秭归长江公路大桥主桥施工关键技术.pdf
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1、世界桥梁2023年第51卷第S1期(总第224期)World Bridges#Vol.51,No.SI,2023(Totally No.22455DOI:10.20052/j.issn.1671-7767.2023.SI.009秭归长江公路大桥主桥施工关键技术许 鑫】,蒋本俊许 鑫】,蒋本俊2,陈开桥陈开桥1(1.中铁大桥局第七工程有限公司,湖北武汉430056;2.中铁大桥局集团有限公司,湖北武汉430050)摘 要摘 要:秭归长江公路大桥主桥为计算跨径519 m的中承式钢桁架全推力无铰拱桥,拱座采用明挖扩大基础,主拱采用变高 度双片桁架,主梁采用钢-混凝土结合梁&针对该桥施工场地狭小,地质
2、、水文及风场条件复杂等情况,拱座采用边坡分级开挖 与综合防护技术施工;缆索吊机采用扣缆塔基础与桥墩基础“永临结合”设计,通过采用桩基“钢护筒+柔性垫层”减摩阻技术 及综合监测技术,保证了大跨度重型缆索吊机作业安全;钢桁拱采用斜拉扣挂法架设,主拱桁片式吊装、无铰拱快速精确合 龙;拱上钢立柱采用立式预拼安装技术;主梁施工采用钢梁先整节段间隔架设再跨间散拼、混凝土桥面板水运提升技术&成 桥后主拱线形及内力满足要求&关键词关键词:钢桁架拱桥;拱座;主拱;钢-混凝土结合梁;缆索吊机;斜拉扣挂法;施工技术中图分类号中图分类号:U448.224;U445.4 文献标志码:文献标志码:A 文章编号文章编号:1
3、671-7767(2023)Sl-0055-081 工程概况工程概况秭归长江公路大桥主桥为跨度531.2 m的中 承式钢桁架全推力无铰拱桥1-,计算跨径519 m(见 图1)大桥2号、3号墩拱座均采用明挖扩大基础;1号、4号墩采用分离式群桩承台结构&主拱采用变 高度双片柏式桁架结构,两榀主桁平行布置,拱顶、拱脚截面径向高度分别为12 m、14 m,桁宽25.3 m,上、下弦杆均为箱形截面&主梁为钢-混凝土结合 梁,下层为钢纵梁、钢横梁组成的框架式结构,上 层为C50钢筋混凝土桥面板,钢主梁与桥面板通过 剪力钉以及C50补偿收缩钢纤维混凝土现浇湿接 缝结合&拱上立柱采用双立柱钢排架结构,为箱形
4、等截面;吊杆采用整束挤压的37根 1 2 mm环氧 喷涂无粘结钢绞线体系,标准抗拉强度1 860 MPa,疲劳应力幅300 MPa。大桥桥址位于三峡库区西陵峡口,跨越长江主 航道,常年水位落差达30 m。桥址区峡谷两岸地形 陡峻,河谷成相对狭窄的“V”形,谷底最大水深 180 m,两岸岩质岸坡卸荷裂隙发育、存在顺向软弱 断层带,地形、地质条件异常复杂&受“狭管效应”影 响,桥址处风速有明显增大效应,10 min平均年最大 风速极值为18.3 m/s,极大风速最大值为25.5 m/s,10年一遇风速值为26.6 m/s,春夏季风速较小,秋冬 季风速较大,阵风强,阵风系数达1.563-&归州(北)
5、,2X35,15+7X 11.8+28X12+7X11.8+159X30郭家坝(南)+173.222三峡水库正常蓄水位立+143.222/匚三峡水库防洪吟制水位 单位:m图图1秭归长江公路大桥主桥立面布置秭归长江公路大桥主桥立面布置Fig.1 Elevation view of main bridge of Zigui ChangjiangRiver Highway Bridge2总体施工方案总体施工方案目前钢结构拱桥施工常用方法有:拱上吊机+桥面吊机安装法、缆索吊机+斜拉扣挂法、转体法 等4切。结合桥梁结构特点及地形环境特点,该桥采 用山区拱桥建造技术中适用性较强的“缆索吊机+斜拉扣挂法”施
6、工&但由于该工程施工环境十分复 杂,在施工中还需要重点解决以下技术难题:复杂 地质拱座高边坡在基坑开挖及施工荷载下的稳定 性;大跨度钢结构拱桥的架设及合龙方法;山区 峡口陡峭狭窄地形以及跨长江主航道条件下钢结构 的吊装方法;峡口复杂风场条件下桥梁上部结构 施工安全措施&为解决以上难题,制定总体施工方案为:拱座基 础分级爆破开挖,高边坡采用砂浆锚杆+挂网混凝 收稿日期:收稿日期:2021-05-07基金项目基金项目:湖北省交通运输厅科技项目(2016-600-2-3)Project of Science and Technology of Department of Transport of H
7、ubei Province(2016-600-2-3)作者简作者简介:许 鑫(1985),男,高级工程师,2008年毕业于西南交通大学桥梁工程专业,工学学士(E-mail:)。56世界桥梁 2023,51(S1)土锚喷、预应力锚索+框架梁防护,临江侧设抗滑 桩;缆索吊机采用“扣缆塔合一”结构,其基础与1 号、4号墩基础合建(“永临结合”设计),基础挖孔桩 采用“钢护筒+柔性垫层”减摩阻技术以提高顺向断 层边坡稳定性;主拱节段按照“先主桁片、再横撑片 架、最后平联”的顺序安装,拱脚节段设临时铰、待架 设完成4个节段后再封铰固结,主拱配切合龙后对 称释放扣锚索形成裸拱1011-;针对峡口风场的不利
8、 影响,通过风洞试验验证了斜拉扣挂体系以及主拱 桁片吊装的抗风稳定性,并针对性采取抗风措施;拱 上立柱先地面分节段立式拼装、再吊装上桥;立柱区 钢主梁水上运输、散件安装,吊杆区钢梁先整节段间 隔架设、再散件安装跨间节段,混凝土桥面板先水上 定点起吊、再梁面纵向运输、最后安装&3施工关键技术施工关键技术3.1不良地质陡峭高边坡开挖与综合防护2号、3号墩拱座边坡坡度60。70。,坡顶至拱 座底高差分别为93.9 m、84.2 m,边坡共分为7级,地质复杂、卸荷裂隙及软弱断层带发育,其中2号拱 座附近顺向断层倾角达2638。为保证边坡稳 定,拱座开挖前在岸坡上游侧施工24根3 mX3.5 m矩形抗滑
9、桩&拱座基坑边坡自上而下逐级开 挖、逐级防护,每级先深孔台阶松动爆破、再光面爆 破;1号、4号墩以上边坡采用砂浆锚杆+挂网混凝 土锚喷防护,其以下至拱座顶的边坡采用长30 40 m的预应力锚索+框架梁防护&2号墩拱座基坑 开挖及防护布置如图2所示&3.2大跨度重载缆索吊机设计及监测缆索吊机主跨601.2 m,设计额定吊重270 t,最大提升高度220 m,设计风速为:工作状态6级 郭家坝(南)图图2 2号墩拱座基坑开挖及防护布置号墩拱座基坑开挖及防护布置Fig.2 Excavation and protection of foundationpit of arch seat No.2风、计算风
10、速23.5 m/s,非工作状态10级风、计算 风速45.3 m/s。为适应桥址区狭小地形的特点,将 缆塔与扣塔合一设置6,2-13-,扣缆塔基础与1号、4 号墩基础合建,主索、锚索及风缆锚碇根据地形地质 条件分散式布置。扣缆塔采用钢管群柱桁架结 构,扣塔与基础固结并设前、后风缆;缆塔与扣塔铰 接,设跨江对拉的通风缆和后风缆&扣缆塔杆件均 采用螺栓或销轴连接,便于安拆&缆索吊机总体布 置 如 图 3 所 示。为防止主拱架设期间扣缆塔所承受的竖向荷载(140 000 kN)传递至1号、4号墩基础下方断层带 滑体上造成边坡失稳,1号、4号墩基础嵌岩桩采用“钢护筒+柔性垫层”减摩阻技术:桩基人工挖孔后
11、,在孔内安装表面涂聚四氟乙烯减摩层的钢护筒,钢 护筒上端高程与桩顶高程一致,下端穿过断层带以 下1 m,钢护筒与挖孔桩护壁之间填充砂形成柔性 垫层&当竖向荷载作用在桩顶时,由于柔性垫层的 归州(北)H0 缆塔后风缆A 主素 起重/牵引索、扣塔后风缆601.2220锚碇牵引索 通风缆疋扣索?扣塔卷扬机15 1537.5它三峡水库正常蓄水位+173.222 三峡水库防洪限制水位+143.222扣索耍動牵弓嗦扣塔前风缆531.2缆塔后风缆 扣塔鄭缆P索牵引索锚碇 看扬机NS1 锚碇.40十55十74尹-型(氓)90 寸寸I()98.I皤r戟鞍 索 主(a)立面(b)扣缆塔侧面单位:m图图3缆索吊机总
12、体布置缆索吊机总体布置Fig.3 General layout of cableway crane秭归长江公路大桥主桥施工关键技术 许 鑫,蒋本俊,陈开桥57隔离作用,荷载将直接传递到断层带以下岩体,不会 对滑体产生加载作用,从而保证边坡稳定&嵌岩桩 钢护筒+柔性垫层的构造措施如图4所示&柔性垫层图图4嵌岩桩钢护筒嵌岩桩钢护筒+柔性垫层构造柔性垫层构造Fig.4 Combined steel casings and flexible blinding layer9orrock-socketedpiles在主拱架设期间,对基础及边坡稳定、缆索吊机 结构和机械设备运行状态等进行综合动态监测,包 括
13、:抗滑桩位移、1号墩和4号墩桩基应变及承台位 移、边坡岩锚锚索索力、边坡地表位移以及断层深部 位移;扣缆塔应力及位移,扣锚索及缆索系统索力;卷扬机状态,天车起升、走行速度;温度场及风向、风 速&主拱架设期间边坡安全监测结果如表1所示&监测结果表明:边坡位移、桩身应力、岩锚锚索索力 等各项监测数据均在允许范围内,且随时间趋于收 敛,缆索吊机钢结构、缆索系统索力、扣锚索索力以 及机械设备等在主拱架设过程中均处于安全状态;桩身钢护筒以下应变明显小于钢护筒内的应变(见 图5),表明“钢护筒+柔性垫层”减摩阻构造能够有 效地将桩基竖向荷载传递到断层下方稳定岩层&3.3大跨度钢箱桁架拱架设3.3.1 完全
14、承压式拱脚结构精确定位该桥拱脚采用完全承压式钢-混凝土复合连接构造,15-:上、下弦杆拱脚锚固采用端部承压板+预 应力钢拉杆构造,每根弦杆布置12根M90钢拉杆,钢拉杆锚固在拱座混凝土内,底部设置锚固扁担梁;弦杆拱脚节段设置承压板及锚固钢箱;上、下弦杆拱 脚之间设置临时铰铰座。临时铰在主拱架设完成4 个节段后封固&为保证拱脚定位精度,拱座混凝土 施工时搭设定位支架(见图6),通过测量精确定位 安装预应力钢拉杆、锚固扁担梁以及临时铰铰座&拱脚安装时,采用缆索吊机将拱脚节段吊装穿过钢 拉杆,置放于定位支架上,测量复核拱脚安装位置后 将其临时固定,并将钢拉杆螺母临时拧紧,待临时铰 封固前再将拱脚节段
15、与主拱精确匹配焊接&拱脚节 段安装偏差为:轴线偏差#10=,节段高程偏差V 10=,同,同一侧拱脚节段平面相对偏差V5=,同,同 一侧拱脚节段高程偏差#5=,拱脚四角高程相对 高差#5=,节段垂直度#1=/=,均满足设计 要求&3.3.2钢桁拱桁片式制造、架设钢主桁共46个节间,每2个节间划分1个节 段,每个节段又划分为两榀主拱桁片、横撑片架、平 联杆件三部分&主拱桁片在工厂内按“1+2”方式匹 配制造,主桁弦杆端部设置大刚度临时匹配件以及 导向装置;为保证空间线形,每节段主拱均采用平面 辗转法试拼装&表表1主拱架设期间边坡安全监测结果主拱架设期间边坡安全监测结果Table1 Monitori
16、ngdataconcerningslopesa9etyduringarchringerection监测项目抗滑桩位移/=1号墩桩基应变(,)1号墩承台位移(扣塔基础位移)/=4号墩桩基应变(,e)4号墩承台位移(扣塔基础位移)/=边坡岩锚锚索索力/kN边坡地表位移/=边坡断层深部位移/=_监测结果(仅列出变化量最大值)_允许值或理论主拱架设前主拱架设后变化量计算值4.21.35.56 107.4一165.9一58.503.63.65一101.8一153.952.103.73.75573.9562.611.357.9一0.04一2.712.67#3.24.546.281.74#8备注X、Y、Z方
17、向合算X、Y、Z方向合算58世界桥梁 2O23,51(S1)拱座分层浇筑线 1-、A钢拉杆定位支架1纥钢拉杆定位板 分层浇筑线分层浇筑线定位支架2钢拉杆定位板 分层浇筑线封钱后谗槽口弦杆拱脚节段钢拉杆定位板 拱脚承压板 定位支架3临时钱钱座拱脚承压板定位支架4钢拉杆定位板图图6拱脚定位支架布置拱脚定位支架布置Fig.6 Layout of positioning scaffolds at arch springings钢桁拱采用缆索吊机+斜拉扣挂法架设,每个 主拱节段均按照先主桁片并挂设扣锚索、再横撑片 架、最后平联的顺序依次吊装,在拱上快速组拼成 型16-。-。主桁片及横撑片架采用船舶立式运
18、输至现 场,通过江面定位船快速定位&桁片由缆索吊机4 点起吊,前吊点设于下弦杆,后吊点设于上弦杆,吊 点连线位于桁片重心上方,桁片起吊后在空中进行 竖向姿态调整,纵移至安装位置,先利用上、下弦杆 导向装置与已安装节段快速对位,再安装弦杆临时 匹配件高强度螺栓,连接斜腹杆高强度螺栓后挂设 并张拉扣锚索至张拉力的80%、缆索吊机同步松 钩,完成主桁片弦杆间焊缝施焊以及加劲肋高强度 螺栓施工,待上、下游桁片均施工完成后进行扣锚索 终张拉及线形调整&主拱桁片架设如图7所示&横 撑片架采用2根竖向夹具加固后进行吊装(见图 8),平联杆件采用散件吊装&针对桥址处复杂风场影响,主拱架设前开展风 洞试验(见图
19、9),对主拱架设阶段斜拉扣挂体系、桁图图7主拱桁片架设主拱桁片架设Fig.7 Erection of arch ring trusses图图8横撑片架吊装横撑片架吊装Fig.8 Installation of lateral bracings片起吊状态及安装就位状态的结构动力特性进行分 析&结果表明:施工阶段斜拉扣挂体系整体颤振临 界风速均远大于检验风速,且无明显涡激共振现象,主拱斜拉扣挂体系的整体稳定性满足要求;主桁片 第5节段倾覆风速为17.7 m/s,小于年最大风速极 值18.3 m/s,需在上弦杆前端增加平衡索,其余节 段倾覆风速均大于23.5 m/s17-。-。针对扣锚索风振 安全问
20、题,采取了钢绞线束间隔缠绕钢丝绳或防振 鞭、锚前钢绞线束橡胶垫+哈弗夹、防松脱锚具等抑 振防松措施。(a)主拱斜拉扣挂体系(b)桁片吊装图图9主拱斜拉扣挂体系及桁片吊装风洞试验主拱斜拉扣挂体系及桁片吊装风洞试验 Fig.9 Cable-stayed cantilever assembly system of arch ringandwindtunneltestoftrushoisting3.3.3无铰拱快速精确合龙临时铰因抗风能力不足无法留待合龙阶段,主 拱合龙时拱脚为固结状态,强迫合龙很难实现,故采 用易于控制的自然合龙方式1019-。-。合龙段设于跨 中靠北节间内,合龙时以两榀主桁(共4根
21、上、下弦 杆)在气温较稳定时段实现临时锁定,然后安装斜腹 杆、纵平联&主桁合龙的弦杆锁定采用一端码板、一 端匹配件的方式,匹配件一端在工厂制造时与相邻 节段匹配试拼,码板一端预留30 cm余量,通过现场 观测后精确配切&分析合龙口长度、高程对温度、拟 采取调整措施的敏感性,计算合龙口临时锁定措施 受力状况,指导悬臂架设剩余节段预先调整,以保证 悬臂端线形偏差满足合龙要求&悬臂架设完成后对 秭归长江公路大桥主桥施工关键技术 许 鑫,蒋本俊,陈开桥59合龙口进行72 h连续观测,确定气温较稳定时段和 合龙段配切长度&合龙时利用缆索吊机双线起吊,每线吊钩同时起吊上、下弦合龙杆件,在夜间温度稳 定时段
22、依次安装下、上弦杆,匹配件一端先用冲钉及 高强度螺栓快速定位,工地配切端用码板焊接锁定,最后通过施拧高强度螺栓调整匹配件一端的合龙焊 缝宽度,完成合龙杆件锁定,全部工作在6 h以内完 成;后续进行全天候弦杆焊接、斜腹杆及纵平联一端 配钻与安装&3.4 拱上钢立柱立式预拼安装主拱合龙后对称放张并拆除扣锚索,安装拱上 立柱&受进场运输条件以及狭小场地限制,拱上钢 立柱采用散件运至现场,在南岸地面立式预拼,缆索 吊机从拱脚向跨中、南北岸对称安装的方案&钢立 柱在工厂内分节段制造并整体试拼,拆分为杆件后 运至现场;在南岸交界墩后方设置立式胎架,该胎架 由钢管柱、柱脚限位、中间抱箍和安全设施组成(见 图
23、10);钢立柱底节在胎架上组拼完成后,利用缆索 吊机整体起吊安装上桥,钢立柱底节与拱上基座通 过导向板和四边反力座间千斤顶进行精确对位,在 柱顶拉设风缆,经测量合格后将导向板与钢立柱焊 接并松钩,进行钢立柱与基座环缝焊接;其余钢立柱 节段间通过临时匹配件快速对位连接,吊机松钩后 施焊节间焊缝&限位装置2 530/2_|飞立柱联结系立柱 拼接线/钢管柱1/2侧面拱座顶单位:cm柱脚限位OO00图图10拱上钢立柱预拼胎架布置拱上钢立柱预拼胎架布置Fig.10 Pre-assembly bed of steel spandrel columns3.5钢-混凝土结合梁施工3.5.1钢梁整节段间隔架设、
24、跨间散件安装由于横梁为相邻节段共用,无法在地面全部形成整节段,因此吊杆区钢梁采用先整节段间隔架设、再 安装跨间散件的施工方法20-,总体顺序由拱梁交界 段向跨中架设&钢主梁在工厂内制造试拼,保留整节 段,将相邻节段杆件拆分并固定于整节段上,经水运 至现场与定位船靠梆,利用缆索吊机起吊整节段并安 装吊杆后松钩,待安装完成2至3个整节段,缆索吊 机吊装跨间节段外侧2根主纵梁与前后2个整节段 相连接形成框架,在主纵梁上安装龙门吊机轨道,利 用梁面龙门吊机安装跨间剩余纵梁及小横梁。跨中 合龙时,在合龙口设置纵、横向调整装置,调整至设计 合龙长度、消除横向相对偏差,利用缆索吊机吊装合 龙段外侧2根主纵梁
25、并安装连接高强度螺栓实现临 时锁定,再由梁面龙门吊机安装剩余纵梁及小横梁,完成合龙&钢梁整节段间隔架设如图11所示&图图11钢梁整节段间隔架设钢梁整节段间隔架设Fig.11 Erection of steel girder segments,leaving a gap betweeneachandeverytwo4egment43.5.2 混凝土桥面板水运提升安装主梁混凝土桥面板因陆运不便,采用水运提升 安 装 方 案 施 工,总 体 顺 序 为 纵 向 由 两 端 向 跨 中 安 装,横向一次到位&桥面板在异地预制水运至桥位,从 钢拱及下方主梁的(天窗”处,由设置于拱上的提升 站垂直提升,经
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