宜万铁路宜昌长江大桥钢管拱转体施工设计

宜万铁路宜昌长江大桥钢管拱转体施工设计
王东辉
【摘要】宜万铁路宜昌长江大桥钢管拱转体施工为多跨钢管拱竖向转体施工.全桥施工采用先梁后拱方案.转体施工中第一、二孔钢管拱转体时中塔两侧的扣锚索互换,第一孔钢管拱转体时中塔后锚索锚固在另一侧未转体的半跨钢管拱上,第二孔钢管拱转体时中塔后锚索锚固在已成的第一孔钢管拱上(利用第一孔转体的扣索),巧妙地解决了中塔两侧的扣锚点的锚固难题,设计大胆新颖,对类似工程提供了一定借鉴.【期刊名称】《铁道标准设计》
【年(卷),期】2009(000)006
【总页数】5页(P31-35)
【关键词】钢管拱;竖向转体;转体提升设备;液压同步提升;索力控制
【作者】王东辉
【作者单位】中铁大桥局施工设计事业部,武汉,430050
【正文语种】中文
【中图分类】U445.4
1 工程概况
新建铁路宜昌至万州线宜昌长江大桥主桥为(130+2×275+130) m纵、横、竖三向预应力混凝土连续刚构柔性钢管桁拱结构。

钢管拱计算跨度264 m,矢跨比1/5,矢高52.8 m,拱轴线为二次抛物线,如图1所示。

主拱拱肋为平行桁架式全焊钢管混凝土组合结构,每片拱肋由4φ750 mm钢管混
凝土组成,由横向平联板、竖向腹杆联结成为钢管混凝土桁架,横向平联板之间灌注
混凝土,腹杆为空钢管。

弦杆为φ750 mm钢管,腹杆为φ450 mm钢管,拱肋弦管
中心距宽1.7 m,拱脚处肋高4.0 m,拱顶处肋高3.0 m。

拱肋钢管均采用Q345qD,弦管内填充C50微膨胀混凝土。

两拱肋中心距为12.35 m,每跨拱肋共布置有11
道横撑。

吊杆钢绞线拉索,吊索纵向间距10 m,2根一组垂直锚于拱肋和梁内横隔板处。

图1 主桥总体布置(单位：m)
本桥钢管、钢板型钢均采用Q345d,全桥数量为3 400 t；每半跨拱的质量为850 t。

钢管拱弦管内压注混凝土1 822 m3,缀板内人工浇筑混凝土1 016 m3。

2 钢管拱施工方案
宜昌桥上部施工总的方案是先梁后拱,主桥连续刚构施工完成后,在梁面上拼装钢管拱。

钢管拱在梁面上拼装完毕后,采用竖转方案将钢管拱竖转到位并完成合龙。

施
工布置见图2。

本方案为两跨钢管拱逐跨转体合龙。

每一孔钢管拱分成2个半跨,即在已成刚构梁面上将4个半跨拱拼装完毕后,先将第一孔(11号～12号墩)钢管拱竖转到位并合龙后再进行第二孔(12号～13号墩)钢
管拱转体。

竖转时先进行11号～12号墩一孔2个半跨钢管拱竖转并合龙。

11号墩边塔半跨钢管拱锚索锚固于10号墩顶,中塔半跨钢管拱(北侧)转体时后锚固利用中塔另一侧(南侧)未转体的半跨拱作为后锚固点,即利用未转体的中塔南侧半跨钢管拱作为待提升的北侧半跨拱的锚固点。

图2 转体施工方案(单位：m)
第二孔(12号～13号墩)钢管拱转体时,13号墩边塔半跨钢管拱锚索锚固于14号墩顶,12号墩半跨钢管拱(南侧)转体时后锚固利用中塔另一侧(北侧)已成拱作为后锚固
点,即锚索锚固于中塔另一侧已合龙的半跨拱肋上(利用第一孔转体的扣点)。

对于中塔两侧的扣锚索系统,第二孔转体的扣、锚索系统也就是第一孔转体的锚、扣索系统。

两孔钢管拱转体时提升设备均布置于3个塔架塔顶。

转体提升设备：扣索处均装配350 t连续千斤顶,全桥共24台。

锚索处均装配普通千斤顶(单束顶)。

千斤顶设备一次安装到位,第一孔竖转到位后,竖转第二孔时不再倒换千斤顶。

3 转体施工设计
3.1 钢管拱拼装
在主桥上部连续刚构施工完成后,在梁面上逐节组拼4个半跨钢管拱。

(1)钢管拱运输及提升上桥及组拼
于10号～11号墩梁面上设置一座固定式梁面70 t龙门吊机提升站。

钢管拱在工厂制造并预拼,分节段船运至工地,然后根据拼装施工进度需要,按安装顺序直接运输至10号墩至11号墩之间的相应起吊位置(不影响通航),运输船抛锚定位,由固定式提升站先后将拱节吊装至桥面运输车上,运输至安装位置,然后由2台梁上架拱龙门吊机起吊拱节段安放在拼装支架上,并准确对位临时固定。

(2)拱肋支架
支架由万能杆件和部分新制钢结构组拼而成,并与箱梁顶面预埋件联结牢固,支架顶面安装型钢梁及钢管拱肋调整设施,形成上层操作平台,以方便拱肋拼装。

纵桥向设置缆风。

主跨合龙后,梁面拱肋支撑架即可开始拼装。

(3)钢管拱的安装顺序
安装拱肋竖转铰座→在梁面上搭设拱肋拼装用支架、竖转塔架及扣索、平衡索安装→每一拱段按照设计要求起吊(按要求安装部分横撑)→对位→临时固结→调整线形→定位焊接→拱段逐一永久性固定拼焊→安装完余下的横撑→安装竖转系统→竖转对接→调整线形→正式焊接合龙。

3.2 扣索塔架设计
在梁面钢管拱支撑支架分段拼装的同时,进行扣索塔架和压塔索、后缆风绳的安装
施工。

在11号、12号、13号墩墩顶0号块拱脚处用万能杆件拼装扣索塔架,并与梁顶面预埋件连接牢固,塔架为万能杆件组拼的桁架结构,其尺寸为：12 m(纵桥向)×14
m(横桥向)×60 m(高)；3个塔底均固结。

扣索塔架在刚构梁悬浇一定节段后即可
利用塔吊进行安装,至一定高度后改为散拼；3个塔架拼装完毕,安装压塔索和后缆风,并张拉到设计吨位,形成稳定体系。

压塔索由2组2根φ48 mm钢丝绳组成,两端分别锚固于11号和13号墩塔顶,并在12号墩塔架顶与塔固结；在11号和13号墩塔顶设后缆风,两端分别锚固于10号、14号墩墩顶梁面上。

后缆风为2组2根φ48 mm钢丝绳,塔端张拉。

3.3 扣锚索设计
中塔、边塔均为塔顶张拉；边塔每条拱肋设置2组竖转扣索；中塔每条拱肋设置2组竖转扣索,2组平衡锚索,锚索锚固于另一侧对称的半跨拱肋上。

扣索前端分别锚
于主拱肋约L/4、L/2处。

其中第一组扣索(距前端L/4处)为竖转索,每肋由2组21根φ15.24 mm钢绞线组成；第二组扣索(距前端L/2处)亦为竖转索,每肋由1组
28根φ15.24 mm钢绞线组成。

竖转过程中通过计算机自动控制保持第一组索和
第二组索索力的合理比例关系,钢管拱转体到位后,通过微调前、后扣索索力,从而使主拱肋L/4、L/2、以及合龙口线形符合设计要求。

之后,临时锁定合龙口,安装合龙段。

中塔两组锚索前端分别锚于另一侧未竖转的半跨拱肋上约L/4、L/2处。

在竖转第二孔钢管拱时,则由已合龙的第一孔拱肋上的扣、锚索分别转换为第二孔的锚、扣索。

边塔后锚索锚固在10号(或14号)墩顶梁面钢结构上,钢结构通过预应力束穿过梁
体锚固于10号(14号)墩顶梁端隔墙上。

由于边塔后锚索张拉设备为普通千斤顶,
为便于现场操作,增大安全度,边塔后锚索在钢管拱转体启动后,原则上不再调整索力。

从钢管拱启动到转体到位,只调整扣索索力,锚索索力的下降通过塔顶偏位来实现。

扣索、锚索锚固端均采用挤压P型锚。

扣索塔架顶为扣索的张拉端,扣索经软牵引进入塔顶液压同步千斤顶的锚具内,采用
液压同步千斤顶张拉扣索钢绞线使拱肋竖转到位。

扣索在拱肋端为固定端,采用P
型挤压锚与拱肋扣点相连结,扣索张拉端采用工具锚,工具锚采用防松锚具；为使锚
夹片牢固可靠,用压板顶压锚夹片,防止锚夹片松动滑丝。

扣索束自拱段扣点向塔架
方向单根穿束,用50 kN卷扬机牵引至扣索塔架顶,对应穿过工具群锚。

主拱肋处扣索锚固端锚于经钢板加劲的上弦管和腹杆间的临时锚固反力梁上。

主拱扣索角度在竖转过程中不断变化,为适应角度变化,在主拱肋锚固前端设置由钢板焊
成的转向架。

扣点布置见图3。

图3 扣点布置(单位：mm)
3.4 塔顶布置
11号、13号墩半跨拱的扣索侧提升设备各用6台3 500 kN液压连续千斤顶,锚索则用6台400 t普通千斤顶(如图4所示)。

12号墩两个半跨拱的竖转提升设备均
布置于中塔塔顶。

根据相关计算,每半跨钢管拱配置6台3 500 kN液压连续千斤顶。

每肋共3台3 500 kN液压连续千斤顶为提升设备,张拉千斤顶采用吊挂锚箱
结构吊挂于塔顶顶层分配梁上。

图4 塔顶布置(单位：m)
3.5 10号墩、14号墩墩顶后锚固布置(图5)
利用10号墩、14号墩墩顶连续刚构边跨实心段(长度1.6 m)预设预应力索,将后锚分配梁锚固在箱梁顶面上。

后锚索、后缆风绳等锚固在后锚分配梁上。

为克服钢管拱竖转过程中引起的竖向反力,在10号、14号墩墩顶预埋4组9φ15.24 mm钢
绞线,在边跨刚构合龙后,钢管拱竖转前,对钢绞线进行张拉,每墩竖向预拉力为4 680
kN。

后锚索和后缆风均通过锚箱锚固在10号(或14号)墩顶梁面后锚固梁上,后锚固梁通过2-5×18φ15.24 mm钢绞线预应力束穿过梁体锚固于10号(14号)墩顶梁端隔墙上,单束钢绞线初拉力1 800 kN。

图5 后锚固布置(单位：mm)
3.6 液压同步提升控制系统
竖转动力系统采用液压同步提升技术,张拉千斤顶布置于扣塔塔顶。

根据计算,每半跨钢管拱(≈850 t)竖转时,第一对扣索最大提升索力为2×2×1 544 kN,第二对扣索最大提升索力为2×2 056 kN。

每半跨钢管拱配置6台350 t液压连续千斤顶。

根据起吊重量及油缸承载能力,每肋采用3台千斤顶。

每台千斤顶由穿心式油缸和上下锚具组成。

主缸伸缸时,上锚利用锚片的自锁原理紧紧夹住钢绞线,而下锚松开,张拉钢绞线一次,主缸满行程时,主缸缩缸,使荷载转换到下锚上,而上锚松开。

如此反复,可使主跨逐步竖转到位。

扣索1和扣索2整个竖转过程中长度变化值分别为15.9 m和13.948 m,扣索3和扣索4整个竖转过程中长度变化值分别为20.019 m和17.637 m。

边塔侧半跨拱肋竖转角度为16.505°,中塔侧半跨拱肋竖转角度为21.059°。

3.7 转铰
主拱肋竖转以拱脚为中心,按设计要求施工转铰。

待铰轴内灌C50微膨胀混凝土达到设计强度的85%以后,方可开始竖转。

转铰与拱座凹形钢板接触面抹黄油,以减小摩擦和防锈。

4 钢管拱竖转实施过程
4.1 竖转准备
(1)安装塔顶张拉设备及挂索,千斤顶完成标定。

(2)转铰与拱座凹形钢板接触面抹黄油,以减小摩擦和防锈。

(3)对12号～13号墩孔中塔侧拱肋与支架间安装锚固设备,防止拱肋拱起并保证倾
覆安全。

每个扣索6扣点处压重400 kN(或按400 kN竖向拉力进行锚固)。

(4)各监控设备完成调试,观测记录各测点位置的原始坐标。

4.2 11号～12号墩钢管拱转体施工
4.2.1 11号～12号墩孔拱肋初张拉及启动
(1)锚索1、2及扣索1、2张拉索力均分成10个荷载等级,开动塔顶扣、锚索张拉
千斤顶,分级同步加载,加载过程中同步观测塔顶水平位移,控制边塔塔顶位移。

(2)锚索张拉至设计吨位后,锁定锚索1、锚索2。

(3)张拉扣索1、扣索2至设计吨位,使边跨半拱脱架。

脱架前,调整扣索,使11号墩塔架塔顶位移控制在安全范围以内。

脱架后(前扣点支点脱空5 cm),停顿静置24 h,并进行检测,无异常情况后,启动塔顶350 t间歇式千斤顶,张拉扣索1、2,使钢管拱
竖转2°之后,并再次锁定扣索1、2,静置待中塔半跨拱肋转体启动。

(4)中塔半跨拱转体启动(靠11号墩侧)：扣索3～6张拉索力均分成10个荷载等级,开动中塔塔顶张拉千斤顶,分级同步加载张拉扣索3～6。

加载过程中同步观测、控制塔顶水平位移。

(5)扣索3～6张拉至设计吨位,使中跨半拱脱架。

脱架后(前扣点支点脱空5 cm),停顿静置1 h,并进行检测。

4.2.2 11号～12号墩孔拱肋竖转
各部位检测无异常后,启动扣索1～6处塔顶350 t千斤顶,开始竖转,直至竖转到位。

竖转过程中要同步观测塔顶水平位移、扣索索力和扣点位移,控制11号、12号墩
塔顶位移；同组扣、锚索索力水平分力差值控制在±200 kN以内,扣点相对初始位置的位移控制在±50 mm以内。

严格执行各个施工阶段连续千斤顶的设计张拉行程,保证扣索张拉行程误差控制在±10 mm,扣索的张拉速度控制在4～6 m/h范围内；锚索索力则不再在后续工况中进行调整,其索力的改变由塔顶位移的改变来被
动实现。

整个竖转过程中当塔顶位移超出允许范围时,立即停止竖转,并根据位移方
向和索力情况调整扣索张拉千斤顶吨位。

4.2.3 11号～12号墩孔2个半跨拱肋合龙
2个半跨竖转到位后,对合龙口顺桥向位移x、横桥向位移y、竖向位移z和转角进行观测。

根据位移情况,通过微调扣索1～4索力,使主拱肋L/4、L/2、以及合龙口线形符合设计要求。

之后,临时锁定合龙口,安装合龙段套管。

补焊转铰处的弦管,拱肋成无铰拱结构。

4.3 12号～13号墩钢管拱转体施工
第一孔钢管拱合龙后,锚索1、2,扣索1～6不卸载,准备对12号～13号墩钢管拱进行转体。

4.3.1 12号～13号墩孔拱肋初张拉
(1)锚索3、4及扣索7、8张拉索力均分成10个荷载等级,开动13号塔顶扣、锚索张拉千斤顶,分级同步加载,加载过程中同步观测、控制13号墩塔顶水平位移。

(2)锚索张拉至设计吨位后,锁定锚索7、锚索8。

(3)扣索7、扣索8张拉使边跨半拱脱架。

脱架后(前扣点支点脱空5 cm),停顿静置1 h,并进行检测,无异常情况后继续竖转2°,静置待中跨拱肋脱架。

(4)解除扣点6处的临时锚固。

(5)扣索1、扣索2及锚索1、2保持第一孔拱肋合龙状态,不对其进行调整；扣索3～6同时进行张拉(第二孔钢管拱转体时,扣索3、4为扣索5、6的后锚索),以达到12号～13号墩孔中塔拱肋竖转启动所需索力。

扣索5、扣索6张拉使中跨半拱脱架。

脱架后(前扣点支点脱空5 cm),停顿静置1 h,并进行检测。

4.3.2 12号～13号墩孔中塔侧拱肋竖转
各部位观测无误后开始竖转,启动扣索3～8处塔顶350 t千斤顶,开始竖转,直至竖转到位。

竖转过程中要同步观测塔顶水平位移、扣索索力和扣点位移,严格执行各个施工阶段连续千斤顶的设计张拉行程,保证扣索张拉行程误差控制在±10 mm,扣
索的张拉速度控制在4～6 m/h范围内；锚索3、4索力则不再在后续工况中进行调整,其索力改变通过塔顶位移的改变来被动实现。

锚索1、2,扣索1、2在竖转第二孔的过程中不进行调整,随第二孔转体被动变化。

整个竖转过程中当塔顶位移超
出允许范围时,立即停止竖转,并根据位移方向和索力情况调整扣索张拉千斤顶吨位。

4.3.3 12号～13号墩孔两半跨拱肋合龙
2个半跨竖转到位后,对合龙口顺桥向位移x、横桥向位移y、竖向位移z和转角进行观测。

根据位移情况,通过微调扣索3～8的索力,使主拱肋L/4、L/2、以及合龙
口线形符合设计要求。

之后,临时锁定合龙口,安装合龙段套管。

补焊转铰处的弦管,拱肋成无铰拱结构。

4.4 钢管拱转体过程中关键控制指标
本桥竖转施工体系复杂,技术要求高。

整个竖转中结构强度控制因素为各吊索塔架
受力,为顺利完成竖转,竖转过程中应严格监控塔架塔顶位移,挂索及初张拉阶段须严格监控挂索索力,锁定锚索时精确控制在各索达到设计吨位时的塔顶位移；同时施
工现场须在各个施工阶段对以下控制指标进行同步监控。

(1)从竖转启动前开始,在竖转整个过程中对塔顶水平位移进行连续观测,控制塔顶水平位移。

整个竖转阶段,须保证11号、12号、13号墩塔架塔顶位移控制在合适范围内,确保塔架杆件满足安全要求。

(2)索力和索长,以索力控制为主,索长控制为辅。

竖转开始时,严格控制各个施工阶段的张拉千斤顶油压读数,张拉行程。

(3)连续观测竖转的两个半跨拱肋各3个点(前扣点、后扣点、拱肋前端点)的竖向
和水平向位移,对张拉行程进行校核,控制拱肋线形,确保拱肋应力在安全范围内(图6)。

图6 宜昌钢管拱转体
5 转体施工主要技术特点及创新
(1)宜万铁路宜昌长江大桥钢管拱转体施工为多跨钢管拱竖向转体施工。

2跨钢管拱逐跨转体合龙,转体吨位达3 640 t,吨位目前居同类施工前茅。

(2)转体提升动力设备使用液压同步连续(间歇式)千斤顶,边塔后锚索张拉使用普通千斤顶设备,创造了普通顶和液压同步连续(间歇式)千斤顶联合作业的成功先例。

(3)中塔两侧的两个半跨拱转体时的后锚索设置是施工设计中的一大难题,经过方案比选,采用了中塔两侧的扣锚索在两孔钢管拱转体时互换的方案。

第一孔钢管拱转体时中塔后锚索锚固在另一侧未转体的半跨钢管拱上；第二孔钢管拱转体时中塔后锚索锚固在已成的第一孔钢管拱上(利用第一孔转体的扣索),锚索索力通过已成拱、边塔扣锚索系统传递到边墩后锚固。

在满足钢管拱应力及刚度要求的前提下,充分利用了主体结构作为施工荷载的传递途径,从而巧妙地解决了中塔两侧的扣锚点的锚固难题。

(4)边塔锚索后锚固设计中采用了预应力钢结构体系。

利用预应力钢绞线将边塔锚索后锚钢梁和10号(14号)墩墩顶混凝土主梁直线段以及墩身锚固在一起,将后锚索力、缆风索力的水平分力传给混凝土主梁,竖向拉力传给10号(14号)墩墩身基础承受。

受力安全可靠,大大节约了临时工程量。

(5)塔顶锚箱采用吊挂结构,扣索在钢管拱转体过程中的角度变化通过锚箱的旋转来解决,较以往常见的用塔顶鞍座转向结构简单,便于操作。

(6)钢管拱肋上的扣锚点结构,采用将主弦管加强,扣锚索挂在反力分配梁上,扣锚索的转向通过主弦管上的焊接临时架转向来实现,对同类型的施工设计有借鉴意义。

(7)全桥设4组缆风绳,两个边跨设置后缆风,两个主跨的前缆风均为通风缆。

4组缆风在转体过程中起到了调节塔顶不平衡力的作用,给塔顶张拉扣锚索的索力精度要求留有一定的操作富余,便于现场实际操作。

参考文献：
[1] 刘振标，严爱国，罗世东.宜万铁路宜昌长江大桥主桥结构设计[J].桥梁建设，
200(2).
[2] 徐升桥，等.丫髻沙大桥主桥施工关键技术研究[J].铁道标准设计，2001(6).。