大跨度拱桥钢拱肋卧-立组合式制造与施工技术

李国华

(中铁上海工程局建筑工程有限公司，上海 200436)

1 工程概况

郑万铁路重庆段奉节梅溪河双线特大桥主桥设计为上承式提篮拱桥结构，主跨340m横跨梅溪河河谷，矢高74m[1-2]，主拱圈劲性骨架设计为钢拱肋结构。钢拱肋为变宽变高钢桁拱架，主拱圈平面呈X形，分为拱脚分叉段和拱顶合并段。从拱脚到拱圈分叉处由2肢单箱单室拱肋组成，拱顶合并为单箱三室截面，分叉段半幅采用3道横梁连接，拱肋外缘高度由拱脚处的10m变至拱顶处的5m。拱轴z轴立面线形采用悬链线，y轴竖面整体内倾3.48°，形成拱脚分叉的X形结构。拱脚中心距16m，拱顶轴线中心距7m。拱肋主弦管尺寸为φ750×24，横梁弦管尺寸为φ560×16，连接杆件、腹杆、其余连接件均采用4肢组合角钢结构。梅溪河特大桥钢拱肋用钢量4 083.3t，弦管材质为Q390D，连接杆件及节点板材质为Q345D，填板及部分小型零件材质为Q235C。钢拱肋结构模型如图1所示。

图1 梅溪河特大桥钢拱肋结构模型

钢拱肋采用缆索式起重机斜拉扣挂安装施工[3]，缆索式起重机为缆扣分离、双塔3跨结构，如图2所示。

图2 梅溪河特大桥斜拉扣挂系统

2 技术原理

所谓的卧-立组合式制造就是在单肢拱肋卧式“n+1”轮次连续匹配拼装的基础上[4]，将横梁及拱顶合并段区域的上、下游单肢拱肋按厂制预拱度进行长线法立式匹配拼装，通过单肢卧拼和整体立拼双重线形控制，确保钢拱肋节段厂内制造线形精度；并在试拼装结束及时采集拱肋线形坐标数据，现场安装时将试拼装线形坐标转换为现场放样坐标，实现现场安装复位厂内试拼装线形，确保钢拱肋高精度合龙。

3 施工工艺

3.1 拱肋加工节段划分

根据现场吊装设备起重能力合理划分吊装节段，分段位置避开节点等应力集中部位。并充分利用吊装设备的起重能力，尽可能划分大节段、减少吊装次数。将横梁、拱顶合并段区域相关横向连接杆件与上、下游拱肋划分为一体整体制作、整体运输、整体吊装。本桥钢拱肋除拱脚预埋段及拱顶合龙段外，半跨拱肋共划分为16个节段，全桥共计48个吊装单元。节段1～11位于拱脚分叉段区域，节段12～16位于拱顶合并段区域。拱肋节段单节最大吊重150t、分叉段单侧拱肋质量≤75t。梅溪河特大桥拱肋节段划分如图3所示，节段质量如表1所示。

图3 梅溪河特大桥拱肋节段划分

表1 梅溪河特大桥拱肋节段质量

3.2 单元件加工

1)主弦管加工 根据拱肋节段划分方案，主弦管采用长度为1 000～2 500mm钢管对接接长，拱肋的线形曲线采用以折代曲的方法形成[5]。钢板经滚板机校平后，根据管节尺寸下料，并切割出直缝对接边焊接坡口。将钢板开好坡口的两侧预压弯，利用卷管设备将钢板卷制成所需直径的钢管，钢板轧制方向与卷管方向相同。焊接管节纵向对接焊缝，探伤检测合格后利用卷管设备进行复滚作业，直至管节圆度满足规范要求。利用相贯线切割机切割管节之间对接相贯口，并在组装平台上划线组焊接长主弦管，管节之间环形对接焊缝采用悬臂式埋弧自动焊焊接，焊缝检测合格转入拱肋拼装作业区。详细工艺如图4所示。

图4 主弦管加工工艺流程

2)连接系及节点板加工 连接系杆件根据施工图长度进行切割下料。拼装前，根据地样组合杆件中心线，拼装角钢及其填板，点焊固定，尺寸检查合格后焊接。相应节点板均采用数控下料，按零件套料图排版，下料结束及时标记零件编号，并开出待焊坡口。

3.3 单肢拱肋卧式拼装

1)卧拼胎架设计 结合监控单位厂制预拱度指令，转换相应控制点坐标，三维放样最终厂制拱肋线形。并根据拱肋竖面内倾结构特点及厂制线形进行卧拼胎架设计[6]，胎架设计为双层型钢结构，上、下层之间利用法兰盘螺栓连接。胎架安装时根据地样定位安装，并对其线形及结构尺寸验收合格后投入使用，胎架结构如图5所示。

图5 卧拼胎架结构示意

2)拱肋节段卧拼 主弦管单元吊装至胎架上，对准控制点地样和标高，调整好线形，点焊固定。根据地样控制点在钢管上作出相应杆件的定位线，对线组装节点环板及相应连接杆件。组装相应杆件时在调整平面角度的同时保证节点环板平面铅垂，定位好点焊固定，完成底层单桁片组装。随后安装顶层胎架，按同样的方式安装顶层单桁片，并完成相应连接杆件的安装。检查各项控制点线形符合要求后在胎架上进行整体焊接。拱肋节段卧拼工艺流程如图6所示。

图6 拱肋节段卧拼工艺流程

3)卧式连续匹配试拼装 拱肋节段组焊结束，按厂制预拱度进行试拼装。试拼装在原位胎架上进行，对各节段之间环口标高进行精确调整，并通过双向调节匹配件对管口对接错变量进行精确调整，必要时对局部进行火焰矫正。各项检查尺寸检验合格后做好刚性固定，解锁匹配件下胎转运，进入下一轮次卧式拼装工序(见图7)。

图7 拱肋卧式连续匹配试拼装施工照片

3.4 拱肋整体立式拼装

1)立拼胎架设计 由于拱肋节段通过卧拼结束，已形成稳定结构，立拼胎架设计为利用型钢加工而成的支撑台座，结构简单，强度、刚度及稳定性满足要求即可。立拼胎架结构如图8所示。

图8 立拼胎架结构示意

2)拱肋整体立式拼装 将上、下游单肢拱肋节段分别吊至胎架上，通过吊锤线的方式将节段端口控制点对准地样，调整好平面线形；测量端口和控制点标高，调节胎架垫高，从而调整好立面线形，重点监控节段端口线形。根据节点环板，并对准横梁弦管地样安装横梁弦管，调整到位后及时焊接横梁弦管与主弦管之间的熔透焊缝。按地样及控制点完成其余横向连接杆件的组拼焊接，形成整体拱肋节段，如图9所示。

图9 拱肋立拼结构模型及施工照片

3)立式连续匹配试拼装 由于所有拱肋节段在卧式拼装时经过连续匹配试拼装工序，立式试拼装工序按成桥拱形对其进行验证(见图10)，通过坐标转换，对所有控制点进行实际测量。若有偏差通过双向调节匹配件对其进行重新修正，做好相应标记。并将最终试拼装线形坐标信息记录在案，为现场安装放样做好技术准备工作。试拼装结束后解锁匹配件，下胎转运至存梁区域。

图10 拱肋立式连续匹配试拼装施工照片

4 安装效果验证

梅溪河特大桥在整个拱肋吊装过程中，通过对厂内试拼装时采集的线形数据进行现场桥位放样坐标的转换；并作为现场实施监控的主要依据，结合监控单位安装指令联合控制拱肋现场安装线形，整个吊装过程中，扣挂系统安全可靠，拱肋线形各项监控指标达标，完美实现高精度合龙。

5 结语

以梅溪河特大桥钢拱肋加工制造施工过程为例，应用卧-立组合式制造施工技术，在单肢拱肋卧式拼装的基础上，将横梁及拱顶合并段区域的上、下游单肢拱肋按厂制预拱度进行长线法立式匹配拼装，通过单肢卧拼和整体立拼双重线形控制，确保了钢拱肋节段在厂内制造的线形精度。在现场安装时将试拼装实际采集的线形坐标转换为现场放样坐标，成功实现钢拱肋高精度合龙。