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摘要：本文通过对锡北线东庄大桥系杆拱主桥拱肋预制和吊装施工过程的分析，总结了系杆拱拱肋施工的相关技术要求。
关键词：拱肋预制；吊装；半刚性接头
1 引言
对于系杆拱桥，当采用预制装配构件成桥时，拱肋需要在预制场进行分段预制，然后再进行安装。拱肋接头可采用湿接头或半刚性接头。采用湿接头施工时，将预制好的拱肋按照设计坐标分段放置在支架上然后浇注湿接头混凝土，待混凝土达到设计强度后拆除模板支架使拱肋成拱。采用半刚性接头施工则是在拱肋预制时将湿接头中的核心部分一起预制好，拱肋在安装合龙时，拱肋接头就能承受轴向压力。采用半刚性接头拱肋预制主要控制拱肋轴线、接头平整度、拱肋分段预制长度；吊装主要控制支架稳定性、接头连接和横向稳定。
2 工程概况
锡北线东庄大桥位于锡北线航道上，是无锡市惠山区跨锡北运河连接锡山区的一座桥梁，该桥全长256.08m。桥梁主跨为下承式预应力混凝土系杆拱系杆拱桥，全宽10.4m，系杆拱拱肋矢跨比为1/5，矢高为13.64m，工字形肋，高1.4m，宽1.2m；系杆采用等截面箱梁，系杆高1.6m，宽1.2m；每片拱片设间距为5.2m的吊杆12根，采用LZM7-37型成品吊杆；每根系杆内设12束钢绞线，采用8Φs15.2mm；桥面系及所承受的活载通过中横梁传给吊杆，然后通过吊杆传递给拱肋和系杆。
3 拱肋施工方案
拱肋采用预制拼装法施工，每侧拱肋除端块件外分三段——边段、中段、边段，进行预制，拱肋接头采用半刚性接头，接头处设置接头钢板。为方便运输，拱肋预制选在离桥址不远的一处平整场地内，场地临近河道，在拱肋预制好后采用浮船将拱肋块件吊运至搭好的支架上进行拼装。
拱肋预制采用平卧叠浇法施工，支架采用钢管贝雷梁支架系统。拱肋安装前先将拱脚、系杆、横梁安装到位，安装拱肋时先安装边段拱肋再安装中段拱肋，拱肋安装好调整好中线后浇筑接头混凝土，两片拱肋合龙成拱后立即安装风撑，然后逐步拆除横向稳定风缆。
4 拱肋施工控制要点分析
拱肋施工分为预制和吊装两个部分。拱肋预制施工控制要点为拱肋线形控制及半刚性接头装配件控制，吊装施工控制要点为前期支架搭设和吊运、安装对接控制。
拱肋预制期间的线形控制是保证拱肋后期拼装时能否准确对接以及拱肋成拱后线形能否满足设计抛物线形的关键，也是拱肋在桥梁后期承受荷载时能否满足使用要求的前提因素。拱肋采用半刚性接头，接头钢板安装位置是否准确、钢板表面是否垂直于拱肋轴线直接影响到拱肋拼装时接头对接德严密性，增加处理难度。
5 拱肋预制
采用半刚性接头拱肋预制时对拱肋的线形控制和接头钢板安装位置及钢板平整度控制要求极高。拱肋各节段预制时必须满足足够的精度才能保证拱肋拼装时接头能够精确对准，保证拱肋成拱后各段拱肋轴向压力处于同一轴线上。根据场地空间大小以及为了保证各段预制构件尺寸一致，拱肋预制采用平卧叠浇法，一侧拱肋各分段按成拱后轴线形式同时立模浇注混凝土，待混凝土达到一定强度后在其上铺设混凝土隔离物，然后浇注另一侧拱肋，待拱肋混凝土强度达到吊装要求后，分段进行吊装。
5.1现场放样
现场采用全站仪进行放样，正式放样前，需要利用计算机绘制好拱圈模型。由于设计提供的拱圈坐标点位密度有限，且点位不一定落在施工过程中的排架立柱中心点，施工参考价值不大，所以在正式放样前，我们以拱点为基点，按1.3m间距重新划分拱跨方向的X轴间距。根据拱轴线方程和设定0.05m预拱度，利用电子表格软件实现拱轴线坐标的计算，然后利用AutoCAD软件按照计算出的坐标绘制多段线，生成拱轴线模型。
拱轴线模型建立好后，在硬化好的场地，立用坐标法进行现场放样。放样过程中做好边界控制标记，尤其是拱肋接头钢板位置，需保证两段拱肋接头处钢板表面平行。
5.2绑扎钢筋、安装接头钢板
现场放样结束后，根据放样标记，在现场绑扎拱肋钢筋，钢筋绑扎时，首先控制好拱肋外缘钢筋骨架位置，确保钢筋位置准确，骨架尺寸满足要求，绑扎过程中严格控制钢筋骨架垂直度。在绑扎钢筋时，同时安装半刚性接头钢板。接头钢板采用2cm厚钢板，钢板与结构钢筋焊接牢固，钢板四周设置钢板固定角撑，并预留直径3cm螺栓孔。两相邻分段预制拱肋接头钢板在安装时保证密贴，并将接头钢板螺栓拧紧，以保证拱肋在预制过程中，各分段间轴线一致，提高安装精度。
5.3安装模板、浇注混凝土及混凝土养护
拱肋模板采用竹胶板模板，模板分块制作尺寸按照拱肋轴线放样坐标尺寸确定，模板加固采用拉杆和弧形背肋。拱肋混凝土采用C50高性能混凝土，采用漏斗吊装入模，混凝土施工时主要控制振捣过程，确保拱肋混凝土密实，特别是接头处的混凝土密实，混凝土振捣过程由专人看护模板，防止跑模，混凝土振捣工在振捣时应特别留意接头处的振捣，在保证混凝土密实要求时，还不能碰撞接头钢板，以免引起钢板错位。各分段拱肋立模、浇注混凝土同时进行。
拱肋混凝土浇注完成后，按照要求及时养护，14天内混凝土表面始终保持湿润。拱肋混凝土终凝后立即松开接头钢板对接螺丝，让拱肋混凝土浇注后自由收缩。
6 拱肋安装
拱肋强度达到设计强度的100%后开始安装。先安装拱肋边段，再安装拱肋中段，左右对称安装， 采用揽风绳横向固定拱肋，安装完风撑，浇注完半刚性接头外包混凝土，待混凝土强度达到设计要求后，再松开揽风绳，施工桥面板。
6.1支架搭设
支架由钢管支墩、工字钢纵横梁和贝雷梁组成，钢管采用φ480×8mm螺旋钢管，根据通航净空要求及预制构件分节长度，系杆以下设四个支墩，跨径布置为5.6m+13.8m+31.2m+13.8m+5.6m。支架搭设时，先搭设下部支架，待系杆、横梁安装完毕后再搭设上部拱肋支架。
钢管支墩主跨墩采用10根钢管，横向2根，纵向5根，横向间距为3m，纵向间距为0.8m，钢管入土深度为6m。支墩外侧设防撞钢管，入土深度为3m，南北两侧共沿支架布设8根。每个支墩钢管间由缀条连接。支墩顶横向、纵向分配梁采用I40b工字钢，临时通航净宽不小于26.7m，净高不小于7m，航道最高通航水位4.59m。
岸边支墩在陆上施工，河道内支墩将施工机械装载在浮船上驶入施工区域后进行施工。钢管桩施沉设备采用液压振动锤，钢管桩沉桩时，先用振动锤钳口夹住钢管一端，然后缓缓将钢管提起使其下端进入水中。待施沉钢管入水后，先使钢管进入预定位置，调整钢管使其竖向垂直并用铁钩、竹竿限位，然后开启振动锤，振动钢管使其缓慢下沉。钢管桩下沉过程中，钢管每下沉1m左右，采用经纬仪从两个互相垂直的方向控制钢管垂直度。
钢管桩沉桩时除了保证钢管垂直度外，钢管的入土深度也必须保证达到设计深度，钢管桩下沉施工前，先用竹竿探测水深，然后根据水深和钢管长度判断钢管桩入土深度。单根钢管一般不够长度，需要接长。钢管接长连接采用在接头处补充弧形钢板后进行焊接，钢管接长前，对钢管端头进行修整，将沉桩过程中端口撕裂部分予以割除。
为使各根钢管之间有效连接及传递剪力，提高其整体及局部稳定性，钢管之间竖向每隔1.5至3m设置一道[12槽钢缀条，缀条由横缀条和斜缀条组成，与钢管焊接后形成一道X型，横缀条间距为1.5m。
钢管桩打设完毕后，安装I40b工字钢分配梁。分配梁安装时，现在钢管桩顶隔开一个口子，放置横向工字钢，横向工字钢顶面放置纵向工字钢，工字钢接触面满焊连接。为提高工字钢承压能力，在工字钢支点处的腹板上两侧焊接横向加劲肋，加劲肋采用与工字钢腹板等厚的A3钢板，加劲肋与工字钢腹板焊接，与工字钢上下翼缘板顶紧不焊。分配梁采用汽车吊和小型浮船进行安装，分配梁安装好后，在分配梁上安装贝雷梁。
6.2 拱肋各支点设置
拱肋支架搭设完毕后，在支架顶设置拱肋临时支点，供拱肋吊装时放置。拱肋中段临时支点采用槽钢制作成箱型支架，支架上放置横向方木和楔形木块支撑拱肋，拱肋边段与中段接头处放置在支架顶横向工字钢上，与拱肋端块件接头处设置楔形钢垫块支撑。
支点制作安装时主要控制支点高度和放置位置，支点高度根据支架顶标高和拱肋轴线设计标高以及实测拱肋断面高度确定，支点放置位置采用全站仪进行坐标放样取得。拱肋底部与端块件接头处楔形钢垫块角度根据拱肋弧度进行计算后加工。
6.3吊装设备的选择
边段拱肋重约68t，中段拱肋重约125t，各拱肋段由浮吊船进行运输吊装。根据拱肋各段重量，我们选择150t浮吊船进行吊装作业。150t浮吊主船宽11m，长46m，船艏两侧各设两个浮箱，船艉两侧各设一个，浮箱宽6m、11m。根据150t浮吊起重负荷表，150t浮吊在水平仰角65度的条件下，作业半径为23m，起吊高度可达46.5m，起吊最大重量为132t。该河道一般水位高程4.59m，拱肋顶面最大高程为26.73m，距水面最大距离为22.14m, 150t浮吊可以满足起吊要求。
6.4吊装工具
正式吊装前，将吊装所需钢丝绳、卡环、绳卡、手拉葫芦等准备好，所有吊装工具均经过严格检验，确保质量合格。拱肋起吊采用钢丝绳捆绑起吊，捆绑起吊时对捆绑位置进行防护包装，以防损坏拱肋边角。
该桥起吊最大拱肋块件为拱肋中段，重约125t，四根钢丝绳捆绑，两点起吊。钢丝绳选择计算如下：
吊索水平夹角按α=60°，钢丝绳安全系数取K=8，折减系数C=0.82。吊索水平夹角为60°时，钢索受力为：
S=Q/Sinα×K/C=(1250/4/2)/0.866*8/0.82=1760.3KN
根据国标《重要用途钢丝绳》（GB/T 8918-2006），选用直径60mm纤维芯钢丝绳（公称抗拉强度为1870MPa），此钢丝绳的最小砍断拉力为2220KN，满足吊装要求。
6.5拱肋翻身
由于拱肋在预制场采用平卧现浇，拱肋装船前要在陆地翻身直立。拱肋翻身时采用六点起吊，构建顶部4个点，构件底部2个点。翻身起吊时，先水平起吊50cm左右，然后缓慢放松构件底部的副钩，进行空中翻身，放松副钩的同时缓慢提升主钩，以防止构件端部着地，直至完成翻身。拱肋起吊翻身后摆放在事先制作好的土牛胎拱架上，土牛胎利用编制袋装砂粒堆砌而成，应稳定坚实。
拱肋摆放好后，进一步检查构件几何尺寸及变形情况，并在支架上弹出构件纵横轴线的控制线，便于构件就位时与中心线对应。拱肋正式吊装前，在其上绑扎脚手架安全栏杆。
6.6拱肋起吊、安装
拱肋预制构件安装顺序为：先边段拱肋，再中段，安装按桥梁纵横轴线两两对称进行，横向对称两段构件就位后用钢管平撑连接，以增强横向稳定性。待拱肋合龙后，尽快安装风撑使其形成稳定结构。
拱肋吊装前对支点进行坐标、水准复测，待吊装拱肋下端事先绑好两根麻绳，上端距端部1m处系好揽风绳，拱肋到位后，由人工拉绳来调节拱肋横向位置。拱肋按照两点吊挂吊索，两吊点间距0.586L，离拱肋杆端0.207L，L为拱肋节段轴线长度。
首先吊装上游拱肋边段，当浮吊将拱肋吊至端块件处时，将与端块件连接的拱肋端部缓慢下落移动到位。下端先对准端块件上标记的中线位置，拉绳实现就位，揽风绳放松和收紧在测量观测下统一进行，随拱肋接头高程的升降而放、收。吊装过程中，利用全站仪和水准仪在观测台上进行跟踪观测拱肋上端和下端。收紧揽风绳保持浮吊原位不动，徐徐调整上下两吊索，精确调整拱肋中线和标高，将拱肋慢慢落座，在拱肋支架横梁上塞楔形钢垫块，将拱肋支撑牢固，楔形钢垫块与拱肋弧面之间误差可加垫木楔。拱肋中线和标高细微误差通过手拉葫芦和千斤顶进行细微调整。该节拱肋安装完成后上端头应比设计高出20mm，中线偏差不得超过10mm。拱肋安装完成后，为增强拱肋的稳定性，放置其向下滑移，应及时进行拱肋、拱脚接头处的钢筋及预埋钢板的焊接连接。
采用同样方法安装另一侧拱肋边段，然后进行拱肋中段的吊装。拱肋吊运至支架上方未就位时，用两台水准仪同时观测两端边段拱肋的上端高程，复核无误后，将中段拱肋徐徐下落至支架顶横向分配梁上，使两端边段拱肋头均匀下降，并与中段拱肋准确合龙，符合要求后将对接钢板采用螺栓拧紧连接，并将钢板之间焊接牢固，若接头钢板之间不够密贴，则将钢板三边先焊接封闭，然后从上面缝隙灌中灌环氧树脂或环氧水泥，若缝隙比较小则垫薄钢板进行填塞，处理好后将钢板四边进行焊接，螺栓拧紧。这样使整个拱肋连接形成整体后，则纵向稳定能得到满足。在安装过程中，要特别注意控制好每个接头的平面坐标及高程。
下游侧拱肋采取同样方法进行安装。拱肋安装好后，在拱肋上搭设钢管脚手架，防止施工人员坠落。拱肋吊装就位后，尽快安装连接半刚性接头外包混凝土钢筋，今早立模浇注接头外包混凝土。
拱肋合龙后尽早安装风撑，使拱肋有足够的横向稳定性。
7 几点体会
7.1预制施工
（1）采用预制后拼装施工工艺，对于台座放样精度要求很高，放样时先用绘图软件计算整体坐标，再用全站仪实地放样，最后用钢尺做直观复核，确保精度。
（2）预拱度需要按照设计预留，要确保线形符合设计。
（3）半刚性接头处钢筋及预埋接头钢板应加强处理，特别是接头钢板的平面位置必须保证两接头能顺利对接。
7.2安装施工
（1）支架必须有足够的承载力和稳定性。
（2）钢丝绳等吊具必须有足够的刚度，满足一定安全系数。
（3）由于拱肋采用平卧预制，吊装前要进行翻身摆放，该工况要进行验算，防止构件产生裂缝。
（4）构件安装时处于简支状态，支点需进行单独设计。
（5）构件安装时要根据计算预留预拱度，预拱度根据安装工况及成桥线形要求通过计算确定。安装预拱度应考虑拱圈自重产生的拱顶弹性下沉、拱圈温度降低与混凝土收缩产生的下沉、墩顶水平位移产生的拱顶下沉、拱肋支架在荷载作用下的弹性和非弹性变形、支架基础受载后的下沉。
（6）构件安装时需设置揽风绳，揽风地锚需坚实稳固。
8 结束语
钢筋系杆拱桥拱肋分段预制，采用半刚性接头安装施工方法已经在东庄大桥得到成功应用，充分保证了施工进度和工程质量，此文中所写的详细施工方法为类似工程提供了借鉴和参考。
参考文献：
[1] 任君. 大跨系杆拱施工技术.工程技术：全文版.2002(9)
[2] 陈宝春.钢管混凝土拱桥设计与施工.人民交通出版社.1999.9
论文作者:郭亚茜
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第20期
论文发表时间:2017/12/26
标签：钢管论文; 钢板论文; 混凝土论文; 支架论文; 工字钢论文; 轴线论文; 刚性论文; 《建筑学研究前沿》2017年第20期论文;