大跨度鋼管砼平行拱側傾轉化提籃拱工法

《大跨度鋼管砼平行拱側傾轉化提籃拱工法》是中鐵二十局集團有限公司完成的建築類施工工法；作者分別是杜越、王永剛；適用範圍是各種截面的下承式鋼管混凝土提籃拱橋、中承式鋼管混凝土提籃拱橋。

《大跨度鋼管砼平行拱側傾轉化提籃拱工法》主要的工法特點是拱肋段對位容易；對航道影響小；在分段長度不變的情況下，不需增加纜索吊機的起重能力；安裝方便，施工進度快，經濟安全。

2008年1月31日，《大跨度鋼管砼平行拱側傾轉化提籃拱工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2005-2006年度國家二級工法。

基本介紹

• 中文名：大跨度鋼管砼平行拱側傾轉化提籃拱工法
• 工法編號： YJGF245-2006
• 完成單位：中鐵二十局集團有限公司
• 主要完成人：杜越、王永剛
• 審批單位：中華人民共和國住房和城鄉建設部
• 主要榮譽：國家二級工法（2005-2006年度）

形成原因

鋼管混凝土提籃拱橋是中國2005年前在鋼管混凝土拱橋基礎上發展起來的新技術，具有自重輕、強度大、抗變形能力強、造型美觀等特點。截至2005年，中國鋼管混凝土提籃拱橋數量不多，常見為中承式四肢桁架拱，架設多採用纜索吊機雙肋分段吊裝法安裝（浙江銅瓦門大橋）和雙肋分段拼裝後豎向轉體法安裝（江蘇邳州連雲港~徐州高速公路京杭大運河大橋）。

無錫華清大橋為啞鈴型截面下承式提籃拱橋，橋面寬40米。由於受航道通航及橋位地形限制，前面提到的兩種技術不能套用在無錫華清大橋主橋上，因此，設計單位提出採用50噸纜索吊機法先分段吊裝形成兩根平行拱，然後採用側向纜風繩收放，使兩根平行拱肋由拱頂橫向間距24.602米變為7.692米，轉化成提籃拱考慮到設定4組與拱肋成90°的側傾纜風繩系統受運河寬度（約100米）和通航條件制約，以及鋼絲繩柔性較大，不便於最後精確控制提籃拱軸線，因此，中鐵二十局集團有限公司在設計方案的基礎上，大膽創新，在平行拱之間安裝4組可調式內撐桿進行拱肋側傾，內撐桿上設定絲槓與絲母，人工旋轉絲槓，內撐桿縮短並帶動兩根拱肋向內位移。即變設計“外控”為“內控”，並以“內控”為主，“外控”為緊急預案，實現拱肋側傾時的雙保險。

中鐵二十局集團第一工程有限公司開展科技攻關，設計了能在側傾過程中分節拆除的可調內撐桿，並進行了模擬試驗，進一步驗證可調內撐桿在一定軸向壓力下，人工是否可以轉動絲槓，以及其強度和穩定性等問題，並通過試驗進一步最佳化了可調內撐桿的結構，模擬試驗成功後，對平行拱進行側傾，總結形成了“大跨度鋼管混凝土提籃拱橋安裝技術”這一中國國內領先的新成果，並於2005年通過了中國鐵道建築總公司科委會鑑定，專家們一致認為該技術達到了中國國內領先水平，具有較為廣闊的推廣套用前景。同時形成了《大跨度鋼管砼平行拱側傾轉化提籃拱工法》。由於其對航道影響小，施工方便，安全經濟，故為大跨度鋼管混凝土提籃拱施工提供了一種快捷的施工方法。

工法特點

《大跨度鋼管砼平行拱側傾轉化提籃拱工法》的工法特點是：

1.拱肋段對位容易，省去了現場分段拼裝工作及相關輔助設施的投入。

2.對航道影響小，占用航道時間短（2~2.5小時）。

3.在分段長度不變的情況下，不需增加纜索吊機的起重能力。

4.安裝方便，施工進度快，經濟安全。

操作原理

適用範圍

《大跨度鋼管砼平行拱側傾轉化提籃拱工法》的適用範圍是：

1.各種截面的下承式鋼管混凝土提籃拱橋。

2.中承式鋼管混凝土提籃拱橋。

工藝原理

《大跨度鋼管砼平行拱側傾轉化提籃拱工法》的工藝原理敘述如下：

在拱肋底部與拱腳之間設定雙向可轉動的臨時鋼球鉸，採用纜索吊裝技術，先分段吊裝形成平行拱，然後在平行拱之間安裝4組可調長度的內撐桿。每根內撐桿主要由數節1米內撐桿、2根Φ94毫米絲槓、2個絲母及銷軸組成，其中絲槓設定在兩端，絲母通過鋼銷固定在內撐桿腹腔內。該桿兩端與拱肋鉸接，人工站在操作平台上旋轉絲槓，則框架與絲母一起向內移動，從而帶動拱肋向內傾斜。當絲槓旋進1米時，停止轉動，用連線板把絲槓固定端與內撐桿連成整體，然後打掉第一節內撐桿固定絲母的鋼銷，反轉絲槓，絲母退回到第二節內撐桿銷孔位置時，重新安裝絲母固定鋼銷，拆除連線板及第一節連線桿，繼續旋轉絲槓，拱肋隨之繼續向內傾斜，直至拱肋傾斜到設計位置。

施工工藝

• 工藝流程

《大跨度鋼管砼平行拱側傾轉化提籃拱工法》的工藝流程見圖1。

圖1側傾施工工藝流程圖

關鍵技術

《大跨度鋼管砼平行拱側傾轉化提籃拱工法》的關鍵技術如下：

1.可調內撐桿設計

可調內撐桿主要承受拱肋在側傾過程中因自重產生的水平軸向力及風力，設計時風力一般考慮七級風，內撐桿不均勻係數取1.5~2。軸力確定後，擬定內撐桿截面尺寸、絲槓直徑、螺紋形式及螺母，最後驗算強度和穩定性是否滿足受力要求。為提高絲槓抗剪能力，在內撐桿兩側設定導梁。該橋可調內撐桿總裝布置見圖2。

圖2可調內撐桿總裝布置圖

2.側傾纜風繩系統設計

側傾纜風繩系統設計主要包括地錨設計、纜風繩計算、纜風繩調整裝置的選擇等。

（1）纜風繩及地錨布置

考慮到地形條件及纜風繩與拱肋的夾角（不小於60°），纜風繩對稱設定在第5根吊桿附近，呈八字”形狀。地錨設定在岸邊，採用重力式地錨，用C20混凝土澆築，並預埋3組拉環，纜風繩及地錨布置見圖3。

圖3側傾纜風繩及地錨布置示意圖

（2）纜風繩及地錨受力計算

首先計算出纜風繩在水平方向的分力，該分力為拱肋自重產生的水平分力+風力（七級風），經計算，

一組纜風繩最大水平分力為F_max=36.7噸。求算出纜風繩最大水平分力後，再根據纜風繩與拱肋之間的夾角、纜風繩與地錨的夾角，分別計算出繩力及地錨要承受的水平拉力，依此分別設計地錨、選擇鋼絲繩直徑，配置調索裝置。根據圖3中F_max=36.7噸計算出側纜風繩組中的理論最大拉力為46噸。

（3）纜風繩的選擇

根據46噸拉力，側向纜風繩均選用1根6×37-Φ47.5-170鋼絲繩，其安全係數為：K=140÷46=3.04>3，K滿足要求。

（4）纜風繩調整方法

採用5門50噸滑輪組與1個10噸鏈進行收緊調整。滑輪組選用Φ17.5鋼絲繩。

（5）地錨設計

擬訂地錨尺寸為：3米×3.5米×6米，為重力式地錨，用C20混凝土澆築，其抗滑係數K_f=1.3，抗拔係數K_v=7.4、抗傾覆係數K_m=2.25，均滿足要求。

• 操作要點

《大跨度鋼管砼平行拱側傾轉化提籃拱工法》的操作要點如下：

1.調整拱肋側傾纜風繩，使兩拱肋關於線路中心線對稱。

2.在拱肋與可調內撐桿的兩端各設定一個5噸搖鏈，給拱肋施加內傾的水平力（鉛垂拱狀態）。

3.人工分別轉動絲槓，使兩拱緩慢向內側移動。當絲槓旋轉2~5圈（兩拱側傾約2~5厘米）時停止轉動，對外側纜風繩及跑車進行一次調整。如此循環，直至完成第一節內撐桿的內傾（當絲槓旋轉困難時，採用螺旋千斤頂和工字鋼撐桿配合，減小螺母與絲槓之間的摩擦力）。

4.絲槓旋轉至剩餘2圈螺紋時，在導向梁與格構框架之間插入剪力銷，拔出螺母上下2根Φ40鋼銷，反轉絲槓使螺母退至下一節框架起始位置（同第一節所在位置），插上Φ40鋼銷。

5.用扳手拆除第一節框架的導向槽、螺栓和上下蓋板，卸下第一節內撐桿。

6.將第一節框架上的導向槽移至第三節框架固定。

7.重複3~6，直至拱肋側傾到設計位置。

• 勞動力組織

《大跨度鋼管砼平行拱側傾轉化提籃拱工法》的勞動力組織情況見表1。

表1 勞動力組織情況表

序號	分組	人數	備註
1	測量組	3	觀測拱肋位置及內撐桿中心位置
2	內撐桿組	5	負責操作內撐桿，每套內撐桿的一端安排4人操作絲桿，另外1人操作手拉葫蘆
3	纜風繩組	3	收放纜風繩，每個地錨3人
4	吊裝組	1	調整跑車繩力，配合進行側傾
5	技術組	2	現場技術指導
6	指揮	2	1名總指揮、1名現場指揮，負責各班組之間協調

材料設備

一、材料

《大跨度鋼管砼平行拱側傾轉化提籃拱工法》所用的主要施工材料見表2。

表2 拱肋側傾主要施工材料表

序號	材料名稱	規格	主要技術指標
1	側傾內撐桿	[14a槽鋼 10毫米鋼板 12毫米鋼板	可拆卸框架每節長1.0米；固定節長度分別為3016毫米（4016毫米）；計算截面積74.08平方厘米；計算長度23米；最大慣性矩48556立方厘米；最大長細比89.8；計算軸向力36噸；最大彎矩145475牛.米
2	內撐桿絲槓、導向梁	絲槓直徑96毫米，45號鋼；導向梁矩形截面尺寸200毫米×73毫米，厚度10毫米，Q235鋼	絲槓計算長度150厘米，計算截面積72.35平方厘米；長細比70
3	框架連線銷軸	直徑40毫米，Q235鋼材	計算截面積1256平方毫米；容許最大剪力157千牛

二、設備

《大跨度鋼管砼平行拱側傾轉化提籃拱工法》所用的主要施工機具設備見表3。

表3 拱肋側傾主要施工機具設備

序號	機具設備名稱	設備型號	單位	數量	用途
1	可調內撐桿	╱	套	4	在拱肋側傾中起到內控作用
2	倒鏈	5噸	台	24	吊操作平台及內撐桿用
3	倒鏈	10噸	台	16	對拉拱肋及調整側傾纜風繩用
4	5門滑輪組	50噸	個	32	可利用扣索滑輪組
5	螺旋千斤頂	16噸	台	16	用於內撐桿所受軸力不均導致絲槓旋轉困難
6	慢速卷揚機	10噸	台	2	通過轉向滑輪收緊兩拱肋球鉸處，防止滑脫
7	全站儀	SET2110Ⅱ	台	2	動態觀測拱肋的橫向位移值
8	千分表	╱	個	4	觀測側傾地錨位移

質量控制

採用《大跨度鋼管砼平行拱側傾轉化提籃拱工法》施工時，除必須嚴格執行《公路橋涵施工技術規範》JTJ 041-2000的有關規定外，還必須滿足以下技術要求：

1.側傾內撐桿下料、焊接、組裝精度必須控制在內撐桿設計圖規定的允許偏差範圍內。

2.側傾內撐桿安裝前，採用兩台千斤頂施加軸向力進行現場模擬試驗，進一步確定內撐桿的工藝控制參數。

3.工前對各作業工班集中組織技術培訓。

4.拱肋側傾過程中，兩組測量人員分別對兩根拱肋實施全程動態觀測，確保兩根拱肋勻速、緩慢、對稱的向內傾斜。

5.拱肋側傾過程中，內撐桿每內縮5~10厘米，對兩側的纜風繩用倒鏈進行調整一次，確保側傾過程中的纜風系統和內撐桿為一穩定體系。

6.拱肋吊裝前，在拱肋球頭和球絞支座的球窩中均勻地塗抹潤滑油，減小側傾時的摩擦阻力。

安全措施

採用《大跨度鋼管砼平行拱側傾轉化提籃拱工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：

1.拱肋側傾時由專人統一指揮，做好技術交底與組織分工工作。

2.調節絲槓時要力爭同步操作，使兩鋼管拱肋勻速對稱向內傾斜。

3.及時調整側向纜風繩系統各手拉葫蘆，防止鋼管拱肋傾斜過大導致糾偏難度增大。

4.側傾作業人員採取穿防滑鞋、救生衣，佩帶安全繩等措施，搞好高空作業安全防護工作。

5.嚴防物品高空墜落。

環保措施

《大跨度鋼管砼平行拱側傾轉化提籃拱工法》的環保措施如下：

1.合理規劃施工場地，最佳化臨時施工設施的布置，做好施工區域自然景觀和既有設施的保護工作。

2.鋼管拱側傾施工時間選擇每天8：00~1：00、13：30~17：30兩個時間段，夜間不施工，大大降低了施工噪聲對周邊居民的干擾。

3.鋼管拱側傾施工完成後，鑿除側傾地錨、清理施工現場，並積極配合有關部門及時恢復原有地表植被。

4.施工人員生活中採用液化氣，禁止燃煤；工地生活垃圾嚴禁焚燒處理；施工現場採用灑水車及時灑水，有效防止了大氣污染、控制了粉塵和揚塵。

5.施工區域的生活污水，經過濾網過程通過污水管輸入池中沉澱，並採取生物接觸氧化為主體的處理工藝，經甲方和環保部門認可後排放。

效益分析

一、《大跨度鋼管砼平行拱側傾轉化提籃拱工法》實施標準化作業，施工工序規範，施工控制要素明確，操作簡單，能達到全過程安全、質量控制目標。

二、《大跨度鋼管砼平行拱側傾轉化提籃拱工法》經濟社會效益主要表現在：

1.可省去現場分段拼裝提籃式拱段的作業時間和拼裝平台，不需要水上運輸設備，該項目直接經濟效益69萬元。

2.拱肋空中對位快，每次吊裝作業時間可控制在2.5小時之內，縮短了臨時封航時間，減少了對水上交通的影響。

3.拱肋側傾作業不需要對航道進行交通管制，可節約封航費用。

4.側傾設備簡單，安全可靠，側傾作業可在8天內完成，施工速度快。

5.為鋼管混凝土提籃拱橋的安裝提供了新的方法，具有良好的經濟和社會效益。

註：施工費用以2005-2006年施工材料價格計算

套用實例

《大跨度鋼管砼平行拱側傾轉化提籃拱工法》的套用實例如下：

無錫華清大橋工程主橋上部結構為跨度148米、淨矢高33米的下承式鋼管混凝提籃拱橋，跨越河面寬約100米的京杭大運河。該橋鋼管拱肋在工廠分段加工製做後，採用纜索吊裝技術先在鉛垂面分別安裝成兩根平行的空鋼管拱肋，然後採用側傾技術在空中進行側傾形成提籃拱形式。該橋從10月8日開始進行拱肋側傾作業，共用了8個作業日安全順利地完成了拱肋側傾工作該法與提籃拱分段吊裝的方案相比，可減少主索、扣索的平移及提籃式拱段臨時定位橫撐，省去現場分段拼裝工序，減少對航道的影響，加快了施工進度。

榮譽表彰

2008年1月31日，中華人民共和國住房和城鄉建設部以“建質[2008]22號”檔案發布《關於公布2005-2006年度國家級工法的通知》，《大跨度鋼管砼平行拱側傾轉化提籃拱工法》被評定為2005-2006年度國家二級工法。