卢浦大桥主桥主拱施工技术研究与应用

(2)微调系统
卢浦大桥主拱与水平夹角由8＃段27。逐渐减小到合拢段时的0。，而设计时拱肋断面与拱肋轴线垂直，故在铅垂方向拱顶与拱底不在一个铅垂面上，最大8＃段拱底拱顶相差3 m。在拱肋吊装时，被吊装拱肋必须在已安装拱肋的最外侧投影线外，才能提升到位。因此，拱上吊机必须具备纵向调整的功能。在纵向调整的过程中，由于拱顶内倾，横向位置也需要同时进行微调，故在横向也要有微调的功能。
平行钢丝索在工厂制作，施工工艺成熟，质量容易保证。上海南浦、杨浦、徐浦大桥均采用平行钢丝索作为斜拉索。但是，采用平行钢丝索，索力及索长在加工前必须精确计算，如在实际施工过程中出现长度不够或者索力增加大等意外情况，就必须换索。另外，卢浦大桥拱肋以1:5向内倾斜，临时索上下锚固点与拱顶均不在一个平面内，如采用平行钢丝索，放索很困难。
临时拉索索力由设计院提供，临时索的安全系数为2。
2.1.2.3临时索锚固点设计
临时索锚固点主要包括：主塔锚固梁、主拱肋锚固点及背索锚固点三部分。
由于临时索的索力产生的水平索力较大，如直接将锚固点设在临时索塔的横向联系梁上，局部处理十分复杂，且梁的断面很大，构件布置很困难。为了解决这一难题，专门设计了锚固梁，在锚固梁的两端设置前索与背索的锚固点，水平索力由锚固梁承担。为了尽量减少前后索力差对临时索塔产生的附加弯矩和位移，经与设计协商确定，在临时索施工的任何时候，前后临时索水平力之差小于500 KN，并通过锚固横梁及主立柱间的斜撑传递到主立柱上。垂直力则有临时横梁与垂直斜撑组成的受力体将力传递到主立柱。这样就把原来十分复杂的受力体系分解成了十分明确的垂直与水平两个传力体系。
2.1.1.2临时索塔构造设计
由于临时索塔待主拱施工完成后需全部拆除，故设计时在满足施工要求的同时，还需考虑其构造形式尽可能简单，方便安装与拆除，并需考虑构件的重复利用性。
根据上述设计原则，就以下方案进行比较。
(1)以φ900×20钢管作为立柱，单侧塔柱为8根，考虑到索塔整体刚度及与大桥主体结构的相互关系。钢管横桥向为4m，纵桥向为6.8m（2+2.8+2m）。钢管与钢管之间用型钢连接。临时索锚固横梁处钢管及横向联系需要加强。为方便施工，可在加工厂根据安装许可，做成2×4m的框架结构，然后整体吊装。其主要优点为：主要构件为常用的钢管及型钢，反复利用性高。但结构的局部加固及临时索锚固区处理比较困难，结构整体稳定性相对比较弱。
根据卢浦大桥主拱结构特征，架桥机采用悬臂吊装的形式，为尽量减轻架桥机自身重量，其主体采用钢桁架结构，拱肋面的高差用桁架内外侧高度差进行调整，保证二桁架面在同一高度。最大起重量380t为拱肋设计重量的1.2倍。综合考虑提升系统的布置、前后两锚固位置、拱肋吊装时吊点的最不利位置等因素，拱上吊机主桁架长度为44 m，桁架内侧高度为4 m，外测高度为4.588 m，内外侧桁架间距为2.942 m。桁架上下弦杆为“H”型钢，其他为槽钢。
2.1.1.3临时索塔的制作与安装
临时索塔在工厂制作，并对关键节点进行预拼装。在现场由300t.m塔吊进行安装，立柱与立柱之间采用焊接。其他部位则采用高强螺栓与焊接结合的形式连接。
2.1.2临时索的设计与施工
2.1.2.1临时索的总体设计
根据总体方案，采用扣索法施工，浦西、浦东各13个节段。在初步设计阶段，考虑采用7对临时索，即每两个节段布置一对索。这样施工比较方便，临时拉索所占用的工期有所缩短。但是单根索的索力相对较大。经初步计算，最大索力近10000 KN。另外，在第二节段拱肋吊装时，拱肋悬臂较长，对整个结构的稳定、构件的精确就位、施工控制等方面带来不利影响。综合考虑各种因素，最终确定纵向每一节段布置一对临时索，浦东、浦西各13对（见图3）。
钢铰线群锚索，是单根钢铰线通过上下锚头锚固在锚固点上。这样就可以根据不同的索力，选择合适的锚具及钢铰线数量，索的长度可以按照设计值与现场实际工况进行适当调整，并可根据实际情况，适当增加锚孔数量作为备用。由于是单根钢丝索施工，故能有效解决放索困难的问题。
经过反复比较，卢浦大桥临时拉索采用钢铰线群锚索。为了确保质量，卢浦大桥临时拉索除可以单根进行调整外，还可以整体进行调整，最大调整量为+300 mm（见图4）。
背索后锚点布置在锚锭处的预应力索位置上，背索怎样与后锚具的连接是关键。设计院在这一节点上花费了大量精力，设计了一套连接装置，但施工难度大，且在施工过程中产生断丝等情况时补救的方法不多。是否有一套更加简洁有效的连接装置呢？经过对多方案的反复比较，最终确定在原有预应力索张拉端锚头上进行改进。使背索锚固连接处与原锚头做成一体，这样既没改变锚头原来的受力，又大大方便了背索的施工。经按锚头最不利情况（锚头与钢铰线夹角为3。时），在工厂做锚具连接具荷载试验，其锚固系数大于95%，符合规范要求。（见图7）
2.1临时索塔体系的设计与施工
临时索塔体系是扣索法施工成败的关键。为确保卢浦大桥主拱施工的顺利进行，整个临时索塔体系必须安全可靠，万无一失。这是临时索塔体系设计与施工必须牢牢把握的宗旨。
2.1.1临时索塔的构造设计
2.1.1.1临时索塔高度的确定
影响临时索塔高度主要有以下因素：(1)临时索对索塔高度的影响。塔高，索与拱之间的夹角大，则索力小；反之，则索力大；(2)风对索塔高度的影响。由于顺桥向临时拉索基本对称施工，故风主要在侧向对索塔高度有影响；(3)索塔自身影响。其中临时索对索塔的影响最大，根据规范斜拉桥索塔除考虑上述因素外，还要保证索与构件的最小夹角一般不小于22。。如需满足这一条件，临时索塔的高度将超过150m。而根据计算结果，临时索塔在临时索与构件夹角大于5。时，索塔就可以处在整体稳定状态，此时索塔高度在105m左右。但是，最大索力单根将达到1000t。综合考虑上述情况，为了确保整个临时索塔体系的稳定，同时兼顾索塔及临时索的施工，最终确定临时索塔的高度为128m，此时索与主拱顶最小夹角为15.6。。根据最不利荷载组合计算，此时临时塔单塔总压力为120000 kN。
拱上吊机是主拱安装的专用设备，其必须具备以下性能：(1)提升系统，能满足中跨所有主拱节段的吊装；(2)微调系统，即由于主拱的结构特点，主拱在精确就位前，需进行纵横向调整；(3)行走系统，当一个节段完成后，拱上吊机必须行走到下一个安装位置。
2.2.2拱上吊机主要设计参数的确定
(1)提升系统
提升系统主要包括拱上吊机主体结构，最大起重量及提升设备的选择。
2.1.3临时索的施工
根据设计要求，临时索按常规施工，所有材料、设备均按规范规定检测与验收。
由于钢梁超重等原因，在主拱施工过程中，实际安装标高与设计理论标高存在较大误差。经过补挂备用索，调整施工控制标高等措施，使整个临时索体系总体安全系数控制在2左右，确保了主拱施工的安全。
2.2拱上吊机设计与施工
2.2.1拱上吊机基本工作性能确定
图3主拱、临时索、临时塔结构关系示意图
由于卢浦大桥采用提篮式拱，上下游拱均为1:5向内侧向倾斜，为了尽量减小临时索在主拱安装过程中产生扭转。实施时，又将河跨索一分为二，分别锚固在拱肋两侧的腹板上。背索由于不受影响，单根直接锚固在各自的锚固点上。
2.1.2.2临时索形式确定
可用于卢浦大桥的临时索有两种：一种是冷铸锚平行钢丝索，一种是钢铰线群锚索。
2.3.1吊装前的准备工作
吊装前的准备工作主要包括：临时匹配件的设计加工、拱肋预拼装、拱上吊机的就位等。
卢浦大桥在结构设计过程中，均未考虑施工过程中所需部件。故所有的施工用匹配件均需设计。主要是连接上下游拱肋的临时风撑，拱上吊机的前支点和后锚点，起吊用的吊点及临时挂索的锚固点。所有匹配件除满足使用要求外，还要考虑对拱肋局部的加固。并由设计对所有匹配件对其主体结构的影响进行复核。所有匹配件均有结构制作单位按结构相同标准在构件出厂前制作完成。
(2)万能杆件作为中间无索区主要受力构件，有索区采用钢箱结构，在桥面与万能构件间及万能构件与索区钢箱梁间采用棱台形钢结构过渡。该方案的主要优点是：中间部分采用的万能构件能多次重复利用。缺点为：由于单个塔柱要承受60000KN力，而万能构件组合截面是2m的模数，约需10×14m才能满足要求。而临时塔所有的竖直力均通过承台与桥面相连的断面为5×5m的大立柱传递给基础。虽经9＃桥面梁加劲扩散，其最大允许传力面积为4×6.8m。故在桥面与万能杆件之间需要有一个强大的棱台形过渡钢构件。同理，在上部需要同样的过渡构件，施工难度大。
2.2.3拱上吊机的制作与安装
拱上吊机在工厂制作，并根据最不利荷载组合进行试验，各项性能均符合设计及使用要求。试验结束后，整机船运到现场，由1000t浮吊安装到位，进行现场安装调试。
2.3标准段拱肋安装
由于吊装工艺的相同，把浦东、浦西8＃～19＃节段称作为标准段。为保证拱肋安装过程中的整体稳定，上下游拱肋必须整体吊装。
经与设计协商，拱上吊机纵向调整量为2m。大于2m调整量的拱肋由设计进行调整。根据拱肋在2 m纵向距离引起的横向变位，横向调整量确定为+200mm，纵横向均采用液压调整。
(3)行走系统
行走系统由“T”排、挂轮及牵引千斤顶组成。
“T”排设在拱肋顶部，与二主桁架同宽。根据拱上吊机的总体设计，拱上吊机吊装时的前后锚固点间距为16 m，行走时，将前后二支点作为支撑点。故在后端部需设置钩轮以便平衡吊机自身的不平衡力。行走时主要靠设在二桁架端部的连续提升千斤顶将拱上吊机顶到下一个安装位置。（见图8）
(3)参考建筑钢结构，采用矩形型钢立柱作为主要受力构件。主塔4根主柱断面尺寸同方案(1)，即4×6.8m。立柱与立柱间用“H”型钢连接。该方案的主要优点是：结构简单，构件受力明确，锚固区节点处理相对较容易，整体刚度好。缺点是：所有材料需全新采购或加工，如果没有类似的工程，重复利用比较差。
综合考虑以上三个方案的优缺点，最终确定方案(3)为实施方案，临时索塔最终由上海市政工程设计研究院设计（见图2）。
提升设备可有两种选择，即卷扬和连续千斤顶。由于拱上吊机最大设计吊重为380 t，如采用卷扬机，大吨位的卷扬机加上大量的索具，布置比较困难，而且上下游4个吊点很难做到同步提升。各提升的力很不均衡，对结构本身及施工都不安全。连续提升千斤顶由于采用电脑控制，能做到4个同步提升，并能显示提升过程中各节段的力值。但相对卷扬机提升速度较慢。经过充分比较，最终选择英国Bridlift公司的185t千斤顶及控制系统，作为拱上吊机的主要提升系统，其最大提升速度为36 m/h，能满足要求。