鋼箱連續(xù)梁橋大節(jié)段吊裝施工設(shè)計(jì)計(jì)算分析

林 楨 楷

(廣東省公路勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 廣州 510640)

鋼箱連續(xù)梁橋大節(jié)段吊裝施工設(shè)計(jì)計(jì)算分析

林 楨 楷

(廣東省公路勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 廣州 510640)

以在建佛陳大橋?yàn)楣こ瘫尘?，從大?jié)段吊裝施工階段主梁受力、變形情況，成橋狀態(tài)下主梁關(guān)鍵部位上下緣應(yīng)力大小、成橋位移，鋼箱梁制造線形計(jì)算等幾方面內(nèi)容與常規(guī)小節(jié)段懸拼施工進(jìn)行對比分析，從設(shè)計(jì)計(jì)算方面論證了鋼箱連續(xù)梁橋中跨大節(jié)段整體吊裝施工方案的可行性，分析結(jié)論對同類橋型設(shè)計(jì)具有一定參考意義。

鋼箱連續(xù)梁，大節(jié)段吊裝，施工方案，設(shè)計(jì)

在鋼箱梁橋施工中借助橋面吊機(jī)進(jìn)行小節(jié)段懸臂拼裝已具備成熟經(jīng)驗(yàn)，該法對吊裝設(shè)備要求較低且施工過程梁段坐標(biāo)具有可調(diào)性。但不同于斜拉橋、懸索橋等橋型在施工過程中可以通過拉索的張拉力對梁段標(biāo)高進(jìn)行主動調(diào)整，鋼箱連續(xù)梁橋節(jié)段標(biāo)高一旦出現(xiàn)誤差很難在后續(xù)施工中進(jìn)行調(diào)整，線形控制難度較大。近年來，隨著吊裝機(jī)械設(shè)備的發(fā)展，大節(jié)段整體吊裝的施工方法得到越來越多的應(yīng)用。相比小節(jié)段懸臂拼裝，該方法能大幅度縮短工期、降低施工風(fēng)險(xiǎn)，梁段在工廠內(nèi)拼裝為大節(jié)段更有利于焊縫質(zhì)量的保證[1]，同時(shí)也大大降低了主梁線形控制難度。

在大跨度鋼箱連續(xù)梁橋施工中，大節(jié)段整體吊裝施工方法使用較少，可借鑒工程經(jīng)驗(yàn)有限。在對該工法下主梁關(guān)鍵部位上下緣應(yīng)力、變形及鋼箱梁制造線形等內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算分析表明，佛陳大橋大節(jié)段整體吊裝施工方法主梁結(jié)構(gòu)安全、施工過程中線形控制難度較小，設(shè)計(jì)方案具有可實(shí)施性及安全性。

1 工程概況及建模說明

1)工程概況。在建佛陳大橋?yàn)?8.51 m+112.8 m+58.51 m=229.82 m三跨鋼箱連續(xù)梁橋，單幅橋?qū)?5.75 m。主梁采用變截面箱梁，主墩墩頂鋼箱梁梁高5 m，墩頂?shù)雀吡憾蝺蓚?cè)15.4 m區(qū)段梁高從5 m按二次拋物線漸變至2.8 m，其余區(qū)段梁高為2.8 m。全橋共計(jì)25個(gè)設(shè)計(jì)梁段。該橋施工工藝為邊跨及墩頂梁段采用支架施工，中跨施工在南北岸MS1節(jié)段采用浮吊吊裝到位后，MS2～MS6～MS2在工廠合并為一個(gè)長82.8 m的大節(jié)段運(yùn)輸?shù)綐蛭?，采用橋面提升架整體提升吊裝完成“中跨合龍”的施工方法。

2)建模說明。使用Midas Civil建立梁單元空間有限元施工階段模型(見圖1)，按照設(shè)計(jì)梁段劃分單元，全橋共劃分為380個(gè)單元，437個(gè)節(jié)點(diǎn)。主梁與橋墩間采用“彈性連接”并按照支座參數(shù)計(jì)算出各自由度方向剛度值以模擬支座作用，下部結(jié)構(gòu)樁基底部固結(jié)，樁側(cè)采用土彈簧模擬樁土作用。

2 設(shè)計(jì)驗(yàn)算結(jié)果分析

2.1 大節(jié)段起吊階段驗(yàn)算結(jié)果

佛陳大橋中跨大節(jié)段吊裝長度為82.8 m，其起吊狀態(tài)相當(dāng)于一個(gè)82.8 m的簡支梁，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對該階段大節(jié)段主梁上下緣應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算。主梁上下緣應(yīng)力如圖2，圖3所示，從圖中可以看出：起吊階段主梁上緣跨中最大壓應(yīng)力為4.29 MPa，下緣跨中最大拉應(yīng)力為80.7 MPa，均小于Q345qc的設(shè)計(jì)容許應(yīng)力值。

大節(jié)段整體吊裝時(shí)，在自重作用下就發(fā)生變形，這是與常規(guī)小節(jié)段懸拼施工的最大差別。該階段大節(jié)段變形情況見圖4。

從圖4中可知，大節(jié)段吊裝時(shí)僅在自重作用下跨中就發(fā)生16.9 cm的下?lián)献冃?。大?jié)段在吊裝時(shí)無法設(shè)置預(yù)拋高來抵消施工過程中的變形，這就要求其在工廠制造的過程中，將施工預(yù)拱度通過制造線形的方式預(yù)先考慮。

2.2 大節(jié)段施工成橋階段驗(yàn)算

橋梁結(jié)構(gòu)成橋內(nèi)力狀態(tài)是一個(gè)隨著施工階段不斷變化的過程。換言之，成橋階段主梁的應(yīng)力大小在很大程度上和施工方法是相關(guān)的。驗(yàn)算大節(jié)段施工方法成橋階段主梁應(yīng)力情況，從圖5，圖6可以看出，成橋階段主梁最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在墩頂截面下緣，為45.7 MPa，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在主梁跨中截面下緣，為102.3 MPa。主梁應(yīng)力水平處于安全范圍內(nèi)。這說明了佛陳大橋大節(jié)段施工方法能保證結(jié)構(gòu)受力安全，為施工實(shí)施提供理論依據(jù)。

將大節(jié)段成橋階段應(yīng)力大小與常規(guī)小節(jié)段拼裝施工成橋應(yīng)力大小進(jìn)行對比，如表1所示。

表1 兩種施工方法主梁關(guān)鍵部位應(yīng)力對比表(拉應(yīng)力為正)

從表1可以看出：采用大節(jié)段整體吊裝施工能減小主梁上緣的應(yīng)力水平，但減小的幅度有限；而大節(jié)段施工會大大增大主梁跨中截面下緣的拉應(yīng)力水平，比采用小節(jié)段懸拼施工應(yīng)力增加約8.3倍。可見，對常用大節(jié)段整體吊裝施工橋梁，應(yīng)對主梁下緣應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)驗(yàn)算，當(dāng)節(jié)段長度超過一定范圍，該施工方法可能造成結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平超出安全范圍而不適合采用。

將兩種施工方法主梁中跨在成橋階段的累計(jì)變形值進(jìn)行對比，繪制出對比曲線圖如圖7所示。從圖7可以看出兩種施工方法中跨主梁變形規(guī)律不同，最大變形值點(diǎn)出現(xiàn)的位置也不同，但對大節(jié)段整體吊裝而言，主梁最大變形值出現(xiàn)在跨中為22.6 cm，比小節(jié)段懸拼最大變形值25.6 cm減小約11.7%。

2.3 大節(jié)段施工制造線形計(jì)算

施工過程中主梁的累計(jì)變形可以通過設(shè)置預(yù)拱度的方式來消除，而大節(jié)段整體吊裝施工無法像小節(jié)段懸拼那樣通過在施工拼裝過程中設(shè)置節(jié)段預(yù)拋高來實(shí)現(xiàn)。大節(jié)段的預(yù)拱度只能在工廠中通過制造線形的方式在制造拼裝就考慮進(jìn)去，且出廠后具有不可調(diào)整性。大節(jié)段吊裝施工鋼箱梁制造線形計(jì)算原理和常規(guī)小節(jié)段懸拼鋼箱梁制造線形計(jì)算原理有所差異。對于常規(guī)懸拼施工，鋼箱梁制造線形是為了保證懸拼梁段設(shè)置預(yù)拱度后，梁段之間頂?shù)装搴缚p寬度始終處于合理的范圍內(nèi)而考慮的，簡單的說，小節(jié)段施工的制造線形是梁段之間拼裝時(shí)無應(yīng)力夾角的間接反映，制造線形和施工預(yù)拱度是兩個(gè)不同的概念[2]。而大節(jié)段懸拼施工由于施工過程中無法設(shè)置預(yù)拱度，所以只能在工廠提前將預(yù)拱度在制造時(shí)予以考慮，因此在計(jì)算時(shí)只需要計(jì)算出預(yù)拱度(包括施工預(yù)拱度和成橋預(yù)拱度值)并擬合成一條光滑的曲線即可，制造線形實(shí)質(zhì)上就是預(yù)拱度。兩種不同施工方法中跨鋼箱梁制造線形計(jì)算結(jié)果如表2所示。從圖8可以看出，兩種施工方法制造線形是兩條變形規(guī)律不同的曲線，小節(jié)段施工制造線形是梁段間夾角的間接反映。在這里小節(jié)段拼裝夾角體現(xiàn)為頂板對齊底板開口的形式，因此其對應(yīng)制造線形為開口向上的曲線。大節(jié)段吊裝施工制造線形是一條與設(shè)計(jì)線形規(guī)律類似的光滑曲線。

表2 兩種施工方法鋼箱梁制造線形計(jì)算結(jié)果對比表(1/2中跨) m

3 結(jié)語

1)大節(jié)段吊裝施工方法隨著節(jié)段長度的增加會大大增加成橋階段主梁下緣應(yīng)力水平，設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)驗(yàn)算，避免因吊裝長度過長而造成結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平超過安全范圍；

2)大節(jié)段吊裝施工有利于降低施工線形控制難度、保證梁段間焊縫質(zhì)量，對工期較緊的項(xiàng)目而言能大幅度縮短工期。

[1] 張永濤，周仁忠，高紀(jì)兵.崇啟大橋大節(jié)段整體吊裝技術(shù)研究[J].公路，2011(10)：82-89.

[2] 吳 霞.談某橋梁吊裝施工技術(shù)[J].山西建筑，2013，39(36)：208-209.

[3] 孫立山.大跨度混合梁斜拉橋幾何控制計(jì)算方法[D].成都：西南交通大學(xué)碩士論文,2007:21-26.

Calculation analysis on large-section hoisting construction design of steel-box continuous beam

LIN Zhen-kai

(Guangdong Highway Survey & Planning Institute Co., Ltd, Guangzhou 510640, China)

Taking in-building Fochen bridge as the engineering background, the article compares major beam stress and deformation conditions at large-section hoisting stage, upper-lower beam stress, completed bridge displacement and steel-box-girder linear calculation to conventional small-section cantilever construction, and discusses the feasibility of large-section hosting construction scheme of steel-box-beam bridge from aspects of design and computation. Thus, the analysis conclusions will have certain referring meaning for similar bridge design.

steel-box continuous beam, large-section hoisting, construction scheme, design

1009-6825(2014)18-0220-02

2014-04-11

林楨楷(1986- )，男，助理工程師

U448.215

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