曾 成 曹水東 張玉平

（長沙理工大學土木工程學院，湖南 長沙 410114）

0 引言

鋼箱梁具有抗彎和抗扭剛度大、結構強度高、自重輕、施工速度快、跨越能力強等優(yōu)點，因此在橋梁建設中應用越來越廣泛［1］。在鋼箱梁橋建設中，鋼箱梁的安裝與制造一般可分為3個階段：板單元（組成梁段的基本單元）制作、梁段（成橋安裝架設的獨立單元）組拼安裝及成橋階段焊接［2］。鋼箱梁制造與安裝分為兩種類型：一是大節(jié)段預制、大節(jié)段吊裝［3-4］；二是因整段鋼箱梁體積龐大，施工場地空間、施工器械性能有限，采用分節(jié)段預制、分節(jié)段吊裝的方法進行施工［5］。鋼箱梁節(jié)段制作完成后在梁場進行整塊拼裝和焊接，然后經(jīng)檢查合格后運達施工現(xiàn)場，通過吊裝設備吊裝到臨時支撐上面進行焊接組裝，完成鋼箱梁的安裝。鋼箱梁分塊方案既受到具體安裝施工方案的約束，也在一定程度上影響著施工方案的選擇，兩者都是鋼箱梁橋建設過程中不可忽視的部分。在鋼箱梁節(jié)段拼裝過程中，其線形和應力情況同焊接施工要求、設計要求有一定的偏差。張愛平［6］以G320國道小林至東湖連接線工程第56 聯(lián)65 m 單箱六室簡支鋼箱梁橋為工程背景，鋼箱梁采用縱向分段（4.75+18+19.5+18+4.75）m、橫向分塊的施工措施，箱梁（18+19.5+18）m 三個縱向分段橫橋向都分為2 個挑臂和6 個箱室，通過有限元分析得出鋼箱梁橫向分塊接縫處的最大位移差為2.97 mm，且頂板和腹板未完全連接的位置會產(chǎn)生范圍不大、應力不高的應力集中現(xiàn)象。彭成明等［7］以巴拿馬四橋為工程背景，該公軌合建混合梁斜拉橋中跨鋼箱梁采用橫向分塊施工方案，通過索塔側向提梁上橋面，梁上運梁至懸臂端并完成箱梁焊接作業(yè)，有限元分析結果表明，梁上運梁、橫向分塊安裝兩個工況都有明顯的橫向偏載效應，但整個施工階段結構安全可靠。汪勁豐等［8］以杭州市跨京杭運河（37+60+37）m單箱三室連續(xù)鋼箱梁橋為工程背景，鋼箱梁橫向分塊形成3 個不同開口程度的梁段，梁段腹板與頂板開口處及缺失腹板處沿縱橋向設置了X 型剪刀撐，運用Midas Civil 分析吊裝及安放過程中各梁塊跨中處的位移與應力，并對實橋應力進行監(jiān)測，結果表明，增設X型剪刀撐后各梁塊的變形和應力均較為協(xié)調，滿足后續(xù)橫向焊接施工要求，結構應力處于安全范圍。江勁豐等［9］將考慮界面滑移的組合結構理論應用于橫向分塊后的鋼箱梁塊，通過引入部分抗剪組合結構的控制微分方程，建立變形和應力的解析解方法。隨后根據(jù)橫向分塊后鋼箱梁塊的構造特點，歸納分析影響位移和應力的關鍵參數(shù)及影響規(guī)律，進行分塊施工技術探討，并指導和應用于工程實例。綜上所述，鋼箱梁橫向分塊施工方面的研究已經(jīng)有一些成果，但對于異形寬幅鋼箱梁橫向分塊施工中鋼箱梁塊接縫處的位移差問題及解決大位移差的施工措施還沒有進行有針對性的研究。

本研究以深中通道淺灘區(qū)某異形寬幅鋼箱連續(xù)梁橋為工程背景，通過有限元方法分析采用橫向分塊方案后鋼箱梁在各施工階段下梁塊線形和應力情況以及為減小梁塊接縫處位移差采取的施工措施，從而保證異形鋼箱梁施工過程中始終處于安全合理狀態(tài)。

1 工程背景

深中通道某異形扁平鋼箱連續(xù)梁橋位于124～129#橋墩上，橋跨布置為5×60 m，橋面寬24～35.9 m。全橋位于整條線路的右幅，雙向八車道，設計時速為110 km∕h，抗風風速為地面以上10 m 高、100 a 重現(xiàn)期的10 min 平均年最大風速39.1 m∕s，鋼箱梁立面和平面布置如圖1所示。

前三跨（A～C 段）主梁為單箱雙室，后兩跨（D、E 段）主梁為單箱三室截面，A～C 段鋼箱梁通過增大外箱室寬度來實現(xiàn)橋面寬度變化，D、E 段鋼箱梁通過增大中間箱室寬度實現(xiàn)橋面寬度變化，全橋主梁在距離線路中心10.25 m 處的梁高均為3.5 m。全橋均設有2.5%的橫坡，橫坡表現(xiàn)為線路中心線側低，通過傾斜箱梁頂板實現(xiàn)，箱梁底板保持水平，橫隔板間距大部分為2 m，少數(shù)橫隔板間距為0.3 m、0.5 m、1.55 m、1.75 m，橫隔板標準斷面如圖2所示。

圖2 橫隔板標準斷面（單位:mm）

橋梁采用整孔預制、整孔吊裝的施工方案。相鄰兩跨主梁的斷開位置為橋墩中心線附近，主梁頂板在橋墩中心線往小里程側偏移200 mm，底板在橋墩中心線往大里程側偏移200 mm。其中D、E 段鋼箱梁由于自身構造原因，無法采用“天一號”海上架梁施工專用起重船一次性吊裝架設。為解決該施工難題，加快施工進度，采用橫向分塊的施工方案。方案將D、E 段鋼箱梁沿縱橋向劃分成兩部分，分別制作這兩塊鋼箱梁，單獨吊裝到橋墩上，再焊接成一孔鋼箱梁，完成整跨鋼箱梁的吊裝作業(yè)。

為保證運輸及架設過程中分塊梁段的橫向穩(wěn)定性，分塊后左右兩塊鋼箱梁都要有一個封閉的箱室，即橫向分塊位置應處于中間箱室。此外，縱向分塊位置應使左右兩塊鋼箱梁在簡支狀態(tài)下縱向整體撓度基本相當，左右兩個梁段剛度、自重基本相當。橫向分塊方案是將一跨變寬度鋼箱梁分割成等寬度和變寬度兩塊鋼箱梁，記D 段鋼箱梁分塊后的鋼箱梁為1 號、2 號梁段，記E 段的為3 號、4 號梁段。

鋼箱梁采取橫向分塊方案后，新增加了一道縱縫，縱縫處存在較大的位移差。該位移差在不產(chǎn)生較大的局部變形的情況下，應采取施工措施確保兩塊鋼箱梁能夠焊接成為一個整體。該橋通過在2 號、4 號梁段施加壓重荷載來控制縱縫處的位移差，具體如圖3、圖4、表1 所示，1 號、3 號梁段的開口較大，其開口處設有桁架式縱隔板。

表1 橫線分塊距離及壓重荷載

圖3 D段箱梁頂板橫向分塊示意（單位：m）

圖4 2號梁段荷載壓重示意（單位:mm）

2 有限元模型

采用Midas Civil 建立D 段、E 段鋼箱梁有限元模型，分別模擬箱梁吊裝到位（吊裝到臨時支撐）、施加壓重荷載兩個施工工況，E 段鋼箱梁有限元模型如圖5 所示。模型縱隔板采用梁單元模擬，其余部分均采用薄板單元模擬，鋼箱梁施工階段僅考慮結構自重的影響?？臻g坐標系X、Y、Z分別代表縱橋方向、橫橋方向、梁高方向，1～4 號梁段的邊界條件均是四個位置有約束，分別為：約束X、Y、Z方向位移，約束X、Z方向位移，約束Y、Z方向位移，約束Z方向位移；四個位置都約束了X、Z方向的轉動。鋼箱梁構件均采用低合金高強度結構鋼Q345qD，其技術條件符合《橋梁用結構鋼》（GB∕T 714—2015）的規(guī)定，鋼材彈性模量為2.06 × 105MPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg·m-3。

圖5 E段鋼箱梁有限元模型

3 橫向分塊施工分析

3.1 位移分析

采用有限元方法模擬分析鋼箱梁橫向分塊施工，既需要對每一梁段變形進行計算，又需對相鄰梁段變形值進行比較，求理論變形差值。各施工階段下1 號、2 號梁段縱縫處的位移如圖6 所示，各施工階段下位移差如圖7 所示。圖7 中的位移差為2號梁段的位移減去1 號梁段的位移。位移以豎直向上為正，即位移差為正數(shù)時表示該縱縫處2 號梁段比1號梁段高。圖7中的縱橋向距離表示位移測點距離該段鋼箱梁小里程側橋墩中心的里程距離。3、4號梁段各施工階段的位移如圖8、圖9所示。

圖6 各施工階段1、2號梁段縱縫處的位移

圖7 各施工階段1、2號梁段縱縫處位移差

圖9 各施工階段3、4號梁段縱縫處的位移差

由圖6、圖7 可知，1 號、2 號梁段完成箱梁吊裝到位施工后，箱梁縱縫處位移最大位置均在跨中處，距離D 段鋼箱梁小里程側橋墩墩中心30 m，施工累計位移分別為-43.4 mm、-37.5 mm，縱縫處的最大位移差值為+5.9 mm；施加壓重荷載后，2 號梁段的施工累加位移為-44.2 mm，縱縫處的最大位移差為-0.9 mm。位移差最大值降低了115%，且縱縫處的位移差變化穩(wěn)定，僅有一個點1 號梁段比2 號梁段位移大。

由圖8 至圖9 可知，3 號、4 號梁段完成箱梁吊裝到位施工階段后，箱梁位移最大位置均在跨中，分別為-43.7 mm、-34.8 mm，縱縫處的最大位移差值為+8.9 mm；施加壓重荷載后，4 號梁段施工階段累計-41.9 mm，縱縫處的最大位移差為+1.9 mm。位移差最大值降低了79%，且縱縫處的位移差變化較為穩(wěn)定。

3.2 應力分析

D、E 段箱梁施加壓重荷載施工階段下箱梁頂板、底板、腹板的應力最大值及位置見表2、表3，在圖2（b）標準橫隔板示意圖中，單箱三室鋼箱梁共有4 塊腹板，從線路中心線開始，依次記為腹板1～腹板4。

表3 E段鋼箱梁有效應力

從表2 可以看出，頂板有效應力最大值位于頂板跨中與腹板3 交界處，周圍應力大約是25 MPa，整體類似于同心圓，距離越遠應力越小。底板有效應力最大值位于固定支座位置處，并且焊縫處的應力相對其他位置小。腹板處有效應力最大值位于腹板4 跨中靠近底板處，其余三塊腹板的有效應力最大值也是跨中靠近底板處大，其中腹板2、腹板3的最大值在30 MPa 以內，腹板1 與腹板4 都是箱梁的外腹板，腹板1的最大值為39.2 MPa。

4 結論

本研究以深中通道某異形扁平連續(xù)鋼箱梁橫向分塊為研究背景，采用Midas Civil 建立D、E 段鋼箱梁（鋼箱梁處于簡支狀態(tài)）板單元模型，分析箱梁吊裝到臨時支撐、箱梁施加壓重荷載兩個施工階段下鋼箱梁的結構位移及施加壓重荷載階段的應力等情況，得出以下結論。

①D、E 段鋼箱梁吊裝到橋墩上臨時支撐后，D 段鋼箱梁橫向分塊后兩個梁段最大位移均在跨中位置，分別為-43.4 mm、-37.5 mm；E 段鋼箱梁橫向分塊后兩個梁段最大位移均在跨中位置，分別為-43.7 mm、-34.8 mm；即鋼箱梁橫向分塊后形成的縱縫處存在位移差，最大值分別為5.9 mm、8.9 mm，因此需要采取措施減小縱縫處的位移差。

②分別對D、E梁段施加不同的壓重荷載，可使縱縫處的位移差絕對最大值減小85%、79%，且理論位移差絕對值不超過2 mm，顯然合理施加壓重荷載能解決縱縫處位移差較大的問題。

③從應力圖來看，D、E 段鋼箱梁的頂板、底板、腹板的應力分布規(guī)律基本一致，且任意點最大應力值均不超過80 MPa，小于材料的屈服強度，證明橫向分塊施工方案可行。