180米跨度拱加劲连续梁钢管拱异位顶推施工技术研究

180米跨度拱加劲连续梁钢管拱异位顶推施工技术研究

李芳平

身份证：610203198010164616

摘要：对于跨越交通通行道路拱加劲连续梁钢管拱，需要在连续梁上组拼钢管拱。针对施工现场大型垂直运输设备无法到位，吊装设备无法就位吊装，工期紧，道路无法满足长时间道路封闭施工等问题，采用异位拼装顶推就位的施工方法有效解决了上述难题，达到了安全性经济性的平衡，可为类似工程提供参考。

关键词：桥梁工程；异位拼装；顶推滑移

1 概述

目前大跨度拱加劲连续梁钢管拱施工方法主要分为“有支架”和“无支架”两大类：支架法主要是在原桥位梁部顶面处搭设全支架进行节点支架法拼装；无支架钢管拱拼装主要采用搭设缆索吊进行钢管拱分段吊装对接拼装。支架法原位拼装，不管是支架的拼装还是拱肋架设的均为高空作业，容易发生高处坠物，对梁部下方区域造成严重的安全隐患，影响周期长，同时下部区域为既有公路、铁路不能封闭施工，对梁部和拱部的施工周期影响较大。以上方法无论在成本、工期、安全方面，还是在施工过程控制中对跨越交通道路施工都存在很大的交叉运行影响因素，无法满足现场施工工期、安全要求，对于此类跨越交通通行道路的大跨度拱加劲连续梁钢管拱拼装施工很难实现低风险、高效率施工。

2 工程概况

某（91.3+180+91.3）m拱加劲连续梁，连续梁为预应力钢筋混凝土结构，钢管拱跨度为180m，矢跨比1/5，矢高36m，拱肋位于竖直面内，拱顶距离底面高度62m，拱肋为钢管混凝土结构，采用哑铃形等截面形式，截面高度3m，钢管直径1m，由壁厚24mm和28mm的钢板卷制而成，每根拱肋的两钢管间采用壁厚16mm和20mm的腹板连接。上跨兰海高速，施工期间不允许封路施工。

3方案比选分析

3.1方案分析比选

（1）竖转法施工

总体方案采用“先梁后拱”施工方案，主梁施工完毕后，以桥面为工作面拼装钢管拱肋、竖转合龙，灌注拱肋混凝土，安装吊杆，完成主桥施工。因拼装作业主要在桥面完成，两侧可做到封闭施工减少安全风险。

（2）异位拼装、顶推滑移

参考类似结构的工程经验，我们结合支架法和异位施工的方法可以做到完全避开对既有高速公路的影响。该方案对于高位拱肋施工采用“异位拼装、整体顶推”的施工方法，采用异位拼装、整体顶推滑移施工可以大大减少上跨高速公路的施工时间，从而降低对高速交通的通行影响。同时在拱肋节段拼装完成之后，在拱脚处施加预应力，预紧拱脚后拆除支撑体系。解决了在滑移过程中两侧拱肋稳定性差、拱脚无约束的问题。

以上两种方案理论上均可以实现，但是通过对现场地形的勘查以及对所需机械设备的调查，结合后续施工方案的可实施性对拱肋竖转方案进行分析，存在以下几个问题：

①大型设备无法进场。按照竖转方案，根据钢管拱的节段重量及起吊高度，钢管拱安装需要至少350t汽车吊在兰海高速两侧施工，而39#墩位置大型设备无法到达，由于与兰海高速成30°夹角，大型设备在地面的有效利用空间很小；

②钢管拱采用竖转方案对高速公路的防护方案为在兰海高速上搭设刚性防护棚架，经过现场查看兰海高速路基挡墙已开裂，经与高速公路产权单位沟通，不同意在高速公路上搭设刚性防护棚架；

③竖转所用索塔高度较高，高空吊装作业及搭设难度大，高速公路上施工时间长，安全风险高；

因此最终我们确定加劲钢管拱采用“异位拼装、顶推滑移”的方式进行施工。

3.2方案优化

根据现场的地形以及结合实施性施工组织设计，拟采用异位拼装顶推法进行施工，顶推施工有如下四种方案：

方案一：在30号～37号墩之间用钢管柱及贝雷片搭设临时支架，形成作业平台，平台上安装轨道、纵移小车和临时钢结构拱座，并搭设拱肋拼装支架，拱结构整体成型后平推至桥位整体安装。

方案二：33号～37号墩之间用钢管柱及贝雷片搭设临时支架和合拢后的边跨梁面（小里程侧）形成作业平台，平台上安装轨道、纵移小车和临时钢结构拱座，并搭设拱肋拼装支架，拱结构整体成型后平推至桥位整体安装。

方案三：采用连续梁边跨及部分中跨桥面作为施工作业平台，梁面浇筑顶推基础，安装轨道、纵移小车和临时拱座，并搭设拱肋拼装支架，拱结构整体成型后平推至桥位整体安装。

方案四：采用大里程侧箱梁架设完成后利用梁面作为施工平台，平台上安装轨道、纵移小车和临时拱座，搭设拱肋拼装支架，拱结构整体成型后平推至桥位整体安装。

以上方案，在工期效益、经济效益方面进行分析。方案一和方案二连续梁与钢管拱可同步进行施工，工序间的施工衔接通畅，无窝工现象，施工工期分别可节约3-4个月、1-2个月，但支架搭设体积大，资源投资较大。方案三按照项目实施性施组，工期将会存在滞后的情况，但取消了边跨侧的支架体系，资源投资较方案一、二大大减少。方案四则会造成连续梁及梁场大量人员及设备的闲置（管理成本及设备闲置成本增大）。综合考虑下来，采用方案三施工最为合理。

4高位合口拱加劲连续梁钢管拱施工技术

4.1总体施工思路

拱加劲连续梁钢管拱采用“异位拼装、整体顶推、高位合口”的总体思路。

针对本工程高位合口拱肋拼装、顶推施工、梁部与拱肋过渡面变形收缩梯度不同步特点，在施工前积极策划，拟定对策措施，确保施工安全：

（1）高处作业安全风险大。措施、对策：辅助支架经验算合格后施工，全面系统性的做好安全防护工作，加大安全检查力度；高处作业均设置封闭围挡，确保作业人员安全。

（2）临时拱座两端设置预紧钢绞线，通过大型分析软件Midas Civil计算得到阶段水平索力数值，确定张拉值；加强施工过程中钢拱线形及索力测量控制。

（3）为确保整体线形。高位拱肋拼装采用高程调节装置，实现大型杆件的精调、微调；采用专用顶推设备控制器保证两侧拱肋同步性；顶对前采用BIM技术模拟施工过程，顶推过程中严格控制顶推速度、跟踪测量、确保顶推过程安全可靠。

（4）设计专门的滑移系统的设计并进行各部位结构力学分析；通过大型分析软件Midas Civil计算得到水平索力值，并验证了结构变形能够满足拱脚合龙杆件的变形控制需要；在钢管拱下部设置一道横向加强杆件，增强结构的横向稳定性及横向变形。

（5）梁部施工过程中为保证拱脚与梁部变截面断的裂缝产生，在施工过程中同步浇筑拱脚。

（6）在拱脚浇筑是预埋部分拱肋进入拱脚同步浇筑完成，完成混凝土和钢材不同材料受力过渡段同步完成，减少拱肋与预埋拱肋安装过程中对拱脚较大应力产生裂缝；

4.2“异位拼装、整体顶推、高位合口”工艺流程

拱加劲连续梁钢管拱拼装采用“异位拼装、整体顶推、高位合口”施工工艺，主要分为四个运行体系：拱肋支撑系统、临时紧固系统、钢管拱紧固系统、顶推系统。

主要施工工艺流程如下：

施工准备→钢管拱加工运输→钢管拱承重支架及顶推机构安装→钢管拱拱肋节段安装→临时拱座预紧及支架拆除→钢管拱整体顶推→拱脚高位合口合龙及二期混凝土浇筑→拱肋混凝土灌注→吊杆安装和张拉→二次涂装和索力调整。

其主要施工步骤如下：

步骤一：

主桥梁部与拱脚预埋段同步施工完成后，在主桥小里程边跨和主跨部分区域搭设拱肋安装辅助支架。

步骤二：

1、将汽车吊吊装至主桥桥面上、安装拱肋滑移轨道及滑移小车，将滑移小车与轨道临时固接。

2、用汽车吊侧方位地面吊取拱肋节段、桥面上进行拱肋节段2～8的吊装。

3、拱肋安装顺序为先拱脚节段后拱顶节段。

步骤三：

1、处于高位合口拱肋节段2～8全部吊装完成后，安装拱肋水平及竖向钢绞线进行预紧，保证安装过程拱肋整体稳定性。

2、严格控制钢绞线张拉顺序与支架拆除工序交替进行。

步骤四：

1、解锁拱肋滑移小车，检查拱肋补强支架和拱肋线形。

2、纵向滑移拱肋节段，至桥位设计位置。

3、安装拱脚高位合口合龙段，浇筑拱座二期混凝土。

4、拱圈内浇筑混凝土。

5、张拉吊杆。

4.3拱脚高位合口预埋

1、拱脚位于38#墩和39#墩处0#块，于0#块钢筋绑扎过程中进行安装定位。单个拱脚重量6.2吨，吊装高度20m,选择吊装设备为100吨汽车吊。在起吊钢丝绳末端悬挂2个10吨倒链，并将拱脚与倒链连接，用于吊装到位后拱脚的位置精调。安装完成后拱座混凝土与0#块一同浇筑。

2、0#块分两次浇筑，支架预埋件位于第一次浇筑顶面（顶板标高下3m处），预埋件位置根据拱肋轴线、梁支座中心线及顶板标高进行定位。支架现场进行制作，为保证支架刚度及稳定性，支架主材采用Q235BI14a。

3、异位拼装、整体定位拱肋一般采用低位合口设计，整体拱肋拼装完成后，顶推到位，安装拱脚钢筋及模板，浇筑拱脚混凝土。为更好控制拱脚混凝土裂缝以及施工工期，采用拱肋拱脚预埋拱肋与梁部同步浇筑，防止后期梁部与拱脚变形收缩梯度不同步带来的拱脚开裂。

4.4钢管拱辅助支架设计

根据拱肋分段情况，在靠近每段拱肋的端部位置设置双柱型格构柱,拱肋共布置8组立柱,主管规格为Φ299×10mm、Φ273×8mm，腹杆规格为Φ219×6mm、Φ140×5mm、Φ114×5mm，所有钢管材质均为Q235B，支架顶部设置双拼40a工字钢。

4.5顶推走行系统设计

钢管拱顶推走行系统由拱肋抱箍、拱箱、贝雷片横梁、托架、走行轮箱、液压系统及夹轨器等组成，轮箱底部设置钢轨和轨道基础组成。顶推走行系统布置见下图。

考虑到顶推系统临时拱箱及拱肋均在高位合口合龙施工，钢管拱重心高度达到了11.1m，以及钢管拱及补强加固的自重，这里选择采用成品贝雷梁结构，规格为单层加强型贝雷梁，12组间距@450mm，之间采用加强交叉杆进行横向联系，临时拱箱采用20mm、30mm、40mm等厚度钢板现场焊接而成，托架采用Φ351×10mm钢管现场焊接成型。贝雷片与临时拱箱、型钢分配梁均采用双头螺栓连接固定，顶推系统的临时拱座与拱肋通过特制抱箍连接，其余结构之间采用焊缝连接形成整体。必须保证每一个结构体系的安装高度与设计一致，顶面高程必须水平，高差不超过5mm。才能保证起始节段（2+3）节段的高程，位置绝对准确。同时高位施工会造成顶推体系出现整体滑移的情况，因此需要在顶推走行机构下方设置限位装置，包括夹轨器、车挡和限位块，防止安装施工过程中高程位置发生改变。

钢管拱顶推设备由夹轨器、50t液压缸、泵站、走行轮组成，准备2套顶推设备。顶推设备安装在前进方向的两个轮箱上，左右对称安装。液压缸前段与焊接在轮箱后端的钢板采用销轴连接，液压缸与后面的夹轨器采用销轴连接，夹轨器安装在钢轨上，钢轨嵌入夹轨器凹槽内，顶推设备见图。

1.4.6钢管拱拱肋节段拼装架设

根据各拱肋节段重量表及汽车吊吊装能力综合考虑，采用在预拼场分段组拼，整体吊装的原则，既减少支架使用量又较少了给高位拱肋对接次数，可以有效的保证施工质量和安全。

根据节段重量表，施工时将节段按照节段（2+3）、节段4、节段（5+6）、节段7、合龙段（8+8）进行划分组拼成型，并按照先拱脚再拱顶的顺序安装就位。

1、节段（2+3）吊装，1#K撑安装

正式起吊前进行试吊，拱段在试吊过程中，通过手拉葫芦调整拱肋上端口和下端口之间的高差，采用角度尺测量使试吊时拱段线形靠近理论轴线。

2、节段4吊装，2#K撑安装

3、节段（5+6）吊装，3#K撑安装

4、节段7吊装，4#K撑安装

5、节段（8+8）吊装，米字撑安装

4.7临时拱座预紧及支架拆除

钢管拱及横撑安装焊接完成，拆除临时支架后，钢管拱每道拱肋两端临时拱座处会产生向外的纵向水平推力，为保证顶推就位钢管拱能够精确合龙及顶推过程的安全性，钢管拱自身需要成为自稳定体系，因此钢管支架拆除前，需在钢管拱每道拱肋两端的临时拱座上分别安装纵向钢绞线，并进行张拉，以抵抗钢管拱本身由自重所产生的水平张力，即可保证钢管拱拱肋的线型在脱架前后保持一致。拱肋下端通过抱箍与顶推体系主体连接协同工作，拱肋因自重产生的竖向力及水平推力均通过抱箍传递至下部顶推体系钢箱等结构，抱箍受力简图如下：

根据水平钢绞线平衡水平反力的原则，以上水平反力可用作张拉控制力。根据以上结论，建立midas模型后进行分析计算，得出钢绞线最大张拉力为每侧2409kN。

拱座预紧措施为：单侧拱圈下部位置设置在两个临时拱座上安装四束φ15.2mm钢绞线；并在水平索布置6道防风缆风绳（规格为直径22mm钢丝绳），每束12根直径为15.2mm钢绞线的承载力为8096kN，钢绞线安全系数K=F/N=8096/2409=3.36＞2.5，钢绞线能满足安全的需要。具体间距如下图示：

拱脚处的水平反力根据支架拆除顺序逐步计算，拆除过程按照先拆支承点（仅在顶部卸载）后张拉顺序，卸载顺序见下表。支架拆除应遵循左右对称，前后对称的原则。

4.8顶推施工

高位钢管拱整体顶推纵向顶推稳定性的控制是施工中最难控制的一个环节，高位顶推还存在顶推重心偏高，顶推难度大，高位拱肋线型精度控制难度大的问题，根据分析，轨道上的3cm高程偏差，将会造成拱肋整体偏斜，顶部将会产生10cm的位置偏差。要求钢管拱安全稳定准确的沿着轨道前进至设计位置。顶推距离为96m，前进速度为0.5m/min。

钢管拱的顶推要求采用两套规格型号一致的顶推设备，在油缸上和轨道上做好刻度标识用来控制顶推前进距离。钢管拱顶推过程中，负责监测前后方轮箱组的技术人员通过对讲机保持联系。任何部位发生异常及时汇报并暂停顶推，査明原因并解决问题后，再在统一指挥下继续进行顶推操作。

顶推过程中要检测拱肋线型及位置高程，保证拱肋的横向及竖向位置与设计一致，为了避免顶推到位后产生较大偏差无法采取措施调整到位，需要在顶推到位前进行多次测量工作，发现偏差及时通过反向顶推、调整轨道等措施纠偏。

1.4.9拱脚高位合口合龙

通过控制滑移量，精确控制钢管拱顶推到位的位置，对钢拱进行精调，纵向位置偏差利用顶推修正；竖向偏差采用调整钢轨标高修正；横向偏差利用轮箱轮子与轨道之间的缝隙塞铁片在顶推到位前修正。钢拱修正到位后，安装拱脚高位合口预埋段与顶推系统拱肋之间的合龙段，并进行锁定焊接，安装腹板及其他附件，完成整个钢管拱肋的安装。

两侧拱脚处高位合口的合龙段拱肋节段1安装完成后，进行固结拱脚，浇筑拱座二期混凝土。拱座二期混凝土采用常规的立模浇筑法进行施工。

4、结语

（1）钢管拱采用异位拼装整体纵向滑移就位的方案进行施工，安全且节约施工场地，施工速度快；

（2）可以有效利用利用连续梁施工时的垂直运输设备，解决了跨中无法支设大型垂直运输设备，拱肋支架搭设及预压材料上桥困难等问题；

（3）“分段预拼、整体吊装”减少支架用量的同时可以减少空中拱肋对接施工，有利于拱肋整体线性控制；

（4）该施工工艺实现了大跨度加劲钢管拱肋安装快速高效、高精度、高质量、低风险拱肋拼装施工。