丫髻沙大橋主橋的施工控制

【摘要】丫髻沙大橋主橋采用76m+360m+76m三跨連續(xù)自錨鋼管混凝土拱橋跨越珠江南航道，本文介紹了主橋的設(shè)計概況和各關(guān)鍵工序的施工控制。
【關(guān)鍵詞】珠江 鋼管混凝土 拱橋 施工控制

一、設(shè)計簡介
1．工程概況
丫髻沙大橋是廣州市環(huán)城高速公路西南環(huán)上跨越珠江南航道的一座特大橋，跨越主航道采用76+360+76（m）三跨連續(xù)自錨中承式鋼管混凝土拱橋（圖 1），跨越副航道采用86＋160＋86（m）三跨連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋，全橋長1084m。總工期22個月，1998年8月開工，2000年6月建成。橋面凈寬32.5m，主橋兩側(cè)還分別預(yù)留了2.0m寬的人行道。

2．結(jié)構(gòu)設(shè)計
（l）結(jié)構(gòu)體系
根據(jù)航道的要求，拱橋跨度布置為76＋360＋76（m），邊跨、主跨拱腳均固結(jié)于拱座，邊跨曲梁與邊墩之間設(shè)置軸向活動盆式橡膠支座，在兩邊跨端部之間設(shè)置鋼絞線系桿，通過邊拱拱肋平衡主拱拱肋所產(chǎn)生的水平推力，每束系桿總長約520m。
（2）主拱拱肋
采用中承式雙肋懸鏈線無鉸拱，矢跨比1／4．5。每肋由6φ750鋼管混凝土組成，由橫向平聯(lián)板、腹桿連接成為鋼管混凝土桁架，這種截面布置具有較大的單肋剛度可以適應(yīng)轉(zhuǎn)體。大節(jié)段吊裝等施工方法，對特大跨度拱橋具有較好的經(jīng)濟(jì)性。沿拱軸采用變高度（拱腳鋼管中心距8.039m，拱頂鋼管中心距4.00m、等寬度（3．45m）截面，兩肋中心距35.95m，共設(shè)置6組"米"字、2組"K"字橫撐。在拱助的弦管和平聯(lián)板內(nèi)灌注50號高強(qiáng)混凝土，腹桿和橫撐鋼管內(nèi)則不灌混凝土。為了便于轉(zhuǎn)體施工，兩組"K"撐置于拱頂。
（3）邊拱拱肋
矢跨比為 1／5.2，每助由高4.5m、寬3.45m的50號鋼筋混凝土箱梁組成，兩助間設(shè)有一組“K”字和一桁架式橫撐，它們與同邊拱端團(tuán)結(jié)的預(yù)應(yīng)力混凝端橫梁一起，組成了一個穩(wěn)定的空間梁系結(jié)構(gòu)。
為了便于傳遞水平力，將主拱拱肋、邊拱拱肋的軸線置于同一直線上，且拱肋寬度相等。為使主橋能采用轉(zhuǎn)體法施工，將邊拱設(shè)計為勁性骨架結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)體施工時，每肋由4φ6OO鋼管混凝土組成。
（4）拱上建筑與橋面結(jié)構(gòu)

橋面結(jié)構(gòu)由鋼橫梁、鋼縱梁、橋面板組成了長約512m、寬32.4m的連續(xù)板結(jié)構(gòu)，鋼橫梁與立柱間以KQGZ型雙向活動抗震球形鋼支座相連，以釋放彎矩及溫度力。
（5）系桿
采用OVMXG15－37鋼絞線拉索體系，Ry=1860MPa，系杯外包雙層PE熱擠塑護(hù)套。

二、拱座基礎(chǔ)及承臺的施工
1．基礎(chǔ)施工
拱橋橋址處江面寬廣，江中水位、水深及流速均受珠江口海水潮汐的控制。丫髻沙島將珠江江面分隔成兩條航道，南側(cè)為主航道、北側(cè)為副航道，在島的南岸有次級斷裂構(gòu)造。基巖巖性組合復(fù)雜，風(fēng)化層厚，弱風(fēng)化巖面起伏很大。承臺下采用φ3.0m，φ2.5m大直徑嵌巖灌注樁，滑道下采用φ2.0m，φ1.5m直徑嵌巖灌注樁。為了加快施工速度，保證施工質(zhì)量，以樁長、樁底基巖巖性雙控樁底標(biāo)高，對少數(shù)成孔困難的樁，根據(jù)具體情況分別采用旋噴樁、冷凍法作防水處理。
2．拱座及承臺施工
承臺設(shè)計成能讓由邊拱拱肋、拱座、主拱拱肋及施工用索塔組成的體系在承臺上平轉(zhuǎn)，承臺及滑道均能承受重達(dá)13600t的施工荷載。為了能讓主拱拱肋豎轉(zhuǎn)施工，還在主拱拱肋與拱座間設(shè)置了豎轉(zhuǎn)鉸（圖2）。其中鉸座為鋼結(jié)構(gòu)、鉸軸為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，鉸座、鉸軸的接觸面機(jī)加工光潔度為12．5，在兩者的接觸面上涂抹黃油以減小摩擦力和防銹。鉸座、鉸軸的接觸面按在壓力、摩擦力共同作用的條件計算其接觸壓力，以第四強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度校核。承臺及拱座均為大體積混凝土，經(jīng)與施工單位協(xié)商，提出了以下措施以控制溫度變形裂縫：
（l）在承臺及拱座內(nèi)設(shè)置多層冷卻水管，施工時進(jìn)水管口、出水管口溫度差控制在15～20℃；
（2）選用礦渣水泥，摻加適量的粉煤灰、減水劑、緩凝劑；
（3）采用分層、分塊法施工，并設(shè)置一定的溫度筋；
（4）委托有經(jīng)驗(yàn)的科研單位進(jìn)行溫度監(jiān)控。

三、鋼管拱肋的制造與安裝
1．技術(shù)準(zhǔn)備
（l）工藝裝備設(shè)計
工藝裝備設(shè)計應(yīng)以工期短、造價省為原則，做到結(jié)構(gòu)簡單、保證精度、安全可靠，主要工裝可分為：
a．放樣、試裝平臺；
b．專用胎具：①圓管對接焊胎具；②彎曲弦管成型胎架；③片體拼裝、焊接胎架；④整體節(jié)段組焊用胎型；
c.下料及樣板。
（2）編制制造工藝
a．編制原則
（a）確保結(jié)構(gòu)幾何尺寸能滿足設(shè)計要求；
（b）制造誤差引起的結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力控制在設(shè)計范圍內(nèi)；
（c）焊接、矯形過程對材料基本力學(xué)性能的影響不明顯；
（d）各工序的制造、安裝誤差及累積誤差要與測試手段、檢測精度相適應(yīng)。
b．編制焊接工藝文件
焊接工藝是指導(dǎo)焊接施工的重要技術(shù)文件，編制的焊接工藝文件應(yīng)包含以下內(nèi)容：①焊接方法；②焊接材料后焊接接頭形式、坡口角度及加工方法、組裝要求及允許偏差；④焊接工藝參數(shù)、焊接順序⑤大間隙對接焊縫、補(bǔ)焊等應(yīng)規(guī)定最大、最小層間預(yù)熱溫度；③減少焊接變形、消除焊接應(yīng)力的措施等。
C．繪制施工詳圖
按工藝程序要求，繪制零件圖、單元（片體）構(gòu)件圖、節(jié)段構(gòu)成圖、試裝圖及工藝流程圖，在下料排版、構(gòu)件組裝時應(yīng)避免焊縫交叉及焊縫間距過小。
d．編制檢查記錄表
按有關(guān)規(guī)定要求，編制各種檢查記錄表作為控制制造精度、檢查質(zhì)量、工序交接、產(chǎn)品運(yùn)輸及驗(yàn)收的依據(jù)。
2．焊接控制
鋼管拱肋是本橋的生命工程，由于采用了較厚板件、大量使用半自動焊和人工電弧焊，確保焊接結(jié)構(gòu)具有足夠的韌性和塑性以防裂防斷為本橋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要指導(dǎo)思想。
焊接接頭抗斷裂能力不僅與焊縫強(qiáng)度密切相關(guān)，還與焊縫韌性和塑性有關(guān)，所有焊接工藝評定滿足設(shè)計要求后方能實(shí)施。
（1）焊縫強(qiáng)度的控制
要求對接焊縫屈服強(qiáng)度（σs）、極限強(qiáng)度（σb）不低于基材標(biāo)準(zhǔn)，并不超過基材120MPa，超過時用0℃韌強(qiáng)比φk=Akv／σs控制（φk≥15）。
焊接接頭力學(xué)不均質(zhì)性，對接頭斷裂性能有顯著影響，焊縫與母材等強(qiáng)具有最佳抗脆斷性能。
（2）焊縫韌性的控制
對接焊縫的各部位（包括焊縫、熔合線、熱影響區(qū)）-5℃的卻貝V沖擊功不低于35J。
對熱影響區(qū)的韌性檢查用于限制施焊輸入熱量。為保證其沖擊韌性并避免出現(xiàn)裂縫，必須對焊接工藝細(xì)則特別注意，輸入的熱量太高將使鋼的晶粒變粗。
（3）焊縫塑性的控制
對接焊縫的延伸率不低于母材，即t≤25mm時，σs≥20％，t=26～50mm時，σs≥19%。
3．鋼管拱肋的驗(yàn)收
驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以鋼結(jié)構(gòu)制造的工期短、造價省、符合有關(guān)強(qiáng)制性規(guī)范為原則，保證結(jié)構(gòu)安全工作、便于施工及檢查。
（1）拱助節(jié)段工廠組裝后的尺寸允許偏差
a．鋼管橢圓度 鋼管端部 Δ／D≤±3／1000
中間部位 Δ／D≤±5/1000
b．鋼管端都不平度 Δ≤±0.3m
c.桁架寬度誤差 Δ≤±3mm
d.腹桿組合誤差 Δ/L≤±1/1000
e．腹桿中心距誤差Δ≤土3mm
f．板件局部翹曲Δ≤±3mm
g．桁架高度度偏差 +3mm -lmm
h．桁架節(jié)段斷面扭曲偏差 Δ≤lmm／m
節(jié)段最大不超過 5mm
i．桁架斷面對角線差 Δ≤4mm
j．桁架節(jié)段軸線豎向偏差Δ≤±3mm
k．桁架節(jié)段軸線橫向偏差Δ≤±3mm
1．桁架節(jié)段軸線弧長偏差Δ≤±10mm
（2）在工地組拼半跨拱助的允許偏差
a．節(jié)段間接縫錯邊量拱助中間鋼管 Δ≤3mm
拱加其余鋼管 Δ≤2mm
b．拱軸線橫向偏差 Δ≤±12mm
c．拱軸線豎向偏差-6≤Δ≤±12mm
（3）合龍狀態(tài)精度控制目標(biāo)
（l）兩岸對稱點(diǎn)高程差 偏差同號且Δ≤20mm
（2）拱肋扭轉(zhuǎn)供肋內(nèi)、外側(cè)鋼管項(xiàng)高差Δ≤3mm

四、拱肋安裝的轉(zhuǎn)體施工法
根據(jù)廣州市建委和建設(shè)單位的要求，按兩個施工方案（即轉(zhuǎn)體施工法與三大段施工法）進(jìn)行施工圖設(shè)計和指導(dǎo)性施工組織設(shè)計，供施工單位選用。通過施工招標(biāo)，推薦轉(zhuǎn)體施工法的單位中標(biāo)。
1．編制施工方案的原則
（1）由于丫髻沙大橋主橋?yàn)榭缍却蟆⒕纫蟾撸绾未_保拱肋的線形和制造質(zhì)量非常關(guān)鍵，因此要盡量減少高空焊接的工作量；
（2）由于橋址處珠江航運(yùn)繁忙，正常施工階段不能長期占用航道，亦不宜封航；
（3）因丫髻沙大橋拱橋施工技術(shù)復(fù)雜、要求高，施工方案應(yīng)盡量減少不確定因素，質(zhì)量便于控制，造價盡量節(jié)省。
2.轉(zhuǎn)體施工法指導(dǎo)思想
對橋址珠江水域的水文、氣候、通航情況進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，實(shí)地踏勘，利用主拱拱肋、拱座、邊拱拱肋及扣索、塔柱撐腳組成豎轉(zhuǎn)、平轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動體系（圖3），整個轉(zhuǎn)動體系由承臺上直徑為33m的轉(zhuǎn)體環(huán)道支撐，轉(zhuǎn)體施工時不用封航，其施工步驟如下：

（l）安裝承臺上的轉(zhuǎn)體環(huán)道、拱座及豎轉(zhuǎn)鉸，沿江岸搭設(shè)邊拱勁性拱架、主拱拱肋臥拼用支架；
（2）安裝轉(zhuǎn)體塔架、邊拱勁性骨架、主拱拱肋；
（3）安裝邊拱端部及其他設(shè)計規(guī)定部位壓重鋼筋混凝土；
（4）安裝轉(zhuǎn)體用扣索、千斤頂及施工監(jiān)測設(shè)備；
（5）兩岸主拱拱肋分別豎轉(zhuǎn)；
（6）兩岸轉(zhuǎn)動體系分別平轉(zhuǎn)到橋位。
3．轉(zhuǎn)體施工控制計算
（1）轉(zhuǎn)體施工的技術(shù)指標(biāo)
a．轉(zhuǎn)動體系
幾何尺寸：長*寬*高為258.1m*39.4m*86.3m
結(jié)構(gòu)總重：13600t
環(huán)道尺寸：直徑33m，寬度1.lm
扣索①：每肋 7組 18 * 7φ5鋼絞線束
扣索②：每肋 3組 18 * 7φ5鋼絞線束
扣索③：每助 2組 18 * 7φ5鋼絞線束
b．豎轉(zhuǎn)技術(shù)指標(biāo)
主拱拱助豎轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)總重：2050t
豎轉(zhuǎn)設(shè)備：同濟(jì)大學(xué)液壓同步千斤頂
豎轉(zhuǎn)角度：24．701°
豎轉(zhuǎn)速度：角速度ω＝0．0025rad／min，主拱端部垂直線速度υ≤0．42m／min
c.平轉(zhuǎn)技術(shù)指標(biāo)
平轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)重心：位于軸線上偏向邊拱側(cè)距中心轉(zhuǎn)軸0．03m，距下轉(zhuǎn)盤高19．49m
平轉(zhuǎn)設(shè)備：柳州建筑機(jī)械總廠ZTD-200型同步提升千斤頂
平轉(zhuǎn)角度：9號拱座側(cè)117．112°，10號拱座側(cè)92.233°
平轉(zhuǎn)速度：角速度ω≤0.0lrad／min，主拱端部水平線速度υ≤1.2m／min
（2）施工控制計算
丫髻沙大橋轉(zhuǎn)體施工采用豎轉(zhuǎn)與平轉(zhuǎn)相結(jié)合的施工工藝，技術(shù)復(fù)雜，豎轉(zhuǎn)施工是整個轉(zhuǎn)體施工過程的關(guān)鍵。按豎轉(zhuǎn)-0．701°（起始狀態(tài)），3°，6°，9°，12°，15°，18°，21°，24°的9個階段和平轉(zhuǎn)階段進(jìn)行施工計算，保證轉(zhuǎn)動體系各構(gòu)件的應(yīng)力、位移、整體穩(wěn)定都能滿足設(shè)計和施工的要求。轉(zhuǎn)體施工時，最直觀、最可靠、最及時的控制參數(shù)就是拱助的高程等指標(biāo)，因此在轉(zhuǎn)體施工過程中以高程為主、索力或應(yīng)力為輔進(jìn)行指揮、監(jiān)控。根據(jù)計算結(jié)果，轉(zhuǎn)體施工時保證轉(zhuǎn)動體系結(jié)構(gòu)安全的控制指標(biāo)如下：
a．風(fēng)速不大于10m／s，相當(dāng)于6級風(fēng)力；
b．邊拱頸性骨架頂部高程差及兩肋相對高差不大于50mm；
c．主拱拱肋頂部兩助相對高差不大于200mm，軸線偏位不大于100mm；
d．塔頂水平偏位不大于50mm；
e．施工索力與設(shè)計索力（見表1）差不得大于10％。

（4）豎轉(zhuǎn)工藝
扣索的張拉端布置在邊拱拱助的端部，在豎轉(zhuǎn)過程中，主拱拱肋的角度在不斷改變，扣索的索力也相應(yīng)地不斷變化，豎轉(zhuǎn)時，將隨動測取的油壓值、位移值送到計算機(jī)內(nèi)，經(jīng)過計算對泵站比例閥發(fā)出控制信號，通過調(diào)節(jié)流量達(dá)到每束鋼絞線受力均勻、運(yùn)動同步，采取以高程為主、索力為輔的原則進(jìn)行施工控制，具體施工步驟如下：
a．扣索①、扣索②預(yù)緊至設(shè)計索力的50％，然后將平衡索③預(yù)緊至設(shè)計索力的50％；
b．分級張拉扣索①、扣索②直至主拱拱肋起動脫架，再將平衡索③張拉至設(shè)計索力，保持脫架狀態(tài)12h進(jìn)行結(jié)構(gòu)觀察；
c.正式開始豎轉(zhuǎn)，豎轉(zhuǎn)到位后測取邊拱支架的內(nèi)力，進(jìn)行邊拱稱重，按從拱腳到拱頂?shù)捻樞蚪獬吂爸Ъ艿募s束，必要時，調(diào)整邊拱端部的配重，使轉(zhuǎn)動體系處于平衡狀態(tài)。
d．在塔頂索鞍部位鎖定扣索①、扣索②，并將主拱腳臨時固結(jié)。
（5）平轉(zhuǎn)工藝
a．上轉(zhuǎn)盤
上轉(zhuǎn)盤由拱座、撐腳、中心轉(zhuǎn)軸等組成（見圖4），轉(zhuǎn)動體系的重量由撐腳傳遞給下轉(zhuǎn)盤，中心轉(zhuǎn)軸僅起定位的作用。
b．下轉(zhuǎn)盤
下轉(zhuǎn)盤由環(huán)道、牽引體系、中心轉(zhuǎn)軸等組成（見圖5），為保證環(huán)道的平整度、光潔度，施工時將預(yù)埋環(huán)道頂面鋼板的頸性骨架，用螺栓連接鋼板與頸性骨架，精確調(diào)平后再灌注鋼板下混凝土。任意3m孤長環(huán)道的高差不大于1mm。

C．牽引體系
牽引體系主要包括牽引鋼絞線、2組牽引千斤頂（每組4臺）、多臺輔助千斤頂組成，起動牽引力按靜摩擦系數(shù)μs＝0．1、轉(zhuǎn)動時牽引力按動摩擦系數(shù)μd＝0．05準(zhǔn)備，實(shí)測起動牽引力約800t、靜摩擦系數(shù)μs＝ 0.06，實(shí)測轉(zhuǎn)動時牽引力約 400t、動摩擦系數(shù)μd= 0.03。
d．施工步驟
（a）調(diào)試牽引系統(tǒng)，清理、潤滑環(huán)道，拆除有礙平轉(zhuǎn)的障礙物。
（b）先讓輔助千斤頂達(dá)到預(yù)定噸位，再啟動牽引千斤頂使轉(zhuǎn)動體系起動，然后由牽引千斤頂拉動牽引索平轉(zhuǎn)。
（c）在平轉(zhuǎn)就位處設(shè)置限位卡梁，阻止撐腳到位后繼續(xù)往前走。
（d）平轉(zhuǎn)基本到位后降低平轉(zhuǎn)速度，采用點(diǎn)控牽引法對好主拱拱肋的中線。
（e）恢復(fù)邊拱支架，焊接上、下轉(zhuǎn)盤的鋼骨架，綁扎鋼筋，清除雜物后澆筑上、下轉(zhuǎn)盤間的混凝土。
（6）合龍控制
平轉(zhuǎn)施工完成后，對照表2加臨時合龍時的溫度修正值于半夜調(diào)整好主拱拱肋的標(biāo)高，然后立即在主拱拱頂安裝臨時合龍構(gòu)件，使之能承受兩鉸拱狀態(tài)的溫度力，保證合龍段在無應(yīng)力狀態(tài)下定位、焊接。

五、施工過程的穩(wěn)定與拱軸線控制
1．鋼管混凝土拱橋的非線性穩(wěn)定分析
考慮大位移變形、拱軸線偏移、構(gòu)件的極限承載力，進(jìn)行拱橋的非線性穩(wěn)定分析。采用基于U．L列式的非線性有限元，以增量求解方式計算施工全過程。
（l）加載路徑（見圖6）

工況0--空鋼管合龍，形成無校拱；
工況1～16--灌注主拱拱肋內(nèi)混凝土。
（2）非線性穩(wěn)定計算模式
為了能模擬混凝土灌注過程的影響，對每個灌注拱肋內(nèi)混凝土的工況再細(xì)分為三個子工況，第一個子工況為灌注水平坐標(biāo)為（0，62），拱腳段、第二個子工況為灌注水平坐標(biāo)（62，122）中間段、第三個子工況為灌注水平坐標(biāo)（122，172）拱頂段，極限荷載Pcr為
Pcr=K3（Pc+Pd）（1）
其中，Pc本階段為施工荷載，Pd為此階段前的外荷載。按增量法求解非線性有限元方程組，得出了結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線，曲線頂點(diǎn)對應(yīng)的荷載就是拱橋所能承受的極限荷載，本橋在施工階段的穩(wěn)定安全系數(shù)見表3。如果按
Pcr=λcrPc+Pd K2=Pcr/（Pc+Pd） （2）
計算穩(wěn)定安全系數(shù)，則工況1～16中的第二子工況的K2在1．3～1.4之間不能通過，這將使合理的施工加載方法無法采用，丫髻沙大橋的順利建成，充分證實(shí)了由K3判定施工穩(wěn)定安全性的正確性與合理性。

2．拱肋內(nèi)混凝土灌注順序與拱軸線糾偏
由轉(zhuǎn)體施工法形成的主拱拱肋，由于摩擦力的影響拆除扣索后拱肋的軸線會發(fā)生橫向偏移，如果不采取措施而繼續(xù)加載，將會使這種偏移越來越大。本橋采取在灌注拱肋混凝土?xí)r偏載的方法進(jìn)行糾正，最后成橋的橫向偏移值在15mm以內(nèi)，效果很好。
3．混凝土收縮、徐變的影響
考慮鋼管內(nèi)混凝土的收縮、徐變后，拱頂?shù)膿隙仍黾樱鹘孛驺~管應(yīng)力增大、混凝土應(yīng)力減小（見表4）。

六、結(jié)語
丫髻沙大橋主橋的規(guī)模和施工技術(shù)居同類型橋梁世界第一，通過設(shè)計與施工的緊密結(jié)合，將以上關(guān)鍵工序的設(shè)計要求編入施工圖設(shè)計文件中，有效地控制了施工單位的施工組織設(shè)計文件及相關(guān)工藝設(shè)計文件，保證了大橋的順利建成。
本橋解決了鋼管混凝土拱肋的的截面優(yōu)化、非線性穩(wěn)定分析、鋼管內(nèi)混凝土的徐變分析、鋼管拱肋的制造與安裝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、鋼管拱肋的轉(zhuǎn)體施工法等大跨徑鋼管混凝土拱橋的關(guān)鍵設(shè)計、施工技術(shù)，為在平原地區(qū)的大江大河上建設(shè)跨度500m左右的鐵路、公路拱橋積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。