无风撑斜靠式拱肋安装及线型控制关键技术(1) - 图文

2010年度优秀科技论文（技术总结） 无风撑斜靠式拱肋安装及线型控制关键技术

无风撑斜靠式拱肋安装及线型控制关键技术

【内容提要】以往已建的无风撑钢管拱肋均利用落地临时墩拼装、或利用浮吊整体安装，本文以最大跨度的无风撑斜靠式钢管拱桥拱肋安装为例，总结了大跨度无风撑斜靠式拱肋的悬臂拼装及线型控制关键技术，对同类似工程施工有参考价值。

【关键词】 无风撑 拱肋 安装

1. 工程概况

潮州市韩江北桥跨越韩江，道路等级为城市主干道，双向六车道。主桥为五跨连续钢管混凝土系杆拱桥，跨度组合为:11m+C跨(85m)+B跨(114m)+A跨(160m)+B跨(114m)+C跨(85m)+11m。

图1 桥型总体图

主桥拱肋为无风撑斜靠式结构，上游、下游拱肋对称布置，全桥五跨共10片拱肋，每片拱肋由哑铃型竖拱与单管斜拱通过无缝钢管连成不对称的三角组合结构，且三角结构由拱顶往拱脚渐变增大(空间渐变三角组合结构)。

竖拱钢管竖拱钢管连接管加劲环腹板加劲角钢斜拱钢管竖拱钢管拱脚附近横断面图斜拱钢管竖拱钢管拱顶附近横断面图连接管腹板

图2 无风撑斜靠式拱肋

2. 工程特点

2.1 以往已建的无风撑钢管拱肋均利用落地临时墩拼装、或利用浮吊整体安装，而本桥跨越韩江流域，受桥下通航制约、洪水台风的侵袭、上下游水库水闸的限制，常规方法难于满足施工要求。

2.2本桥为无风撑拱桥，拱肋为不对称的三角组合结构，裸拱肋安装后，在后期荷载作用下拱肋线形会逐步往桥中心线方向倾斜(内倾)，设计上除了按常规拱桥一样设拱肋面内预拱度(竖向)，还设计了面外预拱度(外倾)，以此尽可能抵消拱肋内倾变形值，有利于保证拱肋稳定，但也因此导致了拱肋施工安装难度大，安装定位精度要求较高。

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3. 拱肋悬臂拼装方案比选

针对本桥拱肋的结构特点，并结合桥址处的地形地质水文环境，对落地临时墩支撑方案、塔上张拉悬拼方案、塔下张拉悬拼方案进行综合比选，最终确定钢管拱肋的安装采用塔下张拉悬拼方案，并利用主桥承台作为扣索的地锚，该方案不仅节省了大量临时地锚工程量，而且可以避免受桥下通航和洪水的影响。

3.1.1 第一种方案为临时墩支撑

即在拱肋节段的接头附近打钢管桩、搭设临时墩支撑拱肋，在支墩顶部利用千斤顶和倒链调整拱肋线形。西岸B跨拱肋下方为韩江主航道(航道净宽要求不小于75m)，西B跨的临时墩占用航道，需要临时改变航道(A跨下方水域的净宽和水深满足临时通航)，待西B跨安装完后再恢复航道。

优点：(1)方便调整拱肋线形，可以有效缩短拱肋空中定位时间；

(2)临时墩材料为常规钢材，施工后材料利用率高。

缺点：改变航道不同于陆地道路改移，临时改变航道需要省级相关部门审批同意，而相关部门最终是否同意改变航道还无法确定，即存在政策不确定性。

IV段III段II段I段合拢段IV段III段II段I段临时墩临时墩图3 临时墩支撑方案示意图 3.1.2 第二种方案为塔上张拉悬拼 即在主墩上搭设扣塔，利用钢绞线对拱肋进行空中斜拉扣挂，在扣塔上安装张拉平台，通过直接张拉扣索调整拱肋线形(侧向缆风绳配合调整)，张拉后锚索平衡扣索水平分力(避免影响拱肋线形，并确保扣塔的稳定)。

扣索与后锚索分离IV段III段II段扣索I段张拉平台后锚索

图4塔上张拉悬拼方案示意图

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优点：(1)不占用航道，除西B跨拱肋起吊时短暂封航外，其它时间不影响航道通行；

(2)扣索与后锚索在塔上张拉平台处分离独立，操作时调整索力明确； (3)不需要索鞍，只需要简易扣锚索锚固平台（兼作施工人员操作平台)； (4)通过调整后锚索的索力基本实现扣塔的平衡，不需要额外增加平衡索。 (5)直接张拉扣索和后锚索，不需要增加精轧螺纹钢张拉转换系统。

缺点：(1)全部张拉作业均需要在扣塔平台上操作，属高空作业，有不确定的安全因素;

(2)需要在每层张拉平台上设置张拉千斤顶，数量较多，如要倒用，必然消耗时间; (3)塔上平台操作空间比较小，采用群锚千斤顶装拆不易，夹片锚须采用自动工具锚，锚索 要多次调索张锚，容易对钢绞线产生损伤，要求夹片的握裹安全性绝对可靠，而且对工 人的操作水平要求高。

3.1.3 第三种方案为塔下张拉悬拼

即在主墩上搭设扣塔，利用钢绞线对拱肋进行空中斜拉扣挂，在承台处设精轧螺纹钢张拉转换系统，通过转换系统间接张拉扣索调整拱肋线形，侧向设置缆风绳配合调整线形。实际上，第三种方案与第二种方案基本相同，主要不同之处在于扣索与后锚索分离，张拉平台位于塔架上(兼有扣锚索锚固平台和施工人员操作平台的作用)。

优点：(1)不占用航道，除了西B跨拱肋起吊时短暂封航外，其它时间不影响航道通行；

(2)在承台处张拉作业，不存在高空作业的风险；

(3)借助张拉转换系统，通过张拉精轧螺纹钢来调整线形，操作方便快捷； (4)张拉作业点集中，全桥仅需八套千斤顶便可完成调整作业，避免张拉设备频繁搬运

而影响进度。

缺点：(1)扣索与后锚索是共用同一根钢绞线，扣索绕过扣塔，前后角度不对称必然对扣塔作用

一定的水平力，需要增加平衡索以尽可能抵消水平分力，避免扣塔变形过大影响拱肋 线形的调整；

(2)需要在扣塔上增加索鞍，以便扣索圆顺过塔架； (3)需要在承台处增加精轧螺纹钢张拉转换系统。

平衡索IV段III段II段扣索I段索鞍扣索(后锚索)张拉转换系统图5 塔下张拉悬拼方案示意图 第3页共10页 2010年度优秀科技论文（技术总结） 无风撑斜靠式拱肋安装及线型控制关键技术

4．拱肋悬臂拼装系统(塔下张拉体系)

塔下张拉扣挂体系主要包括扣塔基座、扣塔塔架、索鞍平台、扣锚索系统、张拉转换系统、平衡系统组成。 4.1 扣塔基座

塔架以预埋在主墩内的工字钢做基础，工字钢基础与扣塔立杆通过“十”字型钢板以螺栓连接。 4.2 扣塔塔架

扣塔用万能杆件拼装成门式结构，其中Z3(Z4)墩扣塔高度为40m（相对于基座的高度）,立柱截面为2*4m，两立柱中心距26m(对应竖拱中心线)。每个立柱有6个肢腿，单个肢腿用2N1杆件组拼，水平横杆用2N4杆件，斜杆用2N5杆件。在扣塔立柱24m～28m处、36m～40m处安装两道横梁(第一道用于安装B跨拱肋)。

4m2m2m索鞍平台40m40m26m

图6 Z3(Z4)墩扣塔塔架结构示意图

4.3 索鞍平台

每组塔架在塔身的24m、26m、28m、32m、36m、40m处共设置了六层索鞍平台，其中下部两层平台用于B跨拱肋安装，上部四层用于A跨拱肋安装。

索鞍为多轮轴结构，以防钢绞线在索鞍部位发生较大折角使钢绞线索体受损。索鞍分配粱采用型钢组合结构，与扣塔采用螺栓连接。因每根扣索角度有所不同，为安全起见只考虑一个轮轴受力。

选择Q235钢板和型钢作为辊轴支架。索鞍轮轴采用直径Φ150mm的45号不锈钢棒，轴套采用Φ299×11mm和Φ159×6mm无缝钢管嵌套，内填C60微膨胀混凝土，侧面以5mm圆环板封口, 辊轮接触面要处理光滑，减少和钢绞线的摩阻。。

索鞍轮轴 索鞍 索鞍强板

索鞍分配粱 图7 索鞍平台结构示意图 第4页共10页

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4.4 扣锚索系统

主要由扣锚索锚固端P锚、扣索、扣点等组成，扣索在扣塔和前扣点之间称作前扣索，在扣塔和张锚端之间称后锚索,本桥前扣索和后锚索连续一体，扣锚索通过索鞍平台上的滚轮组转换方向后，与承台位置的张拉转换系统相连。扣锚索采用Φj15.24mm高强低松弛钢绞线集束,每根扣索根据最大索力值选择钢绞线根数，使最大索力值控制在钢绞线容许应力的30%左右。

表1 以A跨为例各段推拱肋扣索索力及钢绞线配置 位 置 编号 第I节段 A跨(西半跨) 第II节段 第III节段 第IV节段 第V合拢段 垂直起吊重量(吨) 46.774 48.411 47.431 45.167 45.207 扣索索力理论计算值kN) 226 386 480 567 扣索钢绞线根数 4根 6根 7根 8根

4.5 张拉转换系统

主要由预埋件、转换耳板、张拉锚箱、移动锚箱和转换锚箱等五部分组成，钢管拱固定和线形调整通过张拉转换系统来实现，是整个扣挂体系的动力机构和操作平台。张拉转换系统基础预埋件采用Φ25mmI级圆钢，上部连接有转换耳板、移动锚箱、张拉锚箱和转换锚箱。千斤顶放于张拉锚箱和移动锚箱之间。在拱肋线形调整时，千斤顶加载，移动锚箱向后移动，通过精轧螺纹钢连接的转换锚箱也将随之移动，张拉锚箱后部螺母也跟着移动，拱肋在达到设计标高后拧紧张拉锚箱后部螺母即可锁定拱肋位置。

预埋钢筋10根转换耳板拉板移动锚箱固定锚箱精轧螺纹钢螺母预埋钢筋10根钢绞线P锚钢绞线转换锚箱

图8张拉转换体系

4.6 平衡系统

在钢管拱吊装过程中由于扣塔前后的角度不同，将产生一个不平衡力，采用平衡索进行调整。扣索与平衡索是两套独立的结构，以便于进行独立操作。

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5. 拱肋吊装总体顺序 5.1 总体安装顺序

总体吊装顺序为：东C跨拱肋→西C跨拱肋→东B跨拱肋→西B跨拱肋→A跨拱肋。

图9 拱肋吊装总体顺序图

5.2 单跨安装流程

取A跨安装为例，各节段安装流程为：拱脚预埋段安装→第I段拱肋安装→第II段拱肋安装→第III段拱肋安装→第IV段拱肋安装→合拢（第V段）。

单个节段拱肋安装流程为：运输至起吊点→安装吊具、缆索滑车就位→起吊节段脱空→调整吊具使竖拱轴线竖直→节段升空→水平对位→连接法兰→安装扣索→逐级张拉扣索→缆索吊逐级放松起重绳→拱肋节段达到要求标高、缆索吊松钩→安装侧向稳定风缆→侧向线形调整→完成节段安装。 6 拱肋安装方法及线型控制技术（以A跨为例） 6.1 场地运输

钢管拱加工厂位置在东岸,拱肋分段运输采用拖车拖运，由施工便道将拱肋分段送到起吊位置

(Z4墩附近)，在Z4和Z5墩之间预先清理场地、填筑碾压以便运输车辆转头。 6.2 拱脚预埋段安装

拱脚段预埋在现浇箱梁主腹板内，先将定位板准确定位后浇筑箱梁第一次混凝土，待混凝土达到设计强度后再吊装拱脚预埋段，预埋段采用缆索起重机起吊就位，利用箱梁上的支架辅助定位，待预埋段与拱脚定位板焊接后再浇筑箱梁剩余混凝土。

预埋拱肋钢管拱脚安装支架拱脚定位板二次浇筑混凝土现浇箱梁图10 拱脚预埋段安装定位未意图 第6页共10页 2010年度优秀科技论文（技术总结） 无风撑斜靠式拱肋安装及线型控制关键技术

6.3 吊装第I段拱肋

6.3.1安装吊具

拱肋运到起点后，开始安装吊具，吊具采用直径42mm钢丝绳配合滑轮组及10t导链,出厂前已在竖拱节段上弦管和斜拱管焊接钢板吊耳,起吊用双吊点、双车的方式。

6.3.2 脱空及调位

吊具安装完毕后，吊钩缓慢起升使节段脱离放置面。由于竖拱与斜拱形成不对称三角结构，脱空后斜拱侧偏重使得竖拱面的中心线不垂直，这时通过设在吊具上的倒链进行调整使其垂直，以方便和预埋段管口连接。

缆索吊起升绳缆索吊起升绳手动调节葫芦缆索吊起升绳线内曲面平上拱竖拱手动调节葫芦手动调节葫芦吊耳下拱竖拱安装角度斜拱竖拱临时放置平台 图11 拱肋双点起吊及及调位示意图 6.3.3 起吊就位

调整好竖拱使其垂直后，拱段垂直缓慢起吊至预定高度(吊装B跨、C跨时需要越过Z3、Z4、Z5、Z2墩扣塔塔顶)，缆索滑车水平移动，将拱肋段运抵安装位置。

6.3.4 对位连接

调整拱段倾角和前一段(预埋段)进行对口，连接法兰板的顺序是先定位后加固，先连正交法兰板，以少数螺栓卡位后，再连接其余法兰板。

6.3.5 扣索安装

在拱段吊装前，将扣索前后头以P型挤压锚锚固，用5t卷扬机牵引扣索过塔，前扣索锚固头暂时用短钢丝绳套固定在已安装好拱肋分段上，后锚索和张锚端连接，为防止精轧螺纹钢受弯，张锚端下撑支架使其保持和扣索相同的倾角。

拱肋分段接头法兰连接后，用卷扬机配转向滑轮将扣索前锚固头牵引至设在新装拱段上弦管的前扣点内，安装限制锚固头位移的螺栓板，后部张锚端开始逐级张拉扣索。

6.3.6扣索张拉及松吊钩

按照预定初拉力对扣索施加作用，在张拉过程中，严格服从现场指挥的指令，分级分步骤施加作用力。

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在扣索分级加载过程中，缆索起重机同时逐级卸载，根据观测拱段抬头标高的实时数据，控制卸载、加载的程序。卸载的控制数据是缆索机起重绳的放松长度值，加载的主要控制数据是拱段的标高变化值，而以扣索的索力值为辅。最后达到工况：缆索机吊钩完全放松、拱段标高基本满足预设值。吊钩松开后，继续观测拱段标高，根据实测数据张拉扣索调整，直至拱段标高满足预设值。

图12 扣索张拉及松索

6.4 吊装第II、第III、第IV节段拱肋

在第I节段吊装后，张拉扣索及侧向缆风绳配合调整第I段的标高、线形，直到满足预设值后才能继续吊装第II段，具体吊装方法及工艺与第I段相同。

采取同样的方法和工艺依次吊装第III段、第IV段。 6.5 吊装合拢段

合拢段吊装是整跨拱肋吊装的关键环节，在吊装前，必须多次测量调整全拱拱肋线形、标高、位置等，在设计允许的温度时间时，实测高空合口的水平距离（多次反复测量以保证测量精度），确定合拢时间后以测量数据为准切割掉合拢段的两端余量，并在最接近设计温度的时间内吊装合拢段。 合扰段拱肋上弦管长、下弦管短，两个吊钩同步起升时无法通过合拢缺口(缺口上宽下窄)，因此采用两个吊钩不同步、不等高的方法抬升合拢段，使之穿过缺口，然后从上往下合拢对接，连上法兰板后，同时同步缓慢松开吊钩，完成合拢工序。

缆索起重机起吊绳扣索第IV段扣索第IV段第V段(合拢段) 图13 合拢段吊装示意图 第8页共10页 2010年度优秀科技论文（技术总结） 无风撑斜靠式拱肋安装及线型控制关键技术

6.6 扣索拆除

扣索的拆除顺序由第IV向第I段依次对称进行。为保证扣塔在受不平衡力的情况下的稳定，在松扣索索力时不能一次全部卸载，必须逐级(20%左右)对称卸载拆除，以免影响拱肋线形。 6.7 拱肋吊装线形控制措施

无风撑斜靠式拱肋为不对称的三角组合结构，在后期加载中拱肋会发生内倾(往桥中心线)，如果内倾偏离了竖拱原设计拱轴线的位置，将会降低拱肋横向稳定性，不利于结构的安全。本桥拱肋线形除了与常规拱桥一样设计面内预拱度，还设计了面外预拱度(即事先往外倾斜，以尽可能抵消后期加载过程中逐步发生的内倾)。

本桥拱肋的面内线形可以按常规拱桥的方法进行控制，但对于面外线形则需要采取不同于常规桥梁的措施进行控制，主要措施如下：

(1)在地面加工制作拱肋时，严格控制结构尺寸，现场对所有钢管拱肋进行全幅预拼，保证钢管拱的线形质量，为钢管拱的顺利安装提供充分的条件。

(2)拱肋节段是竖拱、斜拱一体吊装，而竖拱和斜拱形成的拱肋截面中心不对称，在安装过程中斜拱侧靠在竖拱上，一是使拱轴线向桥中心线方向有位移，二是截面有扭角，导致竖拱中心线不能保持竖直。

对于第一个问题(拱轴线内倾)，主要是利用侧向缆风调整，拱段八字侧缆风不对称加载，在保证拱肋侧向稳定的同时将轴线牵引到预定位置。

对于第二个问题(截面有扭角)，通过扣索来调整：将每段拱肋的扣索分成两根小扣索，小扣索布置在竖拱的两侧，拱肋安装定位后，对两根小扣索同步逐级张拉，使拱肋标高达到预设值，然后单独适当增大斜拱方向的小扣索的索力，可以有效地将截面扭角的问题解决。

扣索斜拱扣索缆风绳缆风绳竖拱图14 拱肋节段扣索及缆风绳布置示意图

(3)虽然设计提供了面外预拱值，但在吊装阶段不能完全按设计值预留，因为斜拱管与竖拱管不对称，斜拱管焊接收缩会导致拱肋轴线外倾，因此吊装时拱肋面外预拱值应比原设计值小4-6cm。

(4)拱肋接头采用手工焊接，遵循同时、对称施焊的原则，尽可能安排在夜间施焊。焊接过程中要派专人随时监测变形量，根据变形量的大小以及变形规律来调整焊接顺序、焊接电流。拱肋合拢

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后节段接头外加强外法兰连接，使其处于半刚半铰状态，可以在正式施焊前拆除缆风绳的约束，以便更好地控制线形。对于每片拱肋，要求从拱顶开始往拱脚方向依次对称焊接（如图14），而且每个截面、每个管口的焊接要同时对称焊接(如图15、16)，尽可能避免焊缝收缩分布不均影响线形。

1号焊口2号焊口3号焊口4号焊口5号焊口图14 单片拱肋对称焊接顺序示意图 11223344图中单线为一组焊缝双线为另一组焊缝556图15 拱肋截面三管对称焊接顺序图 图15 单管对称焊接顺序图 图4-25 单管对称焊接顺序图图4-24 拱肋截面三管对称焊接顺序图6.施工效果

韩江北桥主桥最大跨度为160m，其规模及跨度位居国内同类型桥梁之首。在设计不允许增加临时风撑的情况下，采用不落地的悬臂拼装及综合线型控制技术，成功地完成了全桥五跨共70节段拱肋的悬臂拼装，施工操作快捷简便、安全可靠，拱肋线形符合设计要求，外型圆顺美观。此项技术首次应用于无风撑拱桥的施工，不仅积累了丰富的施工经验，而且对今后同类桥梁具有参考价值。

参考文献：

1 王庭英，金志展著. 钢管结构制造与安装. 人民交通出版社2003 2 陈宝春著. 钢管混凝土拱桥设计与施工. 人民交通出版社1999

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/uxq3.html