乌梅河大桥钢管拱安装施工技术

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乌梅河大桥钢管拱安装施工技术

洛阳一在建大桥发生坍塌，坍塌的原因是什么？

城市桥梁模板、支架和拱架的制作与安装要点有哪些？

有关五里亭大桥的资料。

一、乌梅河大桥钢管拱安装施工技术

徐峰中交四公局第二工程有限公司

摘 要：乌梅河大桥是一座计算跨径为300 m钢管混凝土拱桥，钢管拱采用缆索吊装法施工。介绍了缆索系统与扣锚系统设计、拱脚预埋段和拱顶合龙段加劲肋板设计。为减少主索横移次数，采用单幅2节段连续安装方法，给出了相应的扣索力和预抬量计算流程。工程实践表明：钢管拱合龙后的拱圈线形控制良好，其高程和轴线最大偏差分别控制在2.5 cm和2.3 cm内。

关键词：桥梁工程;钢管混凝土拱桥;钢管拱安装;拱脚预埋段设计;加劲肋板设计;

钢管混凝土拱桥是山区铁路和公路跨越峡谷、河流较为理想的桥梁[1,2,3]。国内建造的钢管混凝土拱桥，钢管拱安装普遍采用缆索吊装法。根据现场地形地质条件进行专门设计，甚至是无索塔的缆吊系统[4,5]。钢管混凝土拱桥拱脚预埋段的施工精度直接影响到与钢管拱拱脚端部钢管的对接精度，然而受到测量精度、混凝土浇筑等影响，经常出现不能精确对接的问题，刘学就拱脚预埋件精确定位施工进行了研究[6]。钢管拱合龙是实现从多点弹性支承曲梁向拱结构转换的关键[7,8,9],现行《公路钢管混凝土拱桥设计规范》中给出了法兰瞬时合龙的建议，然而受到钢管拱制造精度和轴线偏位的影响，实际施工中很难实现，而采用加劲肋板取代法兰实现合龙[3,10]。此外，随着钢管混凝土拱桥跨径不断增大，节段吊装重量也不断增大，为节省主索用量，采用主索横移就成为施工中的优先方案，节段安装顺序将决定主索的横移次数，也影响到扣索力与节段预抬量的计算[10]。为此，本文针对贵州省贵黄高速公路乌梅河大桥钢管拱安装，就缆索吊装系统设计、合龙方式、钢管拱安装顺序、扣索力与节段预抬量计算等问题进行较为深入的探讨和实践。

1 工程概况

乌梅河大桥位于贵州省黄平县，是贵阳至黄平高速公路上一座上承式钢管混凝土拱桥，计算跨径L=300 m、计算矢高f=60 m、矢跨比f/L=1/5,拱轴系数m=1.55,立面布置如图1所示。半幅拱圈为3榀空间桁架结构，截面采用等宽变高设计，高度从拱顶5 m(中到中)变化到拱脚9 m(中到中),半幅每榀横向间距5 m,两幅桥拱肋间距7 m,之间共设置12道K撑。钢管拱上、下弦管采用ϕ1 200 mm,Q345D,根据受力部位采用不同壁厚，为24～35 mm。拱圈腹杆采用矩形和工字型截面，与上下弦管用高强螺栓连接。钢管拱采用缆索吊装悬拼法施工，每条拱肋划分为26个吊装节段和1个拱顶合龙段，最大吊重131.2 t,节段间的对接接头为内法兰栓接，管内灌注C55自密实补偿收缩混凝土。拱上立柱采用排架式空心矩形钢箱，桥道系采用11×29.1 m钢-混凝土组合连续梁。

图1 乌梅河大桥立面布置 下载原图

单位：m

2 缆索系统与扣锚系统设计

针对本桥构造特点，钢管拱、拱上立柱、盖梁、钢纵梁以及混凝土预制板均采用缆索吊装施工。根据场地条件，钢管拱复拼场地布设在贵阳岸，通过运梁轨道将节段运输到事先架设好的T梁桥面上。缆索吊装系统跨径布置为(240+400+172)m, 如图2所示，两岸塔架高度相等，塔高56.6 m。塔架采用ϕ630 mm×16 mm钢管与型钢组装成桁架结构，塔架底部与引桥桥面固结。

图2 缆索与扣挂系统布置 下载原图

单位：m

主索锚碇采用桩基加承台式结构，贵阳岸设置在3号墩两侧，黄平岸设在引桥16号桥台后侧。

主索设计为2套，安装钢管拱节段时，通过主索横移由2组主索共同抬吊节段，分别安装上游侧或下游侧的节段。钢管拱合龙后，根据拱上立柱、钢梁重量和尺寸，采取单组或2组相配合的方式进行吊装作业。

3 钢管拱安装3.1安装顺序选择

目前，钢管拱节段安装有逐段安装和多段安装2种方式，逐段安装是指一次仅安装上游侧或下游侧的1个节段，待相邻2个节段安装后再安装后续节段；多段安装是在上游侧或下游侧同时安装2个或3个节段，再安装下游侧或上游侧相同的节段数。显然，后者对采用主索横移的施工方法是有利的，它能够显著减少主索横移次数，加快钢管拱的安装进度。由于乌梅河大桥上下游两岸地形陡峭，不能布设侧向缆风索，经讨论并参照国内其他钢管混凝土拱桥的安装经验[3,10],最终选择一侧连续安装2个节段的吊装方案，图3所示为乌梅河大桥钢管拱节段和K撑安装顺序，图中数字代表安装序号。从图3可以看出，主索横移1次后，一次性至少可吊装4个节段。

乌梅河大桥钢管拱为六肢截面，自身刚度已经较大，为了节省K撑安装时间，钢管拱安装过程中先安装K撑中的“直撑”部分，其斜腿部分待钢管拱合龙后再安装，见图3中的虚线。

3.2拱脚预埋段设计

为了将钢管混凝土拱桥上、下弦管的轴向力有效传递到拱座中，需要事先在拱座内预埋钢管，封铰时将预埋钢管和钢管拱拱脚处的上、下弦管对接焊成整体。现行《公路桥涵施工技术规范》规定，钢管错边量不得超过2 mm。然而在实际施工中，预埋在拱座内的钢管呈三维空间状态，定位难度大，受测量精度、混凝土振捣影响，极易引起预埋钢管的错位。此外，钢管拱在封铰前，钢管拱绕铰轴转动，上、下弦管产生竖向位移，其大小与铰轴转角有关，通常在2～7 mm。乌梅河大桥拱脚封铰前的竖向位移为3 mm, 同样超出了规范要求。

图3 半跨钢管拱安装顺序 下载原图

鉴于施工误差、受力变形的综合影响，提出了在预埋钢管的顶缘焊接一环形钢板，如图4所示。采用该方法后，即使预埋钢管出现几毫米的偏差，也能保证拱脚端部钢管与预埋钢管的连接。

图4 拱座预埋段构造 下载原图

3.31号段安装

拱脚1号段重量达131.2 t, 超出了缆索吊重系统最大120 t的吊重能力，为此将1号节段分2次安装，第1次安装2片，第2次安装靠上游或下游侧的第3片，图5所示为贵阳岸1号段起吊照片。本次施工时将拱铰铰轴提前安装在铰座上，受到相贯线切割精度的影响，导致第3片安装后与前2片之间存在偏差。为了保证1号节段公共腹杆能与2号节段上的节点板准确定位(图6),同时为后续12个节段也能准确定位，通过多次调整才得以解决，为此花费了近一周时间。在今后类似拱桥的施工中，务必要提高铰轴定位、相贯线切割的准确性。

图5 贵阳岸1号段起吊 下载原图

图6 节段公共腹板连接 下载原图

3.4拱顶合龙段设计

乌梅河大桥拱顶合龙段设计为法兰瞬时合龙，这种构造要求制造精度和安装精度高。考虑到本桥为六肢钢管，参照四川犍为岷江大桥[3]、广西平南三桥[10]等成功经验，采取在合龙段钢管内设8条加劲肋板，沿钢管内壁45°布置。合龙前，事先在一侧的钢管拱内将加劲肋板焊接好，待合龙温度满足设计要求、钢管拱线形调整到位后，立即焊接另一侧内的加劲肋板。加劲肋板焊接后，紧接着焊接合龙段嵌补钢管。经无损检测合格后，开始另一侧13号节段的安装及合龙。

3.5合龙段加劲肋板设计

加劲肋板采用Q345C钢板，高16 cm, 厚2 cm, 焊缝长度以钢管拱合龙后由温度变化引起的轴向力控制进行设计。乌梅河大桥于2021年1月4日合龙，合龙温度为9℃,焊缝长度按温变15℃进行设计。

4 索力与预抬量计算及控制结果4.1计算模型

目前用于钢管拱安装阶段的扣索力和预抬量的计算方法较多，但大多基于优化方法，如ANSYS的零阶优化法和一阶优化法[11],MIDAS/Civil的未知系数法，或利用Matlab优化工具箱进行求解[12]。本桥采用MIDAS/Civil进行索力和预抬量计算，施工模型如图7所示。除扣索、锚索用桁架单元外，其余钢管拱、K撑、塔架、交界墩等均用梁单元模拟。根据施工图设计文件，结合监控单位计算结果，选择在6号节段安装时后封铰(固结),其余交界墩墩底、锚索锚固端均为固结约束。

图7 乌梅河大桥计算模型 下载原图

乌梅河大桥钢管拱安装采用扣索一次张拉法施工，以钢管拱裸拱变形与松索后的变形之差的平方和最小为控制目标，计算出各节段安装时的预抬量及扣锚索力，其表达式为：

∥Δ∥=(δi0−δis)2→min∥Δ∥=(δ0i-δsi)2→min

式中：δi00i为第i个观测点的裸拱变形；δissi为第i个观测点理论松索成拱后的变形。

乌梅河大桥采用单条拱肋2节段连续吊装施工，如果按上下游节段同时安装计算的预抬量进行线形控制，则逐段安装后的钢管拱很难达到相同高程位置，既影响到钢管拱的成拱线形，也影响到节段间的横撑安装。为此，在计算扣索力和节段预抬量时分2步进行，先按照上下游节段一起整体安装计算扣索力和预抬量，再根据安装顺序计算各节段的扣索力和预抬量，计算流程如图8所示。

4.2索力与变形监测结果(1)钢管拱合龙后线形。

表1和表2分别给出了钢管拱合龙后每个节段测点上的高程偏差和轴线偏位值。从表中可以看出，高程偏差在-0.025～+0.018 m之间，轴线偏差在-0.023～+0.021 m之间，钢管拱线形安装良好，偏差均在《公路工程质量检验评定标准》(JTG F80/1-2017)规定的限值范围内。

(2)扣索力比较。

限于篇幅，文中给出贵阳岸上下游扣索索力理论计算值与实际张拉值的对比，结果如图9所示。可见实测值与理论值吻合较好，除个别扣索外，绝大多数在5%内。造成索力误差的原因有以下2个方面：一是扣索采用传统千斤顶张拉，油压表读数存在偏差；二是在已经架设的节段上堆放了临时荷载，与计算模型存在偏差。

图8 扣锚索力与节段预抬量计算流程 下载原图

表1 钢管拱高程偏差 导出到EXCEL

m

上游

贵阳岸

1号

2号

3号

4号

5号

6号

7号

0.02

0.014

0.011

0.008

0.007

0.008

-0.004

8号

9号

10号

11号

12号

13号

-0.001

-0.004

-0.006

-0.011

-0.001

0.015

黄平岸

1号

2号

3号

4号

5号

6号

7号

0.004

-0.007

-0.008

-0.022

-0.021

-0.019

-0.025

8号

9号

10号

11号

12号

13号

-0.022

-0.018

0.018

0.018

/

0.01

下游

贵阳岸

1号

2号

3号

4号

5号

6号

7号

/

0.008

0.007

0.004

0.008

-0.007

-0.017

8号

9号

10号

11号

12号

13号

-0.011

-0.001

0

0.023

0.01

0.012

黄平岸

1号

2号

3号

4号

5号

6号

7号

0.003

0

-0.002

0.004

0.003

0.01

0.008

8号

9号

10号

11号

12号

13号

0.018

0.016

0.002

-0.015

0.006

0.01

4 结语

本文针对乌梅河大桥钢管拱安装，开展了缆索吊装系统、拱脚预埋段构造及合龙段加劲肋板设计。为了节省主索横移次数，提出了单幅钢管拱连续2个节段吊装的施工方法，给出了相应的扣锚索力和节段预抬量计算流程。工程实践表明，采用文中提出的施工方法，保证了乌梅河大桥钢管拱的顺利安装，成拱的拱圈线形良好，满足规范要求。文中提出的方法可以为同类桥梁的施工提供参考。

参考文献

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[4] 张树贵，韩连涛，曹忠良，等．无塔架缆索吊装系统设计与吊装施工[J]．公路交通科技：应用技术版，2019,15(2),255-258.

[5] 黄诚．钢管混凝土拱桥缆索吊装斜拉扣挂系统设计[J]．工程建设，2017,49(1),54-55+67.

[6] 刘学．钢管拱拱脚预埋件精确定位施工技术[J]．中国高新科技，2020,(4),58-59.

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[8] 侯祺．大跨度提篮式钢管拱管线桥安装及合龙施工技术[J]．四川建材，2021,47(11),114-115.

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[12] 赵砥，胡成，刘梦迪．基于拱肋合理成桥状态的扣索索力优化计算[J]．安徽建筑大学学报，2019,27(6),23-27.

一、洛阳一在建大桥发生坍塌，坍塌的原因是什么？

从官方通报内容来看，坍塌的原因是水势过大。

在这个网络化时代当中，每天都能有无数消息出现在我们的生活里。日前一则“宜阳灵山一在建桥梁发生坍塌”的视频在网络上传播，引发网友关注。

洛阳一在建大桥发生坍塌，消息在网络上传播后引发关注。

网络曝光视频以“宜阳灵山一在建桥梁发生坍塌”为标题，迅速引发关注。在网络曝光视频当中，我们能够清晰看到一座大桥有部分部位已经出现垮塌现象。据悉，该座大桥还正在建设过程当中，预算金额为3462万余元，计划工期为365日历天。

但灵山景区工作人员在接受电话采访时，称坍塌地点并不在景区内，而是连接洛河河南与河北的人行桥，工作人员还称要查一查是谁在拿着灵山景区为噱头传播消息，后续可能会追究其责任。

坍塌原因为上部钢结构未完工，水势过大冲毁满堂架，造成坍塌事故。

在建的宜阳灵山洛河步行桥第四跨因水势过大导致满堂架被冲毁，造成第四跨两根系梁坍塌，钢构变形。

从官方通报内容来看，该大桥工程为钢管混凝土拱桥，而根据大桥设计，上部结构为钢管混凝土下承式拱桥，桥面系以吊杆连接受力。但因还未施工完成目前仅完成了钢管拱结构（钢管拱内未进行混凝土灌注）及系梁部分，还并未进行吊杆安装，桥梁暂时未达到原设计要求的结构受力条件。

在这种工程状态下，由于洪峰过大，直接导致第四跨满堂架被冲毁，后续导致系梁断裂。在官方通报当中还给出了详细的水流数据称，这是从未遇到过的洪峰。

在事故发生后，宜阳县水环境公司正在积极组织人员进行处置工作，当地政府下一步将会组织专家论证桥梁恢复施工方案。

在该起事故当中，最值得庆幸的是并未造成人员伤亡。在该起事件发生后，网络上有很多网友猜测是施工质量问题，但官方已发布通报，并详细解释了问题出现的缘由和经过，我们还是不要相信网络上那些随意捏造的东西。相信在接下来的工作当中，桥梁恢复施工方案应该很快会出炉，剩下的也就是回归到正常的施工建设当中了。

二、城市桥梁模板、支架和拱架的制作与安装要点有哪些？

1.模板与混凝土接触面应平整、接缝严密。组合钢模板的制作、安装应符合现行国家标准《组合钢模板技术规范》GB50214的规定；钢框胶合板模板的组配面板宜采用错缝布置；高分子合成材料面板、硬塑料或玻璃钢模板，应与边肋及加强肋连接牢固；土、砖等胎模制作的场地应平整、坚实，胎模表面应平整、光滑；拱桥施工，在条件适宜处可使用土牛拱胎，但雨期不宜采用土牛拱胎。2.支架立柱必须落在有足够承载力的地基上，立柱底端必须放置垫板或混凝土垫块。支架地基严禁被水浸泡，冬期施工必须采取防止冻胀的措施。3.支架通行孔的两边应加护桩，夜间应设警示灯。施工中易受漂流物冲撞的河中支架应设牢固的防护设施。4.安设支架、拱架过程中，应随安装随架设临时支撑。采用多层支架时，支架的横垫板应水平，立柱应铅直，上下层立柱应在同一中心线上。5.支架或拱架不得与施工脚手架、便桥相连。6.支架、拱架安装完毕，经检验合格后方可安装模板；安装模板应与钢筋工序配合进行，妨碍绑扎钢筋的模板，应待钢筋工序结束后再安装；安装墩、台模板时，其底部应与基础预埋件连接牢固，上部应采用拉杆固定；模板在安装过程中，必须设置防倾覆设施。7.采用脚手架作支架时应遵守国家现行标准《建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范》JGJ166或《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130的规定。8.采用滑模应遵守现行国家标准《滑动模板工程技术规范》GB50113的规定。9.浇筑混凝土和砌筑前，应对模板、支架和拱架进行检查和验收，合格后方可施工。10.模板工程及支撑体系满足下列条件的，还应进行危险性较大分部分项工程安全专项施工方案专家论证。(1)工具式模板工程：包括滑模、爬模、飞模工程。(2)混凝土模板支撑工程：搭设高度8m及以上、搭设跨度18m及以上；施工总荷载15kN/m2及以上；集中线荷载20kN/m及以上。(3)承重支撑体系：用于钢结构安装等满堂支撑体系，承受单点集中荷载700kg以上。

三、有关五里亭大桥的资料。

韶关五里亭大桥位于韶关市区五里亭，横跨武江，全长525米，其中中部通航孔主桥长190米。大桥相关工程总投资约1.3亿元，于2001年初正式动工，是韶关市区内的第九座大桥。

　　目前，大桥的第二根钢管拱合龙，预计桥的主体部分将在10月份完工，将在今年年底通车。其建成后将成为韶关市的一大标志性建筑。

　　据了解，五里亭一带水面下的地质成分比较差，水下涵洞复杂，其中最大的直径达到17米，因此，施工难度很大。为解决这一难题，施工队专门购置了一个47万元、直径达3.5米的巨型钻头。

　　大桥的技术人员告诉记者，五里亭大桥在设计时，有五项技术创了中国之最：

　　最大直径、最大单装承载能力的大直径变截面桩（4米／5.6米／3.5米）技术：桥的钻孔桩直径为3.5米、单桩承载能力为5000吨，其直径和单桩承载能力是全国最大的；

　　最大跨度拱—梁组合体系：桥的主体部分是由120米的拱和190米的梁组合而成，这一拱、梁组合体系其跨度是全国最大的；

　　最大跨度190米连续箱梁节段拼装预制顶推施工技术：桥在施工时，先把预制好的箱梁一节节拼装起来，然后一段段地顶推到对岸，其顶推跨度190米是全国最大的；

　　最大跨度120米熊猫型集束钢管拱提升竖转施工技术：桥的两道钢管拱均是采用一根直径为1800毫米和两根直径为850毫米的钢管构成熊猫型结构，其跨度为120米，这一跨度是全国最大的；

　　最大宽跨比移动模架施工连续箱梁技术：引桥在建设时采用移动模架施工连续箱梁技术，其模架宽度为30米、跨度为20米，这一宽跨比是全国最大的。（记者黄开鹏摄影报道）