不銹鋼管拱仰臥拼裝分段豎轉施工技術

  以某特大橋不銹鋼管拱施工為例，研究適應于艱險山區(qū)的拱橋施工方法。即在兩岸山坡順勢搭設支架，仰臥拼裝拱肋，設置扣拉索錨碇體系及轉鉸結構。具體為首先扳起上段拱肋與下段拱肋形成半拱骨架后，再次豎轉下放，先跨中合龍再拱腳固結，完成拱肋安裝。這種仰臥拼裝分段豎轉的施工方法，在本橋實踐中得到安全運用、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構，２條拱肋內傾6.8°，矢高82.416ｍ，共設20道內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，骨架結構（含轉鉸）質量約5000噸。拱上梁部結構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、分段豎轉總體布置

  根據(jù)橋梁結構特點和地形條件，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（方案２）及臥拼拱肋分段豎轉（方案３）３種方案。對３種方案進行綜合分析比選，在安全風險方面，方案３最?。辉谑┕べM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臥拼拱肋分段豎轉的施工方法。

  所謂“分段豎轉”，就是在兩岸順著山勢搭設支架，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鉸、拼裝上段拱肋并安裝扣拉索結構。豎轉時，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下放到位，采取先跨中合龍，再拱腳固結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，分段豎轉需要設置底鉸和中間鉸，底鉸可設置在拱座之上，拱座需承擔在豎轉過程中向江心側的推力。中間鉸的位置根據(jù)兩岸山坡角度及地形來確定，下段拱肋需設置錨固于岸側橋墩承臺的連接桿。在第一次豎轉過程中，連接桿的內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處設中間轉鉸，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處設中間轉鉸，下段拱肋后仰62°，上段拱肋再后仰58°。分段豎轉總體布置見圖。

三、分段豎轉關鍵技術

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

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)的廠內制造與預拼，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的山體上，大理岸采用挖孔樁基礎和承臺結構進行錨固。

2. 仰臥拼裝支架

  在兩岸分別布置仰臥拼裝支架，并在合適位置設置拱肋分段的中間轉鉸，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構及拉壓桿平臺等設置支架立柱，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生的不利影響，又避免了拼裝滿布支架時，支架基礎施工的困難，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，特別是底部轉軸與拱肋、中間轉鉸與拱肋的拼裝線形，均需在工廠內進行立體預拼裝，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

  分段豎轉中采用了能傳遞水平力的剛性拉壓連接桿，該結構與下段拱肋形成了一個空間穩(wěn)定的三角結構，為上段拱肋的豎轉提供強大的支撐，是分段豎轉工序中的關鍵結構。以大理岸為例，在２號承臺前方側面設置１組剛性拉壓連接桿，來承擔拱肋在豎轉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。在上段拱肋未豎轉扳起之前，該結構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過程中，會產生約5420KN的拉力和8520KＮ的壓力。該拉力通過拉壓連接桿傳至２號墩基礎之上，大理岸山體巖層較為破碎，２號墩基礎距邊坡約30ｍ，為了減少該力對橋梁基礎結構安全和山體穩(wěn)定的影響，在１號和２號墩之間設置柔性對拉裝置來共同承擔該拉力。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，在拱肋豎轉完成后進行拆除。大理岸柔性串聯(lián)錨固布置見圖。

5. 底部轉鉸

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

6. 中間轉鉸

  在拱肋分段位置處設銷軸式中間轉鉸結構，拱肋橫向共布置４個中間轉鉸，由上下支撐腿、連接鋼管、耳座和中間轉軸組成。為了保證拱肋在豎轉過程中靈活轉動、線形符合設計要求，通過以下方面來實現(xiàn)，以保證中間轉鉸的水平、同心、同軸：中間轉鉸的上下支撐腿作為拱肋的一部分，需與原拱肋共面布置；設一通長的上下連接鋼管以保證轉鉸的整體性、同軸性和受力均勻性；設置４鉸體系，很好地解決了橫風狀態(tài)下的整體穩(wěn)定，減少單鉸的設計荷載；在耳座轉動部位增加特硬高力黃銅軸承（表面硬度達到HB250，抗拉強度不小于800MPa，最大動承載150MPa），減少轉動摩擦，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)兩岸山體不同地質條件，選擇不同的錨碇結構形式，大理岸山體巖石較為破碎，采用樁基承臺的重力式錨碇結構，在錨碇前方的纜塔橫梁處設置轉向鞍座，扣拉索鋼束穿過錨體，經鞍座轉向后與拱肋相連。保山岸山體巖石除表層３ｍ厚存在破碎外，內部比較完整，使用巖錨結構體系較為安全，扣索通過鋼錨箱與錨碇內預埋的型鋼連接后再安裝扣索鋼鉸線，錨索采用預應力鋼絞線，錨孔直徑130ｍｍ，錨索前部自由段需穿過巖體裂隙層且應大于20ｍ，錨索尾部錨固段為12ｍ，每束設計張拉荷載為1350KN。隨著拱肋的轉動，扣拉索角度也隨之不停地變化，需在錨碇后方設置豎向預應力錨索，用于抵抗扣索對錨碇產生的傾覆力矩，豎轉錨碇結構示意見圖。

  大理側Ｍ1錨碇除了承擔該側拱肋下放時扣索的16360KN總拉力外，還承擔扳起保山側拱肋的5960KN總拉力。保山側錨碇分２個階段受力，第一次承擔大理側拱肋扳起的荷載為10200KN，第二次承擔保山扣索的7800KN總拉力，錨碇僅承擔保山扣索的7200KN總拉力。豎轉過程中對錨碇產生如此大的拉力，需要山體具有較高的穩(wěn)定性，經專業(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. 豎轉控制工況與扣拉索計算

  拱肋分段豎轉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；上段拱肋豎轉到位；半拱骨架扳起；半拱骨架下放到位。在豎轉過程中，拱肋重心隨著轉動不停地發(fā)生變化，找出拱肋的臨界狀態(tài)位置，采取安全索力控制、設置豎轉止推措施，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，半拱在扳起并轉動10.9°時，后方拉壓連接桿的內力即為０。通過有限元分析計算，拱肋及轉鉸在豎轉過程中的受力均滿足設計要求。

  豎轉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，各工作索在關鍵工況下的索力見表。在豎轉過程中，拉索與扣索動態(tài)同步控制是拱肋提升和下放的關鍵，特別是中間轉鉸在固結前后拱肋的變位、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，按每轉動５°來計算出各工作索的索力。在豎轉時，牽引索力由同步提升控制系統(tǒng)進行監(jiān)控，現(xiàn)場根據(jù)鋼絞線的拔出量或進入量進行直觀的校核。拉索和扣索鋼絞線單根設計張拉力控制在30～100KN以內，小于30KN時，需采取錨具夾片放松措施。豎轉工作選擇在風速較小的時段進行，先試轉并檢查牽引系統(tǒng)及轉鉸結構的安全，確保體系轉動靈活后再正式豎轉。瀾滄江特大橋拱肋采用仰臥拼裝分段豎轉的施工方案，該方案新穎獨特、結構受力明確、體系安全合理，在本橋實踐中得到了安全運用、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。