卢浦大桥主桥主拱施工技术研究与应用.docx

1、卢浦大桥主桥主拱施工技术研究与应用卢浦大桥主桥主拱施工技术研究与应用综合报告1 基本概况卢浦大桥主拱施工技术研究与应用课题是卢浦大桥成套施工技术研究课题的分课题。主要以卢浦大桥中跨桥面以上拱的施工作为研究对象。针对卢浦大桥主拱施工过程中的技术难点进行研究。所取得的成果直接用于指导施工，从而确保卢浦大桥主拱施工的顺利进行。卢浦大桥主拱施工是指中跨桥面以上拱的施工。根据设计划分，卢浦大桥主跨拱肋550m共分43个节段，即浦东、浦西各21个节段，中间为合拢段。其中07段共8个节段为桥面以下部分，在三角区施工时已完成。820#段及合拢段的施工属桥面以上部分，是本课题研究的主要内容。（见图1）。除合拢段

2、以外，桥面以上拱节段水平投影长度均为13.5m。图1 主拱施工期间卢浦大桥主桥全景图根据卢浦大桥的结构特点及桥梁所处的地理位置，经过多个方案的反复比较，确定卢浦大桥中跨桥面以上主拱采用扣索法悬臂施工工艺，故本课题主要围绕确定的施工工艺进行。主要包括以下内容：(1) 临时索塔系统设计及施工技术；(2)拱上吊机设计与施工技术；(3)主拱安装技术三大部分。2 课题研究主要解决的关键技术及难点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

3、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

4、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。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90020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

5、需要加强。为方便施工，可在加工厂根据安装许可，做成24m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。(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1014m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55m的大立柱传递给基础。虽经9桥面梁加劲扩散，其最大

6、允许传力面积为46.8m。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。(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46.8m。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）。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

7、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）。图3 主拱、临

8、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。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

9、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。 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）。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

10、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。由于在临时索设计时，考虑整体调索且前后索

11、瞬间同步进行，如果按常规方法，同一对索布置同一高度上，调索时前后索的千斤顶将相碰。在实施时，同一对索布置在两个层面上，标高相差4 m。锚固梁调整为斜向布置，其他设计参数不变（见图5）。图6 临时索拱肋锚箱 主拱肋锚固点设在拱前端第一道设计横隔板两侧拱顶上。其主要受力钢板与拱侧板对齐。在拱肋内外侧均有补强钢板，角度与临时索与拱肋的夹角一致。补强钢板的强度需大于等于临时索索力。主要焊缝均采用全熔透焊接并100作超声波检测。锚头布置在钢管口，钢管与拱肋用连接钢板焊接，焊缝要求同上（见图6）。图7 临时索背索后锚点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

12、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）2.1.3 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

13、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。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，

14、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。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

15、，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。(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。经与设计协商，拱上吊机

16、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）图8 拱上吊机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

17、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819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。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

18、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。 为了保证拱肋能按设计要求顺利安装，在出厂前，所有的拱肋必须进行立体预拼装。在拱顶、底部固定位置设控制点，并精确测量各点坐标与设计坐标进行比较，并以此作为拼装时坐标控制的依据之一。 拱肋安装前，拱上吊机需按要求移动到位，前后锚点固定到位。并根据所吊拱肋的吊点位置调整提升系统位置。 一切准备工作就绪后，即可以进行拱肋的吊装。2.3.2 拱肋的吊装 主拱安装主要是将经预拼装验收合格后的拱肋从工厂船运到安装位置，由拱上吊机直接提升到位。在吊装过程中，以下几个关键点必须严格控制。(1) 钢铰线的下放起吊前根据原设计，钢铰线下放，由提升千斤顶按指令逐渐

19、下放，直到吊点位置。但在实际操作中，由于钢铰线在几乎无应力状态下下放，夹片对钢铰线的锚固系数损失十分明显。个别钢铰线出现严重滑动现象。另外，下降速度较慢。为了确保操作的安全有效，对原操作程序进行调整。钢铰线下放由原来千斤顶操作改为所有12根钢铰线在卷扬机的辅助下，打开夹片直接由卷扬机控制缓慢下放，这样收到了事半功倍的效果。但每次下降前，必须对卷扬机的性能和特制的夹具进行检查，并确认提升千斤顶上下夹具全部打开。(2) 夹片的清洁提升千斤顶提升效果的好坏，除千斤顶本身有足够的提升能力外，夹片的清洁程度是影响提升效果的重要因素。因此，每次提升前，均需对上下锚固点的夹片进行仔细检查，对夹片齿槽中的铁锈

20、等杂质彻底清洁，对个别多次重复使用、齿槽磨损严重的要及时更换，确保整个提升系统处于良好的工作状态。(3) 提升速度控制根据千斤顶的设计情况，其最大提升速度为36m/h。但由于工况的不同，在实际操作中提升速度需根据实际情况进行调整。一般而言，在提升初期，速度可适当加快，以让拱肋超过通航高度，使局部封航撤销；当拱肋接近安装位置时，需减慢提升速度，并注意观察拱边缘与周围结构的相对位置，防止相互碰撞；在纵横位置调整阶段，则需更加谨慎，确保拱肋精确就位。(4) 姿态调整、精确就位由于拱肋吊点是根据最终就位时的重心进行计算，故拱在整个提升过程中，在参考各千斤顶显示的控制重量外，尽可能将拱肋的位置调整到比较

21、稳定的状态，以使实际操作和理论计算相吻合。当拱肋提升到接近安装标高时，在垂直提升的同时需进行纵横向位置调整。特别是最初8、9段安装，纵向调节量将超过2m。调整过程中，应严格控制提升钢铰线与千斤顶间的最大夹角小于3。拱调整到位后，需要进行精确测量，达到设计要求后进行定位焊及下段工作。（见图9）图9 拱肋吊装工况图2.4 合拢段施工合拢段位于主拱中央，设计长度6.8 m。为确保合拢段顺利施工，合拢段必须与浦东、浦西20#段拱进行预拼装。故整个合拢段施工包括浦东、浦西20#段安装及合龙段吊装。2.4.1合拢段连接方式的确定根据南浦、杨浦、徐浦大桥等多座特大桥梁合拢的成功经验，卢浦大桥采用降温自然合拢

22、。但合拢段与20#段的连接形式由于结构本身及其断面形式不同，必须慎重考虑。 卢浦大桥主拱合拢段的连接形式可有三种形式，即：两端全焊接；两端全栓结；一端焊接，一端栓结。两端全焊接，施工时调整的余地大，但由于焊接时焊缝不能受力，需在合拢段两端有强大的临时固定措施。另外，焊接引起的收缩应力过大，无法释放。高强螺栓连接，是一种成熟的施工工艺，根据以往的经验，由于高强螺栓只能在螺孔间隙间调整23 mm。因此必须在精确测量且各种影响完全排除的情况下才能实现。而卢浦大桥如采用两端栓结，存在以下风险：(1) 在19#段完成后，就必须确定合拢段精确长度，而此时距合拢段还需2个月，合拢温度无法确定；(2) 由于拱

23、重量误差等原因，在施工阶段，拱肋安装的控制标高与设计标高有较大差异。最终调整情况无法确切估计，而标高对顺桥的间距影响比其他因素都明显；(3) 已安装完拱肋误差的影响，由于所有拱肋均为三维空间结构，给施工控制带来很大困难，浦东、浦西拱肋无法完全控制在同一状态，很难满足两端栓结的精度要求。一端焊接，一端栓结。本工艺把上述两种方法有机结合起来，既有焊接调整施工余量的优点，一端采用栓结又能满足设计要求。经同设计多次协商并得到同意，最终合拢段采用一端焊接，一端栓结的连接形式。（见图10）2.4.2 栓结端拱肋间隙的确定由于拱肋采用一端焊接，一端栓结的连接形式。故整个合拢段施工需要34天才能完成。在整个过

24、程中，栓结端必须与已安装的20#段拱肋中间保持合适的间隙。影响合拢间隙的因素有温度、湿度、光照、临时塔变形等。但最终变化均反映在X坐标变化之上。为了精确确定拱肋栓结端间隙，在19#段拱肋安装完成后，对浦东、浦西拱肋进行48小时连续跟踪测量，得到如下结论：(1) 昼夜x向最大变化值达到170mm；(2) z坐标对x坐标的影响远大于温度的影响，即光照对x坐标影响最大；(3) 昼夜温度差7。C，深夜12点至凌晨4点温差最小。根据测量结果，考虑其他不确定因素，经与设计协商，最终确定栓结端间隙控制在220 mm。2.4.3 合拢段预拼装合拢段预拼装是指浦东20#拱、合拢段和浦西20#拱三个节段的预拼装，

25、是保证合拢段顺利施工的重要技术措施。其所有的情况必须满足以下条件：(1) 20#和19#段连接端状态应与19#段焊接结束后的状态基本一致；(2)浦东、浦西20#拱肋复位后，与合拢段接口的断面状态基本一致；(3) 合拢段与20#段的夹角与设计保持一致；(4)栓接端拱肋的间隙确保220mm，合拢段长度留50mm余量；(5) 所有控制点必须有明显标志，所有数据必须详细记录，并由加工、设计、安装、监理等多方面确定，作为安装时控制的重要依据。由于预先对合拢段预拼装的要求得到了共识，在实施过程中，严格按原来约定操作，各组数据均达到要求。为合拢段施工安装打下了良好的基础。2.4.4 合拢段安装2.4.4.1

26、 20#段拱肋安装预拼装验收结束后，浦西20段先进行安装，此时，浦东拱上吊机需要后退7m。安装方法与标准段相同，用同样的方法安装浦东20#段。2.4.4.2 合拢标高调整由于拱肋超重等原因，主拱在整个安装过程中的控制标高均低于理论标高。20#段安装结束后的标高比设计标高低4m。故在合拢段安装前，必须进行全桥标高调整。实施时，前索以单根钢铰线调整，背索则根据调整量的大小确定整索还是单根调整。经过3轮39索次的调整，拱肋标高与设计指令标值最大相差仅16mm，取得明显得效果。2.4.4.3 合拢段拱肋安装合拢段拱肋安装包括合拢温度及合拢段长度确定及合拢段拱肋安装三个阶段。(1) 合拢温度及合拢段长度

27、的确定标高调整到位后，由于合拢段拱肋已制作完成，且经过严格的预拼装验收，此时可根据实际测量的温度及对应的距离作的合拢段长度。故对合拢间距进行第二个48小时跟踪测量，为确保测量精度，采用仪器与人工同时测量的方法以使两套数据相互校核，后经过随机抽样，两套数据误差在10mm以内。根据实测的数据及气象部门提供的参考温度资料，经设计、监理、安全及施工单位共同讨论确定，合拢温度20。，并与此温度对应的实测间距，确定合拢长度，上游内侧为6.646m，外侧为6.653m，下游内侧为6.654m，外侧为6.657m。(2) 合龙段安装为便于调整，合龙段上下游拱肋单独安装。拱肋由拱上吊机提升到安装位置。由于最终调

28、索标高与合龙段预拼装时的拱肋状态略有差异，在保证栓接端接口良好的情况下，还需对拱的标高进行最终微调。在栓接端临时固定，焊接端调整到位并进行定位焊，这一工况条件下，实测温度为19.3，即为最终实际合龙温度。当定位焊结束后，将栓接端临时固定解除，按设计要求完成焊接端的全部工作。栓接端在焊接端完成后进行，由于实际合龙温度为19.3，而此时的温度在2021间徘徊，螺孔始终存在10mm左右的偏差。据气象部门预测，19在34天内很难达到，必须寻求其它方法。经仔细分析及计算，调索或桥轴向施加推力均能取得效果，最终确定用顶推的方法。经过紧张的准备，8台100t千斤顶安装就位，随着千斤顶的逐渐顶进，螺孔间的偏差

29、逐渐缩小，直至消失。随后，第一批800只螺栓初拧结束，紧接着整个合龙段4952套高强螺栓全部安装到位，并一次性验收通过。此时，主跨拱肋安装全部结束。3 课题所取得的主要成果3.1 本课题以卢浦大桥主桥桥面以上的主拱作为研究对象，取得的阶段性成果直接用于指导施工，从而确保了卢浦大桥主拱施工的顺利进行。3.2 结合卢浦大桥结构的特点，所设计的临时索塔体系及拱上吊机经受了各种复杂工况的考验，使用安全、可靠。满足了大桥施工的施工要求。3.3 采用一端栓结一端焊接到合拢段连接形式，有效解决了全焊或全栓接存在的不足。结合合拢实际施工的情况，采用自然降温和外力顶推相结合的方法，成功地完成了合拢段的连接，开辟了一条特大型桥梁合拢工艺的新途径，为以后大跨度桥梁施工累计了成功的经验。本课题主要协作单位有：协作单位承担工作内容上海市市政设计研究院临时塔设计、施工配合广西柳州机械总厂临时索施工同济大学临时塔前期设计计算中建二局安装公司临时塔安装、拆除中机四公司临时塔安装、拆除在本课题的研究过程中，还得到了市建委、科委、经委、市政局、大桥项目公司、江南造船集团、611索、建工监理等单位领导及专家的指导和帮助，在此一并表示衷心感谢。