跨南水北調干渠鋼管拱橋豎向轉體施工技術研究

■ 龐宇輝 高清炎

鋼結構拱橋以其宏偉大氣、美觀、跨越能力好的優勢，成為被廣泛采用的橋梁結構形式。鋼結構拱橋施工中的豎向轉體法因為施工速度快、場地條件要求低、經濟實用而被大量采用，成為一種相對成熟的施工工藝。同時，存在豎向轉體塔架形式的選擇、起重動力千斤頂不能實現雙向升降、塔頂水平力處理、索鞍運行卡頓不平順、合龍口對正偏差處理等難題[1-3]。

1 工程概況

1.1 設計概況

張良鎮跨南水北調干渠鋼管拱橋位于河南省魯山縣，跨越國家一級水源保護地——南水北調中線調水主干渠，是鄭萬鐵路的控制性工程。橋梁設計為（74．5+160．0+74．5）m預應力混凝土連續梁鋼管混凝土吊桿拱橋，主拱跨徑為160 m，矢高為32 m，矢跨比為1/5，拱軸線采用二次拋物線（方程為y=-1/200x2+0．8x）。主拱軸線長178 m，重5 020 kN，采用橋面拼裝1/2跨，兩半拱同步豎向轉體合龍施工。橋型布置見圖1。

1.2 工程特點

（1）橋型設計新穎，造型美觀，巧妙地解決了大跨度混凝土梁橋徐變變形影響高速鐵路線路平順性的問題。

（2）跨越國家一級水源保護地——南水北調中線調水主干渠，對環保施工提出較高要求。（3）豎向轉體施工工藝科技含量高、安全風險高、施工難度大。

圖1 橋型布置

1.3 鋼管拱安裝就位施工方案比選

鋼管拱安裝方案從鋼管膺架直接設計位置拼裝法、軌道車整體頂推平移就位法、矮管支架上拼裝3種方法中進行了分析比選。

（1）鋼管膺架直接設計位置拼裝法。該方案應用比較普遍，具有成功的經驗可以借鑒，但膺架搭設高度32．0 m，安全風險高，鋼材用量多達460 t，費用高、吊車在拱節段吊裝時受膺架空間干擾很容易發生管節撞擊膺架，造成安全事故。

（2）軌道車整體頂推平移就位法。與方案（1）相比，雖然解決了吊車與膺架空間干擾問題，降低了安全風險（吊車可以站位于橋下兩側地面上），但同時增加了頂推移動過程，施工費用更高。

（3）矮管支架上拼裝。矮管支架搭設高度10．8 m，塔架高度48 m，總用鋼材量為215 t。

經綜合比選確定采用鋼管拱在橋面矮管支架上拼裝，豎向轉體就位方案進行施工。該方案由于減少了高空工作量，使安全質量更有保障，且技術先進、經濟合理，雖具有一定的技術風險，但有類似成功經驗可以借鑒，通過技術攻關所有問題完全可以得到解決。

2 關鍵技術問題

為確保拱橋安全、優質的一次建成，將豎向轉體塔塔頂位移控制措施、索鞍設計、龍口自動對正糾偏、同步雙向液壓起重動力設備等列為關鍵技術攻關項目，進行重點研究攻關。

2.1 豎向轉體工藝原理

圖2 豎向轉體系統布置

在主墩上方搭設塔架，頂部設索鞍，箱梁邊跨端部的梁底設起重動力點，安裝同步雙向液壓起重千斤頂，起重索采用工程預應力用鋼絞線束，跨過索鞍后與鋼管半拱前吊點連接，塔頂至動力點間設鋼絞線背索，背索上端固結于塔架頂端，下端安裝液壓千斤頂，用以調整背索拉力。鋼管半拱與拱腳接觸處設轉動鉸，形成豎向轉動體系。通過連續張拉起重千斤頂將半拱豎向轉體起升到設計高度，實現空中對接合龍。同時通過張拉背索調整千斤頂，平衡塔頂不斷變化的水平分力，確保塔架豎直度。豎向轉體系統布置見圖2。

2.2 受力分析

豎向轉體過程系統受力分析（單塔）見圖3?？缒纤闭{干渠鋼管拱自重5 020 kN，1/2拱單側塔柱作為一個受力分析單元，起重重量為1 255 kN；考慮施工荷載、起重動載系數，計算起重荷載G=1 374 kN。

圖3 豎向轉體過程系統受力分析

索鞍摩擦阻力系數按0．08計算，由圖3可以計算出豎向轉體至不同角度時轉體系統各部位的受力情況，經計算可知當鋼管拱豎向轉體開始瞬間起重索拉力最大1 666．7 kN、塔架豎向壓力最大1 849．0 kN。背索調整力最小110．8 kN；隨著豎向轉體角度增加起重索拉力和塔架豎向壓力減小，當鋼管拱豎向轉體至最高點，開始回放準備合龍時起重索拉力最小1 062．6 kN、塔架豎向壓力最小1 155．6 kN，但背索調整力由于索鞍摩擦阻力方向變為中跨方向而變得最大322．1 kN。豎向轉體系統受力計算見表1。

2.3 關鍵部位各工況下檢算結果

檢算采用橋梁博士軟件進行建模計算，結果如下：

（1）分別考慮橫風、縱向風6級，鋼管拱拱肋豎向轉體時最大縱橫向穩定應力32．1 MPa＜設計控制應力145．0 MPa。

（2）鋼管拱拱肋豎向轉體過程中最大撓度為-33 mm。f/L=3．3/8 750＜[1/400]，拱肋剛度滿足要求。

（3）考慮施工中背索調整不及時造成塔架頂出現100 mm偏移情況，下塔架受力局部最大應力81．9 MPa，滿足規范要求。最小失穩系數5．91＞3．00，滿足要求。

（4）起重動力千斤頂采用一臺2 500 kN同步雙向液壓起重千斤頂，動力儲備系數為2 500/1 499．5=1．67，滿足施工要求。

（5）起重索采用一束Φj15．24-19鋼絞線，安全系數2．96，滿足施工要求。

2.4 豎向轉體系統關鍵部位技術處理

（1）起重索可調背索。起重索采用Φj15．24-19預應力鋼絞線，前端為P錨型連接拉扣，連接鋼管拱前吊點，后端繞過塔頂索鞍并穿過在箱梁邊跨上預留的孔道，進入后錨點起重動力千斤頂。為平衡豎向轉體過程中塔架頂隨時變化的水平分力，塔架邊跨側設置了可調背索，背索索體為Φj15．24-5鋼絞線，上端通過P型錨具和栓扣拉結于塔架頂端分配梁上，下端穿過箱梁預留孔，進入后錨點的背索調整千斤頂。

（2）轉鉸設計。轉鉸是豎向轉體系統的轉動構造，結構受力復雜。安裝精度決定鋼管拱豎向轉體合龍精度，要求安裝精度高。轉鉸凹隼預埋拱座內，凸隼在鋼管拱側。轉鉸軸曲面半徑250 mm，軸長1 000 mm。鉸軸曲面采用16Mn鋼板，在工廠配對加工、拋光。轉鉸拱座澆筑預埋時，三維坐標精度控制在2 mm以內，豎向轉體前凹凸接觸面打潤滑油。

（3）前吊點。為減小起吊過程中鋼管拱拱肋撓度，將前吊點設在距半拱前端3．75 m處。吊點采用20 mm×250 mm鋼板加工，鋼板貫穿鋼管拱上弦管，與弦管管壁相交處上下內外全部滿焊以分散提拉力。為避免弦管變形失圓，弦管內壁設加強環箍。每吊點拉板為2塊，外露部位留栓銷孔，通過栓銷與起重索拉扣連接。

（4）后錨點。設于箱梁邊跨端部梁底，沿拉索方向貫穿箱梁預留2個孔道，梁底設鋼筋混凝土鋸齒塊與箱梁同時澆筑?？椎篱g距510 mm，直徑150 mm，外側孔道為起重索孔道安裝1臺2 500 kN同步雙向液壓起重千斤頂，內側為可調背索孔道安裝1臺800 kN-300 mm穿心式普通千斤頂。

（5）合龍和龍口自動對正糾偏措施。本橋采用無合龍段方法施工，根據豎向轉體模擬數據，先將兩半拱起升超過設計一定高度，進行調平之后同時回放下落合龍。轉體前在萬州半拱前端鋼管拱弦管內壁焊4塊楔形鋼板，當兩半拱調平后回落時楔板插入對向的弦管內，在楔板的導向作用下隨龍口的減小對正誤差逐漸減小，從而大大減小了合龍對正誤差。

（6）索鞍。采用7×5輥輪式索鞍，每個索鞍輥輪7排，每排5個滾輪，每排輥輪內單層排放3根鋼絞線。豎向轉體索鞍采用16 mm鋼板組焊，索鞍輥輪采用鑄鋼輪，輪軸比80/40 mm，45號鋼軸，軸套采用專門定制的尼龍軸套。輥輪輪槽寬度設計為45．6 mm，輪緣深度15 mm。

（7）豎向轉體塔架。塔高48 m，截面為3．2 m×2．5 m。塔柱由3個標準節和1個底節組成，節間以法蘭高強螺栓連接。立柱管采用Φ530 mm×10 mm鋼管加工，水平聯系三道Φ329 mm鋼管焊接。剪刀桿平撐桿為14號槽鋼，采用栓接。

（8）液壓同步控制系統和雙向起重千斤頂。施工采用計算機控制液壓同步起重系統，配套采用2臺LSDB105A液壓泵站及1套同步控制系統。系統需具備多臺千斤頂同步起升功能、單獨操作調整功能、集中自動化遠程控制功能。普通連續液壓千斤頂僅具有單向張拉功能，回放鋼絞線需人工撥松夾片，費時費力且非常危險。為滿足本次鋼管拱豎向轉體中過頂超高再回落合龍的要求，技術人員對起重千斤頂進行改造。在千斤頂前后各增加一套錨夾具和特別加工的夾片夾持器，實現每副夾片的自動頂錨和松拔功能，從而使單向張拉千斤頂具備雙向張拉功能，滿足施工工藝需要。

表1 豎向轉體系統受力計算

3 施工過程控制要點

3.1 施工工藝流程

萬州半拱豎向轉體至H+2．2 m（H為設計標高）—鄭州半拱豎向轉體至H+0．5 m—萬州半拱回放至H+0．5 m—萬州、鄭州兩半拱同時同速度下落至設計高度—檢查、調整—龍口定位焊接—臨時結構拆除。

3.2 豎向轉體系統測控和應力監控

豎向轉體系統測控和應力監控主要有3個項目：塔架頂水平位移測控、鋼管拱豎向轉體過程高度和位置測控、塔架關鍵桿件應力監控。

（1）塔架頂水平位移測控。在塔架頂部貼反光刻度標和十字反光標，由設在橫橋向200 m處的一臺全站儀負責測控塔架頂縱橫向位移確保塔架豎直度。塔頂位移允許偏差縱向50 mm、橫向10 mm。

（2）鋼管拱豎向轉體過程高度和位置測控。鋼管拱半拱的前端安裝360°全向棱鏡，棱鏡隨鋼管拱一起起升。由設在南水北調干渠上下游的全站儀負責測控各半拱龍口適時標高和橫橋向對正誤差。豎向轉體過程中鋼管拱左右拱肋允許高差70 mm，前后半拱軸線相對偏差20 mm。

（3）塔架關鍵桿件應力監控。在塔架關鍵桿件上安裝高精度數碼應變計，適時監控豎向轉體過程中該桿件的應力情況，允許應力140 MPa。

3.3 合龍精度

南水北調干渠鋼管拱橋豎向轉體施工自2018年5月15日開始準備至5月31日順利合龍，歷時16 d。合龍精度：高差5 mm＜[20 mm]，拱軸線誤差5 mm＜[20 mm]，合龍相對誤差2 mm＜10 mm。

4 效益分析

豎向轉體施工減少了高空作業量，大大降低了施工安全風險。降低了施工成本，減少鋼材用量350 t，節約成本150萬元。

（1）索鞍設計創新優化。在以往的類似工程施工中，索鞍一直存在鋼絞線跳槽、相互擠壓變形散開、運行卡頓不平順問題。豎向轉體使用的索鞍設計時通過采用合適的輪槽深度、槽底寬度解決了以往施工中鋼絞線跳槽、擠壓變形散開問題。通過采用合適的輪軸比及采用有機長纖維尼龍軸套，徹底消除了索鞍卡頓、豎向轉體不平順現象。本次使用的索鞍運行平順、適應性好，其設計思路和處理方法具有推廣價值。

（2）龍口自動對正糾偏裝置設計簡單實用，具有一定的推廣價值。

（3）通過改裝的同步雙向液壓起重千斤頂，實現了豎向轉體施工需要的千斤頂雙向張拉要求。為類似起重作業提供了新的施工手段。

5 結束語

鄭萬鐵路跨南水北調干渠鋼管拱橋豎向轉體施工中，根據橋梁特點，在學習借鑒以往類似工程施工經驗的基礎上，通過技術攻關解決以往施工過程中未出現的問題，形成了一套受力體系明確合理、安全可靠、可操作性高、費用低的豎向轉體施工工藝。該工藝確保了橋梁豎向轉體安全順利施工，為同類型橋梁施工提供借鑒，具有較高的推廣價值。