中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
摘要：大跨度鋼拱結(jié)構(gòu)采用豎轉(zhuǎn)提升施工法安裝，鋼拱肋在地面低支架拼裝成兩個可繞拱腳轉(zhuǎn)動的半跨鋼拱，通過安裝在臨時塔架上的液壓穿心千斤頂，將兩側(cè)的半跨拱肋豎轉(zhuǎn)提升到設(shè)計標高后合攏。拱肋的拼裝在低支架完成，降低了對大型施工機械的依賴和高空作業(yè)的安全風(fēng)險，易于保證結(jié)構(gòu)線性和焊接的質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：大跨度鋼拱；豎轉(zhuǎn)提升；低支架拼裝
1 工程概況
本施工法應(yīng)用于雙向十車道三連跨（40+200+40）m中承式提籃系桿拱橋的主拱肋施工，主拱肋為鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu),見圖1。.拱肋向橋軸中心線斜傾，傾角為78°34’3”，為空間曲線形式，兩主肋頂端在主跨中心處距離為20m，拱腳處兩拱肋中心距離為40.99m，主拱肋對稱布置在路面的橫向側(cè)分帶內(nèi)，每榀主拱肋由4支φ1200mm壁厚24mm鋼管組成高5000mm、寬2800mm的平行四邊形截面。細部結(jié)構(gòu)見圖2、圖3。兩道主拱肋之間設(shè)有5道H型橫撐，每道橫撐為空鋼管構(gòu)成的格構(gòu)桁架梁，拱頂橫撐中心尺寸為3500mmx3800mm，主拱肋鋼材材質(zhì)為Q345D，最大焊接板厚度為40mm。主拱肋安裝完成后，拱肋上下弦鋼管和綴板內(nèi)灌注C50號微膨脹混凝土。
圖1 鋼拱橋主視
圖2 拱肋弦桿與腹桿連接
圖3：拱肋橫斷面(大跨度鋼拱結(jié)構(gòu)豎轉(zhuǎn)提升施工法)
2 鋼拱肋施工重點難點與對策
1）拱鉸轉(zhuǎn)軸中心線的安裝定位：拱鉸轉(zhuǎn)軸中心線是拱肋拼裝和豎轉(zhuǎn)施工的基準。決定著現(xiàn)場拼裝和能否實現(xiàn)拱肋的精確合龍。
對策：建立精確的測控網(wǎng)，采用傳統(tǒng)施工工藝與先進的測繪手段相結(jié)合的施工方法，完成拱鉸下座的定位和安裝。
2）鋼拱肋拼裝定位精度控制：由于主拱肋采取現(xiàn)場低支架拼裝，拱肋拼裝線形相當于成拱曲線繞鉸軸旋轉(zhuǎn)一定角度，拼裝過程各拱肋段定位坐標的標定是拱肋拼裝技術(shù)準備重點
對策：采用Solidwork軟件建立拱肋的三維模型，在模型上將拱肋旋轉(zhuǎn)至現(xiàn)場拼裝位置，確定拱肋段各定位點在旋轉(zhuǎn)前后的相互位置關(guān)系?，F(xiàn)場拼裝前建立精確的測控網(wǎng)站，嚴格測量和復(fù)測程序。
3）拱肋豎轉(zhuǎn)提升體系統(tǒng)各部位的結(jié)構(gòu)安全性是豎轉(zhuǎn)提升的重要保證。
對策：全面考慮拱肋施工現(xiàn)場的氣候環(huán)境、施工工況等影響因素，對主要承載結(jié)構(gòu)進行有限元應(yīng)力分析。在豎轉(zhuǎn)過程中，對結(jié)構(gòu)重要部位進行實時安全監(jiān)測。
4）鋼拱肋豎轉(zhuǎn)采用4臺穿心千斤頂進行牽引，多頂同步和載荷均勻是豎轉(zhuǎn)提升順利實施的難點。
對策：采用計算機控制技術(shù)，建立豎轉(zhuǎn)提升控制網(wǎng)絡(luò)，通過安裝在提升千斤頂上的壓力傳感器和位移傳感器實現(xiàn)提升千斤頂?shù)臓恳臀灰票O(jiān)控并及時進行均衡調(diào)整.
3 鋼拱肋現(xiàn)場拼裝
本工程主拱拱肋矢高50m，拱肋拼裝工藝段劃分長度為19～27m，最大單段重量為115t。如采用滿堂支架進行拱肋安裝，支架的鋼材用量約計2000t。如此多的施工輔助用料給工程施工成本控制造成巨大負擔，滿堂支架上進行拱肋高空拼裝，需選用350t履帶式起重機兩臺配合作業(yè)，才能滿足吊裝作業(yè)要求，由于拱肋施工全部在高空進
圖4 拱肋低支架拼裝布置(大跨度鋼拱結(jié)構(gòu)豎轉(zhuǎn)提升施工法)
行拼裝和焊接時，施工安全保障和焊接質(zhì)量控制上困難較大、成本較高。通過對主拱肋現(xiàn)場拼裝、焊接方案的成本、工期及施工安全各方面比對，最終選定采用豎轉(zhuǎn)施工法，將拱肋分成兩部分，分別在低支架上拼裝、焊接后，將鋼拱肋豎轉(zhuǎn)提升至設(shè)計工位，再完成合龍焊接的施工法。從而減少了的高空拼裝、焊接工作量，縮短了工期，簡化了施工。此施工法提高了現(xiàn)場拱肋的拼裝、焊接效率、便于焊接質(zhì)量的控制、拼裝支架用量少也降低對起重設(shè)備的要求，并最大限度的降低施工的安全風(fēng)險?，F(xiàn)場拱肋拼裝布置圖見圖4。
1）依據(jù)GPS測控點，建立鋼拱肋現(xiàn)場拼裝定位測控網(wǎng)，測控網(wǎng)基準點和觀測點均采用激光測距儀和精度等級1″的全站儀進行定位，對定位點做永久性防護。
2）鋼拱肋通過安裝在拱腳的轉(zhuǎn)鉸完成定位和豎轉(zhuǎn)提升，轉(zhuǎn)鉸下座安裝在拱腳混凝土承臺上。轉(zhuǎn)鉸下座在混凝土承臺預(yù)埋件上的定位精度是轉(zhuǎn)鉸下座安裝的控制要點。拱橋兩跨端的轉(zhuǎn)鉸每兩個一組，分別安裝在兩條相互平的軸線上，采用激光測距儀和精度等級1″的全站儀進行轉(zhuǎn)鉸下座的定位測量。每組鉸軸中心線的同軸度偏差小于3mm;水平度偏差小于3mm;鉸軸中心線與拱橋縱向軸線垂直度偏差小于3mm。
3）轉(zhuǎn)鉸下座安裝、焊接完成后清理鉸座內(nèi)與鉸軸的接觸面并涂抹固體潤滑劑，然后吊裝鉸軸。鉸軸就位后調(diào)整鉸軸與鉸座的裝配間隙，并復(fù)測鉸軸軸線與鉸座軸線的同軸度，確保其同軸度偏差小于1mm。將安裝調(diào)整完成的鉸軸臨時固定。
4) 吊裝首段拱肋與拱鉸軸組對焊接，采用雙
150t履帶吊抬吊，通過對首段鋼拱肋上下端口處出廠前標定的定位點三維坐標觀測，進行拱肋安裝定位。同一跨端的兩個拱肋首段吊裝就位后進行臨時支護，并完成拱肋下端部與鉸軸間的裝配和焊接。焊接完成后將拱肋下端臨時支點拆除，拱肋下支撐點轉(zhuǎn)移到鉸軸上。復(fù)測首段拱肋安裝位置無誤后，依次吊裝后續(xù)拱肋工藝段。拱肋在支架上的組裝控制線形應(yīng)為拱肋預(yù)拱度拱與成橋后拱肋線形的疊加。拱肋間一字撐的吊裝與拱肋吊裝同步進行。
5）依次完成相鄰三段鋼拱肋吊裝和調(diào)整后，開始第一段與第二段拱肋間接口的焊接。由于拱肋斷面由四支鋼管組成，接口的焊接應(yīng)保證全斷面對稱施焊，以減小焊接變形對拱肋線形的影響，確保吊桿錨孔的安裝位置與設(shè)計相符，拱肋接口焊接時應(yīng)搭設(shè)防風(fēng)棚，由于焊接施工處在冬季，要求焊接前進行焊接預(yù)熱，焊接過程進行層間溫度監(jiān)控，焊后進行保溫緩冷。焊后24h進行超聲波、射線探傷檢驗。
6）拱肋拼裝焊接完成后對拱肋線形進行全面復(fù)測，鋼拱肋表面及拱肋上、下弦鋼管內(nèi)部進行修補和清理。在完成豎轉(zhuǎn)提升錨索安裝后，進行拱肋的現(xiàn)場面漆的噴涂。
4 鋼拱肋豎轉(zhuǎn)提升
鋼拱肋按豎轉(zhuǎn)單元完成低位拼裝后，采取豎轉(zhuǎn)提升的方法將兩側(cè)的半跨拱肋吊裝到拱肋合攏位置。拱肋豎轉(zhuǎn)施工布置見圖5。
圖5 拱肋豎轉(zhuǎn)提升布置
每側(cè)拱肋豎轉(zhuǎn)提升分別搭設(shè)4座61m高提升塔架，塔架頂部安裝承重桁架梁。在承重桁架梁下弦吊掛4臺350t液壓穿心千斤頂作為提升裝置，每臺千斤頂安裝一束31×Φ15.24鋼絞線，每座塔架頂部安裝1臺200t液壓穿心千斤頂安裝后背平衡索，后背平衡索為一束19×Φ15.24鋼絞線。根據(jù)轉(zhuǎn)體施工計算，最重側(cè)豎轉(zhuǎn)拱肋重量為1187t，按照拱肋在豎轉(zhuǎn)過程中最不利天氣和施工工況：當?shù)赜杏涊d最大風(fēng)力8級風(fēng)，分別驗算拱肋在豎轉(zhuǎn)起始和到位狀態(tài)下索力。豎轉(zhuǎn)起始狀態(tài)每束提升索最大索力為217t，后背平衡索每束最大索力為115t。豎轉(zhuǎn)到位狀態(tài)提升索每束最大索力為172t，后背平衡索最大索力為140t。提升千斤頂安全系數(shù)為1.6，后背千斤頂安全系數(shù)1.4，提升索安全系數(shù)3.7，后背索安全系數(shù)6.3。提升千斤頂共用1臺80L/min流量的液壓站。提升千斤頂采取間歇式作業(yè)，豎轉(zhuǎn)提升線速度為5～6m。
1）豎轉(zhuǎn)提升設(shè)備控制采用現(xiàn)場實時網(wǎng)絡(luò) 豎轉(zhuǎn)提升控制系統(tǒng)，采用1臺計算機控制柜，通過信號電纜與泵站、提升油缸、電控柜等設(shè)備上安裝的控制模塊連接，由計算機對各系統(tǒng)的反饋信號采集、比對后自行控制提升系統(tǒng)的運行。計算機控制系統(tǒng)布置如圖6。
圖6 計算機控制系統(tǒng)布置
2） 4臺提升千斤頂均載、同步工作，是豎轉(zhuǎn)提升施工的關(guān)鍵技術(shù)。通過安裝在提升千斤頂上的壓力傳感器和位移傳感器，對每臺油缸承受的工作載荷和每個行程的位移進行監(jiān)控，并在出現(xiàn)個別千斤頂上的壓力或位移超差時，由計算機自行控制調(diào)整，以保證豎轉(zhuǎn)提升過程提升千斤頂?shù)木d和同步。
3）通過施工過程監(jiān)控，對拱肋結(jié)構(gòu)、提升塔架、提升動力系統(tǒng)的安全狀態(tài)進行監(jiān)測。
在豎轉(zhuǎn)施工開始前，對拱肋、提升塔、承重桁架梁、提升吊點等主要構(gòu)件采用ANSYS結(jié)構(gòu)分析軟件進行工況應(yīng)力分析。根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果，在豎轉(zhuǎn)施工過程中結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力區(qū)安裝應(yīng)變片，進行施工全過程應(yīng)力狀態(tài)檢測。從而監(jiān)控豎轉(zhuǎn)施工全過程的結(jié)構(gòu)受力的安全性。同時，采用光電經(jīng)緯儀對提升塔的傾斜狀態(tài)進行監(jiān)控，并根據(jù)預(yù)先確定的提升塔最大允許傾斜值，對提升塔側(cè)傾值進行及時調(diào)整。對提升動力系統(tǒng)的油泵、油缸、提升千斤頂后錨盤、后背錨、穩(wěn)繩地錨、控制計算機均安排專業(yè)人員進行監(jiān)控，并保證監(jiān)控崗位與提升總指揮間的通信暢通。
4）完成豎轉(zhuǎn)提升設(shè)備的安裝、調(diào)試及空車試運轉(zhuǎn)后，進行提升索和后背索的初張拉。然后解除拱肋拼裝過程中對拱肋和轉(zhuǎn)鉸軸的全部約束。拱肋豎轉(zhuǎn)提升加載按照20%、40%、60%、80%、90%、100%分級加載。加載過程中根據(jù)對提升塔加載后傾斜值的觀測，及時調(diào)整后背索張緊力，以保證提升塔傾斜值在計算設(shè)定值范圍內(nèi)。
5）提升千斤頂加載至設(shè)計載荷，將拱肋提升至全部脫離拼裝支架，懸停24h。拱肋懸停期間，按專業(yè)分組進行豎轉(zhuǎn)系統(tǒng)各部分的安全檢查。在各專業(yè)組的檢查結(jié)果確認一切正常，由現(xiàn)場總指揮確認正式豎轉(zhuǎn)提升。
6）拱肋豎轉(zhuǎn)提升接近合攏位置時，采用全站儀對拱肋合龍口處的定位點三維坐標進行觀測，將提升控制改為人工控制，按設(shè)計合龍位置進行微調(diào)，實現(xiàn)拱肋吊裝合龍。由于豎轉(zhuǎn)施工定位準確的特點，合龍段長度僅為400mm,從而便于合龍口的調(diào)節(jié)和安裝工作在較短的時間完成。
7） 合龍口的焊接定位應(yīng)嚴格按照規(guī)定的施工程序進行，在焊接定位前，先在弦管內(nèi)部采用高強螺栓定位夾板連接和緊固，保證合龍段與接口兩側(cè)拱肋弦管壁的緊密貼合，同時，定位連接螺栓應(yīng)滿足傳遞合龍期間拱肋因環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力，以保證合龍段與拱肋間焊接在無應(yīng)力狀態(tài)下進行。完成合龍段安裝后，搭設(shè)焊接防風(fēng)棚，將合龍段整體封閉，再進行合龍焊接。先焊接合龍段與一側(cè)拱肋弦管間接口，另一側(cè)為自由端。在完成一側(cè)合龍口的焊接后，再焊接另一側(cè)合龍口。所有合龍口的焊接均應(yīng)遵循對稱施焊、同規(guī)范焊接的原則。焊接過程按工藝要求進行焊縫區(qū)域的預(yù)熱、保溫和焊后緩冷。
8）拱肋合龍焊接完成后24h進行超聲波及射線無損檢測。焊縫檢查合格后，安裝、焊接合龍口處的腹桿和綴板。完成全部焊接及檢驗工作后進行拱肋卸載。然后拆除吊耳、吊索、提升千斤頂和提升塔架。測量拱肋卸載后線形。施工轉(zhuǎn)入拱肋內(nèi)部混凝土頂升工序。
5 小 結(jié)
采用豎轉(zhuǎn)提升施工法，完成了跨度200m，重2223t，拱肋矢高50m的鋼管桁架式提籃拱的安裝。該施工法簡化了大跨度重型桁架拱結(jié)構(gòu)高空拼裝作業(yè)的工作量和施工難度，降低了施工成本，減少了高空吊裝施工的安全隱患，降低了焊接作業(yè)的難度，縮短了工期。在施工前，采用計算機進行施工仿真技術(shù)和結(jié)構(gòu)分析軟件，進行了縝密的結(jié)構(gòu)計算與工況分析。在施工過程中，建立計算機網(wǎng)絡(luò)控制和實時監(jiān)控，對施工全過程進行控制和監(jiān)測，保證了拱肋豎轉(zhuǎn)過程的安全、順暢，實現(xiàn)了鋼拱肋最終精確合龍。
（1.河北金環(huán)鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司，石家莊050001；2.石家莊市張石高速公路籌建處，石家莊050001）
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