“提篮式”系杆拱桥主拱钢管1/2卧式预拼架设关键技术研究

李 军

（中铁上海工程局华海工程有限公司，上海 201101）

1 工程概况

江苏昆山城北大道跨太仓塘特大桥全长719 m（南北走向），跨径组合为10 m×30 m+30 m+110 m+30 m+8 m×30 m，主桥为三跨自平衡钢管混凝土“提篮式”系杆拱桥，主跨拱肋为钢管拱肋，边拱为钢筋混凝土拱肋，拱肋向桥梁内侧倾斜14°，如图1所示。

图1 主桥结构立面示意图

2 施工方案比选

传统的钢管拱桥拼装合龙工艺有以下三种：①斜拉扣挂合龙。此方法一般用于拱桥跨越山谷河流，受地形限制，不具备整体吊装或搭设架拼装合拢的条件，但安装过程繁琐、作业时间长、高空作业风险大、费用高。②架上拼装合龙。需搭设塔架，多用于不通航或航运量不大的河道及路上拱桥，费用较高。③浮吊吊装。分两种方法，第一单侧拱肋拼装为整体，拱桥部施加应力保证拱肋的形状，再用浮吊整体吊装，两侧吊装后安装横撑稳定，适用与垂直拱肋的拱桥、河道具备大吨位浮吊运吊的条件；第二是在水面宽阔的河道或湖面上，利用驳船分节拼装成1/2拱，搭设高塔，先安装拱脚，利用塔顶的张拉设备施加应力，完成竖向转体合龙，这一方法需搭设塔架，费用较高。

基于以上各方法的特点及本工程的工况，笔者设计了双侧（南北）1/2拱肋卧式整体预拼、浮吊吊运、竖向转体合龙的方案。技术简单、质量可靠、安全风险低、工期短、费用低。

3 关键技术

施工中的主要工艺流程：预制场地主跨拱肋1/2卧式预拼—平移至驳岸边—浮吊起吊、竖向旋转、拱脚就位—空中对接合龙。其中最关键的技术是将拱肋的高度降低，在预制场内进行预拼。

3.1 主跨拱肋预拼

3.1.1 主跨拱肋拼装控制坐标系统

3.1.1.1 坐标转换

主跨拱肋的线型控制是以每米设空间三维坐标点，拱肋四个弦管的顶端点和底端点以及拱肋轴线上均以每米设立三维坐标，并列出拱肋特征截面坐标表，审核设计拱肋控制坐标，做到理论上精确，严格控制拱肋制作和拼装线型精度，如图2、图3所示。

图2 坐标轴示意图

图3 坐标点清示意图

此坐标示意为理论上主跨拱肋制作和拼装合龙的控制要点，但是在主跨拱肋拼装场地分段组合拼装成两个半跨拱肋，考虑到主跨矢高为28 m，如果按主拱肋合龙坐标系统在场地做架拼装，拱顶架高度将达到30 m左右，架过高在拼装吊装施工过程中大大增加了施工难度和不安全因素。为了降底施工难度，最大限度地降低不安全因素，最好的方法就是将主跨拱肋合龙坐标系进行转化。坐标系统转化的主导思想是以原主拱合龙坐标系的拱顶横截面（坐标原点就是横截面的中心）为轴，两个拱脚向上旋转，让拱脚轴线端点旋转到与拱顶轴线端点同一水平面后停止，其旋转角度a=arctg（f/2L，f为矢高，L为跨度）。在坐标系旋转的过程中，从主跨的投影可以明显得知Z值不变，只有X、Y值改变，如图4所示。

图4 示意图

参见图4计算模型简图所示，主跨拱肋拼装坐标系内各点坐标值与主跨拱肋合龙坐标系的转化公式如下：

由此，可得知主跨拱肋的1/4处旋转后在拱肋的拼装坐标系内成为半跨拱肋拼装时的拱顶，此处架为最高，比矢高降低3倍左右。这样就解决了因架过高而造成的吊装施工难度，大大提高了架的稳定性。

3.1.1.2 建立拼装坐标系

在拼装场地内建立设计坐标系的X轴线，以拱顶O点为起点，河南、河北两个半跨单独建立各自的拼装坐标系。南侧半跨按照设计平面坐标系X轴的一半进行导线布设，将导线点布于拼装场地以外进行拱肋的放样；北侧半跨将拱顶O点沿X轴向驳岸方向移动3～4 m，单独建立导线点进行放样。两个半跨均布设4个闭合导线点。

3.1.2 主跨拱肋拼装

主拱拱肋1/2卧式预拼在距离所承建桥址河岸边预制场进行预制，首先将主拱拱肋模拟到地面建立的拼装坐标，再根据主跨拱肋的挠度合理设置拼装支撑架，然后进行拱肋拼装。

为了预制方便和安全，令1/2拱顶、拱脚设置距离地面高度相等；由于拱肋为空间曲线，与支架顶面的接触理解为略有倾斜角的斜面；为了便于拱肋吊装需在拼装坐标系内，支架顶部不少于6个点（4个角点和中间横断面2点）的三维坐标，通过分析和计算，主拱拱肋正面投影平均为5个均等部分，设置6个受力点及相应拼装支撑架，如图5所示。

图5 半跨拱肋支架支撑示意图

3.1.2.1 支架受力分析

设置的原则一是要支架的强度必须满足需要，以保证施工过程的安全；二是要保证支架的稳定、保障预制肋的质量和精度。由于拱肋曲线半径比较大，支架设置间距比较小，在此拱肋节段可以看作是斜梁，选择计算模型适用于工程用材估算，如图6所示。

拱肋各内力计算公式参见如下公式：

图6 计算模型简图

拱肋支架支撑点（B）受力，如图7所示。

经分析支撑点（B）受力为竖向压力和水平推力，这就要求拱肋架设计时不但要充分考虑拱的竖向压力，而且还要考虑由于拱的形状、重量分布不均衡产生的水平方向的推力，防止出现拱肋落架后发生侧向倾覆危险。

图7 拱肋架支撑（B）点受力示意图

3.1.2.2 支架受力计算

支架荷载按照拱肋平均分布、拱肋横撑和附属施工结构部件设为集中荷载，同时考虑施工人员、机具荷载、横向风力等级。由于拱肋向桥位中心线有一定的倾斜角，在支架上拱肋的内侧做斜撑，防止出现侧倾覆危险。拱肋落架后，在拱肋外侧拉缆绳，加强拱肋的稳定性。本桥采用万能杆件拼装，其支架拼装大小和正投影面积，经强度和稳定性计算而定。

可由以下算式获得其他型钢做支架时的支撑立柱的荷载值：

式中：[N]——立柱轴向压力；

A——立柱面；

Ф——纵向弯曲系数；

[б]——立柱钢材屈服点强度（MPa）。

3.1.2.3 确定支架的高度

考虑到模拟坐标转换和施工操作的简捷、方便，拱肋支架的高度以拱顶与拱脚端的水平面相同且为最低点，其高度设置以人员操作和施工机具移动方便确定（H），即拱顶与拱脚端两端点连线的水平面在预制场地面以上H处。其他支架高度应是拱肋低端处，拱肋拼装坐标系内此点下弦管底端点的|Y|+H，如图5所示。

3.2 主拱肋平移至驳岸边

将预制完成的1/2主拱肋放置在平板车上，由卷扬机并与滑轮组组成牵引系统牵引、平移至驳岸，使左右幅主拱肋同时、匀速地移至驳岸，再由浮吊吊装就位，最大限度地减小主拱肋上的应力集中。

3.3 空中对接合龙

1/2主拱肋运至驳岸后，由四台浮吊吊起、竖向旋转、拱脚就位，与另外1/2主拱拱顶空中对接、合龙，如图8所示。

4 结束语

图8 浮吊吊起两侧1/2肋拱对接合龙

经过研究应用，得出该预拼架设技术的相关结论如下：卧式拼装的最大特点即降低拼装高度,将空中多节段拼装、焊接的误差最大限度地消化在陆地上，从而提高拱肋整体的拼装精度；充分利用水资源，减少了高空作业的时间和工序，降低了施工风险和作业难度；吊装方法简单易行，3～5天内即可完成吊运合龙，占用河道时间短；合龙误差小，质量可靠；节约了工程成本。水系发达的南方地区，更有利于本技术的推广应用。