大跨度人行天橋鋼箱梁兩節(jié)段拼裝技術(shù)

高 曼

(廣東冠粵路橋有限公司, 廣東 廣州 511450)

0 引言

人行天橋一般建造在交通量大、往來行人密集的地段。人行天橋只允許行人通過,用于避免車流和人流平面交叉的沖突,確保行人安全地穿越道路,保障交通的順暢,減少交通事故的發(fā)生。人行天橋按結(jié)構(gòu)區(qū)分,通常可分為懸掛式結(jié)構(gòu)、承托式結(jié)構(gòu)和混合式結(jié)構(gòu)等[1-3]。承托式結(jié)構(gòu)的過街人行天橋?qū)⒊兄氐闹髁褐苯蛹茉O(shè)在橋墩上,主梁上供行人通過,兩側(cè)設(shè)置欄桿,因該類橋梁作為城市景觀的功能較好,因而采用數(shù)量較多。鋼箱梁作為人行天橋的主體結(jié)構(gòu),具有抗拉強度高、結(jié)構(gòu)重量輕、施工快捷方便等優(yōu)點[4-6]。

傳統(tǒng)的鋼箱梁安裝方法采用分段在工廠加工,運至橋下吊裝位置,利用臨時支墩進行拼裝[7-8]。由于我國現(xiàn)階段城市道路更新升級較快,不可避免地會出現(xiàn)公共資源被交叉占用的問題,項目受到各種外部因素的影響也會比較突出,以至于傳統(tǒng)方法已難以滿足現(xiàn)階段施工的要求。

新新公路原設(shè)計人行天橋鋼箱梁的施工方案為分5節(jié)段梁在工廠加工后運至人行天橋下吊裝位置利用臨時支墩吊裝拼接。為了加快施工進度,縮短鋼箱梁工地拼接時間和施工臨時占道時間,同時減少工地焊縫的數(shù)量,可采取減少鋼箱梁拼接節(jié)段梁數(shù)量的方法。在同等條件下,通過對比分析鋼箱梁分不同數(shù)量節(jié)段拼接施工時的情況如表1所示。由表1可見,在采用大噸位起重設(shè)備、保證吊裝安全的情況下,鋼箱梁兩節(jié)段拼接方案為此復雜環(huán)境下施工的最優(yōu)方案。該方案經(jīng)過設(shè)計單位反復驗證,最終被認定是可行的。

表1 不同數(shù)量節(jié)段梁施工情況分析

本文以新新公路人行天橋為例,介紹了鋼箱梁由原設(shè)計方案5節(jié)段梁在工廠加工后運至現(xiàn)場利用臨時支架吊裝拼接的方案,優(yōu)化為兩節(jié)段梁在工廠加工,拼接口設(shè)置臺階斷面,利用胎架設(shè)置預拱度,然后運至現(xiàn)場拼裝焊接的方案。

1 工程概況

新新公路(廣園快速路至葉嶺村段)改造工程位于廣州市增城區(qū)南部,路線總體走向為由南向北。起點位于廣園快速路向北200 m,為城軌并入新新大道處;終點為城軌與新新大道分離處。全長10.486 km。原公路為混凝土路面,采用二級公路設(shè)計標準,設(shè)計行車速度50 km/h。改擴建后的新新公路道路等級為一級公路,兼顧城市主干道的功能。

本項目新建5座人行天橋。5座人行天橋主梁跨度均為2×24.8m,橋面凈寬均為3m。根據(jù)人行天橋位置的實際地形及周邊環(huán)境,天橋采用“工”型布置。人行天橋主跨采用兩孔連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu),箱梁高1.2m。梯道采用普通鋼筋砼連續(xù)實心板梁結(jié)構(gòu)。主橋墩采用變截面板墩的結(jié)構(gòu)形式,基礎(chǔ)為承臺接雙柱結(jié)構(gòu),梯道墩采用單柱結(jié)構(gòu)形式。主梁采用預制拼接吊裝施工,減少對現(xiàn)有道路交通的影響。人行天橋的三維模型如圖1所示。

圖1 人行天橋三維模型

原設(shè)計人行天橋鋼箱梁施工方案分5節(jié)段在工廠進行加工制作,運至橋下吊裝位置,利用臨時支墩吊裝焊接拼裝,如圖2所示。

圖2 人行天橋5節(jié)段拼接及臨時支墩設(shè)置

2 兩節(jié)段結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算

2.1 模型的建立

該人行天橋主梁為兩跨連續(xù)鋼箱梁簡支橋。根據(jù)簡支橋的結(jié)構(gòu)受力特點,該橋理論計算可簡化為兩端簡支中間連續(xù)受力結(jié)構(gòu)模型。結(jié)構(gòu)靜力采用橋梁有限元軟件MIDAS/CIVIL進行分析,全橋有限元模型共分為51個節(jié)點、50個單元。有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

2.2 荷載組合計算

在荷載輸入建模過程中,靜力荷載考慮了鋼箱梁整體自重103.3t,設(shè)計人群荷載為4.0kPa。為確定兩節(jié)段鋼箱梁拼接縫的位置,需對兩跨連續(xù)鋼箱梁的內(nèi)力進行計算。通過計算,由圖4可知剪力的最大值在中央墩位置,剪力最大值為502.2 kN;由圖5可知彎矩的最大值也在中央墩位置,彎矩最大值為2 378.3kN·m。

圖4 人行天橋鋼箱梁剪力分布

圖5 人行天橋鋼箱梁彎矩分布

鋼箱梁兩節(jié)段拼接縫需錯開剪力最大的斷面位置,同時考慮到大件運輸?shù)拈L度極限,拼接縫位置選擇在中央墩中線偏外1.25m。拼接縫采用“L”型臺階斷面形式,如圖6所示。較長節(jié)段梁的拼接口設(shè)置成向上的正臺階,較短的節(jié)段梁拼接口設(shè)置成向下的倒臺階,這樣較長節(jié)段梁因先安裝在兩個墩柱上已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài),向上的正臺階拼接口可以起到承托較短節(jié)段梁的作用,分擔了接口焊縫剪力作用,保證了接口焊縫的受力要求。

圖6 人行天橋鋼箱梁臺階斷面拼接縫

2.3 預拱度計算

主梁為兩跨連續(xù)鋼箱梁,橋?qū)?.5m,梁高1.2m。根據(jù)設(shè)計要求需設(shè)置預拱度,預拱度以各跨跨中為原點按圓曲線變化。根據(jù)計算結(jié)果,由圖7可知鋼箱梁的最大變形量為0.004m,同時可得出人行天橋主橋鋼箱梁的縱向預拱度值(表2)。

表2 鋼箱梁縱向預拱度

圖7 鋼箱梁縱向撓度分布

3 施工工序

3.1 鋼箱梁工廠加工

(1)鋼箱梁分兩節(jié)段在工廠進行加工。由于鋼箱梁的工地連接采用臺階式斷面焊口焊接,工廠加工的兩段采用標準化長度,通過調(diào)整張口大小來達到設(shè)計線型,臨時吊點等預埋件與鋼箱梁一起制造。

(2)鋼箱梁各段在胎架上進行制造。胎架根據(jù)計算出來的參數(shù)設(shè)置預拱度,制作好的兩段進行試拼裝,確保試拼合格。

(3)鋼箱梁各構(gòu)件焊接坡口的形狀、精度嚴格按照相關(guān)規(guī)范標準執(zhí)行。

(4)所有焊縫均采用CO2氣體保護焊。焊縫在施焊前做好焊接工藝評定試驗,確定焊接的方法、材料、步驟和工藝參數(shù)等。

(5)工廠加工的鋼箱梁焊縫經(jīng)過無損檢測,檢驗要求及數(shù)量均滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F50-2011)的規(guī)定。

3.2 支座及臨時支墩的安裝

人行天橋主梁采用盆式橡膠支座(GPZ(Ⅱ)支座),支座承載力均為2 000 kN。橋墩墩頂墊石采用C40混凝土加鋼筋網(wǎng)澆筑而成。墊石施工主要控制頂面高程和平整度,確保鋼箱梁安裝的精度,同時在墊石上預留有固定盆式橡膠支座的螺栓孔,待鋼箱梁安裝就位后,螺栓孔的縫隙采用環(huán)氧砂漿填充。

臨時支架采用鋼筋混凝土基礎(chǔ),長3.7m、寬2.5m、高0.5m,采用C30普通混凝土澆筑。在支架立柱位置預埋鋼板。臨時支墩由6根φ280mm的鋼管立柱和20a的槽鋼斜撐組成。橫橋向鋼管間距為2.7m,順橋向鋼管間距為1.5m。分配梁均為雙拼25的工字鋼,調(diào)節(jié)塊采用20a的工字鋼。臨時支墩及兩節(jié)段拼裝如圖8與圖9所示。

圖8 人行天橋臨時支墩

圖9 人行天橋兩節(jié)段拼裝

3.3 鋼箱梁的運輸

由于最長梁段為29m,采用30m長平板車運輸。30m長平板車所需轉(zhuǎn)彎半徑為24m,廠家委托有資質(zhì)的運輸單位對運輸線路反復調(diào)研并實地考察后,最終確認從佛山生產(chǎn)基地至廣州增城項目施工現(xiàn)場道路寬度和沿線的路橋、路燈、電線電纜等的高度、寬度可滿足本次梁段運輸單元的最大限度要求。同時能夠保證快捷、方便、及時地將所需梁段運輸至施工現(xiàn)場,并保證梁段在運輸途中的安全和完整。運輸梁段采取的加固措施如圖10所示。

圖10 鋼箱梁運輸?shù)募庸檀胧?/p>

運輸單位提前將相關(guān)的運輸資料和手續(xù)上報路政部門及交警批準后方可上路運輸。大件運輸過程中,在必要的情況下可向交管部門申請開道引行,確保運輸?shù)缆窌惩?。由于選擇的運輸路線車流量較大,為了保證其運輸不影響佛山市和廣州市的交通,鋼箱梁選擇在晚上22:00后運輸。

3.4 鋼箱梁的吊裝

人行天橋較長的節(jié)段重52.1t、較短的節(jié)段重51.2t。選用QY220H汽車吊,配重55t,吊裝半徑10m,起鉤半徑9m,吊臂長度為18.3m,此時額定吊重為69t?？紤]到吊具2t,69×0.8=58.6t>52.1t+2t=54.1t,滿足吊裝需求。吊裝前做好支座安裝及測量的準備工作,通過測量放樣,標明臨時支架的安裝位置。吊機根據(jù)吊裝計劃時間,提前進場組裝、試車,并事先確定好吊車站的位置,同時設(shè)置好支腿下的鋼墊板?，F(xiàn)場管理人員分工合作,所需的設(shè)備材料也提前準備到位。現(xiàn)場吊裝過程如圖11所示。

圖11 鋼箱梁梁段吊裝

鋼箱梁臨時連接方法:首先連接吊裝節(jié)段頂板與已安裝節(jié)段頂板的臨時連接件,接著強迫連接底板的臨時連接件,最后連接兩側(cè)腹板的臨時連接件,并初調(diào)箱梁的接縫間隙。由鉚工對接縫間隙進行精確調(diào)整,達到設(shè)計標準要求后,焊接馬板保持既定位置再焊接。因部分吊裝節(jié)段的鋼箱梁位于支座處,因此安裝時對相應節(jié)段的鋼箱梁在節(jié)段空中組拼時在長度方向預留50～100mm的余量,以便現(xiàn)場調(diào)節(jié)。進行支座位置校準,以確保鋼箱梁尺寸及位置與實際橋墩支座中心尺寸空間位置一致。兩支墩之間的鋼箱梁焊接完成并經(jīng)檢驗合格后,拆除臨時支墩。

3.5 人行天橋雨棚及梯道的施工

雨棚的安裝在主梁節(jié)段制作時安裝預定位置埋入預埋立柱,安裝采用單機進行吊裝。安裝時調(diào)整好雨棚立柱的標高、坐標及垂直度,校正準確后固定、焊接,保證外觀質(zhì)量。同時,梯道可開始進行搭設(shè)鋼管支架及底模安裝。梯道底模安裝完成后需對支架進行預壓,預壓合格后再安裝梯道鋼筋,最后澆筑梯道混凝土。雨棚吊裝及完工后的現(xiàn)場情況如圖12與圖13所示。

圖12 天橋雨棚吊裝

圖13 完工后的人行天橋

3.6 交通疏解方案

吊裝時間盡量安排在車流量較少的時間段。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查,晚上20:00后車流量不大。由于鋼箱梁在計劃現(xiàn)場吊裝前一天晚上22:00后才能運輸至施工現(xiàn)場,所以裝載梁段的平板車只能停在施工現(xiàn)場附近3km外比較寬敞的香山大道路邊,等待次日晚上20:00,在節(jié)段鋼箱梁運輸至現(xiàn)場的前提下,利用車流量少的時間段進行吊裝?？紤]到左、右幅梁段吊裝,吊車均需要占道,為了施工安全和減少社會影響,吊裝作業(yè)分兩階段進行交通管制。

(1)第一階段:封閉左幅車道作為吊車和運梁車的作業(yè)區(qū)域。開放右幅車道,用安全設(shè)施分隔成雙向通行車道,安排交通疏導員指揮疏導交通。第一階段主要是安裝較長的梁段,采用1臺220t吊車安裝。吊車與運輸車輛順路安放,吊車吊起鋼箱梁節(jié)段后,運輸車即可開走,吊車吊裝節(jié)段鋼箱梁就位。

(2)第二階段:封閉右幅車道作為吊車和運梁車的作業(yè)區(qū)域。開放左幅車道,用安全設(shè)施分隔成雙向通行車道,安排交通疏導員指揮疏導交通。第二階段主要是安裝較短的梁段,需要與已安裝的較長梁段進行拼裝焊接,所以對梁段的對接和焊接需要的時間比較長,同時這一階段也是鋼箱梁拼接線型控制和焊縫質(zhì)量控制的關(guān)鍵。待較短梁段與較長梁段拼接完成后,方可拆除臨時支架,作業(yè)機械撤離施工現(xiàn)場,開放右幅車道,恢復通行。

4 結(jié)語

新新公路人行天橋在受到施工過程中必須保證社會車輛通行以及工期壓力較大的客觀條件下,通過將人行天橋原設(shè)計5節(jié)段梁現(xiàn)場拼接方案優(yōu)化為2節(jié)段梁在工廠加工,拼接口做成臺階斷面,并在工廠利用胎架設(shè)置預拱度,然后運至施工現(xiàn)場進行拼裝的方案。該方案加快了人行天橋的施工進度,減少了工地焊縫的數(shù)量,降低了鋼箱梁焊接受外界不利因素的影響,縮短了主梁安裝占道施工的時間,減少了交通安全隱患因素。新新公路首座人行天橋主梁的施工方案取得了預期效果,該公路其他4座人行天橋的主梁也都借鑒該施工方案。新新公路改擴建工程施工已完成,建成的5座人行天橋已開放給行人通行。