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大跨度懸索橋斜跨特大拱吊裝方法

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:20 [收藏]

    摘 要：本文介紹采用大跨度懸索橋斜跨特大拱的吊裝方法，對鋼結構橋梁進行了成功的安裝，同時降低施工造價，該工程的成功施工為類似工程提供了可借鑒的經驗。
    關鍵詞：大跨度、下承式、懸索橋、特大拱、吊裝

    1.工程概況
    張家口清水河通泰大橋是河北省張家口市城市快速路北環線跨清水河上的一座下承式鋼結構懸索拱橋。主梁與拱通過28根吊索連接。
    主梁與拱材質均為Q345E，工程鋼結構重量約6500噸，其中拱約1800噸。

    主梁跨徑190m，寬33.34m，高3m（中心線），位于R=600m的平面曲線上，橋面不設縱坡，設置雙向2％的橫坡，主梁跨中設20cm預拱度，制作時主梁分為65段，每段分為兩節共計130節。
    拱斜跨主梁，通過吊索連接，拱腳間距180m，矢跨比0.3451，拱中心長度223.5m，拱為單箱單室鋼箱，寬7.04m，高3.8m，屬于特大型陡拱。制作過程中，拱分為13段，軸線長度分別為26m、23m、15m、13m和9.5m，其中26m、23m、13m各兩段，15m六段，9.5m一段，單段重量最小GL7為83噸，最大GL13和GL1為212噸。
    由于拱的截面尺寸大、單體構件重、臨時支架搭設困難，拱的吊裝難度在整個工程中最大，本文主要介紹拱臨時支架搭設和吊裝方法。

    2.吊裝方案的確定
    根據工期要求和現場實際情況，可以采用的吊裝方案有以下兩種：
    方案一：采取先吊裝拱、后吊裝主梁的吊裝順序。拱的臨時支架直接搭設在河床上面，采用450噸履帶吊作業。此方案的優點現場有足夠的場地進行拱的二次組裝，拱的臨時支架搭設計算簡單，吊車站位選擇余地大，450噸吊車可以盡早離場，改用150噸履帶吊吊裝主梁，吊車的費用小，成本低；缺點是主梁吊裝時間滯后，現場大量的焊縫和高強螺栓施工有可能進入冬季施工，施工條件惡劣、質量和工期沒有保障。
    方案二：采取先吊裝主梁、后吊裝拱的吊裝順序。此方案的優點是拱和主梁同時制作，主梁的加工周期短，吊裝速度快，冬季前有足夠的時間完成現場大量的焊接，焊接質量有保證；缺點是拱的臨時支架有一部分直接搭設在主梁上面，造成主梁受壓、臨時支架的計算復雜等問題，450噸履帶吊裝需要從主梁的一側轉場到另一側，吊車的占用時間相對較長，租賃費用大，成本高。
    綜合分析以上方案，在兼顧工程質量、工期、成本三大因素的基礎上，同時考慮安全因素，本工程最終決定采用方案二：采取先吊裝主梁、后吊裝拱的吊裝順序。待吊索張拉完成后，拆除臨時墩，完成體系轉換。
    下面分步對拱的吊裝方案進行闡述。

    3.臨時支撐體系
    （1）支撐體系的結構形式
    為滿足拱分段吊裝的要求，拱臨時支架采用塔架式支撐體系，塔架之間采用桁架拉接，塔架兩側拉設纜風繩，使其在拱所在平面內、平面外具備抵抗軸向和平面外水平力推力，確保支撐體系的穩定性。
    拱臨時支撐體系由12 座塔架組成，布置在拱段與段接口位置，從西環向東環方向依次編號TJ-1至TJ-12。其中TJ-1、TJ-2、TJ-10、TJ-11、TJ-12五個塔架分別在主橋外側，矗立在河床砼基礎上；TJ-3 至TJ-9七個塔架在主梁頂板上，通過主梁內對應位置和主梁下部對應位置的支撐體系傳遞到橋下河床上的砼基礎上。
    豎向荷載：拱自重→支撐塔架→橋面→主梁內部支撐→主梁下部支撐→河床砼基礎。水平荷載：拱及塔架→攬風繩→地錨。

    每個塔架外形尺寸8m×3.5m，采用6根Ф508×8螺旋焊鋼管作為立柱，L180×12單邊角鋼作為水平支撐和斜撐，沿立柱每2m最為一組布置，如下圖示意：

    TJ-1、TJ-2、TJ-10、TJ-11、TJ-12五個塔架，通過預埋直接連接在河床基礎砼上，搭設到設計要求高度。
    TJ-3至TJ-9七個塔架對應位置主梁下部支撐，采用600*600碗口式腳手架，腳手架U托上部和主梁地板接觸部位放置橫豎兩排工字鋼，形成井字系統，避免傳力不均勻現象。支架位置與主橋上部及橋內支撐位置相對應，保證上部的力量全部傳至基礎。

    主橋內采用碗口式腳手架，上、下端借助于型鋼與箱梁頂板頂緊，U肋間隙用方木或者H型鋼填充墊實。最大限度保證主箱梁只傳遞上部力量，而不受力，以保證箱梁的外形尺寸及橋體預拱度不受影響。
    上部塔架與主梁頂板采用固定鉸接，限制塔架底端側向位移。保證塔架支撐體系的整體穩定性。在塔架底部加柱腳板，調整好柱腳板傾斜角度，在橋面上鋪設600*600*I18 井字格排架，橫向16排，縱向7排。井字架于主橋頂板點焊固定，塔架柱腳板和井字架滿焊固定。

    支撐體系在拱平面內具有側向剛度，并且滿足整體穩定的要求，在拱平面外該支撐體系不具備抵抗平面外水平力的能力，特別是在拱拼裝階段。因此，需要配備相應的纜風繩等側向穩定設施。
    為保證塔架的側向穩定性，在主橋兩側各設置兩個200噸級地錨，通過鋼絞線和塔架連接起來，這樣TJ3至TJ10就有了側向約束，TJ1、TJ12兩個支架由于高度較低，側向力較小，可以不考慮，故主橋端頭沒有設地錨和纜風繩，在順橋向需要加設纜風繩。示意圖如下：

    （2）支撐體系的截面幾何特性

    經核算，對于立柱鋼管和角鋼，長細比λ＜容許細長比[150]，立柱鋼管和角鋼截面選擇滿足要求。
    （3）支撐體系的荷載
    塔架主要受豎向荷載和水平荷載作用。
    豎向荷載：豎向荷載主要是鋼結構自重，綜合考慮各種重量，鋼拱按照100KN/m計算，以最長段按照26m，則最大分段重量：
    N = 100×26＝2600 kN
    吊裝動力系數按照1.3計。由于構件自重考慮富余較大，因此忽略施工活荷載。
    水平荷載：水平荷載主要考慮風荷載，計算公式：

    （4）支撐體系的受力驗算
    兩主軸平面內約束信息：


    整體穩定，按5.1.3-3進行計算


    計算和實踐表明，塔架的設計穩定，安全系數較高，保證了拱的吊裝質量。

    4.拱的吊裝
    （1）總體安排
    在拱吊裝前，根據吊裝平面示意圖放出正確的吊車站位點；450噸履帶式起重機提前三天進入安裝現場開始組桿、支車；整個吊裝過程中，450噸履帶式起重機共站位6次，上游下游各3次，其中需要一次中間轉場（從上游到下游）。
    全橋拱總體吊裝布置如下：
    上游吊裝：拱GL13至拱GL8（共6段）；
    下游吊裝：拱GL1至拱GL7（共7段）；
    具體拱吊裝平面圖見下圖：

    （2）技術措施
    拱頂控制點的標高、拱軸線偏移、拱垂直度是吊裝拱的三個關鍵點。
    拱提升高度超過支架高度，停止提升。吊車再次調整，調整主桿角度使拱進入支架上方，開始拱安裝就位。此時測量人員嚴密監控，為吊裝提供調整依據。
    拱就位距支架還有200毫米時調整。測量人員通過觀測預先設好的控制點進行觀測控制，及時指揮吊裝調整工作。
    首先觀測控制拱的平面坐標，即控制調整拱軸線的準確。緊跟其后進行拱就位，通過支架頂部的砂箱調整拱的標高。砂箱在拱吊裝前預先安裝，其頂面標高要高于拱梁底標高，并進行預壓實驗。保證拱就位時梁底標高高于設計標高，這樣通過逐步釋放砂箱中的干砂，降低拱標高到設計標高。最終拱安裝就位。用預先準備好的碼板進行臨時固定，實現與兩側拱的初步定位。
    為保證砂箱與拱接觸密實，傳力合理，在砂箱頂板與拱梁底之間增設三角斜鐵。 使拱重量盡可能多的以豎直力經支架傳遞，減少拱對支架的側推力。最大可能增強支架的穩定性。
    （3）拱分步吊裝順序
    GL13吊裝第一步
    450噸履帶吊加超起狀態下48米臂桿，16米半徑起重能力是285噸，而GL13重212噸，起吊后直接將GL13安裝就位。見下圖：

    GL13吊裝立面圖

    GL12吊裝步驟
    450噸履帶吊超起狀態20米半徑起重能力是226噸，而GL12重165噸，直接起吊，回轉，履帶吊攜超起向前行走，將GL12安裝就位。見下圖：

    GL12吊裝立面圖

    先后完成GL13-GL8的吊裝后，需拆桿轉場到下游進行GL1- GL7的吊裝，其吊裝程序同GL13- GL8。
    當首段拱GL13吊裝就位后，馬上進行軸線和高程測量，確認測量無誤后對拱拱腳處加強筋與拱腳焊接，與拱腳預埋板用預埋螺栓連接，形成鉸接狀態，待拱合攏完畢后，再進行焊接。上端和塔架臨時焊接固定，焊接強度滿足要求后，且通過測量人員觀測塔架無明顯沉降后方可摘鉤，且在塔架上前后左右各設限位擋，防止拱跑偏（在拱吊裝前砂箱進行預壓）。見下圖：

    第二段拱GL12就位后，與第一段接口定位需要從高程、線形、接口平整度三方面進行檢查，通過砂箱調整高程，測量人員配合檢測線形，接口平整度通過頂底板處定位板調節。確認標高、拱軸線偏移、拱垂直度無誤后，進行接口固定、焊接。接口焊接至焊縫深度的 2/3后，GL12可以摘鉤，準備下一段的吊裝，以此類推完成后續各段的吊裝。
    （4）拱的合攏控制方面
    拱從兩側開始吊裝，中間一段GL7為最后合攏段。制作合攏段GL7的過程中，充分考慮到整個拱焊接收縮、氣溫影響造成長度方向的變化。按照GL7兩端各預留20mm共計40mm的富余量，待最后實測后截取需要長度。兩側吊裝過程中，每吊裝一段均要用全戰儀等測量儀器精確測量標高、水平坐標，把每段定位誤差控制在與軸線偏差、高度偏差2mm范圍內，后一段就位過程也是對前一段的修正過程。最終保證合攏軸線、控制點誤差均在規范之內。


    連續三日定時測量拱GL6與GL8接口控制點標高、坐標以及合攏接口實際間距，為合攏段拱肋GL7的最終調整提供準確的數據。最后截取GL7，做好控制點的打點放樣工作。
    由于計算準確、準備充分，合攏當天，拱GL7與GL6、GL8按照計劃準時合攏，合攏接口誤差均在規范允許范圍之類。拱焊接完成后，本工程相繼完成進行了吊索施工和體系轉換。

    5.結束語
    實踐證明了該方案的可行性，建成后的通泰大橋如下：

    由于該方案在技術措施得當、安全性高、大大縮短了工程工期，受到了業主方、設計方、監理方的高度贊揚。事實證明，類似通泰大橋斜跨特大拱的吊裝，只要通過合理的設想、精確的理論計算、嚴格的現場操作，是能夠安全有效、優質完成的。本工程的實施為類似工程提供了相關的經驗和數據，對同類工程具有一定的指導和借鑒作用。

    參考文獻：
    1.《建筑鋼結構施工手冊》中國鋼結構協會編著
    2.《建筑施工計算手冊》中國建筑工業出版社、江正榮編著
    3.《機械設計手冊》燃料化學工業出版社、聯合編寫組編著
    4.《工程測量規范》(GB 50023-95)
    5.《公路橋涵施工技術規范》(JTG 041-2000)
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