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。
, i+ C$ V0 K3 I% q b. n2 m( {
! ?' X1 z: o3 c" J8 ~; a; E
$ o% i h: E' e/ g" R0 q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。
/ M7 A' K i+ w- ]
* \, d* o# G9 m/ m$ `5 {3 d6 m4 g( G
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。
6 e, ^6 b8 K y; w C! T4 @
; n8 D2 A g5 w/ A: x3 Y; Q/ ~0 E" r% |3 u) k8 \0 S, D# l" H( v5 g! U: r- s
1 工程概况3 i1 J. I2 Y1 r" K- D' ~! A2 f; a
" ^; A' j7 u2 b4 B
2 l1 C0 u) l7 q' e2 d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。
* w) B% p, \6 L( _ ?& k7 `
( j- L% m! H+ q, ^, C$ t! O
7 {* F& x+ R! @& j9 L) C
. r' g# v& W9 I* Ia—总体立面示意; b—跨中处断面示意。
? e4 K* |% u. U9 l; s8 N+ `图1 晋阳大桥结构示意 m
% J, D( r$ Y: H" I7 c- \9 Q- Z! B- I& ^: Q
9 p# ^3 o [) [2 S. ^
2 结构特点及施工难点3 F8 P8 f* [0 _$ ^( i
( c# r( d# X# `$ Z' p
4 E& N2 O1 |# S& e3 | T# v: j1) 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。
3 r/ |# d; l& v6 W
! T* }+ F/ K$ H6 G% j p) V5 F" ?4 `. K& t5 a: D& G# Z1 I
2)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。
, ~/ Y, J& ~4 a0 S0 j5 T
+ n A; W( l6 r
5 c' c6 S4 t: l, b3)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。
; ~4 G; r: L5 d. E7 h
, y: F( T. X: `, U8 J
. P. H5 |8 P6 H2 {( F, m/ |) s- x1 r4)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。
9 W% K( A E3 D6 q1 X$ J9 i0 N+ K1 o& D
5 V/ t0 M# \1 [7 c H
3 钢桁拱桥总体施工方案设计" M! \) w) p, Z& o
) K* X7 N4 ^$ g, u" c
8 h7 C" L$ S( M; T0 ^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:
$ u1 O9 T0 @- O& p' L4 M' s
: A5 n/ {* c8 M/ f9 `0 [
, W( B& u$ o9 A- D5 x+ V" @* j- ? J3 m6 I! l# ]4 }: O
1)总体采用支架法施工、先梁后拱的施工方案;
$ o2 w$ F9 I2 X$ q8 O0 h- @- ]- ?6 \$ f W1 @
% p9 |8 \4 Y9 r! |/ U+ a. @
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;
/ ^( \; {$ Q& I) L
- s) n: i% L- m, `
! \" C6 a9 b9 ^
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。
4 y- u [5 O4 i I5 c; c
/ B t' k9 r3 o: J7 O9 a
* z$ O' K- ?. S7 r! D, D% o3 H1 `. d
" K& ^" N1 e) L- l* [( K$ k! B6 m$ [3 L
图2 总体施工流程
4 T- q- t' Z2 g8 ~5 X4 M
5 H# X3 W) o4 v z. _, y/ H2 `1 C" R% b
4 制作、安装技术及质量控制措施
' \- [5 z/ n+ _0 L
5 v# M$ m5 I: J' {" `3 {) x5 u9 @9 |% J9 p: w. s$ @, A' O
4.1 杆件或部件制作及质量控制措施
5 d9 d" T8 l) S* G" ^4.1.1 系梁制作
8 q7 y& H* [* r6 O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。
, \6 I2 {; \; K. p9 z( W
n, x& T, ?" {" g# l. [3 y3 |! q! O# x/ V4 Q
- J4 l$ ]3 n% v- ]: w" g0 l图3 系梁节段示意
) {* `, [$ I0 [- `! z: d3 z) K; D
: n3 E! d* T1 b# o
4 H& P& N# ~5 g+ k+ d2 m
' r6 y M8 ?2 Z" T( P+ Q图4 锚箱单元示意
) _2 F: a# I0 w. r+ D8 S# I5 Q% Q
, @/ z t. _# J
1 o7 W: H1 I8 O) m# c- E2 [
. k) r+ b$ N% t) `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。
* X2 ~( Y6 h9 k2 g# y5 [9 D
' `/ ~9 T, `8 k) s; |
( z; t# A; c! D: x3 `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。
: j; m1 r6 Z1 J7 h
+ h# d' j% W1 [
- ~& L4 j' T7 R$ S. W/ ? V3 \2 ~. J1 n3 o! z; X/ k$ o# J
图5 系梁制作方案示意
1 M. U! u! m5 n9 i& y2 ]
) Z) q& B5 z; I; Y+ z
) W; ?$ e& \* t& b
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)。
( N$ W' y6 k1 Y) ^+ S/ @9 a! l5 j" _, T! X4 R# J
8 r v2 N- J7 ]# S5 @ u# f, M9 b% M$ I4 r, Z
图6 系梁组装检查
. g" L8 C3 o; r9 B
) X2 w! H F& @0 F: [
! h4 D7 h: ]$ G% }; c8 A3 Z0 z) Q5 l, e. k z
图7 系梁锚箱单元组装
& h+ O- y: b! L1 j7 {
9 O% T. `( @: T/ B9 {3 [( n: \, `6 I; @8 b
& f5 a: ?% e0 g5 j/ Y7 @& W/ _4.1.2 弦杆制作
; N' t# j- a4 Y: Q2 \. S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。
# H8 T8 ~/ W( u, j8 L
5 Q& g! o! s% T6 u
4 K6 S, `8 B& _& f' v8 D, O/ D, b {
1 I2 B% ]$ b' `3 c* S# S
图8 弦杆节段示意
( `9 ?0 g6 P2 q
2 E7 i9 U6 X9 ~) R* H3 l8 W1 [
' v ?0 S; x: f
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。
3 F6 b2 W4 z/ s/ I) ]# _$ }7 {3 H5 T1 x- w$ O
- N H5 D1 y5 h, W/ V% E$ i6 W
) j, B( n1 w! o" e v5 C图9 弦杆制作方案示意
: n0 L \+ _3 N
' ^7 A4 O6 K: ~- S% K/ F3 D
! _& e* ~8 r: k G0 m; R9 R. @ u! R6 K5 L" N m& D
图10 弦杆组装
- }; |0 L9 q: h
3 K2 a- d( A7 x% |
) u# @ P8 o* a6 W. U* P
# \5 w; L' l1 W: r) m1 j
! |/ B3 K4 Z! F' ?" u; ~( Q. F, r图11 弦杆节点板焊后检查
! L6 O5 ]8 M" X; U) d
+ @0 Q3 m$ W) i, O2 t. y- D
% }* h: j* i$ H& K
; i, X9 O' Z. l8 L2 J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。
& V0 b" f. ]# \+ [" o
* s8 G6 F( L g4 T3 S
1 Z8 g5 n) \; B* x! R4.1.3 拱肋预拼装及桁片制作/ `6 X( P5 @( y5 y3 R* ]
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。
5 f( O! T. W5 _2 T$ s
. _- U2 A" y( O( W
$ ~. Y* {4 e1 F: w5 d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。
( g% b0 X3 I, X
% F5 A6 j( g7 Q5 f8 E, [/ w
) U% C7 m. y& w0 Y- p3 N: e5 |9 `
7 k5 t8 X1 c0 W9 ~8 j. |图12 拱肋预拼装及桁片制作流程示意
+ J0 T7 r: t" x: V
$ L( Y9 @% `4 u. S- c( J, M9 ~. m5 I
( N. @4 l' h' L) E7 l9 z' I/ ]3 t
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。
& Y- a) _% B/ w3 d/ Q% k& E! r0 Z
1 ], C9 T- _: F
7 \& Z, G$ w7 ~8 @/ J, ^0 S+ w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。
. m" Y3 I% b8 h+ [
/ }, B& f; u: ~- X, q1 E# U
# V9 V; P$ @. ^: n% c/ F9 l0 V
+ B+ A) e2 ?) n4 z) I) \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。
1 @+ W; M6 `& w8 Y图13 拱肋预拼装及桁片制作施工
( E; i4 j% z7 l( \& N: j( }. c% L' b5 H; A7 `6 Z% W7 J
! X* X7 r/ @' q2 @6 J* y
4.2 桥位安装及质量控制措施
! H) R" p9 c# J; a4.2.1 钢梁安装
; N' |/ d. O2 [4 r1 f! }* s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)。
: B. e- u' W1 e+ Q! ?
9 n) n. l9 E& ^ Q0 V+ g4 h, A; i, I0 T6 f3 Q6 k2 b
0 P$ ^, i# I' V! n2 x5 D' ^图14 钢梁桥位安装工艺流程
* c$ u! B" |$ i: r* y Y9 A
7 U2 z9 d6 R& T$ G- q/ [2 j% n0 A: K4 `' g. I" E! H6 h9 w1 |% _
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。
$ z) X% R1 ^& u" g9 P
0 D/ F' q6 ~, `( r# Q
% J- d6 V! |/ J
$ \ _" f: O3 @# ka—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。
4 t4 A/ A' ~4 t- a8 s% r% r图15 钢梁安装施工
4 e" _0 j: r: V9 o+ V
" B6 q# I9 J. G9 o$ Q$ ]) L8 h9 m- [, v5 G, ]7 J& ^! \0 `
4.2.2 拱肋安装
& g# M! Z t0 o9 w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。
, ?- r9 Q' F* I9 a) E* O
$ g. @( X i6 d, \$ ?6 v; g. B& E4 C+ U5 N2 ?( K; b5 J
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。
. s4 B) r* V- _ ?; Y5 R, \8 r: y1 r e& i5 F
- B9 R, |' \6 J' M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。
, @, E" n' u* `9 A5 b2 J2 L v' J
8 M# L, P' A! S w; E8 a6 @. v) |6 K" [! {% @
, e4 w0 K$ h- z& |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。
5 N8 `- V5 m! v5 ]5 \2 ?: U: S图16 拱肋安装施工
( m6 s% n: @& Z; Y( t6 a, f1 N% f, ]$ m( ?! o( @% z
$ L( y6 j6 m- M$ A1 q
4.3 高空作业防护措施! [+ j' m5 t# m3 j; a# `
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):
5 ?3 D1 b7 o' o2 E2 v( ~ b+ k: B
7 Y9 ~# B0 y/ r, u
C3 E0 o% e" E8 R
. u2 x; c* N# I9 ?. A$ r2 @% ea—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。
, u2 n. Y, ]0 k& l, Y/ y$ L
图17 高空作业防护措施
; q* t1 j( f/ M K: y, T6 r- g9 F; `' _5 O
9 G1 m: O- U8 d# {: Y. z
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。
9 N; Y2 Y5 D; U! \6 i& v
) C) q x. P- G* |# y
2 n8 V7 r: T) p/ t. m. ?' L! S2)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。
, e$ ^" i7 I: F1 [
# g4 y, Z p# X) a" c8 ?7 x
0 I3 |( m) {2 \$ F3)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。
! Z9 ?) D/ f/ j! y, ]6 N. i
6 g U! K/ `* h2 J0 Q" ]( f, C4 n7 X' o- e1 e( l6 o
4.4 检测结果5 W2 _3 O4 M* h4 c; X6 r7 _4 x3 N
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。
* M( F5 s" n1 Z' L
: @6 l5 D f8 ^% s- F
7 v% g) \/ V4 I) l* T1 I表1 钢梁安装主要控制项点检测结果 mm
n* R% D5 N* n* Q! o$ {3 i( h
2 i9 v3 x& l3 {9 Y4 K( ?. ^
5 V2 d: s: a+ R/ ^% `
7 R) v$ }; U- V2 n4 N表2 拱肋安装主要控制项点检测结果 mm
# d4 ^7 W. X' S% Z- a
* ^: {. W# `1 N/ ~, m1 ~
0 S7 Z! @# i. n2 g8 E
! r' @# ~: O" T5 {. M
5 结束语* @) n- U3 D7 c) P& m+ F
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。
! e, v9 P3 V8 X
* C7 p8 A" c5 A8 r A. s( k
x, e/ m& e6 G- x; W1 I0 b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.
: G# X1 b Q9 S2 z5 |: D6 a$ F
doi:10.13206/j.gjgS21030101
, \3 H& @; d! d1 ]7 \
+ ?) q, |9 Z% ?, }1 N$ D, B4 X, {- q1 {