鋼箱拱橋鋼箱梁安裝施工方法研究

黃子麟 谷明 熊雅文

摘要：文章以柳州市官塘大橋鋼箱梁安裝為例，介紹了無吊索區(qū)拖拉支架施工和鋼箱梁安裝、標準梁段橋面吊機安裝的混合施工方法，并采用數(shù)值分析對拖拉支架的設計以及拖拉過程中鋼箱梁自身的狀態(tài)進行研究。該混合方法高效、精準地完成了主橋鋼箱梁安裝，且施工過程中安全可控，可為類似工程提供經(jīng)驗借鑒。

關鍵詞：鋼箱梁;拖拉支架;橋面吊機;數(shù)值分析

0 引言

近年來，隨著我國科學技術的發(fā)展和生產(chǎn)力的提高，鋼結(jié)構加工與制造的技術邁入一個新的臺階，鋼箱梁橋的應用越來越廣泛。與一般的混凝土箱梁相比，鋼箱梁具有抗扭性能好、結(jié)構形式多樣、施工周期短等特點。

目前國內(nèi)外對鋼箱梁安裝施工主要采用吊裝和頂推的方法。吊裝法主要利用大型機械設備輔助，頂推法需搭設大量水中支架。本文以柳州市官塘大橋施工為背景，借助有限元數(shù)值分析的方法，分析研究了無吊索區(qū)梁段拖拉支架法施工以及有吊索區(qū)橋面吊機施工的混合方法的可行性，對鋼箱梁安裝施工過程的受力性能與特點進行了分析，并對鋼箱梁安裝施工技術應用效果進行評價[1]。

1 研究背景

1.1 工程簡介

柳州市官塘大橋主橋為中承式鋼箱拱橋，結(jié)構體系為有推力提籃式拱橋。主橋全長462m，主拱計算跨徑為457m，凈矢高為100m，單側(cè)拱座基礎水平推力達17500t[2]（見圖1）。

主橋鋼箱梁采用單箱單室扁平流線型全焊鋼箱梁，全橋鋼箱梁劃分為44節(jié)段。吊索區(qū)梁段寬44.5m，無吊索區(qū)梁段寬39.5m，梁中心高3.5m（外輪廓），端節(jié)段長11.33m，跨中節(jié)段長8.5m，標準節(jié)段長10.5m，最大吊重245t。

1.2 工程特點

（1）東西岸邊跨無吊索區(qū)梁段安裝區(qū)域大部分為淺水區(qū)或無水區(qū)，無法直接由660t浮吊吊裝梁段就位，考慮先搭設臨時支架作為存梁點，再由牽引裝置將梁段拖拉至設計位置。

（2）為減少浮吊使用，將浮吊用于臨時支架的拆除，同時增加標準梁段的安裝速度，剩余的節(jié)段和跨中段均采用橋面吊機懸拼對稱安裝，并在安裝過程中同步進行吊索安裝與索力控制，最終完成鋼箱梁的合龍。

2 施工技術方法

2.1 無吊索區(qū)梁段支架施工

無吊索區(qū)梁段采用的拖拉系統(tǒng)鋼管支架主要由支撐立柱鋼管和橫聯(lián)系鋼管組成。鋼管立柱作為后期對鋼箱梁頂升落梁的支點，其位置應設計在鋼箱梁橫隔板對應處，避免鋼箱梁在頂升落梁時產(chǎn)生過大變形。立柱鋼管內(nèi)設置鋼筋籠并嵌入巖層后澆筑，鋼管接長通過環(huán)板連接。工字鋼分配梁焊接于管頂鋼板上，上部設置鋼板支墊調(diào)節(jié)標高。滑道梁與調(diào)節(jié)鋼板焊接，并在滑道梁頂部焊接薄層不銹鋼滑板，并設置MGE滑板。

2.2 無吊索區(qū)梁段拖拉施工

在南北側(cè)交界墩蓋梁處預埋PVC管形成張拉孔，采用自動連續(xù)千斤頂作為牽引裝置拖拉鋼箱梁，逐段拼接。拉錨器作為牽引鋼絞線的固定端，焊接在鋼箱梁底板前端兩側(cè)，橫向限位裝置焊接在無吊索區(qū)鋼箱梁底部。鋼箱梁底板設置四組橫向精調(diào)系統(tǒng)，即鋼箱梁需要橫移調(diào)整時作為千斤頂反力點的構造（見圖2）。

首節(jié)鋼箱梁平面位置滿足設計要求后，由豎向千斤頂調(diào)整梁頂面至控制標高，然后在梁底與滑道梁頂面之間塞墊鋼板，千斤頂卸力，鋼箱梁由滑道梁進行支撐。剩余的無吊索區(qū)節(jié)段標高以首節(jié)鋼箱梁的標高為基準，順接對位（見圖3）。

2.3 標準梁段吊裝施工

標準梁段橋面吊機安裝施工工藝流程為：橋面吊機前移就位→運輸船轉(zhuǎn)運鋼箱梁拋錨定位→吊具下放→吊點連接→鋼箱梁起吊→鋼箱梁粗對位→吊索與鋼箱梁連接→鋼箱精調(diào)→限位馬板焊接→環(huán)焊縫焊接→連接板安裝→吊索索力精調(diào)→下一循環(huán)。

每一節(jié)段鋼箱梁安裝前應根據(jù)監(jiān)控指令確定鋼箱梁預抬值和相應吊索張拉力值，橋面吊機吊裝鋼箱梁線形至目標值后進行鋼箱梁匹配件安裝及馬板焊接，后進行鋼箱梁環(huán)縫焊接。環(huán)縫焊接過程中吊索與鋼箱梁栓接但不張拉，環(huán)縫焊接完成后張拉吊索調(diào)整吊索索力至目標值，經(jīng)監(jiān)控測量并符合要求后，橋面吊機前移進行下節(jié)段鋼箱梁安裝施工。

2.4 合龍段吊裝施工

合龍段安裝前，對合龍口應進行至少24h的連續(xù)觀測。為利于合龍段安裝，配切時將合龍段梁配切為梯形，即頂板比底板在順橋向方向長度每側(cè)小2cm（見圖4）。由于合龍段配切過程為白天，為避免因溫度影響配切數(shù)據(jù)準確度，在合龍段配切完成時間在8：00am前。[KH-*1]

3 有限元數(shù)值驗算分析結(jié)果

3.1 拖拉支架驗算分析

通過Midas軟件建立梁單元模型，采用極限應力法，模擬無吊索區(qū)四片鋼箱梁整體拖拉時支架受力的最不利工況。拖拉支架主要由鋼管和工字鋼、鋼板組成，材料均為Q235型，鋼管樁基為嵌入中風化巖層5m的鋼筋混凝土樁，混凝土澆筑到巖面以上3m，其主要受四片鋼箱梁的豎向重力、水平摩擦力和流水壓力對整個支架的影響。

施加邊界時，立柱鋼管底部施加固定約束，軌道梁與分配梁彈性連接，分配梁與立柱鋼管剛性連接。主要驗算結(jié)構支架的強度、剛度、穩(wěn)定性，以及鋼管樁基底部錨固能力。結(jié)果采用承載能力極限狀態(tài)的包絡，施工階段狀態(tài)的包絡。見圖5。

支架的一階彈性屈曲系數(shù)為4.65，滑道梁容易屈曲（見圖6），實際施工中將滑道梁與分配梁之間焊接，提高支架整體穩(wěn)定性。

鋼混樁基下部受到來自鋼管支墩與混凝土之間的粘結(jié)力（其大小為拖拉系統(tǒng)豎向支座反力F），水平剪力Q以及復合形式樁基結(jié)構底部彎矩M。經(jīng)Midas軟件計算，以最大值分別驗算鋼管的支反力、水平抗剪、抗彎（見表1～2）。

3.2 拖拉過程中鋼箱梁驗算分析

無吊索區(qū)梁段施工采取逐段拼接，并通過滑道梁及拖拉系統(tǒng)將拼接好的梁體向兩側(cè)橋臺拖拉到位，最后由立柱鋼管頂?shù)那Ы镯斶M行標高的調(diào)整。根據(jù)其拖拉施工過程，通過ANSYS程序進行鋼箱梁板單元（Shell63）模擬計算，主要驗算頂升過程對梁體的影響，該施工方法梁體是否能承受。建立鋼箱梁整體模型（包括：橫隔板、加勁肋、“U”肋等），荷載為1.2倍鋼箱梁自重，拖拉索力為2×540000N。約束根據(jù)實際工況，分別對鋼箱梁底部與滑道梁、千斤頂接觸部分進行三個平動方向約束。工況如下。

工況一：1#梁體落位3#、4#立柱，采用拖拉裝置對1#梁體進行拖拉。

工況二：1#梁體落位預定位置，開始拖拉2#梁體。

工況三：1#、2#、3#、4#梁體拖拉就位，采用鋼管頂?shù)那Ы镯攲λ钠哼M行頂升。

以工況三計算結(jié)果為例，鋼箱梁底部Mises應力云圖如圖7所示，其應力主要范圍在0～180MPa。超限部分主要集中于千斤頂與鋼箱梁接觸部位，應力集中區(qū)域相對較小。

其豎向位移云圖如圖8所示，豎向位移最大值為31.8mm，其撓跨比約1/765（肋間橫梁與3#柱間梁體出現(xiàn)相對最大豎向位移）。

4 結(jié)語

根據(jù)理論并結(jié)合現(xiàn)場實際情況，官塘大橋主橋鋼箱梁安裝，其邊跨無吊索區(qū)采用拖拉支架法施工，標準段和合龍段采用橋面吊機施工，施工過程涉及了多種施工工藝。該混合施工方法減少了臨時工程量，有效地提高大型機械使用效率，節(jié)約人工，同時減少了管理人員投入。該橋僅采用100d就完成了鋼箱梁的合龍安裝，安裝的全過程始終處于安全、快速、高效的可控狀態(tài)，為今后同類橋梁施工提供了借鑒。

參考文獻：

[1]薛 斌.高位條件下84m雙線簡支鋼桁梁頂推施工技術研究[J].21世紀建筑材料，2010（6）：83-86.

[2]谷 明，陸家恩，徐小游，等.大跨度鋼線拱橋施工技術研究及應用[J].建筑技術開發(fā)，2019（17）：41-42.