施工工艺流程
本桥钢箱拱吊装选用LQ1000KN型缆索起重机，该缆索起重机为塔架式，主锚采用重力式地锚，北岸索塔位于2#墩两侧，高度为64.66米，主锚点设置在0#墩两侧；南岸索塔位于6#墩两侧，高度为64.66米，主锚点设置在9#墩两侧。缆索吊机门式塔架横桥向中心距离为26米。主塔在高14米和42米处设置两道横梁，增加塔架的自身稳定性，南北两岸索塔间距274.1米。索塔单个立柱由4根N1杆件（L120*120*10 L=3994mm）组合而成，连接弦杆、腹杆、斜杆采用N型万能杆件及部分特殊杆件（自制）。
扣挂体系主要由扣塔、扣锚梁、锚索、扣索、锚点和扣点组成。本桥采用塔索合一，利用塔架的48米，52米，56米位置作为张拉平台。扣、锚索选用φ15.24低松弛1860级钢绞线。
拱肋节段吊装施工流程如图3所示：
拱肋节段吊（上下游同步进行）
1.南岸拱肋安装（GL-02”），节段重量38.495t，扣索水平角26.1°，详见图3-1所示：
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图3-1 南岸拱肋安装（GL-02”）
2.北岸拱肋安装（GL-02），节段重量38.495t，扣索水平角17.5°，详见图3-2所示：
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图3-2 北岸拱肋安装（GL-02）
3.南岸拱肋安装（GL-03），节段重量44.223t，扣索水平角17.6°，图略：
4.北岸拱肋安装（GL-03），节段重量44.223t，扣索水平角17.5°，图略：
5.南岸拱肋安装（GL-04），节段重量48.382t，扣索水平角11.9°，图略：
6.北岸拱肋安装（GL-04），节段重量48.382t，扣索水平角 8.9°，图略：
7.合龙段安装（GL-05），节段重量48.382t，拱顶距主索14.433m，见图3-3：
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图3-3 北岸拱肋合龙段安装（GL-05）
（二）主拱肋线型动态调整
1.节段安装坐标
钢箱拱吊装安装坐标=目标坐标+节段预抬高引起的坐标变化值。钢箱拱吊装时，以安装坐标控制钢箱拱的定位。
2.拱肋线型动态调整
每节钢箱拱从开始吊装到扣索定位的主要工序；
起吊→初步定位→测量控制点三维坐标→根据测量数据指挥吊装人员精确定位→复测→焊接→复测→安装并张拉扣索→松吊钩完成节段吊装。
钢箱拱整个施工过程中，线型调整是一个连续、动态的过程，只要风撑没有安装完成，那么钢箱拱的线型一直需要调整。线型调整过程中主要有节段吊装定位期间的调整、扣所调整、合龙段吊装前的调整、永久风撑调整等等。其实施要点如下：
（1）通过缆索吊机吊钩的升降调整钢箱拱的坐标（倾斜度），缆索吊单侧两钩头分别挂设在吊装段前后两端四个吊耳上，吊装时利用一组天车进行吊装。在钢箱拱对位过程中，对于坐标偏差超标的，通过缆索吊机来调整钢箱拱的位置，使其满足要求，如图4所示。
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图4 钢箱拱吊装示意图
（2）通过钢箱拱对接口的缝宽来调整节段钢箱拱的坐标和高程，对接接口的缝宽调整通过对接口打磨或接口面上下的不对称切割来实现。
（3）通过节段钢箱拱的定位水平缆风绳调整线型，应用水平缆风绳调整钢箱拱的水平位置时，应在缆风绳的两侧同时进行，一边放松，另一边收紧，等到位置调整好以后，两边再同时收紧。
（4）通过扣索调整拱肋的线型，每一节段箱型拱吊装就位后即进行扣索张拉，扣索张拉根据“提伸和降落”的原则进行，即扣索张拉箱型拱吊点下落，待力全部交于扣索时且拱肋标高（监控单位修正计算后给出）、轴线调整满足规范要求后，取下吊点。若控制测点的高程不符合规定要求，则可通过对称、均匀、缓慢的张拉或放松扣索来调整拱肋坐标。张拉端采用YCW250～YCW350型穿心式张拉千斤顶张拉调整；张拉到位后将张拉端夹片锁定。
（5）通过缆索吊和扣索的联合作用调整拱肋的线性。这种调整方法一般不建议采用，因为应用缆索吊和扣索强行调整，将会在拱肋内截面产生附加弯矩和附加应力，对结构的受力不利，除非控制观测点的坐标偏差较大，才会考虑这种方法。
（6）合龙段施工前的调整。拱顶合龙段吊装前，精确测量南北岸拱肋对称点的高程，要保证对接点的实测坐标标高比目标标高抬高2-3cm。
六、主拱肋吊装过程中应特别注意的问题
（一）合龙段施工控制
拱顶合龙段吊装尽量选择低温时进行，选择早上5：00开始，至上午11：00定位完成，并开始焊接。
合龙段吊装前，应准确的测量两侧GL04对称点的高程和坐标，发现偏差不满足设计要求的，应提前通过扣索或者水平缆风绳将其调整到位。
拱顶合龙段吊装前，一般要求合龙段两侧接头点的标高比目标标高抬高2-3cm。通过前面所描述的吊装GL04节段拱肋预抬高3cm，等到焊接、扣索张拉完成、吊点松钩后，使其还有2cm的抬高量来实现。实际操作下来，基本可以满足这个要求。如果对称两侧有1cm左右差值，通过张拉部分扣索，将这个点拉起来，使合龙段的吊装顺利完成。
扣索放松时，应测量各控制点的坐标和标高。调整拱轴线的精度要求：每个接头与设计标高差值在正负15mm内，两对称点的相对高差不大于20mm，拱轴线偏差不大于10mm。
合龙段施工时，通过两侧的缆风绳调整拱轴线位置，东西方向的偏差控制在（10-20）mm，然后固定横向缆风绳。
（二）扣索张拉和调扣
扣索张拉对缆索吊装非常关键，既关系到阶段拱肋的吊装质量，又关系到吊装的安全。扣索采用1860Mpa（15.2mm270）级高强度低松弛钢绞线，破断拉力260.4kN，安全系数K=2.0-2.5，照此计算，单根钢绞线的张力不得超过100kN。
扣索安装和张拉应在节段钢箱拱焊接完成后进行，扣索张拉应对称、均匀、缓慢地进行，所有的扣索张拉完成以后，才能松掉缆索吊钩。
扣索张拉完成以后，还可以通过水平缆风绳、千斤顶来调整拱肋的平面位置。
扣索的调整分为紧扣和松扣两种情况。在钢箱拱吊装过程中，应尽量减少调扣的次数，特别是紧扣。因为节段钢箱拱一旦一端焊接完成形成刚性连接后，在实施紧扣时，节段钢箱拱的约束边界条件比较复杂，很难准确的计算出紧扣会对节段钢箱拱产生多少附加应力，而且，紧扣容易使扣索的拉力超标，发生重大安全问题，所以应尽量减少调扣次数。
（三）拱肋吊装过程中后锚点和拱座位移监控
1.在拱肋吊装过程中，由监控单位负责对缆索吊的后锚点及拱座水平位移进行监控。经监测，后锚最大水平位移为0.3mm，满足设计要求的2mm。拱座的最大水平位移0.8mm，满足设计要求的3mm。
2.用千分表监测水平位移时，应考虑检测期间温度变化引起的钢管测杆的伸长变形修正值。所以，要求在监测期间，每次观察时，应同时读取千分表的读数和温度，最后根据千分表的数据变化，减去钢测杆的伸长变形，得出测点的实际水平位移。
七、主拱肋线性空间定位效果
在兰州中心滩黄河大桥拱肋吊装过程中，由施工单位、监理单位和监控单位对各节段拱肋的坐标和高程进行全过程连续观测，不断地根据实测结果调整拱肋的安装坐标和高程，拱肋的线性定位控制的比较好，实测矢高满足设计要求，各项指标偏差满足《公路工程质量检验评定标准》JTGF80/1-2004的要求。
八、结论
两侧拱脚段采用劲性钢骨架定位，其余节段采用缆索吊机系统吊装，通过扣索张拉定位。拱肋吊装过程中，节段拱肋的定位观测，通过预先设置在每个拱肋节段上的定位观测点进行，每个定位观测点处测量时安装一个全站仪棱镜头。节段拱肋控制点的理论三维坐标通过计算确定，节段拱肋吊装时，用全站仪测量每个拱肋节段控制点的实际坐标，根据所测实际坐标和理论计算坐标的偏差值来调整节段拱肋的位置，从而实现每个节段拱肋的空间定位，定位效果良好，实测矢高满足设计要求，拱肋的线性及其它各项指标偏差满足规范要求。为类似钢箱系杆拱桥的施工提供了丰富的经验，该方法操作简单、定位准确、速度快，具有一定的指导意义和借鉴价值。
参考文献：
[1]中华人民共和国行业推荐标准：《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T 3650—2020），北京：人民交通出版社，2020
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[3]中华人民共和国行业标准：拱形钢结构技术规程（JGJ/T 249—2011），北京：中国建筑工业出版社，2011
[4]中华人民共和国国家标准：钢结构工程施工质量验收规范（GB 50205—2020），北京：中国计划出版社，2001
[5]中华人民共和国行业标准：城市桥梁工程施工与质量验收规范（CJJ 2—2008），北京：中国建筑工业出版社，2008
作者简介：
高虎（1986—），男，汉族，甘肃兰州人，大学本科，工学学士，中铁十局三建公司工程技术管理部 副部长，工程师，一级建造师。