州丫髻沙大桥主拱钢管拱安装施工设计

州丫髻沙大桥主拱钢管拱安装施工设计杨梦纯，林雄，王天亮摘要：介绍了大跨度钢管混凝土拱桥拱肋的安装过程，对拱桥拱肋大段拼装、滑移、浮运、提升、合龙及其计算分析过程、监控监测方法、主要施工机具、监测监控仪器等作了说明，阐述了主拱肋中段、边段在特殊条件下合龙的原理。可供以后类似桥梁施工设计参考。关键词：钢管混凝土结构；拱桥；浮运法架桥；施工监控中图分类号：U448.22；U445.4文献标识码：A文章编号：1003-4722(1999)02-0049-03ConstructionDesignoftheErectionoftheMainSteel-tubeArchofGuangzhouYajishaBridgeYANGMeng-chun1,LINXiong1,WANGTian-liang2(1.The3rdBridgeConstructionDivision,MajorBridgeEngineeringBureau,MinistryofRailways,Guangzhou510800,China;2.BridgeScientificResearchInstiute,MajorBridgeEngineeringBureau,MinistryofRailways,Wuhan430034,China)Abstract:Theerectionprocessoftheconcrete-filledsteeltubearchwithlargespanwasrecommended.Itscalculation,analysis,monitorandcontroloftheerectionprocesswereexplained.Keywords:concrete-filledsteeltubestructure；archbridge；floatingerection；constructionmonitorcontrol1概述丫髻沙大桥位于广州市海珠区西南侧丫髻沙岛的西北端，跨越珠江。下游距洛溪大桥约2km。本段江面宽广，桥轴线与河流流向约70°角斜交。丫髻沙岛将珠江江面分隔成两通航河道，岛的西南侧为主航道，水面净宽为350m左右，可通万吨巨轮。丫髻沙大桥主桥设计采用三跨连续自锚中承式钢管混凝土拱桥，主桥跨度布置为(76+360+76)m。本桥以主跨360m一跨飞跃珠江主航道，气势宏伟，造型美观，建成后将成为广州市的一大景观。大桥主拱采用中承式双肋悬链线无铰拱，计算跨度为344m，计算矢高为76.45m，每片拱肋由6×φ750钢管混凝土组成。边拱为钢筋混凝土拱，拱肋采用上承式双肋悬链线半拱，计算跨径为71m，每片拱肋由高4.5m，宽3.45m的钢筋混凝土单箱单室截面组成。2主拱施工设计需解决的问题根据业主及设计单位、设计文件的要求，对广州珠江水域的水文、气侯、通航情况等进行了调查，对丫髻沙大桥桥址进行了实地踏勘，该桥主桥施工设计主要应解决如下几个问题：(1)因该桥主拱为双肋悬链线，且跨度大、精度要求高，如何确保该桥拱肋的线形非常关键。为此，业主及设计部门强调，不能进行小段悬拼；(2)由于珠江交通繁忙，航道部门要求正常施工阶段不能长期占用主航道，根据主航道宽度及主航道与桥轴线斜交的特殊性，要求施工时，预留至少180m宽的水域用以通航，特殊情况下封航时间不超过24h；(3)由于广州东南西环高速公路已全面动工，丫髻沙大桥已成为卡脖子工程，而主拱施工是该桥的控制性工程，如何使该桥主拱施工工期最短是施工设计的重要课题；(4)因该桥主拱施工技术复杂、要求高，施工设计应尽量使复杂问题简单化，减少不确定因素，工艺简单易行，质量容易控制，造价尽量节省。3主拱施工设计总体设想通过对主拱安装的施工方案进行精心的研究和比选，最终选用“三大段安装”方案。其施工步骤如下。(1)将主拱分为三大段，两边段各为70m，中段为204m；(2)两边段分别在桥位处搭设支架，分三小段利用吊船直接组装，调整好拱轴线及位置；(3)中段204m在丫髻沙岛上的桥址附近，沿江边搭设支架，用龙门吊机将其组拼成一大段；(4)将组拼好主拱中段，通过临时码头滑移到2艘铁驳上；(5)采用绞锚方式将铁驳及主拱中段浮拖到桥位定位；(6)利用设置在边段处的鹰嘴吊提升主拱中段，与边段合龙。本方案的桥梁线形容易控制，平时施工不影响通航，封闭航道能控制在规定的时间之内，工期短，不确定因素少，可操作性强，质量容易控制。同时，该方案中段204m拱段整体浮运起吊，极具创新意识。4具体操作方法4.1主拱边段组拼主拱边段两端各70m长，不占用主航道，用支架法现场组拼，边段拱肋分3节，每吊重量最大为130t，现场采用3000kN浮吊进行起吊拼装，在每节段的支点处均设有调节装置，便于拱轴线及位置的调整。因浮吊吊高所限，第3段吊装将先用吊船起吊存放至膺架的中部，待膺架拼装完后，再在膺架上设置吊点进行起吊组装。4.2主拱中段组拼在丫髻沙岛桥址下游，有一片江边空地，长有200多米，宽100多米，可用于中段204m拱段组拼，中段拱肋分成20m/节，最大吊重100t/节，用2台600kN龙门吊机起吊拼装，用万能杆件拼装成组装台座。支架上的临时支点布置有竖向、纵向的活动装置，可精确地调整拱的线形。4.3主拱中段张拉脱拱、滑移由于主拱中段需进行滑移、浮运、装吊等工序，故设置了临时系杆，将临时系杆张拉，使现场组拼的拱肋由梁体系变成拱体系，并脱离拱架。临时系杆的锚固点设在拱肋的两端面，通过钢锚固结构将张拉力传给拱肋。临时系杆的受力是根据拱段内力及拱轴线要求而设置的。临时系杆由钢绞线组成，上下游对称设置，每束可单独张拉、单独锚固，并采用特殊设计，以便于系杆的收紧与放松。因中段在由陆地运输转换至水上浮运时，需进行一次支点转换，见图1。根据拱段内力要求，先只张拉临时系杆受力的50%，使之既能满足脱拱及岸上滑移过程中整个拱段受力的要求，也能满足在支点转换过程中，支点处截面局部的受力要求。临时系杆张拉后，中段拱段将起拱并脱离支撑架，拱段两点受力支承在滑移台车上。拱段总重2000t，经计算，起动摩擦力为3600kN，用连续千斤顶起顶将台车滑移至浮运码头(钢栈桥)指定位置。图1主拱中段滑移至栈桥上断面示意4.4主拱中段装船、浮运主拱中段水上运输采用2艘载重量5000t的载重半潜驳装载，用绞锚方式进行横、纵移，直至浮运到桥位。加载前，根据需要对船体局部位置进行加固，并在其上拼装主拱中段的支承托架，然后，浮运至码头栈桥两侧锚固并压水下沉，待主拱中段滑移至期望位置，即同时利用涨潮及排水将载重驳抬高上浮，直到与主拱中段连接点相接并固定，最终将主拱中段浮起脱离滑移小车，并迅速将滑移小车推走。此时，即完成主拱中段从岸上至水上的转换。转换完后，即根据起吊、合龙时的受力及线形要求，进行临时系杆的第2阶段张拉。张拉完毕即可根据气候情况进行封航、浮运。桥址下游，水域宽阔，水深适宜，只要局部进行疏浚就很适合于主拱的浮运工作。浮运开始前，将先布置好所有的前锚、后锚及两侧边锚，并将每个锚碇的拉绳理顺，编排好绞锚的顺序，组织好绞锚、过锚绳的人员及指挥人员，用液压绞锚机缓缓绞松各方位的锚绳，分3个步骤完成浮运工作。①将主拱中段平移浮拖出栈桥，并拖出栈桥一段水域以便转向；将主拱中段从基本垂直桥向转至中段纵向中心线与桥梁纵向中心线基本一致；将主拱中段顺江平移至桥址处，并精确定位。在浮运过程中，布置大功率拖轮2艘，工作艇3艘，布锚船1艘，160kN铁锚5个，60kN铁锚18个，发电机组4台，潜水泵56台，差分仪2台，便携式DGPS2台，600kN液压绞锚机8台。4.5主拱中段提升就位中段提升用2000kN连续千斤顶作起重设备，用钢绞线束作吊杆。为确保起吊过程万无一失，布置上、下双层千斤顶，以上层起顶，下层起保护备用作用。提升前，提前将起重膺架、千斤顶、钢绞线束、锚具等各项工作准备好并进行检查签证，一旦主拱中段浮运到位并精确定位，立即将吊杆与主拱中段起吊扁担相连，然后同时同步进行提升。当主拱中段提升到位，将其搁置于临时支承梁上，以便于主拱中段的线形调整、航道开放及合龙段的施工。4.6主拱中段、边段合龙由于主拱中段处于有应力成拱状态，边段处于无应力状态，在合龙前怎样调整中段的受力、线形及边段的线形，使之合龙后，中段的线形回到一期恒载时的线形，边段不仅线形变回到一期恒载时的线形，受力亦从无应力逐渐加大到一期恒载时的设计应力，这是本次施工设计的一个新课题。可采用正装倒拆法来解决此问题。首先假设理论上整拱已经形成，并已加上一期恒载，此时的线形及内力都为已知。然后模拟中段、边段的分段情况及受力情况进行加载。此时理论设计线形将变成另一线形。但在此线形状态下，边段基本处于零应力状态，中段将在分段截面处作用一外力及一偏心矩，使中段、边段在分段截面处应力基本为0。此时，若拆除外力及偏心矩，则整拱将返回至设计一期恒载线形，受力状态将回到一期恒载时的理论受力状态。但此时若维持外加力及偏心矩不变，则在中段、边段分段截面处(受力为0)将截面截断，并将中段保持此线形及受力，平移吊走。若将中段再以此线形平移回来，然后接上，再将中、边段的外力及偏心矩拆走，此时整个拱肋的线形仍旧是设计一期恒载时的理论线形，受力亦为设计一期恒载时的理论受力。依照此原则，模拟中、边段的分段及加载情况进行加载，加载图见图2。在图2中可知，R4、R5相距仅1m，此1m为合龙段。图2加载示意边段按合龙设计线形在支架上组装好，中段按设计线形及设计临时系杆拉力及偏心矩成拱并浮运、吊装至设计位置，并在设计合龙温度将边段及中段同时临时锁定，然后进行拱肋各管的合龙段对接及施焊工作。待焊接完成，拆除临时锁定结构后，即分步骤协调释放临时系杆拉力、偏心矩及各支架上的支承反力。此时的线形即回到一期恒载时的理论线形。经计算，临时系杆拉力总共为10036kN，偏心矩为7300kN.m，R1～R5分别为拱肋自重在该支承点处产生的力。经过以上步骤，在整拱合龙后，在合龙截面将留有2.4MPa的残余应力，最大残余应力在接近拱顶处，为3.6MPa。5可行性论证5.1施工过程简便、安全可靠(1)三大段安装边段在岸边施工，中段在岸上拼装再浮运，符合航道部门的要求；中、边段均在支架上组装，线形控制容易。中段在张拉成拱后，在岸上滑移，操作容易。(2)中段下河支点转换利用大吨位半潜驳及56台能保持船驳平衡的水泵，再利用涨潮，使船驳抬高，利用钢桥浮运架设的原理，可完成此工序。(3)中段浮运对以下几方面进行了计算分析。浮运过程中总体稳定性足够，横稳性GMT=7043.2m，纵稳性GMT=385.57m。在丫髻沙桥址处，按6级风时考虑，波浪对船体产生的最不利扭矩很小，仅为M=17000kNm，根据船体和拱肋的抗扭刚度进行分配，主拱承受扭矩仅为4630kNm。按船体水平错动、八字错动、两船外张、两船内合等情况分别按最不利因素进行了受力分析，确认主拱中段在浮运过程中是安全的。将几种不利因素组合进行计算，主拱中段受力安全。在两船(扭转+错动+八字错动+两船外移)及(扭转+错动+八字错动+内移)情况下，拱肋最大应力均为190MPa。按30min完成由起动加速到平稳拖拉考虑，并按最不利因素进行动力分析，主拱中段是安全的。经过以上一系列的计算分析，确认主拱中段在浮运过程中是安全可靠的。(4)主拱中段提升采用24台(其中备用8台)2000kN连续千斤顶及相配套的泵站和控制系统进行液压提升，并用激光测距仪对4个吊点进行监控，认真考虑了各种可能出故障的应急措施。中段提升安全可靠。(5)合龙合龙之前，采用正装倒拆法，模拟现场受力情况，计算出合龙前的主拱线形，然后按此线形合龙，精确简明，合龙后残余应力很小。5.2监测监控手段先进齐全我们与铁道部大桥局桥科院对主拱中段安装过程作了专门的监测监控，监测的项目有：主拱中段组拼线形、脱拱时拱的应力与变形、临时系杆内力、拖拉过程中拱的应力与变形、装船及浮运过程中拱的应力与变形、吊装过程中拱的应力与变形、合龙状态等。监测监控的仪器包括全站仪、手持式应变仪、电阻应变仪、应变计、光电测距仪、激光准直仪、便携式DGPS、差分仪等，能在整个施工过程中，随时发现问题，提出预警，确保主拱中段施工优质、安全。5.3专家论证可行在广州市建委主持下，全国著名的桥梁专家于1998年4月12日和1998年5月24日在广州对三大段安装丫髻沙大桥主桥主拱的方案进行了两次论证评审，结论为：本方案在桥梁浮运吊装史上，施工规模创世界第一；设计计算过程中，各种工况计算前提条件客观，计算数据满足设计要求；不确定因素少且施工工期短、造价低，可实施性强，是本桥较为优化的施工方案。6结语(1)广州丫髻沙大桥施工设计，借助于大型计算机计算程序，对主拱中段在安装过程中的各种工况进行控制计算，对施工方案进行了多次优化，使施工方案技术一流、先进，比目前世界桥梁浮运跨度最大的法国埃郎桥(浮运跨度为186.4m)的浮运跨度还大，达204m，创世界先进水平。并且操作安全、可靠、经济合理。(2)该方案设想大胆，采用了大吨位半潜驳进行联合浮运及大吨位连续千斤顶进行提升。并且，整个过程均用科学方法进行监测、监控、使桥梁科技又向前迈进了一步。(3)该方案的评审、论证通过，为今后桥梁建设中，长大结构的浮运、吊装提供了可靠的资料。作者简介：杨梦纯，(1965-),男，工程师，1988年毕业于长沙铁道学院土木工程系，工学学士。作者单位：杨梦纯，林雄，铁道部大桥局三桥处，广东广州510800；王天亮，铁道部大桥局桥科院，湖北武汉430034)