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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。
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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。
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1 工程概况
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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。

a—总体立面示意; b—跨中处断面示意。

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图1　晋阳大桥结构示意　m

2 结构特点及施工难点

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。

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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。

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3)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。
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5 w1 i6 E5 w  R+ F9 `  ^6 T# ^8 ?4)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。


( W( I9 D& F" y; ?3 S3 钢桁拱桥总体施工方案设计

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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:
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1)总体采用支架法施工、先梁后拱的施工方案;

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1 K# \% O4 I% G! [+ d2)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;
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, K0 d6 @, F% ?7 i3)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。


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图2　总体施工流程

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  C4 X6 }% z# d8 ]. s$ U4 制作、安装技术及质量控制措施
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4.1 杆件或部件制作及质量控制措施

1 N' D, ?: J1 z0 ^4.1.1 系梁制作
6 P* e- E% s  y+ m. l! `. R' E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。
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图3　系梁节段示意

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图4　锚箱单元示意

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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。

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3 C1 L' X8 ?# S# Z$ n+ G0 R0 o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。
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图5　系梁制作方案示意

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: F$ _4 n& Q) g# f* [5 L" P2 e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)。


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图6　系梁组装检查

图7　系梁锚箱单元组装

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6 }) v; C2 y5 ^4 a/ ^4.1.2 弦杆制作
0 d3 ?, I0 w: I, S8 b6 v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。


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图8　弦杆节段示意

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0 a  M/ R" U, a0 ^+ I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。
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图9　弦杆制作方案示意

图10　弦杆组装
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图11　弦杆节点板焊后检查
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/ t( O/ a7 q: k4 Y; j1 P1 |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。

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4.1.3 拱肋预拼装及桁片制作
/ c5 ~6 P, M* \  Q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。


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。


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图12　拱肋预拼装及桁片制作流程示意

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( k& ^0 S% T% j" }9 a, {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。
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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

) H" n) X' y4 }! }1 d9 n4.2 桥位安装及质量控制措施
+ C2 ^) D* Q+ U8 C4.2.1 钢梁安装
8 G  j6 a! u0 p7 k) M8 p$ L* Y5 r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)。
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图14　钢梁桥位安装工艺流程

) E+ L$ Z6 ?' _  s0 u' O3 b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。
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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。

图15　钢梁安装施工

4.2.2 拱肋安装
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。
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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。

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$ N0 P0 X' a7 y/ Z0 z1 y7 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。

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。

图16　拱肋安装施工

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4.3 高空作业防护措施
- y+ B1 }5 {: k5 l- m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):

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

6 Y* |/ r9 W4 q1 {  ^% l1)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。
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" H$ h! F6 m9 j' d/ B2)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。

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3 `/ A, R: R" h5 m( K2 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。
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) g$ H5 f4 x7 b+ V" B7 H/ s  |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。

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表1　钢梁安装主要控制项点检测结果     mm

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表2　拱肋安装主要控制项点检测结果      mm

& {6 M4 r$ p6 a5 D5 结束语
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。


7 g% u! ~9 q, a/ R- `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.
doi:10.13206/j.gjgS21030101
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