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計概況和各關鍵工序的施工控制。
【關鍵詞】珠江 鋼管混凝土 拱橋 施工控制

一、設計簡介
1．工程概況
丫髻沙大橋是廣州市環城高速公路西南環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）三跨連續預應力混凝土剛構橋，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，主橋兩側還分別預留了2.0m寬的人行道。

2．結構設計
（l）結構體系
根據航道的要求，拱橋跨度布置為76＋360＋76（m），邊跨、主跨拱腳均固結于拱座，邊跨曲梁與邊墩之間設置軸向活動盆式橡膠支座，在兩邊跨端部之間設置鋼絞線系桿，通過邊拱拱肋平衡主拱拱肋所產生的水平推力，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轉體。大節段吊裝等施工方法，對特大跨度拱橋具有較好的經濟性。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，共設置6組"米"字、2組"K"字橫撐。在拱助的弦管和平聯板內灌注50號高強混凝土，腹桿和橫撐鋼管內則不灌混凝土。為了便于轉體施工，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，兩助間設有一組“K”字和一桁架式橫撐，它們與同邊拱端團結的預應力混凝端橫梁一起，組成了一個穩定的空間梁系結構。
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。為使主橋能采用轉體法施工，將邊拱設計為勁性骨架結構，在轉體施工時，每肋由4φ6OO鋼管混凝土組成。
（4）拱上建筑與橋面結構

橋面結構由鋼橫梁、鋼縱梁、橋面板組成了長約512m、寬32.4m的連續板結構，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熱擠塑護套。

二、拱座基礎及承臺的施工
1．基礎施工
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，南側為主航道、北側為副航道，在島的南岸有次級斷裂構造。基巖巖性組合復雜，風化層厚，弱風化巖面起伏很大。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，保證施工質量，以樁長、樁底基巖巖性雙控樁底標高，對少數成孔困難的樁，根據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，承臺及滑道均能承受重達13600t的施工荷載。為了能讓主拱拱肋豎轉施工，還在主拱拱肋與拱座間設置了豎轉鉸（圖2）。其中鉸座為鋼結構、鉸軸為鋼管混凝土結構，鉸座、鉸軸的接觸面機加工光潔度為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，以第四強度理論進行強度校核。承臺及拱座均為大體積混凝土，經與施工單位協商，提出了以下措施以控制溫度變形裂縫：
（l）在承臺及拱座內設置多層冷卻水管，施工時進水管口、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，并設置一定的溫度筋；
（4）委托有經驗的科研單位進行溫度監控。

三、鋼管拱肋的制造與安裝
1．技術準備
（l）工藝裝備設計
工藝裝備設計應以工期短、造價省為原則，做到結構簡單、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）確保結構幾何尺寸能滿足設計要求；
（b）制造誤差引起的結構附加應力控制在設計范圍內；
（c）焊接、矯形過程對材料基本力學性能的影響不明顯；
（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。
b．編制焊接工藝文件
焊接工藝是指導焊接施工的重要技術文件，編制的焊接工藝文件應包含以下內容：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、焊接順序⑤大間隙對接焊縫、補焊等應規定最大、最小層間預熱溫度；③減少焊接變形、消除焊接應力的措施等。
C．繪制施工詳圖
按工藝程序要求，繪制零件圖、單元（片體）構件圖、節段構成圖、試裝圖及工藝流程圖，在下料排版、構件組裝時應避免焊縫交叉及焊縫間距過小。
d．編制檢查記錄表
按有關規定要求，編制各種檢查記錄表作為控制制造精度、檢查質量、工序交接、產品運輸及驗收的依據。
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，確保焊接結構具有足夠的韌性和塑性以防裂防斷為本橋鋼結構設計的重要指導思想。
焊接接頭抗斷裂能力不僅與焊縫強度密切相關，還與焊縫韌性和塑性有關，所有焊接工藝評定滿足設計要求后方能實施。
（1）焊縫強度的控制
要求對接焊縫屈服強度（σs）、極限強度（σb）不低于基材標準，并不超過基材120MPa，超過時用0℃韌強比φk=Akv／σs控制（φk≥15）。
焊接接頭力學不均質性，對接頭斷裂性能有顯著影響，焊縫與母材等強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）-5℃的卻貝V沖擊功不低于35J。
對熱影響區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裂縫，必須對焊接工藝細則特別注意，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．鋼管拱肋的驗收
驗收標準應以鋼結構制造的工期短、造價省、符合有關強制性規范為原則，保證結構安全工作、便于施工及檢查。
（1）拱助節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．桁架節段斷面扭曲偏差 Δ≤lmm／m
節段最大不超過 5mm
i．桁架斷面對角線差 Δ≤4mm
j．桁架節段軸線豎向偏差Δ≤±3mm
k．桁架節段軸線橫向偏差Δ≤±3mm
1．桁架節段軸線弧長偏差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）合龍狀態精度控制目標
（l）兩岸對稱點高程差 偏差同號且Δ≤20mm
（2）拱肋扭轉供肋內、外側鋼管項高差Δ≤3mm

四、拱肋安裝的轉體施工法
根據廣州市建委和建設單位的要求，按兩個施工方案（即轉體施工法與三大段施工法）進行施工圖設計和指導性施工組織設計，供施工單位選用。通過施工招標，推薦轉體施工法的單位中標。
1．編制施工方案的原則
（1）由于丫髻沙大橋主橋為跨度大、精度要求高，如何確保拱肋的線形和制造質量非常關鍵，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復雜、要求高，施工方案應盡量減少不確定因素，質量便于控制，造價盡量節省。
2.轉體施工法指導思想
對橋址珠江水域的水文、氣候、通航情況進行了詳細調查，實地踏勘，利用主拱拱肋、拱座、邊拱拱肋及扣索、塔柱撐腳組成豎轉、平轉的轉動體系（圖3），整個轉動體系由承臺上直徑為33m的轉體環道支撐，轉體施工時不用封航，其施工步驟如下：

（l）安裝承臺上的轉體環道、拱座及豎轉鉸，沿江岸搭設邊拱勁性拱架、主拱拱肋臥拼用支架；
（2）安裝轉體塔架、邊拱勁性骨架、主拱拱肋；
（3）安裝邊拱端部及其他設計規定部位壓重鋼筋混凝土；
（4）安裝轉體用扣索、千斤頂及施工監測設備；
（5）兩岸主拱拱肋分別豎轉；
（6）兩岸轉動體系分別平轉到橋位。
3．轉體施工控制計算
（1）轉體施工的技術指標
a．轉動體系
幾何尺寸：長*寬*高為258.1m*39.4m*86.3m
結構總重：13600t
環道尺寸：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．豎轉技術指標
主拱拱助豎轉結構總重：2050t
豎轉設備：同濟大學液壓同步千斤頂
豎轉角度：24．701°
豎轉速度：角速度ω＝0．0025rad／min，主拱端部垂直線速度υ≤0．42m／min
c.平轉技術指標
平轉結構重心：位于軸線上偏向邊拱側距中心轉軸0．03m，距下轉盤高19．49m
平轉設備：柳州建筑機械總廠ZTD-200型同步提升千斤頂
平轉角度：9號拱座側117．112°，10號拱座側92.233°
平轉速度：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
丫髻沙大橋轉體施工采用豎轉與平轉相結合的施工工藝，技術復雜，豎轉施工是整個轉體施工過程的關鍵。按豎轉-0．701°（起始狀態），3°，6°，9°，12°，15°，18°，21°，24°的9個階段和平轉階段進行施工計算，保證轉動體系各構件的應力、位移、整體穩定都能滿足設計和施工的要求。轉體施工時，最直觀、最可靠、最及時的控制參數就是拱助的高程等指標，因此在轉體施工過程中以高程為主、索力或應力為輔進行指揮、監控。根據計算結果，轉體施工時保證轉動體系結構安全的控制指標如下：
a．風速不大于10m／s，相當于6級風力；
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．施工索力與設計索力（見表1）差不得大于10％。

（4）豎轉工藝
扣索的張拉端布置在邊拱拱助的端部，在豎轉過程中，主拱拱肋的角度在不斷改變，扣索的索力也相應地不斷變化，豎轉時，將隨動測取的油壓值、位移值送到計算機內，經過計算對泵站比例閥發出控制信號，通過調節流量達到每束鋼絞線受力均勻、運動同步，采取以高程為主、索力為輔的原則進行施工控制，具體施工步驟如下：
a．扣索①、扣索②預緊至設計索力的50％，然后將平衡索③預緊至設計索力的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張拉至設計索力，保持脫架狀態12h進行結構觀察；
c.正式開始豎轉，豎轉到位后測取邊拱支架的內力，進行邊拱稱重，按從拱腳到拱頂的順序解除邊拱支架的約束，必要時，調整邊拱端部的配重，使轉動體系處于平衡狀態。
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。
（5）平轉工藝
a．上轉盤
上轉盤由拱座、撐腳、中心轉軸等組成（見圖4），轉動體系的重量由撐腳傳遞給下轉盤，中心轉軸僅起定位的作用。
b．下轉盤
下轉盤由環道、牽引體系、中心轉軸等組成（見圖5），為保證環道的平整度、光潔度，施工時將預埋環道頂面鋼板的頸性骨架，用螺栓連接鋼板與頸性骨架，精確調平后再灌注鋼板下混凝土。任意3m孤長環道的高差不大于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μs＝0．1、轉動時牽引力按動摩擦系數μd＝0．05準備，實測起動牽引力約800t、靜摩擦系數μs＝ 0.06，實測轉動時牽引力約 400t、動摩擦系數μd= 0.03。
d．施工步驟
（a）調試牽引系統，清理、潤滑環道，拆除有礙平轉的障礙物。
（b）先讓輔助千斤頂達到預定噸位，再啟動牽引千斤頂使轉動體系起動，然后由牽引千斤頂拉動牽引索平轉。
（c）在平轉就位處設置限位卡梁，阻止撐腳到位后繼續往前走。
（d）平轉基本到位后降低平轉速度，采用點控牽引法對好主拱拱肋的中線。
（e）恢復邊拱支架，焊接上、下轉盤的鋼骨架，綁扎鋼筋，清除雜物后澆筑上、下轉盤間的混凝土。
（6）合龍控制
平轉施工完成后，對照表2加臨時合龍時的溫度修正值于半夜調整好主拱拱肋的標高，然后立即在主拱拱頂安裝臨時合龍構件，使之能承受兩鉸拱狀態的溫度力，保證合龍段在無應力狀態下定位、焊接。

五、施工過程的穩定與拱軸線控制
1．鋼管混凝土拱橋的非線性穩定分析
考慮大位移變形、拱軸線偏移、構件的極限承載力，進行拱橋的非線性穩定分析。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--灌注主拱拱肋內混凝土。
（2）非線性穩定計算模式
為了能模擬混凝土灌注過程的影響，對每個灌注拱肋內混凝土的工況再細分為三個子工況，第一個子工況為灌注水平坐標為（0，62），拱腳段、第二個子工況為灌注水平坐標（62，122）中間段、第三個子工況為灌注水平坐標（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，得出了結構的荷載-位移曲線，曲線頂點對應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定安全系數見表3。如果按
Pcr=λcrPc+Pd K2=Pcr/（Pc+Pd） （2）
計算穩定安全系數，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，充分證實了由K3判定施工穩定安全性的正確性與合理性。

2．拱肋內混凝土灌注順序與拱軸線糾偏
由轉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生橫向偏移，如果不采取措施而繼續加載，將會使這種偏移越來越大。本橋采取在灌注拱肋混凝土時偏載的方法進行糾正，最后成橋的橫向偏移值在15mm以內，效果很好。
3．混凝土收縮、徐變的影響
考慮鋼管內混凝土的收縮、徐變后，拱頂的撓度增加，各截面銅管應力增大、混凝土應力減?。ㄒ姳?）。

六、結語
丫髻沙大橋主橋的規模和施工技術居同類型橋梁世界第一，通過設計與施工的緊密結合，將以上關鍵工序的設計要求編入施工圖設計文件中，有效地控制了施工單位的施工組織設計文件及相關工藝設計文件，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化、非線性穩定分析、鋼管內混凝土的徐變分析、鋼管拱肋的制造與安裝技術標準、鋼管拱肋的轉體施工法等大跨徑鋼管混凝土拱橋的關鍵設計、施工技術，為在平原地區的大江大河上建設跨度500m左右的鐵路、公路拱橋積累了寶貴的經驗。