网络首发论文推荐|下承式钢桁拱桥制作安装技术

	摘 要 自20世纪90年代起,我国的钢铁产量已经连续十几年位居世界第一,并且钢铁产品的种类、质量都有很大的提高,有的已达到世界先进水平。钢结构桥梁在设计、制作、 施工等方面研究及技术也日益成熟,而钢桁拱桥作为一种经典的桥梁结构,以其刚劲的桁拱和柔细的吊杆构造组合,形成刚柔相济的建筑景观,在我国桥梁建设中得到了广泛的应用。由于钢桁拱桥水平推力较大,结构形式复杂,因此必须综合其结构特点、施工环境、设备等各方因素,在确保施工质量、安全的前提下制定切实可行的施工方案以达到降本增效的目的。 太原市晋阳大桥为204 m跨径的下承式钢桁拱桥,拱肋为上弦杆、下弦杆及X型腹杆组成的桁架结构。上拱肋拱轴线矢高 48.5 m,下拱肋拱轴线矢高 42.0 m,主梁与系梁及拱肋间采用焊接形式连接。通过对杆件制作、现场安装等难点分析,制定了系梁、拱肋焊接质量和焊接变形控制措施;对施工方案进行了比选,制定了钢梁散装、拱肋预拼装、桁片制作等关键技术;并结合结构特点及施工环境制定了一些高空作业防护措施。 结果表明:系梁、拱肋焊接质量良好,焊接变形符合设计及标准要求;钢梁采用散装方案增加了现场作业面,提高了安装进度,避免了现场总拼带来的对接焊缝增加、倒运困难、周期长等不利影响;拱肋现场预拼装及桁片制作方案的实施,确保了拱肋桁片的制作质量,降低了劳动强度,提高了拱肋安装精度;高空作业防护措施实用、操作简单,取得了良好的防护效果。 * ~$ Q( \) {2 S% V1 工程概况 % X( h# i( Y) H( c, u7 Y5 C 0 m; e  L! i; r太原市晋阳大桥为跨越汾河的一座204 m下承式钢桁拱桥,为第二届全国青年运动会重点配套工程。桥宽47.5 m,拱肋为上弦杆、下弦杆及X型腹杆组成的桁架结构,上拱肋拱轴线矢高48.5 m,下拱肋拱轴线矢高42.0 m;桁架拱采用全焊结构,与主梁的系梁位于同一竖平面上,主拱设置3道风撑,风撑与拱肋固接,主梁与拱肋在端梁上采用固接形式连接;主梁由桥面系及横梁组成,桥面系采用正交异性钢桥面板,跨中桥面荷载由横梁传递到系梁上,横梁间共设置三道小纵梁,主梁与系梁及拱肋均采用固接形式连接。晋阳大桥结构示意见图1。 ; F# {4 E  o  Y1 u" N/ W# F( D : H" C$ G9 P4 J ( C6 j' }, r5 `+ u6 i: @ * z; U/ e5 W: |/ u! J* e# s  I3 M a—总体立面示意; b—跨中处断面示意。 图1　晋阳大桥结构示意　m . k: J# e+ j) i6 F9 i8 u 2 结构特点及施工难点 $ N# W$ b; q$ N2 U  x" Q . F) }( R  W1 _1 C2 P$ m/ q- h 1) 系梁板厚为16~24 mm,拱肋板厚为20~48 mm,且焊缝密集、制作精度要求高,因此,系梁、拱肋的焊接变形及几何精度控制有较大的难度。   e! x, @2 i3 f6 v1 ^5 T/ e2)由于纵梁、横梁、系梁安装后形成了格构体系,若采用块体预拼装方案,运输、吊装困难较大,且对接焊缝数量增加;若采用散装方案,则因纵梁、横梁、系梁的安装精度及之间的焊接收缩变形影响,导致桥面板及拱肋的安装精度难以满足要求。 0 u4 k: e* `4 h; E7 u: f3)拱肋为空间结构,竖向通过腹杆连接上、下弦杆,横向通过风撑将左右两幅拱肋连接,拱脚段与系梁连接,且均采用焊接连接,确保拱肋的安装精度难度较大。 0 h5 A( W: ?3 i. H" b/ L( `5 k 3 W% C; G6 O0 }- z! M7 Q2 } 1 w! A# \/ d' j( Z/ s1 h4)拱肋节段重量大,钢梁、拱肋安装为高空作业,且存在大量交叉作业,给安全和质量管控带来了一定的难度。 + x1 W; S3 p8 b2 \   o5 c+ t, b* G7 o3 钢桁拱桥总体施工方案设计 / H% J5 ~, Q9 S + M4 e8 {9 U: h 结合项目结构特点及制作难点,选择一种合理的施工方案,是确保桥梁优质高效完成的先决条件,也是缩短工期、降低造价的关键。通过综合因素比选,确定了本项目的制造、施工方案: % d# B5 L; c- g5 B, R 1)总体采用支架法施工、先梁后拱的施工方案; + z, {4 M! J3 p 9 O, g7 k8 o5 z- ~/ a2 ?5 }. ?) M" w 2)主梁采用桥位散装方案,按“厂内单元件制作→运输→桥位安装”施工流程; 5 d) m% Y# c% S- D 1 J( ^7 V- t/ U+ \ 3)拱肋采用“预拼装+桁片制作”方案,按“厂内拱肋构件制作→运输→现场预拼装→桁片制作→桥位安装”施工。具体施工流程见图2。   z& _5 x  O3 l' k- L5 F , A: Z2 P. u1 Q) u# J- x# {$ [   O- o4 r- v) ]4 s6 p7 n8 J 图2　总体施工流程 " H3 H, M* C- l, c- n! V7 v 1 |- G4 R! N$ |7 l/ |# ` , ~3 L1 t, v( }  B  f6 m4 制作、安装技术及质量控制措施 9 P+ s. O: j' g% a' y+ ^4 p; A8 v . U2 o+ a! `% b( m. c% T8 k 4.1 杆件或部件制作及质量控制措施 . _& P: p$ W1 k  k* V# D+ F/ P4.1.1 系梁制作   S- s; R/ E9 c5 ^/ g- u, ?系梁为箱型结构,其中锚箱单元是结构受力的关键,其制作精度和质量控制对钢梁制作而言至关重要。系梁节段示意见图3,锚箱单元示意见图4。 $ r! o2 L3 }: q0 _8 a 图3　系梁节段示意 6 Y2 w  I- ^) r/ V% e , s6 ^. N5 j% T  y. x! f 图4　锚箱单元示意 . M% W* T1 @6 I: \ 6 ^: E5 e6 X! H8 w% W( _! V 锚箱单元制作遵循“ 由下到上、由内到外” 原则,依次组装及焊接锚箱承压板、锚箱垫板、锚管等零件,以减小焊接变形。 " O- k- ^. o( X$ L* f( |  Q& i   \4 C/ q, w$ x; Z% }% c' f& W 9 k" j  q3 R' q  N+ x) U# r5 W系梁采用“单元件→槽型→箱体→接头板”的制作方案(图5)。为确保其制作质量及几何精度,制作时要严格控制锚箱单元及箱体划线、组装精度,箱体焊接作业时应采用分中、对称等原则减小焊接变形,防止箱体产生扭曲变形。 8 ?( e, B' Z5 N- F+ F! F) [9 U " [+ l* `; N7 L5 {# U 图5　系梁制作方案示意 ( O3 P# v/ e  q$ G7 l- `; ^2 }' u  L 0 K8 S: ]+ r, C2 d由于锚箱单元与系梁腹板、顶板单元组焊后形成隐蔽空间,无法进行打砂、涂装作业,为确保整体防腐质量,锚箱单元须涂装完后再与系梁的腹板、顶板组装、焊接(图6、7)。 3 B& i2 ^# j& u- |: K $ d5 F6 f$ X: J 3 I5 ^3 e* M* A1 N4 T, C& }$ n1 P 图6　系梁组装检查 ( U- {! T# v4 N! H2 |' V! w! [ 3 a' f* h+ |9 c# u% y + W6 o' n4 {9 V7 M1 o; s$ o- C6 F , W: [, N( g; }6 o2 b5 Q 图7　系梁锚箱单元组装 : x* Z7 |9 _6 l+ ~- M; M : ^: R& |/ J) h5 h5 L$ a  u: R+ |4.1.2 弦杆制作 , w. a! O* |& i4 w# d拱肋上、下弦杆均为箱型结构,设计拱轴线为圆曲线,通过竖、斜腹杆连接上、下弦杆。因此,弦杆制作的质量、精度为拱肋制作控制的关键。弦杆节段示意见图8。 * N1 p1 b: q$ m8 C4 k. r' w 图8　弦杆节段示意 - o9 ~6 v) B2 \ 2 A' ]& S/ W6 L  d  \0 X. k7 L: e弦杆亦采用“单元件→槽型→箱体→接头板”的制作方案(图9),弦杆组装如图10所示。在组装胎架内采用刚性固定、火焰加热相结合的方式组装顶、底板单元,加劲肋与面板组装间隙小于1.0 mm,板单元焊接、修整完后要求拱度偏差小于3.0 mm(图11)。对于弦杆箱体棱角焊缝按“同步、同时、同向”原则施焊,以减小箱体扭曲变形。 # o) z9 j0 L* d9 W# K; n 7 b) `& B/ ?: S6 l# K: T" g% \ 图9　弦杆制作方案示意 + T; }! x. ^8 |: [# J8 S' x  @ 图10　弦杆组装 6 }+ W% p+ Q3 z4 l0 w5 T: Z2 M 2 w) p$ T" x3 \5 U( y5 O: x/ V 图11　弦杆节点板焊后检查 1 P, C) i3 c) l- e' E2 N& H" v: ^ ! G2 w5 S* b6 m修整后箱体的扭曲变形偏差小于3.0 mm,腹板节头板垂直度偏差不大于1.5 mm。 , k$ ^4 L6 n1 t/ F' g 0 d7 Y8 q0 U) I6 D* j* T+ r 4.1.3 拱肋预拼装及桁片制作 在桥址下游处设置拱肋现场组拼场地,组拼场长200 m,宽66 m,并设置能够满足整幅拱肋节段预拼装及组焊要求的胎架,全桥拱肋分2次预拼装,采用“6+1”模式进行。 1 a6 S: D: v9 s4 z) N& Q拱肋采用“下弦杆→上弦杆→直腹杆→斜腹杆→桁片焊接→解体”流程(图12),进行预拼装及桁片制作。 4 K* w; z5 [9 a( z4 }/ P1 g# _# ~ - n5 W/ J& J6 m" L( Y) x6 E; G 图12　拱肋预拼装及桁片制作流程示意 , L- A1 |) V0 j3 q5 ? 拱肋预拼装及桁片制作精度决定着拱肋安装及成桥线形精度。预拼装过程中每安装一个杆件均需对中心距、节间长度、标高、拱度及平面度等项点测量,合格后方可进入下一构件安装,同时对预拼装进行精度管理,实现对预拼装公差积累的动态掌握,对拱肋线形偏差的主动控制,确保拱肋架设线形的精度。 对弦杆、腹杆的对接焊缝坡口进行优化设计,降低焊接施工难度,确保桁片制作质量。拱肋预拼装及桁片制作过程见图13。 , Z# {0 J' r! i. ]& u3 Z4 p a—拱肋预拼装胎架; b—拱肋预拼装; c—拱肋节间焊接; d—拱肋桁片焊缝检测。 图13　拱肋预拼装及桁片制作施工 9 W' o2 M* b% n3 D5 e/ ~7 H9 F- Y 4.2 桥位安装及质量控制措施 ) `& W8 D( g9 {5 [3 H9 {; t4.2.1 钢梁安装 在桥址上下游各设置1座长度42 m的重载栈桥,结合地形及起吊重量、高度选用两台350 t履带吊从上下游侧栈桥同时安装钢梁,钢梁安装按照“系梁→横梁→纵梁→桥面板→挑臂结构”流程进行(图14)。 " G# q5 P! B: |6 _; a7 L 图14　钢梁桥位安装工艺流程 6 R1 w% a$ J! [ 系梁的安装质量决定着后续构件安装精度,应严格控制其安装平面精度和高程,要求与设计位置偏差不得超过5 mm。因此,需根据大桥测量基准点,结合系梁锚点空间坐标精确定位两侧系梁,依据系梁基准线及接头板位置,依次安装横梁、纵梁,并注意控制横梁间距,纵梁纵桥向对位精度,纵、横梁垂直度及直线度等项点。安装桥面板单元时,严格控制中间桥面板纵、横向位置精度,其中桥面板接板与横梁水平盖板组装偏差应小于1.0 mm。钢梁实桥安装过程见图15。 . Y! w$ m" D, N4 D& I 2 f# r( @+ q/ f) m" v- O6 S/ n a—系梁节段安装; b—横梁单元安装; c—纵梁单元安装; d—中心桥面板安装。 , u$ H. t. w7 y; Q% y+ j/ I 图15　钢梁安装施工 3 j7 [8 _3 g; n ; d6 W' _$ C% e6 S# W4.2.2 拱肋安装 # w, p* d2 `; k$ m9 l( J拱肋桁片质量为74~158 t,采用650 t履带吊吊装,支架上设置导向限位装置及100 t千斤顶调整标高。 " I2 F+ `9 U' |+ M: D 8 G2 Y& T0 _/ Z8 {0 j# I- K 拱肋安装流程为拱肋安装支架施工→运输拱肋桁片→650 t履带吊机提升拱肋桁片→拱肋线形调整及施焊→拱肋跨中合龙。 * }" U- F2 |: q 6 k$ s0 A/ R1 n* |3 d1 t安装前应对桥上安装支架进行全面验收,安装支架上的垫块标高应根据设计线形及预拱度要求精确计算,并通过全站仪测量控制。拱肋桁片在运输前需对开口位置进行临时加固处理,确保拱肋桁片运输及安装过程中不发生变形。拱肋吊装入位后,利用节段间的临时匹配件进行粗定位,测量拱肋桁片上下弦杆特征点的三维坐标,并根据监控指令调整拱肋各特征点位置精确入位。同时,为避免已安装拱肋桁片发生扭转,设置两道临时风撑以增强已安装拱肋桁片刚性及稳定性。拱肋安装过程见图16。 , G  v" A( R! C a—拱脚段安装检测; b—首段拱肋桁片安装; c—拱肋桁片安装; d—风撑安装。 , [, l/ _! V: j2 }! ] 图16　拱肋安装施工 : o2 S7 u3 Z& Q6 C: A2 s 4.3 高空作业防护措施 根据钢梁及拱肋结构特点,采取了以下高空作业防护措施(图17): 0 B7 T- ~3 K+ j$ Z$ H( J1 K 9 G3 r  `8 S3 {" j& ] a—钢梁安装平台; b—钢梁焊接平台; c—拱肋焊接平台; d—拱顶走道。 图17　高空作业防护措施 . A" I8 U/ B& B" @) {6 @ 1)利用钢梁支架分配梁作为支撑面,在分配梁上搭设钢跳板作为钢梁调整对位和焊接的平台。同时,在横梁间铺设长度为3.4 m的钢跳板作为焊接施工平台。   {! R/ r  p( B1 L " k- x; q7 E- _7 v2)设计制作专用施工爬梯作为拱肋焊接平台,爬梯在拱肋桁片安装就位后及时安装,并与拱肋支架立柱固接牢靠。 ' e8 ^+ f$ V# F9 U; C 0 l' B' E! x7 \9 j# {2 z4 @3 |. t- H " i& N7 y+ z3 B, Q* B3)采用钢筋网片等材料制作拱顶防滑走道,确保施工人员在拱顶行走安全。 ( E1 S" Y( V6 c( K! I " ^" H. v# r% m5 Z. g% N! }- \4.4 检测结果 通过研究采用了合理的钢梁、钢桁拱肋制作,安装方案及质量控制措施,确保了钢桁拱桥的制作、安装质量。经检测,各项点均满足相关标准要求,具体检测结果见表1、表2。 ' P1 W" ?( T- I) I" t; o , Q  g1 a: [, `6 |1 { 表1　钢梁安装主要控制项点检测结果     mm 1 o/ S4 G: R6 U' h8 P ( e+ E0 E' U, U, j5 | 表2　拱肋安装主要控制项点检测结果      mm " M7 y$ D  a) X5 A* k, n1 W: O 5 结束语 4 Q, G/ |2 B- x3 R( U3 J针对太原市晋阳大桥结构特点及制作、安装施工难点,经研究、比选采用了钢梁散拼安装、拱肋现场预拼及桁片制作的施工方案,确保了该桥的施工质量、降低了现场施工难度、提高了施工效率,并确保了高空作业安全,对同类项目有一定的借鉴意义。 0 [8 |$ n1 ?/ L. J: ^ 0 \# N; H1 W/ l0 f5 J来源：谭敏刚，李军平，车平，等.下承式钢桁拱桥制作安装技术[J]. 钢结构(中英文), 2021, 36(8): 42-49. ! N5 k, N" U! e! S! Adoi:10.13206/j.gjgS21030101 1 q! F( e6 z% o; b) z