6、三跨钢桁梁柔性拱桥分段拼装多次带拱顶推施工工法

三跨钢桁梁柔性拱桥 分段拼装多次带拱顶推施工工法

中铁四局集团有限公司

1.前言

钢桁梁柔性拱桥具有跨越能力强、动力性能好、桥面至梁底建筑高度小、成桥建筑美观、跨越既有公路或河流对交通干扰小等特点，小角度斜交跨越城市干道、高速公路、通航河流时，具有独特的优势，成为高速铁路大跨度桥梁中具有竞争力的主要现代结构形式之一。

合肥铁路枢纽南环线工程是沪汉蓉高速铁路的重要组成部分,其中经开区、南淝河两座特大桥设计均为小角度斜跨高速公路的钢桁梁柔性拱结构，如何保证在高速公路不间断行车条件下钢桁梁柔性拱施工中结构安全、施工安全及高速公路运营安全是本工程的技术难点。

经过科技攻关、专家论证，中铁四局集团有限公司首次对钢桁梁柔性拱桥采用分段拼装、多次带拱顶推的施工新技术，突破了传统的拱结构施工工艺，解决了大吨位、大跨度多点顶推架设和柔性拱拱脚合龙的技术难题。形成的科技成果通过安徽省科技厅鉴定，达到了国际领先水平；获得国家授权专利7项，其中“大跨度钢桁梁多点顶推系统及其顶推工艺（专利号 ZL 2010 10501988.7）”等2项为发明专利；获得优秀QC成果5项，其中“钢桁梁安装QC小组”荣获“2012年全国工程建设优秀QC小组活动成果一等奖”。通过该项目的工程实践，经总结形成本工法。

2.工法特点

2.1在边跨单端平台上集中拼装钢桁梁节段，实现桥位作业工厂化、标准化及机械化施工，保证了钢梁拼装质量及精度。

2.2通过模拟计算分析研究，科学合理的布设主跨辅助墩和优化长导梁设计，减少顶推最大悬臂时钢梁的应力和变形。

2.3顶推施工中，研究采用上滑道可置换、下滑道多节段间断布置的方式，创

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造性的解决了顶推过程上下滑道不连续的关键技术难题。

2.4采用移动式高度可调节的滑块，结合同步顶推系统和多点横向纠偏装置来实现多点顶推，保证成桥线形，使梁体受力合理。

2.5在高速公路限界外进行柔性拱和钢桁梁的同步拼装架设，钢桁梁带拱顶推，保证了高速公路运营及施工安全，降低了涉路施工风险。

2.6在单端短平台上方利用起顶装置竖向起顶下弦节点，调整钢桁梁线形，并在拱肋箱体内互顶合龙口，实现了柔性拱拱脚高精度合龙，避开了跨中合龙对高速公路运营的干扰，合龙作业操作方便。

3.适用范围

本工法适用于跨越公路、铁路、河流、深谷的大跨度钢桥架设，对其他领域大型构件的整体提升、顶推滑移等牵引作业也具有借鉴作用。

4.工艺原理

在边跨单端设置短平台，利用龙门吊进行钢桁梁分段拼装、调整成设计线形后，采用布置在各辅助墩上的移动式高度可调节滑块、多点纠偏装置和顶推同步控制等系列辅助顶推设备，实现钢梁的多点连续顶推前移。在钢桁梁顶推架设的同时，同步进行柔性拱的拼装架设，在拱未成体系时，钢桁梁多次带拱顶推。待柔性拱在拱脚合龙后，继续进行钢桁梁带拱整体顶推，直至全桥顶推就位，突破了先梁后拱的传统施工技术。钢桁梁分段拼装、带拱顶推工艺原理见图4。

图4 钢桁梁分段拼装、多次带拱顶推工艺原理图

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5.施工工艺流程及操作要点

5.1施工工艺流程

钢桁梁柔性拱桥分段拼装、多次带拱顶推施工工艺流程见图5.1所示。

施工准备 边跨单端平台和辅助墩施工 龙门吊安装 顶推装置布置 导梁安装 钢桁梁分段拼装、多点顶推 架梁吊机安装 梁、拱同步拼装，拱未成体系时钢桁梁带拱顶推 柔性拱拱脚合龙 柔性拱成体系，钢桁梁多次带拱整体顶推 全桥顶推到位 图5.1 施工工艺流程图

5.2操作要点

5.2.1 单端短平台和辅助墩施工

1.单端短平台施工。施工前结合现场施工条件，通过计算确定在边跨单端设置数个节间的钢管桁架结构的单端短平台，以供拼装和顶推施工，确保顶推抗倾覆的要求。平台基础采用钢筋混凝土桩基础，顶部设置箱型的滑道梁，滑道梁上安装顶推装置。边跨单端拼装平台示意图见图5.2.1-1。

2.跨中辅助墩施工。根据现场环境条件,在主跨两端设置1个节间长度的辅助墩，辅助墩结合跨越环境及减小钢梁的悬臂长度进行布置。为避免与高速公路发生

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干涉，辅助墩上部钢支架横断面设计成“V”字形。辅助墩示意图见图5.2.1-2。

5.2.2顶推装置布置 1.水平顶推装置布置

图5.2.1-1 边跨单端拼装平台示意图 图5.2.1-2辅助墩示意图

水平顶推装置采用机电液一体化设计,由机电液集成控制平台、水平连续千斤顶及液压泵站、钢绞线、C型反力座组成。为保证每套水平千斤顶的顶推连续，水平连续千斤顶由2台串联的穿心式液压千斤顶组成，当1台进行负载顶推动作时，另1台空载返回，准备进行千斤顶的负载转换，使顶推过程的钢桁梁处于连续的运动状态。水平顶推装置由左右两组千斤顶组成，设置在桥梁两侧，根据顶推摩阻力及支点位置选择顶推装置数量及千斤顶型号。全桥设3套水平顶推装置。千斤顶顶推力通过钢绞线和C形反力座带动钢梁前移。施工中应对钢绞线进行预张拉，以确保每股钢绞线受力均匀。

2.上、下滑道布置

钢桁梁只能节点受力，上滑道采用移动式高度可调节的铰接箱型滑块，底部镶嵌聚四氟乙烯板作为上滑道面。下滑道因高速公路阻隔不能连续布置，采取间断式布置，即在辅助支架的滑道梁顶面焊接不锈钢板面。四氟乙烯板与不锈钢板面作为滑动摩擦副，形成顶推滑移的上下滑道面，滑动面涂抹润滑脂。经过对顶推滑移工况的统计分析，启动静摩擦系数为0.08，滑动摩擦系数为0.05。

3.竖向起顶装置布置

竖向起顶装置由竖向千斤顶和起顶保护装置组成。根据各顶推工况支反力结果，在各墩顶处布置了竖向千斤顶。每顶推一个节间，利用千斤顶在钢梁下弦设计起顶位置起顶，置换滑块，以备后续顶推。

4.纠偏装置布置

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在滑道梁两侧焊接横向限位挡块，限制滑块偏移，实现主动纠偏。当横向偏移超差时，利用纠偏装置实现强制纠偏。强制纠偏装置由横向反力座、横向千斤顶组成，在滑道两侧对称布置。千斤顶通过横向反力座施力于滑块，实现钢梁的横向偏差调整。

顶推装置平面布置见图5.2.2-1,顶推装置工作原理见图5.2.2-2。

图5.2.2-1 顶推装置平面布置图

图5.2.2-2 顶推装置工作原理图

5.2.3 导梁安装

1.为减小钢桁梁最大悬臂状态支点处负弯矩和前端挠度，在其前端设置钢导梁。导梁长度为钢桁梁最大悬臂长度的2/3，采用带竖杆的N型三角桁架，共8个节间。其主桁弦杆为箱形截面，上、下平面联结系及交叉型横联均采用“H”形截面。

2.为满足上墩需要，导梁前端预抛高，前端节点上翘，内嵌长行程液压千斤顶，预抛高值和上翘值之和大于最大悬臂工况时导梁前端下挠值（由工况计算确

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定）。导梁末端通过栓接节点与主桁梁连接。导梁示意图见图5.2.3。

图5.2.3 导梁示意图

5.2.4钢桁梁分段拼装、多点顶推施工工艺

1.在边跨单端平台上，利用龙门吊按照下弦→桥面板→竖、斜腹杆→上弦→桥门架→上弦平联的顺序进行钢桁梁分段拼装。通过滑块上部抄垫板调整以实现设计预拱度，控制整桥线形。

2.根据顶推架设工况，钢桁梁分段拼装一个轮次（数个节间长度）后，利用顶推装置多点顶推钢桁梁前移。

3. 根据工况支点反力及摩擦力计算，确定水平千斤顶的顶推力，利用控制台调整各千斤顶的油压值，使两主桁千斤顶的受力一致。

4.钢桁梁只能节点受力，每顶推一个节间后，根据各支点支反力，在钢梁设计起顶位置布置相应数量的竖向千斤顶，同时对两主桁钢梁下弦节点起顶，控制两侧高差不大于5mm，置换滑块移至后一个节点处，准备下一节间顶推,如此循环，直至一个轮次顶推完成。

钢桁梁分段拼装、多点顶推示意图见图5.2.4。

图5.2.4 钢桁梁分段拼装、多点顶推示意图

5.2.5拱未成体系时钢桁梁带拱顶推

1.突破了传统先梁后拱的施工工艺，首次采用了拱未成体系时,梁拱同步拼装,钢桁梁带拱顶推施工工艺，顶推工艺步骤如下：

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1）步骤一：柔性拱拱脚顶推至主跨跨中辅助墩时，在高速公路限界范围外架梁吊机在钢桁梁上方单向退步法开始架设柔性拱。施工步骤见图5.2.5-1。

图5.2.5-1步骤一示意图

2）步骤二：继续利用龙门吊架设钢桁梁，架梁吊机同步安装柔性拱，柔性拱未成体系时，钢桁梁带拱多次顶推架设。施工步骤见图5.2.5-2。

图5.2.5-2步骤二示意图

3）步骤三：继续钢桁梁带拱顶推架设，当导梁上边墩时，每向前顶推一个节间同时拆除一个节间钢导梁。在柔性拱拱脚处预留合龙口。施工步骤见图5.2.5-3。

图5.2.5-3步骤三示意图

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2.顶推工况采用大型软件模拟分析计算，对顶推过程中的主体结构、导梁及辅助墩进行受力验算，确保顶推过程中安全可靠。

3.为加强柔性拱的稳定性，对吊杆进行支撑加固。经过工况分析和受力计算在吊杆间纵横向设置临时支撑体系。为减少支撑体系对吊杆的损伤，创新的采用新型柔性拱支撑抱箍及支撑框架结构，并获得了两项国家专利（申请号：201120457755.6/201120457764.5）。柔性拱纵横向支撑体系示意图见图5.2.5-4～5。

图5.2.5-4 柔性拱纵向支撑布置图

图5.2.5-5柔性拱横向支撑布置图

4.柔性拱架设顺序为吊杆→吊杆间纵横向支撑体系→拱肋→拱平联。 5.2.6柔性拱拱脚合龙

1.对合龙工况进行模拟计算分析,利用边跨单端辅助支架平台系统多点调整钢桁梁线形，提前预测并调整开口值，实现了合龙口开口值预控，避免了接口对顶或

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对拉强制调整开口值的难题。合龙工况示意图见图5.2.6-1。

图5.2.6-1 柔性拱拱脚合龙工况示意图

2.采用数值仿真和全程监控技术，创新使用辅助支架系统多点起顶调整合龙口纵向位移、上下高差，通过接口对顶微调横向偏差，成功实现大跨度柔性拱一次性精确合龙,合龙起顶示意图见图5.2.6-2。

图5.2.6-2 合龙起顶示意图

5.2.7柔性拱成体系后，钢桁梁带拱整体顶推

1.柔性拱拱脚合龙,拱成体系后，拆除架梁吊机，继续利用跨线龙门吊拼装钢桁梁。

2.钢桁梁带拱整体顶推，同时拆除前端已上墩的导梁，如此循环直至全桥顶推至预定位置。柔性拱成体系后，钢桁梁带拱整体顶推示意图见图5.2.7。

图5.2.7 柔性拱成体系后，钢桁梁带拱整体顶推示意图

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5.3劳动力组织

劳动力组织情况表 表5.3

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 工种 架设工 起重工 起重司机 电焊工 测量员 安全员 电工 普工 合 计 所需人数 40 4 2 8 4 2 2 10 72人 备注 拼装架设 吊装指挥 起重吊装 焊接作业 测量 安全管理及监控 临电管理 辅助用工 6.材料与设备

6.1材料

本工法除主体结构材料外，主要为钢桁梁柔性拱桥拼装及顶推用临时结构材料，主要材料情况见表6.1。

主要材料情况表 表6.1

序号 项目 规格型号 单位 1 钢导梁 Q345B t 2 滑道梁 Q345B t 3 临时支架 Φ219～Φ1000mm，Q345B t 4 临时支架 Q235B t 5 桩基 C30水下 m3 6 承台 C30 m3 6.2机械设备

本工法采用的主要机械设备见表6.2。

主要机械设备情况表 表6.2

序号 1 2 3 4 5 6 7

数量 598 1112 1064 320 2685 1880 备注 设备名称 龙门吊机 架梁吊机 汽车吊 汽车吊 千斤顶 千斤顶 千斤顶 设备型号 MG60/16t-36m MQ60 QY200V QY50K-I QW630 QW1000 ZLD250-200 10

单位 台 台 台 台 台 台 套 数量 1 1 1 1 24 8 6 用途 钢桁梁安装 柔性拱安装 支架安装 支架安装 钢桁梁竖向起顶 钢桁梁竖向起顶 顶推千斤顶

8 9 10 11 千斤顶 电焊机 电动扳手 全站仪 200t NDR-500 AT15005LDFN TS02 台 台 个 台 4 6 10 2 纠偏千斤顶 桥面板焊接 高栓施拧 测量 7.质量控制

7.1质量执行标准

施工质量执行《高速铁路桥涵工程施工质量验收标准》（TB 10752-2010）、《钢结构工程施工质量验收规范》（GB 50205-2001）、《铁路钢桥制造规范》(TB 10212-2009)。

7.2质量控制措施

7.2.1成立以项目经理为组长的质量管理小组，建立质量保证体系，完善并落实各项质量管理制度，加强过程监控，确保施工质量符合要求。

7.2.2采用预拼装的架设方法，减少高空拼装架设工时，提高拼装质量。采用由下而上，先下平面，后立面，尽快形成闭合稳定的结构体系，然后安装上平面，左右两桁对称架设，避免偏载。

7.2.3委托第三方进行施工监控，对顶推架设过程中各工况的关键杆件应力及全桥线形进行监控，确保顶推架设的质量。

7.2.4钢导梁、滑道梁、辅助墩等辅助工程的加工、安装质量按照主体结构要求执行，并按规范进行验收。

7.2.5 采用数值仿真和模拟计算，比选优化柔性拱合龙操作方法，并对合龙前及合龙施工过程中的钢梁支点、合龙点等关键部位进行监控，确保合龙的精度。

8.安全措施

8.1成立以项目经理为组长的安全管理小组，建立安全保证体系，完善并落实各项安全管理制度，加强过程监控，确保安全可靠。

8.2钢桁梁安装开始前，对架梁使用的材料、工具、吊具、脚手板、梯子、安全带、安全网等进行验收合格后方能使用，并配足、配齐数量，机械经过试运转并试吊认可后使用。

8.3杆件拼装对孔时，采用冲钉和拼装撬棍的尖端探孔，严禁用手指伸进孔眼

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内检查，严禁用大锤猛击单个冲钉过孔，造成孔眼变形。平面拼装孔眼采用安全冲钉，防止冲钉坠落伤人。

8.4在移动架梁吊机前，先检查吊机的制动设备是否良好，各节点上的冲钉螺栓是否上足拧紧，确认后方可移动；停机的位置上安好止轮器，吊机到位后，将前后轮锚固，经专人检查合格签证后使用。停止架梁作业时，将吊钩升至最高位置或将吊钩挂牢、关闭总电源，并将转盘用钢丝绳揽紧。

8.5顶推作业前，对千斤顶、滑块、钢绞线、电气线路、油压表压力等进行过程监控，确保顶推安全。

8.6共同作用的多台千斤顶选用同一型号，用油管并联，油压千斤顶、油泵、压力表、油管长度力求一致，千斤顶、液压泵站、压力表一并配套校正。

8.7编制交通疏导专项方案，涉路施工严格按照方案进行交通疏导，并设置警示牌，禁止抛投物品，加强对涉路工程的安全隐患排查。

9.环保措施

9.1将施工场地和作业限制在工程建设允许的范围内，合理规划布置围挡，做到标牌清楚、齐全，各种标识醒目，施工场地整洁文明。

9.2施工作业产生的污水经过沉淀池沉淀，净化处理，符合要求后排放。废弃物中不得含有有毒有害物质，避免雨水冲刷后对地表、地下水造成污染。

9.3施工废弃物、生活垃圾总体规划、定点堆放、及时清运、集中销毁。 9.4优先选用先进的节能、环保机械，降低施工噪音，尽可能避免夜间施工。 9.5对施工场地道路进行硬化，经常对施工通行道路进行洒水，防止尘土飞扬，污染周围环境。

9.6 顶推的液压油、润滑油漆及时清理，在千斤顶附近设置专门的废油回收桶，拆卸下的油嘴立即密封，防止油污造成污染。

10.效益分析

10.1社会效益

10.1.1三跨钢桁梁柔性拱桥分段拼装多次带拱顶推技术先进，安全可靠性高，大型设备投入少；在单端短平台上集中拼装，工厂化效率高，有利于保证质量；多点调整钢梁线形，在高速公路限界外顺利实现柔性拱拱脚精确合龙，既缩短了施工

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周期，又消除了涉路施工的安全风险。

10.1.2由于施工进度快、安全质量可控，受到业主的一致好评，为我公司在桥梁钢结构领域树立了良好的信誉。

10.1.3本施工技术研究对今后的跨路、跨江、跨河的桥梁施工有较大的借鉴价值，并对其他领域大型构件的整体提升、顶推滑移等牵引作业具有广泛的参考意义。

10.2经济效益

10.2.1应用本工法，较传统的双向悬臂拼装，占地少，少建两个拼装场地，节省费用450万元。

10.2.2节省大型设备吊索塔架的租赁及安拆费用200余万元。

10.2.3由于该两座桥均小角度跨越高速公路，昼夜车流量均很大，本工法无需在高速公路上方施工，较其它施工方法节省高速公路防护费用500多万元。

11.应用实例

11.1合肥铁路枢纽南环线经开区特大桥钢桁梁柔性拱桥 11.1.1工程概况

经开区特大桥是沪汉蓉快速铁路引入合肥枢纽南环线的重点控制工程，结构形式为（114.75+229.5+114.75）m的下承式、等高度、连续、刚性桁梁柔性拱桥，全长461m。主桁采用带竖杆N型三角桁架，节间长度12.75m，其中边跨9个节间，中间跨18个节间，两桁中心距15m，桁高15m，拱肋采用圆曲线，矢高45m，矢跨比为1/4.5。全桥总重11500t，其主跨229.5m目前在国际同类型桥梁中主跨跨度最大。桥梁结构见图11.1-1～2。

151114.75229.5/245229.5/2114.751

图11.1-1 主桥结构立面图

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7.57.5159.481.352.27.964.62.21.3515

图11.1-2 主桥结构断面图

11.1.2施工情况

经开区特大桥濒临合肥市主城区，以26°小角度跨越合宁高速公路。高速公路车流量大，不能封闭施工，涉路施工安全风险极高，拱顶距地面高度达80m，拱肋稳定性要求高，柔性拱在高速公路上方合龙技术难度大。

中铁四局集团有限公司创新采用三跨钢桁梁柔性拱桥分段拼装多次带拱顶推技术，成功解决了施工的关键技术难题。该工程于2010年8月16日开工， 2012年11月26日竣工，质量、安全、经济等指标均达到了预期目标，获得了业主、监理和业内专家的一致好评。依托本工程成功承办了中国钢结构协会专家委员会2009～2011年度工作会议暨学术交流会和桥梁钢结构分会第八次学术年会，与会专家现场指导并给予高度评价。

11.2合肥铁路枢纽南环线南淝河特大桥钢桁梁柔性拱桥 11.2.1工程概况

南淝河特大桥是沪汉蓉快速铁路引入合肥枢纽南环线的重点控制工程，为下承式、等高度、连续、刚性桁梁柔性拱桥，主跨度229.5m，在国内外同类型桥梁中居于首位。桥址于里程DK452+295.6～DK452+416.1处跨越合宁高速公路（312国道）高架桥，与线路夹角27°。

11.2.2施工情况

根据跨越高速公路高架桥及周边环境的特点，施工中在边跨设置6个节间拼装

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平台，并在主跨高架桥两侧分别设置1个大型跨中辅助墩，减少顶推悬臂长度，并采用长导梁装置，采用三跨钢桁梁柔性拱桥分段拼装多次带拱顶推技术，成功解决了跨越高速公路不能封闭施工等关键技术难题，确保了桥梁结构及涉路施工安全。该工程于2010年9月8日开工，2012年12月20日竣工，质量、安全、经济等指标均达到了预期目标，获得了业主、监理和业内专家的一致好评。

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