湖北山区大跨上承式钢管混凝土拱桥拱肋节段双肋整体拼装施工工法

'山区大跨上承式钢管混凝土拱桥拱肋节段双肋整体拼装施工工法山区大跨上承式钢管混凝土拱桥拱肋节段双肋整体拼装施工工法1前言XXX特大桥桥梁全长545.54m，主桥为1-430m上承式钢管混凝土拱桥，横跨XXX峡谷，位于不对称“V”字型河谷岸坡，地形复杂，无水运条件、无整节段陆运条件、无法采用传统工艺钢管拱肋安装用风缆，桥位处也无合适拼装场地。为了实现钢管拱肋节段安装，中铁十三局集团公司成立科研组进行科技公关，根据现场地形条件，充分利用上承式钢管混凝土拱桥的结构特点，利用缆索吊装系统，采用“两岸无风缆双肋整体对称悬拼、齐头并进至跨中合龙的斜拉扣挂法”施工工艺，经总结形成本工法。2工法特点2.0.1利用引桥进行立体组拼，栓焊结合，有效控制了结构尺寸。2.0.2采用无塔缆索起重机进行拱肋节段安装，对位快，安全可靠。2.0.3充分利用上承式拱桥特点和地形条件，采用新型斜拉扣挂体系，保证合龙前后结构稳定。2.0.4无风缆条件下采取双肋安装、单肋调整辅以加垫片方式进行轴线调整。2.0.5对称悬拼，动态瞬时合龙，拱肋线型控制精度高，施工操作方便。3适用范围本工法适用于大跨度上承式钢管混凝土拱桥拱肋节段安装，尤其是在地形为“V”字型，施工场地狭小，无法设置缆风，施工和交通运输极为困难的山区条件下上承式钢管混凝土拱桥拱肋节段的安装，亦可用于相同条件的大跨度钢箱拱桥拱肋节段安装，其它采取缆索吊装的拱式结构桥梁可供参考。4工艺原理单跨双索道无塔缆索起重机覆盖全桥范围，两组索道各设两个吊钩，可单独和同步升降及纵向运行，满足钢管拱肋节段平移、吊装、对位需要。利用两岸交界墩（盖梁）作为支点，以墩顶锚梁、桥台身作为刚性传力梁，通过扣索、平衡索、预应力锚索、引桥箱梁，形成力的转换与平衡体系，将悬拼的拱肋节段固定。在引桥上双肋立拼形成单元，整体起吊对称悬拼，一侧利用缆索起重机动态合龙。5施工工艺流程与操作要点5.1施工工艺流程（见图5.1-1）第9页共9页 山区大跨上承式钢管混凝土拱桥拱肋节段双肋整体拼装施工工法施工准备节段立体组拼起吊扣索安装平衡索安装、张拉对位、栓结扣索张拉索力、高程监控缆索起重机松钩合龙卸扣图5.1-1施工工艺流程图5.2　操作要点5.2.1WJLQ3000KN型无塔缆索起重机5.2.1.1组成主要由组合式索鞍、主索（承重索）导挠系统、牵引索导挠系统、起重索导挠系统、增力式自调平衡运行小车、定滑轮和动滑轮组、双钩回转吊钩系、悬链式支索机构、动力源（10t快速单筒卷扬机4台、28t双筒慢速卷扬机4台），电控柜、防雷系统和重力式锚碇等十一个系统组成单跨双索制。缆索起重机总体布置见图5.2-1。图5.2-1缆索起重机总体布置图第9页共9页 山区大跨上承式钢管混凝土拱桥拱肋节段双肋整体拼装施工工法缆索起重机是露天工作，作用在缆索起重机上主要荷载有自荷重载、起升荷载、水平荷载、惯性荷载、冲击荷载、风荷载、斜向拉力荷载、碰撞荷载、安装荷载、试验荷载、工艺荷载和温度荷载等。冰雪荷载和地震荷载不考虑。5.2.1.2主要技术参数额定起重量：Q=2×750×2=3000kN的双钩双起。建筑跨度和使用跨度（单跨双索制）：Lj=5+756+5=766m；L=756m；Ls=L-2(L/10)=756-2(756/10)=604.8m。起升高度：本桥跨径430m，矢高78.18m，矢跨比f=1/5.5，拱肋拱脚高度13m，拱顶高6.5m，根据此条件设定了运行小车至吊钩最小距离h=4.11m，缆索起重机起升高度H=100m。运行速度：小车运行速度V1=0.36～10m/min，起升速度V2=0.26～3m/min。主索形式：主索采用φ62.5mm的钢丝绳20根，单跨双索制。工作级别（GB3811-1983）：总设计寿命以12500h计算，总的工作循环次数2×106利用等级U6，载荷Q3—重，名义载荷谱系数Kp=0.5，设计取用工作级别为A7级。5.2.2斜拉扣挂系统根据本桥上承式结构和现场地形特点，钢管拱肋斜拉扣挂系统设计利用两岸交界墩（盖梁）作为支点，以墩顶锚梁、桥台身作为刚性传力梁，通过扣索、平衡索、预应力锚索、引桥箱梁，形成力的转换与平衡体系，主要由扣点、扣索、扣墩及锚梁、平衡索及锚碇、扣墩锚梁的支承系统五部分组成。总体布置见图5.2-2。图5.2-2斜拉扣挂系统总体布置图5.2.2.1扣点为减少传统的扣点由于焊缝过多给主结构带来的不利影响，吊段斜拉扣索的扣点采用在上弦钢管之下设置的钢锚梁，连接吊装的主拱肋与扣索。钢锚梁通过拱肋的节点板支承拱肋，并以螺栓与拱肋节点板的缀板临时连接。钢锚梁由钢板焊接而成，依扣索位置及索力不同而设置，扣点处主弦钢管及节点板进行了局部加强，对于索力大于1000kN的扣索在每一扣点处加设工形块反力架。5.2.2.2扣索扣索的作用是将拱肋安装期间的拱肋自重等施工荷载传递于扣墩及锚梁，并适当调整主拱肋的标高。各吊装节段均设扣索，每组扣索4束，对称布置于拱肋的内侧或外侧。扣索采用强度标准值1860MPa钢绞线，采用单端张拉，张拉端位于交界墩锚梁，固定端位于拱肋扣点，均采用“P”第9页共9页 山区大跨上承式钢管混凝土拱桥拱肋节段双肋整体拼装施工工法型锚具。5.2.2.3扣墩及锚梁利用上承式拱桥交界墩墩身较高的特点，将交界墩作为吊装扣墩，并在其上设置钢筋混凝土锚梁，以承受扣索、平衡索传递的全部施工荷载。5.2.2.4平衡索及锚碇为平衡交界墩顶锚梁扣索水平力而设置的平衡索，一端连接于交界墩顶锚梁，另一端连接于桥台。桥台通过预应力锚索锚固于山体岩石上。桥台兼作为平衡索-预应力锚索的锚梁，台身背面作为平衡索的固定端锚固面，台身前面作为预应力锚索的张拉端锚固面。5.2.2.5扣墩锚梁的支撑系统借助引桥箱梁－桥台—台后岩面构建交界墩锚梁的支撑系统，使锚梁可以先承受较大的向岸侧的平衡索水平力。由于向岸侧的平衡索水平力先期存在，使向河侧的每一次张拉的扣索水平力的幅度得以较大地提高(仅需累计扣索水平力不超过累计的平衡索水平力)，方便了施工及其施工控制。引桥桥台端，与桥台背墙间预留有伸缩缝间隙（宽8～12cm），以硬木与桥台背墙楔紧，桥梁安装完成后硬木即予拆除。5.2.3钢管拱肋节段拼装5.2.3.1节段安装顺序拱肋双肋组拼拼装，有横撑的节段，双肋间靠横撑（半“米”撑）联结，无横撑的节段，双肋间靠临时联结系固定，落位栓结后隔节段拆除临时联接系，周转使用。两侧采取对称安装的施工顺序，两侧原则上最多允许相差2个节段。5.2.3.2施工准备钢管拱肋节段现场立体组拼工作需要在下述项目完成后方可进行：⑴完成缆索起重机的安装和试吊，确认达到使用条件。⑵完成扣挂体系土建工程施工，包括桥台预应力锚索。⑶完成引桥箱梁架设，形成完整桥面。⑷完成立体组拼平台的搭设和龙门吊的安装、验收；⑸完成钢管拱肋的工厂加工、卧拼，并分批次运至现场存放，存放量以满足两节段“1＋1”组拼为准。5.2.3.3立体组拼按以下步骤进行双肋立体组拼，形成吊装单元。⑴在引桥上安装一台龙门起重机，起重机净跨20m，龙门起重机跨中与桥面道路中心重合。⑵在桥面上指定支点位置安装垫枕，垫枕顶面高度按拱肋下弦轴线放样确定。⑶组装拱肋n节段下弦管及其间的横联杆件和中间下横撑。第9页共9页 山区大跨上承式钢管混凝土拱桥拱肋节段双肋整体拼装施工工法⑷组装n节段腹杆。两相邻腹杆以临时连接件固定，拉缆风或加支撑，以防止倾倒。⑸安装n节段斜撑，并将其与上弦管连接的节点板栓在斜撑上端。⑹将n节段上弦弦管及其间的横联杆件在两拱肋间的桥面上组装好，然后安装于设计位置。⑺按照n节段顺序安装n+1节段。⑻依次定位安装中间斜撑，上横撑和M撑。⑼焊接为方便安装预留的工厂焊焊缝，紧固螺栓。⑽拆开n、n+1节段接头，并用缆索起重机吊装n节段。⑾重新调试支点垫枕位置及顶部标高。将n+1节段移到岸端，以n+1节段为基准，按上述相同的方法组装n+2节段拱肋。依此类推，直至十五个钢管拱肋节段拼装完成。每次立体组装两段，拼装完成后，拆下前一段吊往安装位置正式安装，后一段留下作为再下一段立体组装的基准。正式安装前，取下遮盖安装测量基准的铁皮。即双肋立体组拼次序为1#+2#→2#+3#→3#+4#→4#+5#……。跨两个节段的斜腹杆，在立体组拼时，装在下一个节段上，并用临时撑杆点焊固定或用绳索将其固定。安装M撑及横向联接杆件时要考虑焊缝收缩，预留焊缝收缩间隙，保证工件吊装过程中的对位准确。立体组拼采用冲钉定位，高强度螺栓紧固。测量调整合格后，焊接节点板焊缝。焊接完成后，取下冲钉，装上螺栓拧紧，然后进行局部清理，补喷铝层和油漆。5.2.3.4起吊⑴扣、平衡索安装为了不影响关键工序，平衡索在吊装前一次安装到位。平衡索规格及索力在设计时考虑与扣索对应设置，钢绞线采用单根下料，由于平衡索长度较短，重量较轻，安装采用人工直接拖拉安装。每一节段吊装就位后即进行扣索安装，扣索安装采用在钢管拱端口处挂1个10t的转向滑车，在引桥上安装2台10t卷扬机，一台做为牵引固定端钢铰线用，另一台做为溜放和提升张拉端钢铰线用。⑵起吊在立体组拼检验通过并确认吊装体系运转正常和扣、平衡索体系完备后，即可进行拱肋吊装作业。拱肋吊装采用“四点抬吊、正吊正落”方法，双肋同时起吊，吊点尽量靠近腹杆节点板。钢管拱肋采用1+1在引桥上立拼且四点同时起吊的施工方法，由于第n段钢管拱肋在第n＋1段拱肋的后方，第n段钢管拱肋吊装时必须要跨过第n＋1段拱肋。5.2.3.5对位栓结钢管拱肋慢起慢落，在测量组的指示下，初步落位，再精确对位。拱肋顺桥向水平位置由运行小车的移动进行调整，竖直位置由吊钩起落调整；横桥向水平位置由吊点确定（吊点正对拱肋中心线），竖直位置由吊钩起落调整。第9页共9页 山区大跨上承式钢管混凝土拱桥拱肋节段双肋整体拼装施工工法第一节段与预埋钢管座采用套接方式，在第三节段安装完成前保持铰接状态。预埋钢管座内径比主弦钢管外径大6cm，富余量较小，为了缩短对位时间，施工时先精确定位预埋固定下弦四根管座，上弦四根管座粗定位并可进行调节。下弦管对位时，依靠吊钩的起落并配备导链调整位置，测量工作全程跟踪，及时传递数据，确保三维定位准确。其余各节段间均以高强螺栓联结，螺栓连接前操作人员进入已安装完成的主弦管内，待主弦管对位后进行螺栓连接操作，对位时依靠吊钩的起落并配备导链调整位置。5.2.3.6平衡索、扣索张拉及线形调整每一节段吊装前进行平衡索张拉，吊装基本就位后张拉扣索，二者采用不同步的原则。平衡索按照计算得出的数据进行吊装前张拉，每次张拉的力可平衡1到2个节段的扣索力。扣索张拉的基本原则是始终保持水平方向扣索索力总值小于平衡索索力总值。该规定需在施工中严格执行，一旦发现异常，应立即停止，分析原因，进行纠偏。平衡索的张拉YCD－24型千斤顶分批进行单根张拉张拉的方式进行，按设计吨位进行张拉到位后不再做调整。张拉时上下游同号平衡索对称进行。节段就位后，通过扣索对标高进行调整。张拉扣索的同时松吊点，待力全部交于扣点且拱肋标高（修正计算后）、轴线调整满足规范要求后，取下吊点。拱肋端为锚固端，张拉端在交界墩砼锚梁上，张拉端用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。节段轴线的调整先初步定位，预估偏位值，然后加事先准备的不同厚度钢垫片，若垫片超过16mm仍无法纠偏到允许值，则采取将中间联结系一侧解开加垫片的方式进行调整。扣索张拉按分级、对称的原则进行，即4个工作点同步张拉。前八个吊段的扣索一次张拉到位，从第九个吊段开始，扣索的张拉分2～3个等级进行。张拉顺序及索力严格按照设计文件进行，每索同级索力允许误差为±1%，且各千斤顶的同步之差不得大于油表读数的最小分格。各扣索张拉一级，暂停15至20min后，测试各项数据，经有关各方确认后，再进行第二级张拉循环。为使同组各根钢绞线受力均匀，现场配备YCD－24型千斤顶进行单根张拉调整。索力用频谱分析仪测试，在调索过程中实施监控，确保施工安全。5.2.3.7节段施焊节段及节段间的焊接可以在节段继续向前安装过程中进行，焊接工作不再占用关键工序时间。在n+4节段安装就位后，可进行n节段的焊接操作。焊接设备可置于横撑处的平台上，焊接位置设钢筋制作的操作吊篮以满足焊接空间的需要。5.2.3.8合龙第9页共9页 山区大跨上承式钢管混凝土拱桥拱肋节段双肋整体拼装施工工法拱肋节段安装完成后，尽快地实施合龙。合龙前通过扣索，对拱肋进行线形、标高的调整，并根据需要进行温度修正，选择温度稳定时段实施瞬时合龙。在拱顶中部预留节段合龙缺口，在扣点高程满足设计要求的情况下（高程内应计入温差校正值），丈量缺口长度，加工合龙节段，并在一天内最接近设计温度时合龙。一侧利用缆索起重机，不设置扣索，合龙时以另一侧标高为准进行调整。5.2.3.9卸扣空钢管拱肋合龙、各节段接头周圈焊接完成并形成无铰拱后，进行逐级松扣，将扣索拉力转换为拱的推力，使空钢管拱肋呈自重作用下的无铰拱状态。各扣索松一级，暂停15至20min后，测试各项数据，经有关各方确认后，再进行第二级放松循环直至拆除。拆除后应对拱肋进行全面测试，特别是拱轴挠度、拱轴线偏移测量，根据测量结果研究决定管内混凝土灌注顺序。5.2.3.10施工监控拱肋吊装中，需要对拱肋杆件内力、拱轴线高程、轴线偏位、扣索索力、扣墩偏移以及缆索起重机的主要结构等进行全过程的施工跟踪监测和控制。施工监测和控制在每天气温、日照变化不大的时候进行，尽量减少温度变化等不利因素的影响。需要施工监控单位配合完成的项目如下：⑴拱肋杆件应力测试：由监控单位完成。⑵高程、轴线监测：结合两岸地形用两台PENTAX-V2全站仪进行监测。每一扣段安装完成后，调整扣索，使各测点高程和轴线控制在允许范围内。⑶扣索索力监控：用频谱分析仪测试扣索索力，结合千斤顶油表读数监控索力。⑷扣墩偏移：用全站仪对扣墩纵横向偏位进行观测，通过调整平衡索，使扣墩偏位控制在设计允许的范围内。⑸缆索吊装系统的主要结构：锚碇上应设置标志，吊装期间密切观察标志移动情况；主索、起吊钢丝绳、牵引钢丝绳的磨损程度，卷扬机、滑车等机械设备，选经验丰富的起重工、机械工随时和定期检查，并及时更换易损件部分，保证吊装系统的正常使用。⑹气象信息：吊装期间收集中长期天气预报和短期天气预报，收集气象水文资料，防止恶劣天气影响吊装安全。6材料与设备（见表6-1）表6-1　主要材料及机具设备表序号名称规格单位数量备注1缆索起重机WJLQ3000KN型台1单跨双索道13对讲机5km台16指挥、联系15全站仪徕卡702台1测量定位16钢绞线Φj15.24t195斜拉扣挂系统17混凝土C40、C50m32377斜拉扣挂系统18钢材Q345t562斜拉扣挂系统19锚具OVM套244斜拉扣挂系统20挤压机JYJ400台1钢绞线P锚21穿心千斤顶YDCJ240、YCW250、350套各4扣索、平衡索张拉22电焊机NBC-400台24第9页共9页 山区大跨上承式钢管混凝土拱桥拱肋节段双肋整体拼装施工工法7质量控制各阶段质量控制、验收按照如下规范、标准进行控制：《公路工程技术标准》（JTGB01—2003）《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60—2004）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62—2004）《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024—1985）《起重机设计规范》（GB3811—1983）《钢结构设计规范》（GB50017—2003）《优质钢丝绳标准》（GB8918—1996）《起重机用铸造滑轮标准》（GB/T9005—1999）《建筑卷扬机标准》（GB/T1955—2002）《公路工程质量检验评定标准》（JTJF80/1-2004）《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）《钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规范》（JGJ82-91）《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81-2002）《钢管砼结构设计与施工规程》（CEC28∶90）8安全措施8.0.1钢管拱肋安装须明确岗位操作责任制，统一指挥，统一行动。除指定的现场指挥人员外，其他任何人不得发号施令。8.0.2高空作业人员必须先经身体检查合格，不合适高空作业的人员不得勉强进行高空作业。高空作业时，不仅要戴安全帽，穿防滑鞋，设置安全网，还应检查是否有系安全带、安全的位置。8.0.3遇有下列情况之一时，不得进行吊安装作业：作业人员看不清、听不清指挥信号；大中雨、严寒冰雪和五级以上大风天气；夜间照明不良。8.0.4高空作业的下方设明显的警告标志，在此危险区域内，无关人员严禁进入。8.0.5钢管拱肋上设置安全通道，满足人员通行和操作需要。9环保措施9.0.1重视环境保护工作，强化环保意识，学习环保知识，建立环境保护小组。9.0.2施工机械防止严重漏油，禁止机械在运转中产生的油污水未经处理就直接排放，或维修施工机械时油污水直接排放。9.0.3修建临时排水渠道，并与永久性排水设施相连接，随时清理，防止淤积和冲刷。9.0.4采用爆破控制技术，尽量减少对植被的破坏，破坏处及早进行恢复。第9页共9页 山区大跨上承式钢管混凝土拱桥拱肋节段双肋整体拼装施工工法10效益分析10.0.1缆索起重机的设计、安装可与钢管拱肋加工制作同时进行，这样可加快工程进度，缩短工期，减少了工程管理费用，还可进行引桥其它预制梁板的吊装；10.0.2钢管拱肋无风缆双肋整体安装，克服了现场条件的限制，质量得到了有效控制，确保了施工安全。10.0.3采用多项新技术，被多家新闻单位和媒体广泛报道，提高了企业的知名度，取得良好的社会效益。11工程实例湖北沪蓉西高速公路XXX特大桥位于鄂西腹地的湖北省巴东县野三关镇XXX村一组，大桥横跨XXX峡谷，峡谷谷深755米，桥面至河底高差近300米。大桥两岸桥头与隧道紧密相连，地势险要，交通运输条件十分恶劣，施工场地极其狭窄，施工难度为沪蓉西高速公路全线之最。大桥全长545.54m，主桥为1-430m上承式钢管混凝土拱桥，计算矢高为78.18m，矢跨比为1/5.5。主拱肋为钢管混凝土主弦杆和箱形钢腹杆组成的空间桁架结构，拱脚截面高度13m，拱顶截面高度6.5m，上下游两道拱肋平行布置，肋宽4m，肋间距13m（中～中），每道肋由上、下各两根φ1200×35(30、24)mm的钢管弦杆组成，并通过上下横联、腹杆及横向斜杆组成空间稳定体系，肋间设20道米撑横联。因受到施工空间及运输条件的限制，拱肋共分成30个吊装节段和一节短合龙段，吊装节段长度在26.226～14.046m之间，设计合龙段长80cm。水平投影最长为21.639(第一节段)，节段最大吊重达280T(双肋)，节段间采用“先栓后焊、栓焊结合”的连接方式。桥型总体布置及剖面见图11-1。图11-1桥型总体布置及剖面图利用本工法成功的对大桥钢管拱肋进行了安装，共历时14个月，期间经历了南方风雪大灾害和汶川大地震的考验，合龙时轴线偏位和标高均控制在规范和设计要求范围内，为复杂山区条件建设同类型桥梁施工积累了宝贵的施工经验。第9页共9页'