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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