大跨径钢箱拱肋整体提升关键技术研究

大跨径钢箱拱肋整体提升关键技术研究

米孝生，胡智敏，陈 伟

（广东省建筑设计研究院，广东 广州 510016）

摘要：针对拱肋整体提升的施工工艺、钢箱拱节段拼装空间坐标计算、整体提升的设计进行了研究。通过优化钢箱拱肋合龙临时措施，在合龙前进行测量及嵌补段板件配切，验算嵌补段最不利工况下临时措施构件的强度，确保合龙段临时措施安全可靠。结果表明，拱肋整体吊装提升施工可以有效地节约施工工期和成本，提高安装精度，有效确保了安装工程质量，为同类型桥梁的施工和设计提供了一定的理论基础和经验。

关键词：桥梁工程；整体提升；空间坐标法；钢箱拱肋；节段拼装

中图分类号：U445.4；U448.22

文献标识码：A

文章编号：1002-0268（2015）07-0092-06

Research on Key Technology of Integral Lifting of Long-span Steel Box Arch Rib

MIXiao-Sheng，HU Zhi-Min，CHENWei
（Architectvral Design and Research Institvte of Gvangdong Province，Gvangzhov Gvangdong 510016）

Abstract：The constrvction technology of integral lifting arch rib，assembly spatial coordinate calcvlation of steel box arch rib segment，and the design of integral lifting arch rib segment are stvdied.Throvgh optimization of temporary measvre of steel box arch rib closvre，measvring and patching and cvtting board pieces before closvre，checking the patching segment of temporary component strength vnder the most vnfavorable condition are performed to ensvre safe and reliable temporary measvres of closvre segment.The resvlt shows that the constrvction method of integral lifting arch rib can save the constrvction period and cost and improve accvracy，and gvarantee the constrvction qvality effectively，which can provide an academic basis and experience for constrvction and design of the same type of bridge.

Key words：bridge engineering；integral lifting；method of3D space coordinate；steel box arch rib；segment assembly

0　引言

拱肋成熟的安装工艺如缆索吊分节段组拼[1]、现浇施工[2]、转体施工都需要宽敞的施工现场及较长的节段拼装工期[3]。凤凰三桥为保证航道通航，在航道管理部门仅同意封航数日的要求下，根据地形、水文地质遗迹航道条件，主跨237 m钢拱肋钢箱采用拱肋在桥位附近预拼场的支架上进行低位组拼、拱肋整体浮运、同步液压整体提升法架设施工。拱肋整体提升安装与缆索吊装扣索悬拼施工相比，具有封航时间短、拱肋拼装精度高、结构整体性好、工期较短、质量易于保证、施工过程得到简化、风险较小和安全可靠等优点。本文重点介绍大跨度拱肋整体提升施工及设计的关键问题。

1　工程概况

凤凰三桥跨越下横沥水道，主桥为（40＋61＋308＋61＋40）m＝510 m中承式无推力钢箱系杆拱桥，桥面为正交异性板钢梁。主桥由桩基、承台及墩身、三角刚架、拱肋、箱梁、索结构等组成。主拱为提篮式钢箱拱，跨度308 m，矢高68.44 m，主拱矢跨比为1/4.5，拱轴线采用m＝1.25的悬链线，

主拱肋按1/5角度内倾，拱顶处拱肋间距为19.1 m。拱肋箱型截面尺寸由拱脚（3.0×6.0）m均匀渐变至拱顶点的（3.0×3.8）m。2片拱肋通过9道横撑连为一体，拱肋分为S0节段、S1下放节段、合龙嵌补段、整体提升节段，桥梁立面布置图见图1。

2　主拱整体提升总体设计

凤凰三桥主桥钢拱肋安装采用钢拱肋整节段拱肋提升方案，见图2。架设采用拼装支架低位组拼，整体节段滑移、排水抬浮上船、浮运，利用提升架同步液压整体垂直提升方法完成拱肋安装。

拱肋及横撑在离桥址约5.2 km的造船厂内组拼成整体提升节段，安装临时水平拉索及滑靴机构，通过张拉水平拉索及其他措施完成拱肋脱胎，使全部重量转移至下河滑道上，利用千斤顶顶推系统，将提升拱肋节段推至上船指定位置，“重任1500”驳船通过绞锚精确定位，先横移再纵移，与拱肋船上支架精确对位，在涨潮时段内，通过大功率排水等措施使驳船上浮、拱肋重量转移到驳船上，拱肋上船后，拱肋端部腾空，立即纵向拉移15.0 m，使拱肋滑靴脱离混凝土滑道，以策安全。“重任1500”驳船横向拉出码头，由拖轮拖曳至主桥桥位，精确定位后，通过提升系统完成拱船脱离，解除船上支架，提升至合龙位置，经微调后焊接完成合龙。拱肋整体提升时，拱肋连同船上支架总重4 690 t，吊装重量创下国内之最。

图1　桥型立面图（单位：cm）
Fig.1 Bridge elevation（unit：cm）

图2　拱肋提升整体示意图（单位：cm）
Fig.2 Schematic diagram of integral lifting arch rib（unit：cm）

3　拱肋整体提升的关键问题

主拱施工采用岸上节段拼装、整体驳船运输、整体提升就位的工艺，限于篇幅，重点介绍节段拼装空间放样及合龙措施2个关键问题：

（1）因该桥主拱为悬链线，预拼钢箱拱跨度达到237 m，精度要求高，如何确保拱肋的线形关系到整体提升合龙的精度甚至成败[4]。因此，必须精确计算钢混结合段和预拼拱肋空间放样坐标。

（2）如何实现钢箱拱精确合龙，合龙临时措施将影响合龙的线形和安全[5]。

4　拱肋节段预拼空间放样坐标计算

拱肋在异地节段焊接拼装需要对断面空间位置精确放样[6]，同时需要考虑预拱度的影响，S1节段局部坐标系见图3（a），整体坐标系见图3（b），新坐标轴在总体坐标系中的3个方向向量分别为[7]：

其中L为坐标转换矩阵，以S1节段D1断面的A点为例（单位mm），拱轴线上D1断面整体坐标见表1，计算空间放样坐标：

经单位化处理后，新坐标系方向向量为：

通过以上转换，即可把任意断面局部坐标系下的角点坐标转化为施工测量总体坐标系统下的坐标，从而对拱肋节段精确焊接拼装。

5　钢箱拱合龙

主桥钢混结合段S0（沿拱轴线长5.224 m）待三角刚架前斜腿施工完成后，搭设支架整体安装；S1下放段（沿拱轴线长5.001 m）先利用吊船将其安放与钢混段支架上；提升段（沿桥轴线长234.55 m）经船运至桥位后利用提升支架同步液压整体垂直提升就位；然后提升支架柱帽2处的100 t张拉油缸将S1下放到位；嵌补段S1'（合龙板沿拱轴线长1.0 m）共4节，由于拱肋在高空停留时间不宜过长，要求4个合龙口同时施工，一起合龙[8]。本桥拱肋为大截面钢箱结构，合龙形式采用外法兰临时锁定，安装嵌补段钢板的方式，外法兰通过连接件和高强度螺栓锁定固定端和自由端，合龙结构示意如图4。

图3　S1节段构造图及坐标示意图（单位：mm）
Fig.3 Schematic diagram of structure and coordinates of segm ent S1（unit：mm）

注：总体坐标系以所计算的截面中心为原点，纵桥向为X轴，竖向为Y轴，横向为Z轴

表1　S1节段控制点坐标
Tab.1 Control point coordinates of segment S1

D1　JD1　D2 X节点坐标/m　-120.516　-117.316　-111.916 Y/m　-42.229　-39.943　-36.364预拱度X/mm　-16.4　-16.4　-16.5预拱度Y/mm　0.0　0.0　3.4

5.1　工艺流程

驳船运输拱肋到位，拱肋提升就位，调整姿态

精确定位→24 h监测确定下放段坐标，安装下放段进行临时固定→焊接各下放段与钢混段的对接焊缝并检查→进行各下放段和提升段之间合龙口形态24 h观测，精细微调→测量确定合龙段各板块的几何尺寸并配切→合龙板初定位→安装临时连接件L1，S1下放段端栓紧固定→温度开始下降后用倒链将合龙板调整到位，安装S1'端螺栓→焊接各个与S1下放段连接的码板角焊缝和合龙板对接焊缝→温度最低时加抄垫并拧紧螺栓，焊接与S1'连接的码板角焊缝和合龙板对接焊缝→检查验收合格。

图4　合龙嵌补段示意图（单位：mm）
Fig.4 Schematic diagram of closure patching segment（unit：mm）

5.2　Sl下放段安装施工

整体提升拱肋至设计标高，塔吊安装支架C及其工14b滑道梁，如图5所示。焊接牢固，检查焊缝质量。200 t张拉油缸下放S1前，拆除支架B，依靠拱肋内侧面的滑道及其限位装置缓慢下放S1段至与钢混段连接处。下放过程要缓慢进行，根据设计图纸坐标值内插计算出下放段设计位置（距桥中线17.581 m）和吊装构件自然状态下重心位置（距桥中线19.626 m）有偏差，构件下放时通过与钢混段的支撑反力达到动态平衡。

（1）在支架C安装反力架，2台50 t千斤顶在距离内侧拱肋上下端部50 cm处同步起顶，拆除内侧工14b滑道，然后外侧2台50 t千斤顶同步起顶，拆除外侧工14b滑道，S1段落于钢混段上。该4台千斤顶配合顶部的10 t倒链进行精调，使拱肋完全对位。

（2）对下放段、钢混段结合段、提升段进行24 h全面的精确测量，确定下放段的定位坐标，再次调整下放段并进行临时固定。

（3）最后一次测量确认后，焊接各下放段与钢混结合段之间的对接焊缝，并进行质量检查，合格后方可进行下步工序。

图5　S1节段下放示意（单位：mm）
Fig.5 Schematic diagram of lowering segment S1（unit：mm）

5.3　合龙前测量及板件配切

合龙口安排测量时间2 d，天气不稳定情况下增加测量时间，测量任务主要集中在夜晚（晚20：00—7：00），测量工具采用钢卷尺，在各合龙口同时安排测量人员每小时测量一次，白天测量数据作为参考，测量数据包括对应时间的空气温度、钢板表面温度、相同角点直线尺寸（L，L1）、同一面内不同角点对角线尺寸（L3，L4），顶、底板及两边腹板共4个面全部测量，分别得出各面的数据，对各合龙板单独对应配切，测量位置见图6（以一个面测量为例）。

图6　尺寸测量位置示意图
Fig.6 Schematic diagram of dimension m easuring points

在测量这2 d内同时还需完成以下2个工作：

（1）焊接完成S0与S1对接环口；

（2）安装焊接完成临时连接件L1，L2等临时固定装置。

配切方式：

根据测量数据进行分析，选择设计合龙温度要求下的合龙时间及合龙尺寸进行配切，合龙板在配切时即将焊接坡口用半自动火焰切割机切好，数据分析及合龙板配切时间需要2 d。配切长度要求所留焊缝间隙满足焊接工艺。

5.4　合龙安装

（1）码板及临时连接件安装

合龙口处S1，S1'（嵌补段）上的码板提前安装并焊接，码板安装及焊接在合龙口测量前完成，与合龙板焊接部分在合龙板装好后进行，S1'上的码板从总拼场焊接。S1'上的临时连接件在总拼场焊好，S1上临时连接件在桥位大节段起吊到位，对齐S1'上连接件后装焊，保证连接螺栓能全部通过。为了施工安全，腹板和底板连接件安置在仓内，连接件L2放在仓内肋板上临时固定后随梁起吊到桥位。仓内HG4最后安装，预先将4块接料散件放置于S1'内，待合龙段对接口及嵌补件焊接完成后再组焊HG4[9]。

（2）合龙板安装焊接

合龙选择气温稳定的天气进行，合龙板安装在白天进行初定位，首先满足合龙板与S1段焊缝间隙，由于白天温度没达到配切时要求温度，可能合龙板长度偏长会搭接在S1'上，此时在箱体内部挂好手拉葫芦，等到温度降低后，利用手拉葫芦将其微调到位，立即焊接合龙板与S1段连接码板，并同时安装陶瓷衬垫开始焊接合龙板与S1段连接焊缝，当温度及焊缝间隙到达设计要求时，即开始进行合龙板与S1'段码板焊接，并同时安装陶瓷衬垫焊接合龙板与S1'段连接焊缝，从合龙板微调定位至合龙焊缝焊接完成4道（需多少焊道看实际焊缝宽度会有所变化），这一过程将在6 h（晚1：00—7：00）内完成[10]。

5.5　合龙最不利状态临时构件应力分析

拱肋整体提升完成后，同步进行拱肋两端合龙，S1下放段和S1提升段主要依靠连接件和码板相连，此时是结构最脆弱的时刻，主要分析连接件和码板在该时刻的受力情况。该工况主要考虑的荷载有横向风荷载的作用（七级风，基本风速15.5 m/s）和整体升温（10℃）。

采用通用有限元软件ANSYS对合龙段进行精细分析[11]。模型所取节段包括S1下放段、嵌补段和S1提升段，计算采用板单元模拟见图7～图9。

从图10可以看出，连接件顶、底板处的连接件Mises等效应力在300 MPa以内。

从图11可以看出，码板Mises等效应力在400 MPa以内，局部应力集中位于码板圆弧倒角处。

根据以上计算结果，合龙阶段临时措施安全可靠[12]。

图7　板单元模型
Fig.7 Plate elem entm odel

图8　嵌补段模型
Fig.8 Patching segm ent model

图9　连接件和码板模型
Fig.9 Connector and code platemodel

临时连接计算结果：

图10　连接件M ises等效应力（单位：Pa）
Fig.10 M ises equivalent stresses of connectors（unit：Pa）

6　结论

主拱肋同步液压整体提升法在拱桥建设史上属于首次采用，这种先进的施工工艺比传统的悬臂拼装方法大大节省了施工工期和成本，且不需要宽敞的施工现场。凤凰三桥237 m钢箱拱肋整体提升于

2013年6月顺利完成，主拱合龙精度达5 mm。主拱肋整体提升技术大大提高了同类桥的合龙精度，提前了工期且操作安全、经济合理，极具创新价值。拱肋整体提升技术为今后同类大跨径拱桥建设，提供了整套成熟的工艺及可靠的参考和借鉴。

图11　码板M ises等效应力（单位：Pa）
Fig.11 M ises equivalent stresses of code plates（unit：Pa）

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作者简介：米孝生（1982-），男，安徽肥东县人，工程师.（[e-mail]）

收稿日期：2014-08-17

doi：10.3969/j.issn.1002-0268.2015.07.015