黄顺利

（山西省阳翼高速公路L12A项目部，山西 晋城 048200）

1 概述

北深沟大桥位于山西省晋城市沁水县城东南约3.5公里，是晋城至侯马阳翼高速公路的重要组成部分，是华北地区跨度最大的钢管拱桥。主桥采用净跨径260米的中承式钢管混凝土拱桥，拱轴线形为悬链线，矢跨比f/l=1/4.5；拱肋断面形式为桁架式,拱肋高度为5.2米,宽2.7米,由4根φ1000的钢管组成,钢材采用Q345C钢，管壁厚度为26（18）mm；腹杆采用φ400壁厚12mm的钢管，上下缀板采用壁厚12mm的钢板。全桥设置九道桁架式风撑，风撑弦杆采用φ700mm壁厚为12mm的钢管。纵向4根钢管和缀板内灌注C50微膨胀混凝土，其余均为空钢管。

北深沟大桥每根拱肋钢管分13节段进行制作安装，最大节段质量为72.7t。根据现场施工环境及施工设计要求，北深沟大桥拱肋采用75t缆索吊机系统进行架设。为确保施工稳妥安全，北深沟大桥拱肋吊装应用双肋吊装单肋合拢方案。因拱肋吊装节段较多，吊装节段质量较重，同时缆索吊机塔架较高（前塔架高度90m）且缆索吊扣锚索系统与吊装系统合二为一，增加了钢管拱肋架设的难度。为此，在拱肋架设过程中，应认真分析各种影响因素，确保拱肋架设的安全与质量。

2 施工工序

（1）拱座施工及拱脚预埋件预埋；（2）75t缆索吊机拼装调试及试吊；（3）拱肋钢管构件工厂制作；（4）钢管拱肋节段现场现场制作及预拼装；（5）钢管拱肋节段吊装；（6）钢管拱肋合拢。

3 关键工序及吊装方法

3.1 拱脚预埋件预埋

拱脚预埋件包括拱脚临时铰和拱肋首节钢管。此两部分均在浇筑拱座混凝土时预先进行精确定位预埋。

北深沟大桥在施工中按设计及业主要求，浇筑拱座混凝土时先进行首节预埋钢管的精确定位及固定，使首节预埋钢管上面的锚固进钢筋与拱座内的钢筋连成整体，增强拱脚混凝土的整体性。

3.2 75t缆索吊机拼装调试及试吊

缆索吊主跨L=287m，阳城侧后锚跨径134.5m，关门侧为139.5m。布置简图示意如图1：

缆索吊塔架分东西两个，形状为“h”形，前塔架均支撑在拱座上，后塔架采用桩基承台基础，塔架采用N型万能杆件拼装，局部为新制杆件，其顺桥向“h”式结构，横桥向为门式结构，前塔架东西塔均为90m高，后塔架分别为66m和62m高，前后塔架中心距为23m，塔架横向净跨为30m。缆索吊设置两组主索，每组主索负责吊装一侧拱肋，两岸对称悬拼。拱肋扣锚系统与吊装系统合二为一，充分发挥缆索吊的塔架受力性能。拱肋1、2、3、4号扣锚索张拉端设在后塔架顶部横梁上，5、6号扣锚索张拉端设在前塔架第二道横梁（从上往下）上。扣锚系统布置如图2所示：

图1

缆索吊机试吊时分静载超载（施工最大荷载的125%）和动载（110%）试吊，试吊重物利用预拼场的现有钢管构件进行调配。先进行动载试吊，依次按最大荷载的80%→100%→110%进行试吊，动载试吊过程中要加强跑车的制动及缆索吊机各关键部位的检查，同时检查通讯、指挥系统的通畅性能和各作业队之间的协调情况，测量人员要进行缆索吊机主索垂度、塔顶位移、后锚碇位移等项目的观测记录。最后按最大荷载的125%进行静载超吊，此时重物约吊离地面50cm即静止进行观测和检查。通过试吊，缆索吊机系统运行良好，各项测试数据均在设计及规范允许范围内，为下一步进行拱肋的架设奠定了良好的基础。

3.3 钢管拱肋节段现场制作及预拼装

北深沟大桥拱肋焊接钢管节段均在工厂制作和试装，验收合格后用平板车将预制钢管节段拖运至工地预拼场进行拱肋节段焊接。钢管进行拱肋加工前，应作除锈防护处理。受地形限制，北深沟大桥现场预拼场共设置4个预拼胎架，分别进行各自1/2拱肋节段的组拼。每个胎架上的拱肋节段均采用两节段试拼装的形式，在整平的胎架上按设计图和施工方案的要求确定钢管拱肋考虑了预拱度的放样坐标，进行拱肋第一、第二节段的组拼，焊接外法兰，拧紧连接高强螺栓，检查验收合格后将两节段解体，先吊走第一节段准备架设，将第二节段移位到第一节段的原胎架位置上，再进行新一节段的预拼。

3.4 钢管拱肋节段吊装

北深沟大桥每侧拱肋个分为13个节段，其中1～6#节段为对称节段，第7节段为合拢段，最重节段(第3节段)重量为72.7t。

3.4.1 吊装前准备

缆索吊机系统作为本桥拱肋架设的主要设备，在每个拱肋节段进行吊装前应全面检查，确保吊装工作的顺利进行。每个拱肋节段在吊装前应进行质量检查，验收合格后方可转运至缆索吊机跨中下方放平准备架设。同时安装节段上的爬梯及节段端头的对接操作平台，并做好测量控制点。

3.4.2 拱肋节段吊装

（1）扣锚索控制力值和控制点标高值计算

拱肋吊装过程，其实就是扣锚索控制力和控制点标高值的调试过程，因此，拱肋扣锚索控制力和控制点标高值的计算尤为重要。由于拱肋吊装过程中各节段的坐标都处于变化之中，为了保证最终的拱肋合拢线型满足设计要求，应该通过仿真计算，预先给出一套拱肋吊装的优化方案，即在每一拱肋节段的吊装过程中，设置一个合理的预设标高值，然后随着后续拱肋节段的吊装，各段的预设标高值不断被消耗，当施工到合龙时，拱肋拱轴线恰好落在设计拱轴线上。采用这种施工方法不但可以克服传统的拱肋吊装施工中索力调整次数过多的难题，而且将会大大简化方便施工，缩短工期。由于拱肋吊装过程是一个多次超静定结构，在合龙拱轴线满足设计精度的前提下，有多组不同的预设标高方案，同时又要保证每一节段吊装时的钢管拱肋受力安全，扣索索力合理，因此拱肋吊装的预测是一个优化过程。根据此法利用专业桥梁结构分析软件MIDAS/Civil 6.71进行建模，采用基于迭代理论的前进分析法进行预测计算与优化，即根据一组假设的预抬高值进行施工过程的前进模拟计算，将新的计算结果与设计要求进行比较，从而获得修正的预抬高值，继续进行前进分析，经过若干轮迭代后，得到了最终拱肋线形、应力满足设计要求的一组拱肋吊装方案。通过此法建模计算得出拱肋阶段吊装过程控制点的标高值和扣索力值用于指导施工,吊装过程中的锚索控制力值则通过扣索控制力值按每组扣锚索水平方向受力平衡的方法算出。

（2）拱肋节段吊装

北深沟大桥拱肋节段较重，吊装时采用两端兜底的方式吊装，这不仅可以避免因焊接吊耳而在吊耳处产生的应力集中，也可加快施工进度。起吊前，先将拱肋“翻身”(即拱肋上下弦杆处在同一铅垂面上)，缓慢提升，再横移至对接位置进行对接，拧上外法兰连接高强螺栓（但不拧紧），装上扣锚索和侧向揽风，此时，扣锚索均先不进行张拉。缓慢的松开节段后端的吊钩，使吊装节段的部分重力通过高强螺栓传至已架设的拱肋（对第1节段则传至临时铰），完成吊装阶段第一次受力转换。当节段后端吊钩完全松开后，开始初测节段前端控制点坐标及标高，如控制点坐标偏差超过允许值，先用侧向揽风调整至偏差允许范围之内，再在节段后端外法兰连接处插打钢垫板，使拱肋节段控制点坐标符合设计值。此时，节段前端控制点标高比设计值高约10～20cm。

北深沟大桥扣锚索均采用φ15.24钢绞线，每根扣锚索均要求分级对称张拉，不平衡水平力控制在20吨以内，施工时每次均要求先张拉锚索，再张拉扣索与其平衡，循环此过程直至张拉扣锚索到设计要求，禁止交替上升张拉。

因每根扣锚索均由若干根钢绞线组成，张拉前应先将钢绞线收齐，使每根钢绞线受力大小相同，垂度一致，再用150t千斤顶进行整索张拉，使扣锚索钢绞线受力均匀。张拉扣锚索时，应严格按上述要求进行分级张拉，每张拉一级，吊装节段前端吊钩即进行一次缓慢点松，测量人员观测前端控制点标高，如此反复进行调整，直至节段前端吊钩完全不受力，此时，节段前端标高略低于设计值，完成吊装节段的第二次受力转换。紧接着通过扣锚索调整节段前端标高到设计值即完成本节段的吊装。之后请监控单位对扣锚索及缆索吊机塔架等项目进行监控测量，确保结构体系的安全与稳定。考虑温度对拱肋线形的影响，拱肋节段吊装完成时间应尽量处于一天中的相同时刻,这样拱肋的线形将比较平顺，与设计线形比较相符。北深沟大桥拱肋节段的吊装完成时间均在19：00左右，从 19：00到拱肋合拢时间（凌晨 0：00）段内，拱肋温度变化较小，有利于合拢段的控制。

对于第1节段，吊装就位后，因其下口通过销轴与拱座临时铰进行连接，故只需将其顶口控制点标高调至设计值即可。而对于第2、3、4、5、6节段，除了将其顶口控制点标高调至设计值，还应注意测量已架设节段个控制点的标高并将其与各安装阶段的设计值进行比较，以复核各控制点标高。

（3）拱肋合拢

北深沟大桥拱肋自重较大，跨中合拢前，悬臂段较长，为确保施工稳妥安全，先进行拱脚合拢，焊接拱脚接头套管，完成拱脚体系转换，再进行跨中合拢段的合拢。本桥合拢段重60.3吨，长22.549米；阳城岸端设计为外法兰构造，翼城岸端为合拢装置，合拢装置主要由楔体（2块）、钢楔子、紧固螺栓、加劲板和垫板等组成，合拢装置如图3、4所示：

图3

图4

本桥采用先对接外法兰、再对接合拢装置方式实现合拢。按设计要求，拱肋合拢应在一天之内的较低气温下进行。根据本地气温监测，凌晨0：00左右为较佳合拢时间。合拢段合拢时，先将准备好的钢楔子同时对好位，采用重铁锤敲打钢楔子，并用扳手拧紧紧固螺栓，实现合拢，使拱肋结构体系由单铰拱转换为无铰拱，再及时焊接搭接套管，完成拱肋合拢。合拢期间，应做好合拢前、楔形槽焊接时、合拢后（第二天早6点）及松钩后拱肋线形和轴线偏位的测量工作，便于指导下一步施工。

结论

北深沟大桥拱肋于2009年10月21日实现合拢。根据监控单位武汉理工大学的监控数据显示，北深沟大桥合拢后各控制点标高最大偏差值为69mm<87mm，最大轴线偏位为19mm<43mm（依据公路桥涵施工技术规范《JTJ041-2000》的质量检测标准，拱圈高程允许偏差：±L/3000=87mm，轴线偏位允许偏差：±L/6000=43mm，L=260m），表明本桥所采用的吊装技术安全可靠，能够确保拱肋架设的安全和质量，对今后同类桥型的施工具有一定的参考价值。

[1]陈宝春.钢管混凝土拱桥.北京:人民交通出版社,2007.

[2]陈宝春.钢管混凝土拱桥设计与施工.北京:人民交通出版社,1999.