钢管混凝土拱安装.doc

大跨径钢管拱桥悬臂拼装与线形控制张 鸿 方 华 (江西交通工程咨询监理中心 南昌 330008)摘 要：文中介绍了高安筠州大桥主桥拱肋采用缆索吊装、千斤顶斜拉扣索悬臂架设的施工技术。拱肋线形控制是工程技术人员十分关心的问题，文中对此进行了阐述，可为类似桥梁施工提供借鉴。关键词：桥梁工程；钢管拱桥；缆索吊装；斜拉扣索；架设工艺；线形控制 480 前言高安筠州大桥是320国道与赣粤高速公路连接线上的一座钢管混凝土拱桥，位于高安市外环。大桥主桥为中承式钢管砼系杆拱，左右两边孔为变截面钢筋砼半拱。桥跨布置为42m（边孔）+156m（主孔）+42m（边孔），全长240米（如图1所示）。主孔的推力依靠高强钢丝组成的系杆施加给边孔拱肋的水平力来平衡。主孔两条拱肋采用钢管砼拱空间桁架结构，两条拱肋间中心距17.2m。主孔计算跨径156m，计算矢高34.667m，计算矢跨比1/4.5，拱肋轴线采用悬链线，其拱轴系数m=1.3。拱肋为等截面，高3.0m，宽1.8m，上下弦杆各为两根75012mm16Mn钢管，上、下弦两根并列钢管间横向用12mm宽16Mn缀板连接，腹杆为29910mm16Mn空钢管。上、下弦杆钢管内和钢管缀板间泵送灌注50砼。两条拱肋间在拱顶处设一道米字撑，左右L/4处各设一道K字撑，桥面以下各设砼“米”字撑，以保证主拱肋的横向稳定。全桥钢管均为焊接直缝管。1 钢管拱肋安装方案主桥钢管拱肋采用缆索吊装千斤顶斜拉扣索悬臂拼装的施工方案。全桥共分6节段钢管拱肋，在工厂按照设计分段加工，并按1：1大样进行预拼，合格后运往工地。在两岸副孔40m箱梁上组拼焊接好后，利用缆索塔吊分段进行吊装。在拱座处设置斜拉扣索塔架,利用悬臂施工原理，依托塔架，斜拉扣索及后锚索形成自平衡体系，逐节段拼装钢管拱，每接长一节钢管拱便扣挂一组对应扣锚索，其后利用扣索塔架上的千斤顶对称张拉相关扣、锚索，使安装钢管拱的线形符合设计要求，如此循环至合拢。1.1总体布置根据大桥设计特点并结合预制梁场及钢管拱肋预拼场布置，缆索吊机跨径为155m+400m+155m。A 塔位于北岸40m箱梁后10m处，B塔位于南岸引桥13#墩14#墩之间，钢管拱肋预拼场地设在40m箱梁上，吊杆横梁预制台座设在南岸40m箱梁后10#墩11#墩之间，预制好后起吊下河存放于主孔正下方河滩上，因此整个缆索吊机的作业范围覆盖整个主桥和钢管拱肋预拼场地。缆索吊机总体布置如图2所示。图2 缆索吊机总体布置示意1.2缆索吊机系统该缆索吊机主要由工作索系统、塔架及索鞍、后锚碇系统、起吊小车、机电等部分组成。主要技术参数为：工作跨径400m，额定起重量240吨，工作状态最大矢跨比1/16。1.2.1工作索系统缆索吊机主索由2452mm钢芯钢丝绳组成，单根主索长780m，8根主索分成两组，每4根一组，两组主索中心距为17.2m。牵引索采用26mm钢丝绳（走2）；起重索采用20mm钢丝绳（走8）。每组主索均设2台起吊小车，2台起重小车均设有独立的起吊系统。2台起重小车间设有联系千斤，采用对拉方式牵引。1.2.2缆索塔架塔架采用拼装式万能杆件门式结构，A、B塔架横桥向宽度均为23m，每个塔架两个立柱断面均为2m2m，为使塔架轴心受压受力明确，A、B塔架于基础之间设为铰接。塔架基础采用钢筋混凝土扩大基础，塔高84.5m,中间设两道横撑。1.2.3后锚碇系统后锚碇系统由重力式钢筋混凝土锚碇、索的锚固及调节装置两部分组成。为避免缆索吊机作业干扰桥台路基施工，同时减少对引桥施工的影响，后锚碇避开路基全宽采用八字型布置。起重索、牵引索通过预埋拉板及滑轮直接锚固或转向，锚索、缆风钢丝绳、主索均设锚固和调节装置。锚固及调节装置包括钢拉板、锚固限位座、起顶分配梁三部分。钢拉板一端与索连接，另一端通过重力式后锚碇牛腿上预留孔后与锚固限位座连接，调索时在限位座正方安装起顶分配梁，利用两台30t液压千斤顶起顶，通过与千斤顶连接的油泵读数测出索力大小。1.3斜拉扣索系统扣索塔架与缆索吊机塔架分开布置，两扣索塔架均支承于拱座顶，采用铰支结构。扣索系统主要由扣索塔架、扣索、锚索、扣点、锚碇、扣锚索调节装置等组成。如图4所示。1.3.1扣索塔架扣索塔架采用拼装式万能杆件门式结构，塔架宽度为19m，塔高45.5m。纵桥向4m桁宽，塔架每个立柱断面为2m4m.由于拱座封铰混凝土须钢管拱合拢后浇注，因此在拱座顶设I56分配梁，塔架荷载通过分配梁传至拱座，为使塔架受力明确，塔架与分配梁之间铰接。1.3.2扣、锚索钢管拱肋段数多、质量大，传统的卷扬机钢丝绳斜拉扣挂悬臂系统设备较多、拉力大，调整困难，施工难度大。本桥采用千斤顶斜拉扣挂悬拼架设法。扣、锚索采用7j5mm钢绞线，以千斤顶张拉系统实现钢管拱肋标高调整时的扣、锚索张拉和抬放。共设3组扣、锚索，每组扣、锚索均采用2315.24mm钢绞线。扣索于扣点反力梁及塔顶转换梁上通过P型挤压锚头锚固，锚索一端锚固与塔顶转换梁，采用P型挤压锚头，另一端直接锚固于边拱曲梁梁端，采用固定锚具，锚索避开系杆布置。扣、锚索钢绞线预先下料，并在简易台座上预张拉每根钢绞线，以确保各根钢绞线均匀受力。编束预张拉后应采取防护措施即在钢绞线上缠绕纱布及防水胶布，以防扣、锚索使用过程中受到损伤，同时利于使用后用于后继工程。1.3.3锚碇锚碇一般做成混凝土结构，利用本身自重及前方土抗力确保锚碇抗拔、抗倾覆及抗滑满足规范要求，此法投入较大。结合本桥结构设计特点，直接利用边拱曲梁作为锚索锚碇，将锚索锚固于边拱曲梁梁端，通过结构计算边拱曲梁梁端未出现拉力，仍有300t压力，同时边拱拱肋截面应力亦满足规范要求。1.3.4扣、锚索调整装置扣、锚索调整装置包括转换梁、32精扎螺纹钢、锚梁及YC60千斤顶组成。扣、锚索在塔顶处张拉端均转换了张拉方式，两根扣索钢绞线转换成了两根32精扎螺纹钢，利用YC60千斤顶张拉调整。采用千斤顶及32精扎螺纹钢张拉斜拉扣、锚索，具有张拉能力大、行程控制精度高，索力调整控制灵活和锚固可靠的特点。进行扣、锚索张拉时上下游扣、锚索应对称进行，分级张拉，以控制塔架顶端位移为主，索力校核为辅的安装方式，保证结构安全和钢管拱线形。2 拱肋架设施工工艺主桥钢管拱共分6节段进行吊装，中间1m合拢段，吊装时采用双肋同时架设，同时合拢。现以第1节段钢管拱吊装为例简要介绍拱肋现场安装施工工艺。2.1拱段预拼钢管拱在工厂加工好后，采用陆地运输至工地，将第1节钢管拱的两分段在副孔40M箱梁上预拼，按照设计要求调好线形，焊好外包板。2.2拱段对位栓好缆风绳，将第1节段钢管拱的扣索提前安装在钢管拱肋上，利用缆索吊机上、下游起重小车对称同时起吊，行走到设计位置，四钩同时松钩到一定高度，前吊点不动，后吊点松钩，使上下游铰轴与铰槽靠近，用倒链调整位置，使铰轴落入铰槽内。对于第2、3节段先初调线形用内法兰盘将相邻拱段临时连接，测试索力和标高，符合理论值后将法兰用高强螺栓固定.2.3扣索安装用缆索吊机调整前吊点到设计标高，利用安装在扣索塔架底的2台3T卷扬机提升扣索到塔架相应位置的锚梁上。 2.4线形调整分级张拉扣索、锚索，调整拱肋前段标高至监控理论值，同时缆索吊机上下游吊点分级同步卸载；利用两侧缆风绳调整拱段中心线到设计桥轴线。为保证缆索吊机上下游主索受力相同，操作时须保证任何时候上下游扣索张拉力相等，同时扣索塔架偏位控制在5mm内。2.5合拢段施工及体系转换合拢段施工是在各节拱肋标高微调至理论值时，采用双肋同时顶紧（拱顶设有顶紧装置），同时施焊。合拢时间选在凌晨进行。合拢段施焊完后，立即将拱脚处铰接焊接成固接,完成体系转换。由于扣索塔架设置在拱座顶部有碍下道工序施工，所以在钢管拱合拢后须立即拆除。扣索拆除过程实际上也是一次体系转换，逐步松扣索的过程是索力向钢管骨架的逐步转移的过程，这一过程的最终，即全部松扣就相当于在扣点作用一个与索力相反、大小相等的外力。因此要引起高度重视，在松扣时按照对称分级相隔进行的原则。即各扣点每次按1/4的扣索索力松索，松扣索的顺序是先3#扣索，然后1#扣索，再2#扣索，依次类推。施工工艺流程如下图所示：拱段现场预拼第一节段拱肋架设对称架设第二节段拱肋临时焊接K撑对称架设第三节段拱肋临时焊接“米”撑调整主拱标高、线形安装合拢段拱脚固结、浇封铰混凝土松扣索、拆除塔架3 拱肋线形施工监控签于本施工方法的特点，成拱后的拱轴状态（包括轴线长度、标高等）不仅取决于构件在工厂下料加工的状况，而且也受现场架设工艺及监控措施的影响。在拱肋形成前，结构呈多“铰”状态，其纵、横向稳定性很差，因此，钢管拱架设过程中必须采取相应的措施进行施工控制，保证拱肋的稳定性以及各节段接头标高和线形符合设计要求。3.1钢管拱加工为了保证加工质量，该桥的钢管选择在工厂加工。加工时先按照1：1拱轴线放大样，由于钢材的热膨胀系数较大，该桥又是在冬季低温季节加工，考虑了温度修正。全桥拱肋加工完成后，在厂内进行了预拼，合格后才运往工地。首先保证了加工精度。根据施工安装顺序，统一对全桥钢管拱各半成品构件进行顺序编号、标记和存放。在转运过程中，严防构件被碰撞、挤压而变形或损伤。3.2线形控制措施 在架设过程中，为确保主钢管拱线形符合理论期望值，我们主要采取了以下措施：（1）建立测量控制网，在每节拱肋端头设置固定的测量控制点，控制点设在拱肋中线位置。施工放样及检查都采用全站仪进行，每架设一节段拱肋对全部控制点都要进行观测。此外，对拱座的偏位进行了观测，后观测结果表明拱座的位移对拱肋的标高有影响。拱肋轴线和标高误差都按1cm进行控制。（2）在扣索塔架顶部设有扣、锚索调整装置千斤顶，通过改变扣索的张力，并采用在拱段之间的内法兰盘接头处抄垫钢板的方法，来实现拱段接头标高的调整。（3）设置临时横撑固定拱肋。每架设一节拱肋，就利用钢管拱的横联钢管临时焊接固定上下游拱肋，特别是在合拢段基肋端一定要设置临时横撑。（4）选择合理焊接次序。在焊接拱肋接头外包板时，对称布置的焊缝，采用成双的焊工对称进行焊接，这样可使各焊缝所引起的变形相抵消；非对称焊缝可先焊焊缝少的一侧，后焊焊缝多的一侧，这样可使先焊的焊缝变形部分抵消。（5）钢管拱对温度，特别是日照影响非常敏感。为了减少温度和日照对线形控制的影响，标高的测量包括合拢时间都安排在凌晨进行。3.3稳定控制措施为保证钢管拱在吊装过程中的横向稳定性，在每吊装一节段拱肋时，采用通过对称设置两道浪风绳来调整和控制拱段就位中线位置，减少拱肋自由长度，增大横向稳定。浪风绳采用对称布置，长度基本相同。3.4拱肋安装结果3.4.1拱肋合拢后安装结果钢管拱肋合拢松扣索前实测标高、索力结果如表1所示。从表中数据可以看出，实测标高值与理论值吻合较好，基本在误差范围内。实际每阶段所有扣索索力的水平力总和与设计值的水平分力总和相比偏高。分析原因主要有两点：a.在扣索索力设计时，假定拱脚与拱槽是理想状态下的铰接，未考虑摩阻力，实际施工中虽然涂了润滑剂，但发现阻力很大，另外，钢管拱肋的刚度比理想的要大。因此，在标高往上调整时，实际索力比设计偏大。b.在计算钢管骨架自重时，计入的施工临时荷载比实际偏小. 钢管拱肋合拢松扣索前的高程比较 表1扣索索号设计扣索力（KN）南岸扣索力（KN）北岸扣索力（KN）对应扣索拱段设计高程（m）南岸实测高程（m）北岸实测高程（m）上游下游上游下游上游下游上游下游1号1001221311511561号45.09445.08345.10445.10045.1012号3103823923543522号57.03757.02957.02657.03157.0423号5004654604874823号61.42561.42461.43061.42061.410总水平分力833884887合拢段61.45761.45161.45961.46261.4613.4.2拱肋松扣索后标高观测结果 钢管拱肋合拢松扣索后实测标高如表2所示。从表中数据可以看出，松扣索后拱肋标高比施工控制期望值略偏低。主要原因如下：a.松斜拉扣索时，按照施工加载程序，之前未张拉系杆，松扣后，钢管拱自重产生的水平推力使拱座产生向河岸的水平位移,南北两岸基本一样，约3mm（拱座水平移动1MM，拱顶标高下降约8MM）。b.另外，扣索实际索力比理论偏大，经过体系转换后，也可能会影响拱肋标高。 钢管拱肋合拢松扣索后的高程比较 表2扣索索号设计高程（m）南岸实测高程（m）北岸实测高程（m）上游下游上游下游1号45.09345.07745.08145.08645.0802号57.02757.00856.99657.01357.0093号61.40861.37161.37561.37761.380合拢段61.44461.43561.43161.43461.4383.4.3拱轴线控制结果拱肋轴线控制结果如表3所示，从表中数据可以看出，拱肋轴线偏差和理论值比较接近，误差大部分在1cm内。 钢管拱肋轴线偏位实测结果 表3节段设计值（m）南岸（m）北岸（m）XY上游下游上游下游1号23.48.623.3958.5962