大孔径拱桥无支架施工工法.docx
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大孔径拱桥无支架施工工法
大跨径肋形拱桥无支架施工工法
中铁十八局集团第五工程有限公司
一、前言
拱桥建设在我国有着悠久的历史。
随着高速公路建设的飞速发展，其施工工艺逐步由支架法现浇成拱向无支架吊装方向发展。
尤其是在跨越深谷及深水时，因其受地形限制较小而具有较大的优越性。
由中铁十八局集团五公司承建建的万梁高速公路土地潭特大桥，平面位于R=580米的曲线内，主跨为2×100米箱形砼拱，且呈折线布置。
拱肋分为120段预制，逐孔架设成拱，为大跨径无支架肋形拱施工积累了成功经验。
二、工法特点
1、能充分发挥缆索吊空中运输功能，受地形限制小，减少施工便道及运输成本。
2、跨越能力强，尤其是在深谷、深水及航道，不受水深及通航影响。
3、采用无支架法施工，可使索道架设、下部结构施工及拱肋预制同步进行，缩短工期，缆索吊系统可重复利用，装拆方便，从而提高经济效益。
4、缆索吊采用双吊钩设计，解决双基肋合拢后其他拱肋的吊装；扣锚索采用钢绞线和精轧螺纹钢相结合的方式，可精确而方便地调整。
三、适用范围
本工法适用于跨越深谷、深水、繁忙的河道及地形复杂的山区。
四、工艺原理
无支架法吊装箱形拱桥施工，即不支立支架，拱肋在预制场分节预制，采用重型缆索吊装系统，将拱肋逐节悬拼安装合拢成拱。
当跨径大于80米时，一般采用双基肋合拢（见下页图）。
五、主要机具材料
主要机具设备见表1：
2组36吨缆索吊机主要吊装设备表
表1
序号
设备名称
规格
单位
数量
使用部位
备注
1
万能杆件
吨
580
主塔
含螺栓
万能杆件
吨
320
扣塔
含螺栓
2
塔顶横梁
I40B工字钢
吨
50
塔顶分配梁
自制
3
钢丝绳
Φ47.5
米
8000
主索、背索
钢丝绳
Φ32
米
300
千斤绳
钢丝绳
Φ21.5
米
4500
起重索、牵引索
钢丝绳
Φ19.5~26.5
米
31000
风缆索、平衡索等
4
钢丝绳卡子
各类
个
1200
5
钢绞线
Φj15.24
吨
16
扣索
6
精扎螺纹钢
Φ32
吨
2
扣索、吊杆
7
吊环
50T
个
8
主吊钩
吊环
5~30T
个
88
扣索、风缆等
8
滑车组
50T
个
8
主吊钩
滑车组
5~32T
个
80
背索、风缆等收紧
9
卷扬机
8t
台
6
牵引及起重用
卷扬机
5t
台
8
各缆风紧索用
10
千斤顶
100t
只
6
扣索张拉用
千斤顶
60t
只
4
扣索张拉用
11
龙门吊机
60T
台
1
运梁
自制
12
天车
36T
台
4
运梁
自制
13
索鞍
件
4
主塔
自制
索鞍
件
4
扣塔
自制
14
扁担梁
36M
片
2
吊梁横移
军用梁组拼
15
电动葫芦
10T
台
2
吊运工具等杂物
16
手拉葫芦
5~10T
只
20
调整拱肋位置，收风缆用
17
对讲机
个
12
指挥用
18
口哨
只
10
指挥用
19
红绿旗
面
20
指挥用
20
扩音器
个
1
指挥用
21
望远镜
个
2
指挥用
22
喇叭
手持式
只
2
指挥用
六、施工工艺
㈠、工艺流程
施工准备
拱肋预制
下部结构施工
缆索吊施工
主拱圈安装
拱圈接缝砼浇筑
拱上构造施工
缆索吊设计
㈡、主拱圈预制
主拱圈预制，一般工艺同其它预制件，在此不再赘述。
本工法仅介绍其不同于一般预制件施工工艺。
1、台座施工。
因主拱圈为曲线，故其预制台座一般采用土牛胎或用支架搭设胎座。
无论采用何种形式，其曲线线型的控制将直接决定将来安装的成败。
故必须严格按设计拱圈线型，将其按设计分段，并进行座标转换，在预制场地放出每段拱弧底板线，按弧线填筑土牛胎或支立胎座支架。
当采用土牛胎时，填土应分层压实，确保预制不变形。
填完后应再次复核表面线型。
当采用支架胎座时亦应对支架基础进行处理，确保支架在施工中不变形，以确保拱段线型正确。
2、拱段预制。
大跨径拱桥设计时为满足施工中横向稳定性，拱段设计为封闭肋，腹板设计均较薄。
预制时应严格控制其各部位尺寸，以保证实际重量与理论重量相符。
拱段端部的尺寸、倾角，预埋铁件的位置、尺寸、角度正确与否，将直接影响主拱合拢，因此预制时应进行严格检查控制。
㈢、缆索吊设计
缆索吊是无支架施工的主要设备，其设计合理与否将直接关系到施工成败，故必须精心设计。
设计时应充分考虑以下内容：
预制场的位置，要使预制拱段能方便进入吊装范围；具有足够的吊装净空。
对于桥梁平面呈折线布置的情况，每一段拱肋的位置都不同，因此缆索吊考虑采用两组主索，吊钩下设扁担梁，扁担梁上设活动吊点，满足拱肋节段的全方位吊装。
但双基肋合拢后扁担梁不能下到地面吊装其他拱肋节段，为此将扁担梁上活动吊点改为可横向移动的副吊钩，这样在天车吊钩不动的情况下，副吊钩就可下到地面将拱肋节段起吊至一定高度。
1、缆索吊设计程序
⑴、根据设计文件及现场地形情况确定施工方案，确定索吊总体布置方案（包括设计跨径、主索布设、两塔架顶高程、主索垂度、最大吊重及最小吊装净空等）。
⑵、确定缆索各项目的控制安全系数。
⑶、天车设计。
⑷、选定吊具、起吊滑轮组及扁担梁。
⑸、根据总吊重确定起重索、牵引索的布设。
⑹、索鞍及塔架设计，背索及主地锚设计。
⑺、依据拱肋安装顺序及荷载设计扣塔、扣索及扣锚。
⑻、根据地形情况布设风缆索及地锚。
2、缆索吊设计的验算内容
明确设计项目——明确设计人——掌握现场情况及设计文件
拉力安全系数
应力安全系数
主索
多根一组轨索不均匀系数
钢索轨索冲击系数
拉力安全系数
起重索、牵引索
应力安全系数
倾覆稳定系数
抗拔安全系数
塔架局部挠曲稳定验算
最不利受力截面验算
基底应力验算
扁担梁最不利截面内力验算
轴的强度验算
天车、吊具、滑轮组夹板强度验算
拉压杆应力及稳定验算
在对缆索吊设计文件进行全面审核通过后，即可按设计图架设缆索吊机。
（四）、扣锚索系统施工设计
扣锚索系统包括扣锚索锚固端P锚、扣索钢绞线、扣索精扎螺纹钢、扣索钢绞线与精轧螺纹钢连接器及扣索锚锭等。
扣索锚固端P锚是钢绞线的安全锚固终结装置，其一端连接于拱肋吊点，另一端通过连接器转换成精轧螺纹钢，而精轧螺纹钢通过钢构件锚固于地锚上，由于精轧螺纹钢螺母可以通过千斤顶人工调整收放，能够方便而精确地满足松索合拢的目的，而且还可以通过油表准确反映扣锚索的张力，便于与设计值比较，有利于安全。
扣锚索锚锭由A、B、C三种，基本思路是统一的，只是形式不同。
A种如图1所示为倒抽法
B种如图2所示为正拉法，适用于中墩扣塔
C种如图所示与梁体张拉相似
A种与C种不同之处在于A种倾角较大，如果采用C种方式在锚后张拉需挖很深的工作坑，C种角度较小，工作坑较浅；B种用于中扣塔处双向锚固，如周围条件允许，扣索也可在扣塔处转向地面锚固。
扣索通过P锚两端固结，其下料时等长下料，挤压头后按120%索力作张拉检验，以确保扣索的安全可靠。
（五）、拱肋安装
1、吊装前的准备工作
⑴、施工前应对参与吊装工作的所有人员进行技术交底，制定全面岗位责任制。
要求每位人员均应对施工工艺及自己的个人职责、安全注意事项有足够的
认识。
⑵、对拱台进行全面检查。
内容有：
拱台位置、实测跨距、拱座表面平整度、预埋件位置、拱座面倾角、台背后回填等。
所有项目指标均符合设计要求后，在拱台座上放出各片拱肋安装的位置中线及起拱线。
⑶、预制拱段检查。
内容有：
拱段尺寸、各预埋件位置。
对拱段端部还应采用样板较验，标出拱肋中线，贴上标尺，以便安装时观测拱肋中线。
每段拱段检验合格后应对其进行编号编组。
编组时注意结合可以互换的位置，使各片拱段安装后长度误差值最小，吊装时宜首先吊装长度最长的一组拱段。
⑷、缆索吊装设备的检查与试吊
在对缆索吊进行试吊前应根据缆索吊设计文件对已安装完毕的缆索吊进行全面检查。
包括主索空载时垂度、锚固系统的可靠性、动力系统的状态、行走系统的运行状态。
在各系统均满足设计时即可对缆索吊装设备进行全面试吊。
试吊分三阶段进行，首先跑车空载反复运行，然后静载试吊，最后吊重运行。
每阶段均应观察各系统的工作状况，在确保无异常后按设计吊重的60%、100%、120%三次加载进行。
在各阶段试吊过程中，应连续观测塔架位移、主索垂度、每根主索受力均匀度、动力装置的工作状况、牵引索及起重索在各转向轮上的运行状况、主索地锚稳固情况、通讯指挥系统的畅通性及工作组间的协调性。
在完成试吊后要对观测数据和检查情况进行综合分析和鉴定，提出改进预防措施，以指导拱肋吊装。
2、拱肋吊装
⑴、拱段起吊运输。
根据预制场的布置情况，拱段可采用龙门吊或轨道平车运输，其运输方法可近似按一般直梁考虑，采用两点起吊两点搁置。
当拱肋分段较长或曲率较大时，为使吊运中受力均匀稳定，可根据设计要求或技术规范采用四个吊点。
⑵、基肋吊装合拢。
基肋吊装合拢是拱桥施工最重要工序，下面以一般常采用的五段基肋吊装合拢为例说明其施工要点。
①、拱脚段拱肋吊装定位。
拱肋吊装就位时，下端先对准拱座上标画的中线，上端中线位置用风缆控制。
待落到拱座并对准中线及起拱线后，连接拱肋与拱座，然后进行前端标高调整。
具体作法为：
前端头标高比设计标高高出15～20cm时，收紧并卡紧扣索（扣索位置应与所悬拉的拱肋中线保持一致），徐徐松完起重索，但吊钩不取，用风缆再次调整拱肋中线，待中线偏差调整到小于1厘米时，固定风缆，取走吊钧。
用同样的方法吊装另一边拱脚段。
②、中间段拱肋吊装定位。
中间段到位后，先将底板螺栓孔对好，穿上螺栓，然后调整中线，将顶板螺栓穿好。
接头螺栓不可拧得太紧，应留出2mm间隙。
中间段的就位，使边扣索受力增加，边段拱肋上端标高下降。
为保持拱脚段与中间段拱肋接头轴线平顺，避免接头附近拱肋开裂，中间段上下接头预留高度，应近似控制在Δy上=2Δy下=10cm，并由中间段风缆控制其中线位置。
在控制Δy上=2Δy下的原则下，先收紧中间段扣索，调一次拱脚段扣索，松一次起重索，如此反复多次，直至起重索松完为止，每次升降幅度控制在2厘米左右，中线允许偏差1厘米。
用同样的方法就位另一边中间段拱肋。
③、拱顶合拢段拱肋就位。
拱顶段就位时，按以下步骤进行。
a、拱顶段运到位置后锁死轨道天车。
徐徐松下起重索直到拱顶
段左右两端头标高比设计值高2~3厘米时停止。
注意两端不得碰着相邻拱肋。
b、两侧按照先拱脚段后中间段并以1：
2的比例慢慢对称均匀地放松扣索，同时慢慢放下拱顶段拱肋，以每次使各接头标高变化不超过1厘米为宜，经多次反复循环，直至拱顶段接头合拢。
c、安好接头螺栓，并拧紧各接头螺栓。
d、调整拱肋中线偏差至0.5～1厘米时固定风缆。
e、按从跨中向两岸最后拱座的顺序对称电焊接头部件，用薄钢板嵌塞拱肋接头缝隙。
电焊时宜采用分层、间隔、交错施焊的方法，每层不宜焊得过厚，以防灼伤周围混凝土。
做两肋间的横向临时固定，然后松索成拱。
f、再次检查拱肋中线，调整其偏差至0.5厘米时固定风缆，并对各接头及拱顶高程作好观测记录。
拱圈合拢松索的过程实际是对拱圈进行受力体系转换，即将处于分段悬挂的梁体转换为以受压为主的拱。
故其松索的过程十分重要，一定要按照拱脚段扣索、中间段扣索、起重索三者的先后顺序对称均匀地进行。
在合拢过程中应对各接头的标高、拱顶标高、1/4跨处的标高及拱肋中线情况随时进行观测。
松索合拢成拱后，可保留起重索和扣索部分受力，待拱肋接头连接工序全部完成后再完全松索。
留索受力的大小视拱肋接头的密合成度和拱肋的稳定性而定，施工实践中，起重索受力一般保留5%~10%，扣索基本放松。
④、拱肋施工稳定措施。
拱肋的稳定包括纵向稳定和横向稳定。
前者主要取决于拱肋的纵向刚度，设计一般满足要求。
只要在施工中控制好接头标高，及时完成接头的连接工作，使拱肋由铰结拱状态变成无铰拱状态，纵向稳定就能得到保证。
拱肋的横向稳定，只有在拱肋形成无铰拱，并且各片拱肋间的横向联接系施工完毕后方能得到保证。
在施工过程中，是逐片拱肋分次成拱，在单片拱肋或双基肋合拢后，因其宽跨比过小，横向稳定必须借助于缆风索和临时横向联接系来保证。
稳定缆风索。
横向稳定缆风索，在拱脚段及中间段拱肋就位时可用来调整和控制拱肋中线；在拱肋合拢时可以约束接头的横向偏移；在拱肋成拱后可以减少拱肋的自由度、增大拱肋的横向稳定；在外力作用下拱肋产生位移时缆风索起到约束作用。
缆风索可以布置在岸上、水中或桥墩上。
临时横向联系。
在吊装过程中，若能减小拱肋的自由长度，就能增强拱肋的横向整体作用。
拱肋间的横向联系是一项必不可少的施工措施。
主要有以下几种形式：
螺栓、拱肋位置调整器、木夹板、木剪刀撑、钢筋拉杆、钢横梁等。
施工前应备全，以减少吊装作业时间。
⑶、拱肋纵横向连接。
各片拱肋安装完毕后要及时按设计要求浇灌接缝混凝土。
接缝混凝土宜采用微膨胀混凝土，浇注时从拱脚向拱顶对称进行，如纵缝混凝土工程量较大时，可分层浇注，逐步加强拱圈。
3、拱肋吊装过程中的观测。
⑴、缆索吊装系统观测。
主要有主索垂度及索力、扣索索力、塔架位移、各类地锚稳固情况等。
主索垂度观测可采用在跑车上安装吊绳直接测量，或用经纬仪测仰角计算得到主索垂度。
主索索力可通过拉力计量测。
当缺乏拉力计时，通过测得的主索跨中垂度推算出主索拉力。
扣索采用预应力扣锚系统，其索力可直接通过张拉千斤顶读出。
塔架位移可通过经纬仪直接观测。
地锚的稳固情况直接查看。
以上观测到的数据应及时记录分析，并同理论数据进行对比，当出现较大差距时，要找出原因，重新验算，并采取相应的处理措施。
⑵、拱肋中线及标高观测。
在拱肋安装时，应对拱肋中线进行全过程的观测，以控制拱圈线型。
观测时，将经纬仪架在桥墩上，使视线与拱肋中线重合，直接观测事先贴在拱肋上的水平标尺。
拱肋高程观测在拱段安装时一般只对安装接头进行观测控制，但在合拢时，除应观测各接头标高变化外，还应对拱顶及1/4跨处拱肋标高进行观测，以掌握拱圈在合拢过程中的受力情况和纵向稳定情况。
观测时将水准仪架在墩台上或专门搭设的观测台上，直接读出立在各观测点上塔尺读数。
当塔尺超出水准仪读数范围时，可采用吊尺法，即在测点处悬挂一钢筋作尺身，在水准仪读数范围内贴一标尺，通过量取测点与视线高间的距离从而得到测点标高。
（六）、拱上结构施工
拱上结构施工工艺同一般简支梁桥，在此不再赘述。
本文仅说明其应重点注意的事项。
1、拱上加载顺序：
加载应严格按照设计顺序对称进行，否则，将有可能导致拱圈纵向失稳。
2、拱上构件安装。
为充分发挥重型缆索吊的吊装功能，拱上构件采用预制安装的较多，吊装任务繁重，且单件重量较大。
在吊装时，因其下是主拱圈，一旦发生构件高空坠落，将是特大安全事故。
故除平时对吊装设备进行检查保养及制定常规的安全保障措施外，还应采取一些其它措施，如吊重低空行走、在主拱圈外侧行走、紧贴主拱圈行走、快速横跨主拱圈等，确保主拱圈的安全。
七、劳动力组织
人员安排见表2：
八、质量要求
预制构件的预制精度及合拢时拱圈线型的控制是无支架拱桥施工的关键。
2组36吨缆索吊机操作人员表
表2
作业组名称
主要人员组成
主要工作内容
人数
总人数
指挥
总指挥
全面负责吊装的指挥协调工作
1
3
缆索吊指挥
负责缆索吊系统的指挥
1
拱肋吊装指挥
负责拱肋安装指挥
1
卷扬机操作组
操作人员
负责起重、牵引卷扬机的操作
8
10
检修人员
负责起重过程中地锚、卷扬机等的检测
2
缆索吊检测组
测工
塔架位移及主索垂度观测
4
10
检修人员
塔架、主索、地锚、钢丝绳等检修
6
拱肋架设组
起钩
地面运梁及挂钩
4
15
拱肋连接
拱上拱肋连接
7
高程轴线测量
控制拱肋高程及轴线
4
各索收紧组
张拉人员
扣索收放
8
14
风缆收紧人员
风缆收放
6
后勤保障
生活及物资保障
6
8
电工
各设备及照明供电
2
合计
60
对于预制构件，应在吊装前对其长、宽、高、中线、预埋件位置等做全面检查，把问题解决在吊装以前。
其预制精度要求如下：
拱肋内弧长+5，-5mm
拱肋外弧长+0，-10mm
拱肋宽度和高度+5，-10mm
顶底板厚+10，-0mm
预埋件位置+5，-5mm
拱肋端头尺寸和方向应与样板吻合
拱肋合拢时，中线偏移控制在10mm以内，拱顶标高误差为+10~+30mm，两对应接头标高差应小于20mm。
九、安全措施
1、吊装作业前必须对参与施工作业的人员进行安全知识教育和技术交底，重点做好高空吊装作业的安全防护及编制详细可行的安全操作规程，以防事故发生。
2、吊装作业要明确专业的富有丰富吊装经验的人员统一指挥，配备足够的通讯设备，确保指挥人员随时掌握各处的状态，并能随时对每位操作人员发出号令。
3、吊装前要对缆索吊各部位进行检查，发现不安全因素及时排除。
缆索吊机不得超负荷作业。
4、作业前应掌握供电情况，配备必要的自发电机。
作业中如遇停电或其他特殊情况，应将重物落至地面，不得悬挂在空中。
作业完毕后应将吊钩收紧或放到地下，并切断电源。
5、卷扬机的各部件、电气设备、千斤顶、手拉葫芦等应符合现行的国家标准规定。
6、高空作业的人员要定期或随时检查身体，发现有不宜登高的病症，不得从事高空作业；严禁酒后进行高空作业；高空作业时使用的工具应放在工具袋内。
7、运送人员和物件的各种升降电梯、吊笼要有可靠的安全装置。
严禁乘坐运送物件的吊栏。
8、夜间施工时，现场必须有符合操作要求的照明设备。
9、风力达到或超过五级时，应停止吊装作业。
十、技术经济分析
1、在跨越深谷、深水时利用本工法修建大跨径拱桥，不但能减少施工便道及运输成本，大量节省脚手架，其拱上结构还可采用预制安装，以充分利用缆索吊机的吊运功能，减少大量空中作业。
2、预制安装容易形成流水作业，且预制能与其它工序形成平行作业，在大大缩短工期的情况下还能减少大量模板等周转材料配置，从而降低成本。
3、缆索吊设备结构简单，安全可靠，装拆方便，操作灵活，起吊高度大，经济效果好。
十一、工程实例
万梁高速公路土地潭特大桥，主跨为2×100米箱形拱，横截面为六肋，每肋五段，全桥拱肋分为120段预制。
每段弦长约22m，设计最大吊重为36吨。
左右幅桥错孔近10米布置，且平面位于R=580米的圆曲线及其缓和曲线内，给施工造成很大困难。
本桥施工缆索吊设计跨径300米，设双组主索，每组主索为8股Φ47.5mm钢丝绳，组间距28米。
每组主索上设前后两个天车，单钩净吊重18吨，总吊重4×18吨。
前后吊钩下各设一根扁担梁，其下设可横移副吊钩，拱肋吊装十分方便；扣索采用复合扣锚索系统，使安装时各索受力十分明确，在保证了施工安全的同时提高了安装精度。
该桥于2002年4月全部架设完毕，取得了较好的经济和社会效益。
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