不銹鋼管拱仰臥拼裝分段豎轉(zhuǎn)施工技術(shù)

  以某特大橋不銹鋼管拱施工為例，研究適應(yīng)于艱險山區(qū)的拱橋施工方法。即在兩岸山坡順勢搭設(shè)支架，仰臥拼裝拱肋，設(shè)置扣拉索錨碇體系及轉(zhuǎn)鉸結(jié)構(gòu)。具體為首先扳起上段拱肋與下段拱肋形成半拱骨架后，再次豎轉(zhuǎn)下放，先跨中合龍再拱腳固結(jié)，完成拱肋安裝。這種仰臥拼裝分段豎轉(zhuǎn)的施工方法，在本橋?qū)嵺`中得到安全運用、實現(xiàn)了高精度合龍。

一、工程概況

   大瑞鐵路瀾滄江特大橋為主跨342米的上承式提籃拱橋，橋梁跨越Ｖ形深溝峽谷，兩岸山體陡峭，橋面距水面約270ｍ。橋梁拱肋為不銹鋼管勁性骨架外包混凝土結(jié)構(gòu)，２條拱肋內(nèi)傾6.8°，矢高82.416ｍ，共設(shè)20道內(nèi)包鋼桁架的混凝土箱梁橫撐。勁性骨架為外徑1ｍ的不銹鋼管，骨架結(jié)構(gòu)（含轉(zhuǎn)鉸）質(zhì)量約5000噸。拱上梁部結(jié)構(gòu)為不同跨徑的混凝土箱梁和拱頂π形剛架梁，橋式布置見圖。

二、分段豎轉(zhuǎn)總體布置

  根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點和地形條件，對拱肋的安裝施工，提出了斜拉扣掛拱肋節(jié)段懸拼（方案１）、豎拼拱肋整體豎轉(zhuǎn)（方案２）及臥拼拱肋分段豎轉(zhuǎn)（方案３）３種方案。對３種方案進(jìn)行綜合分析比選，在安全風(fēng)險方面，方案３最??；在施工費用方面，方案３略高于方案１，方案２最高，因此，最終采用方案３臥拼拱肋分段豎轉(zhuǎn)的施工方法。

  所謂“分段豎轉(zhuǎn)”，就是在兩岸順著山勢搭設(shè)支架，把半邊拱肋分成２段，下段拱肋仰臥拼裝后與水平剛性拉壓桿連接，形成穩(wěn)定三角支撐體系，然后在此支撐條件下安裝中間轉(zhuǎn)鉸、拼裝上段拱肋并安裝扣拉索結(jié)構(gòu)。豎轉(zhuǎn)時，先利用拉索扳起上段拱肋，并與下段拱肋合龍形成半拱骨架，隨后再將半拱骨架豎轉(zhuǎn)下放到位，采取先跨中合龍，再拱腳固結(jié)的順序完成拱肋的安裝。與常規(guī)的斜拉扣掛懸臂拼裝方法相比，分段豎轉(zhuǎn)需要設(shè)置底鉸和中間鉸，底鉸可設(shè)置在拱座之上，拱座需承擔(dān)在豎轉(zhuǎn)過程中向江心側(cè)的推力。中間鉸的位置根據(jù)兩岸山坡角度及地形來確定，下段拱肋需設(shè)置錨固于岸側(cè)橋墩承臺的連接桿。在第一次豎轉(zhuǎn)過程中，連接桿的內(nèi)力從最大拉力逐漸變?yōu)樽畲髩毫?，因此，錨固連接桿的橋墩承臺及山體，需具備抵抗該水平力的承載能力。方案３具體為：大理岸拱肋從拱腳向上69ｍ處設(shè)中間轉(zhuǎn)鉸，下段拱肋后仰65°，上段拱肋再后仰65°；保山岸拱肋從拱腳向上93ｍ處設(shè)中間轉(zhuǎn)鉸，下段拱肋后仰62°，上段拱肋再后仰58°。分段豎轉(zhuǎn)總體布置見圖。

三、分段豎轉(zhuǎn)關(guān)鍵技術(shù)

  分段豎轉(zhuǎn)體系形如在肘關(guān)節(jié)處設(shè)置中間支撐，前臂繞著肘關(guān)節(jié)上下轉(zhuǎn)動，其過程包含提升和下放２種狀態(tài)，該豎轉(zhuǎn)工法相應(yīng)的配套裝置與設(shè)施有：大跨度纜索吊機、仰臥拼裝支架與剛性拉壓連接桿、底部轉(zhuǎn)軸及中間轉(zhuǎn)鉸結(jié)構(gòu)、錨碇及扣拉索體系，以及豎轉(zhuǎn)動態(tài)同步控制施工技術(shù)。

１大跨度纜索吊機

本橋跨越峽谷，施工場地和運輸?shù)缆范际艿较拗?，拱肋在大理市區(qū)的廠內(nèi)制造與預(yù)拼，汽車運輸至大理岸橋臺附近平臺，利用纜索吊機安裝。纜索吊機額定起重量800KＮ，跨度698ｍ，最大垂度為55.84ｍ。共布置２組主索，每組主索為４根直徑60ｍｍ的鋼絲繩，每組索均安裝２臺200KN走行天車。纜索吊機主索保山岸采用巖錨直接錨固于該側(cè)的山體上，大理岸采用挖孔樁基礎(chǔ)和承臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行錨固。

2. 仰臥拼裝支架

  在兩岸分別布置仰臥拼裝支架，并在合適位置設(shè)置拱肋分段的中間轉(zhuǎn)鉸，拱肋后仰并順著山體在支架上散拼成骨架。按照兩岸山坡地形高度利用已有主體結(jié)構(gòu)及拉壓桿平臺等設(shè)置支架立柱，部分拱肋采用支架直接臥拼，部分拱肋直接懸臂拼裝，大理岸支架系統(tǒng)布置見圖。這種支架布置方式既減少了拼裝荷載對山體產(chǎn)生的不利影響，又避免了拼裝滿布支架時，支架基礎(chǔ)施工的困難，減少了拼裝支架的工程數(shù)量。拱肋分段在山坡支架上仰臥拼裝，其拼裝線形尤為重要，特別是底部轉(zhuǎn)軸與拱肋、中間轉(zhuǎn)鉸與拱肋的拼裝線形，均需在工廠內(nèi)進(jìn)行立體預(yù)拼裝，以此為現(xiàn)場的拼裝線形控制提供保障。

3.剛性拉壓連接桿

  分段豎轉(zhuǎn)中采用了能傳遞水平力的剛性拉壓連接桿，該結(jié)構(gòu)與下段拱肋形成了一個空間穩(wěn)定的三角結(jié)構(gòu)，為上段拱肋的豎轉(zhuǎn)提供強大的支撐，是分段豎轉(zhuǎn)工序中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。以大理岸為例，在２號承臺前方側(cè)面設(shè)置１組剛性拉壓連接桿，來承擔(dān)拱肋在豎轉(zhuǎn)過程中的拉力和壓力。剛性拉壓連接桿尾部錨固于２號墩承臺側(cè)面，中部支撐在３號墩承臺之上，前端懸臂伸出與下段拱肋頂部的耳座以鉸接相連。在上段拱肋未豎轉(zhuǎn)扳起之前，該結(jié)構(gòu)兼顧著上段拱肋拼裝支架的平臺主梁，剛性拉壓連接桿布置見圖。保山岸的拉壓桿布置原理與大理岸相同。

4. 柔性串聯(lián)錨固

  大理岸的上段拱肋在豎轉(zhuǎn)過程中，會產(chǎn)生約5420KN的拉力和8520KＮ的壓力。該拉力通過拉壓連接桿傳至２號墩基礎(chǔ)之上，大理岸山體巖層較為破碎，２號墩基礎(chǔ)距邊坡約30ｍ，為了減少該力對橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全和山體穩(wěn)定的影響，在１號和２號墩之間設(shè)置柔性對拉裝置來共同承擔(dān)該拉力。錨固索在橫橋向布置４束鋼絞線。在拱肋拼裝前，安裝并張拉對拉鋼束，單束張拉力為1000KN，在拱肋豎轉(zhuǎn)完成后進(jìn)行拆除。大理岸柔性串聯(lián)錨固布置見圖。

5. 底部轉(zhuǎn)鉸

   橋梁兩岸的拱座均位于半山腰處，為隧道式拱座基礎(chǔ)，拱肋底部轉(zhuǎn)鉸設(shè)置在拱座頂?shù)男泵嫔?。拱座在分層澆筑時，預(yù)留拱肋尾端不銹鋼管的孔洞，固定底部轉(zhuǎn)鉸的預(yù)埋板也隨混凝土一起澆筑。底部轉(zhuǎn)鉸系統(tǒng)為半接觸式鉸窩形式，由鉸座、鉸座預(yù)埋板、轉(zhuǎn)軸及鉸座扣鎖組成。鉸座為內(nèi)徑2200ｍｍ、外徑2200ｍｍ的鋼管，在管內(nèi)灌注微膨脹混凝土。在鉸座與轉(zhuǎn)軸的接觸面處灌注黃油以減小轉(zhuǎn)動摩擦。拱腳上下弦支撐桿與轉(zhuǎn)軸相連，支撐桿之間設(shè)置鋼板連接件，以增加拱腳的整體穩(wěn)定性。底部轉(zhuǎn)鉸安裝時，需保證上下游轉(zhuǎn)軸在同一水平線之上，豎轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鉸示意見圖。

6. 中間轉(zhuǎn)鉸

  在拱肋分段位置處設(shè)銷軸式中間轉(zhuǎn)鉸結(jié)構(gòu)，拱肋橫向共布置４個中間轉(zhuǎn)鉸，由上下支撐腿、連接鋼管、耳座和中間轉(zhuǎn)軸組成。為了保證拱肋在豎轉(zhuǎn)過程中靈活轉(zhuǎn)動、線形符合設(shè)計要求，通過以下方面來實現(xiàn)，以保證中間轉(zhuǎn)鉸的水平、同心、同軸：中間轉(zhuǎn)鉸的上下支撐腿作為拱肋的一部分，需與原拱肋共面布置；設(shè)一通長的上下連接鋼管以保證轉(zhuǎn)鉸的整體性、同軸性和受力均勻性；設(shè)置４鉸體系，很好地解決了橫風(fēng)狀態(tài)下的整體穩(wěn)定，減少單鉸的設(shè)計荷載；在耳座轉(zhuǎn)動部位增加特硬高力黃銅軸承（表面硬度達(dá)到HB250，抗拉強度不小于800MPa，最大動承載150MPa），減少轉(zhuǎn)動摩擦，提高軸孔間的配合公差，增加鉸座銷孔的承壓面積。

7. 錨碇體系

   拱肋豎轉(zhuǎn)的提升與下放，是通過連續(xù)千斤頂對拉索與扣索施加拉力來實現(xiàn)的，其拉力最終傳遞到兩岸的錨碇之上。根據(jù)兩岸山體不同地質(zhì)條件，選擇不同的錨碇結(jié)構(gòu)形式，大理岸山體巖石較為破碎，采用樁基承臺的重力式錨碇結(jié)構(gòu)，在錨碇前方的纜塔橫梁處設(shè)置轉(zhuǎn)向鞍座，扣拉索鋼束穿過錨體，經(jīng)鞍座轉(zhuǎn)向后與拱肋相連。保山岸山體巖石除表層３ｍ厚存在破碎外，內(nèi)部比較完整，使用巖錨結(jié)構(gòu)體系較為安全，扣索通過鋼錨箱與錨碇內(nèi)預(yù)埋的型鋼連接后再安裝扣索鋼鉸線，錨索采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨孔直徑130ｍｍ，錨索前部自由段需穿過巖體裂隙層且應(yīng)大于20ｍ，錨索尾部錨固段為12ｍ，每束設(shè)計張拉荷載為1350KN。隨著拱肋的轉(zhuǎn)動，扣拉索角度也隨之不停地變化，需在錨碇后方設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力錨索，用于抵抗扣索對錨碇產(chǎn)生的傾覆力矩，豎轉(zhuǎn)錨碇結(jié)構(gòu)示意見圖。

  大理側(cè)Ｍ1錨碇除了承擔(dān)該側(cè)拱肋下放時扣索的16360KN總拉力外，還承擔(dān)扳起保山側(cè)拱肋的5960KN總拉力。保山側(cè)錨碇分２個階段受力，第一次承擔(dān)大理側(cè)拱肋扳起的荷載為10200KN，第二次承擔(dān)保山扣索的7800KN總拉力，錨碇僅承擔(dān)保山扣索的7200KN總拉力。豎轉(zhuǎn)過程中對錨碇產(chǎn)生如此大的拉力，需要山體具有較高的穩(wěn)定性，經(jīng)專業(yè)單位的分析和評估，在錨碇受拉作用下，山體的穩(wěn)定、錨碇區(qū)邊坡穩(wěn)定及錨碇受力均滿足施工要求。

8. 豎轉(zhuǎn)控制工況與扣拉索計算

  拱肋分段豎轉(zhuǎn)包含拱肋提升和下放２種狀態(tài)、４個控制工況：上段拱肋初始扳起；上段拱肋豎轉(zhuǎn)到位；半拱骨架扳起；半拱骨架下放到位。在豎轉(zhuǎn)過程中，拱肋重心隨著轉(zhuǎn)動不停地發(fā)生變化，找出拱肋的臨界狀態(tài)位置，采取安全索力控制、設(shè)置豎轉(zhuǎn)止推措施，確保拱肋在臨界狀態(tài)時具有足夠的安全穩(wěn)定性。在第１次豎轉(zhuǎn)到位時，上段拱肋重心位于中間鉸前方3.52ｍ，即重心向前偏轉(zhuǎn)3.31°，此時，扣拉索和拉壓連接桿均參與受力；在半拱成型后，拱肋在第２次扳起時，半拱重心位于底鉸后方16.22ｍ，即重心向后偏轉(zhuǎn)10.9°，如果忽略拱肋骨架在豎立狀態(tài)時彎曲變形對拉壓連接桿的影響，半拱在扳起并轉(zhuǎn)動10.9°時，后方拉壓連接桿的內(nèi)力即為０。通過有限元分析計算，拱肋及轉(zhuǎn)鉸在豎轉(zhuǎn)過程中的受力均滿足設(shè)計要求。

  豎轉(zhuǎn)用拉索位于拱肋下弦，扣索位于拱肋上弦，扣拉索的牽引端通過鋼錨箱錨固于錨碇之上，半拱拱肋設(shè)置１組拉索，２組扣索，每組扣拉索均為４束鋼絞線，各工作索在關(guān)鍵工況下的索力見表。在豎轉(zhuǎn)過程中，拉索與扣索動態(tài)同步控制是拱肋提升和下放的關(guān)鍵，特別是中間轉(zhuǎn)鉸在固結(jié)前后拱肋的變位、上下層扣索參與受力與退出工作的時機、上下段拱肋在連接前后因構(gòu)件重心變化引起的索力變化，均通過空間建模計算分析，按每轉(zhuǎn)動５°來計算出各工作索的索力。在豎轉(zhuǎn)時，牽引索力由同步提升控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，現(xiàn)場根據(jù)鋼絞線的拔出量或進(jìn)入量進(jìn)行直觀的校核。拉索和扣索鋼絞線單根設(shè)計張拉力控制在30～100KN以內(nèi)，小于30KN時，需采取錨具夾片放松措施。豎轉(zhuǎn)工作選擇在風(fēng)速較小的時段進(jìn)行，先試轉(zhuǎn)并檢查牽引系統(tǒng)及轉(zhuǎn)鉸結(jié)構(gòu)的安全，確保體系轉(zhuǎn)動靈活后再正式豎轉(zhuǎn)。瀾滄江特大橋拱肋采用仰臥拼裝分段豎轉(zhuǎn)的施工方案，該方案新穎獨特、結(jié)構(gòu)受力明確、體系安全合理，在本橋?qū)嵺`中得到了安全運用、拱肋實現(xiàn)了高精度合龍，可為今后山區(qū)不銹鋼管拱橋的施工提供借鑒和參考。