蘇嶺山大橋鋼梁架設(shè)方案比選研究

楊 蒙

(中鐵大橋局第七工程有限公司，湖北 武漢 430050)

1 工程背景

1.1 橋梁概述

蘇嶺山大橋是連接襄州區(qū)及東津區(qū)的重要快速通道，該橋北接航空路，南至金沙大道，跨越唐白河。主橋?yàn)橄鲁惺戒撹旃皹颍鐝讲贾脼?0 m+240 m+70 m，鋼梁自重約為12 800 t。橋式布置見圖1。

主桁采用N型桁架，橫向兩片桁拱，中心間距38.2 m，上、下游拱肋桁片間設(shè)置有8道空間桁架式風(fēng)撐。拱肋矢高54 m，矢跨比約為1/4.444。主桁拱肋跨中桁高7 m，中支點(diǎn)處桁高20.56 m，節(jié)間長度7.0 m。全橋共52個(gè)節(jié)間。邊跨各9個(gè)節(jié)間，中跨34個(gè)節(jié)間。主桁節(jié)點(diǎn)均采用焊接整體節(jié)點(diǎn)。上、下弦桿采用帶肋焊接箱形截面。腹桿采用箱形截面和H 形截面，橫梁采用工字形截面。主桁桿件除拱腳處部分的下弦桿和縱梁材質(zhì)為Q390D鋼材，其余鋼材材質(zhì)均為Q345D。

1.2 水文地質(zhì)

橋址場地地形較平坦，橋位橫跨唐白河，河床開闊。襄陽屬亞熱帶季風(fēng)型大陸氣候過渡區(qū)，四季分明、氣候溫和、降雨適中、雨熱同季等特點(diǎn)，年平均氣溫15.1 ℃～16.9 ℃。因橋位上下均有攔河壩，故此區(qū)域水位變化較小，最高通航水位+65.61 m，最低通航水位+62.32 m，常水位+62.73 m。場地巖土類型有：素填土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、圓礫土、粉砂等。其中圓礫土適合作為橋梁基礎(chǔ)持力層且分布廣、土層較厚[1]。

2 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

1)根據(jù)本橋主桁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)采用焊接整體節(jié)點(diǎn)。鋼桁拱采用整節(jié)段吊裝，其中單片拱肋節(jié)段最重140 t，風(fēng)撐吊裝重量153 t，節(jié)段吊裝重量大。因此，鋼桁拱架設(shè)時(shí)所用的吊裝設(shè)備要求高。2)節(jié)段在工廠制造完成后，需經(jīng)水路運(yùn)輸至橋址水域，因運(yùn)輸路線受沿途橋梁和水壩限高限寬影響，節(jié)段采用臥式運(yùn)輸，運(yùn)至現(xiàn)場后，水上翻身后起吊。3)鋼桁拱結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜；采用整體節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，焊接工作量大；邊跨采用拱梁結(jié)合設(shè)計(jì)；施工難度較大，構(gòu)件拼裝定位精度直接影響成橋線形和過程中結(jié)構(gòu)受力。4)鋼桁拱架設(shè)過程，先施工拱肋后安裝縱梁，拱肋合龍前，中跨為大懸臂吊裝施工。拱肋合龍后進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成設(shè)計(jì)支座。需對(duì)施工過程進(jìn)行模擬計(jì)算，控制各階段構(gòu)件應(yīng)力需滿足要求，成橋后線形需滿足設(shè)計(jì)要求。

3 鋼桁拱架設(shè)施工方案

根據(jù)本橋的工程特點(diǎn)，對(duì)本橋鋼桁拱架設(shè)擬定了三種可行方案。

3.1 方案一(采用纜索吊機(jī)懸臂架設(shè))

主橋鋼梁利用纜索吊架設(shè)，邊跨拱肋在支架上拼裝，中跨懸臂架設(shè)，拱肋合龍后張拉臨時(shí)系桿，繼續(xù)架設(shè)中跨縱橫梁直至合龍。

1)安裝兩岸邊跨臨時(shí)支架，利用纜索吊在邊跨支架上吊裝邊跨鋼梁。2)利用纜索吊進(jìn)行中跨鋼梁對(duì)稱懸臂架設(shè)至拱肋合龍前，通過兩側(cè)邊支點(diǎn)落梁和鹿門寺側(cè)鋼梁向跨中縱移調(diào)整合龍口位置進(jìn)行合龍。3)邊跨起頂至設(shè)計(jì)高度，安裝臨時(shí)系桿，繼續(xù)利用纜索吊從邊跨向跨中依次吊裝吊桿及中跨縱橫梁。二次張拉臨時(shí)系桿，調(diào)整縱梁合龍口位置，進(jìn)行縱梁合龍后，拆除臨時(shí)系桿。

3.2 方案二(采用架梁吊機(jī)架設(shè)+吊索塔架輔助)

邊跨起始節(jié)段采用龍門吊架設(shè)，其余節(jié)段采用全回轉(zhuǎn)架梁吊機(jī)從旁邊棧橋取梁架設(shè)，需吊索塔架輔助施工。

1)搭設(shè)邊跨棧橋，安裝棧橋上龍門吊、兩岸邊跨臨時(shí)支架，利用龍門吊在邊跨支架上吊裝邊跨鋼梁起始節(jié)段。利用龍門吊安裝架梁吊機(jī)，由架梁吊機(jī)完成邊跨剩余節(jié)段鋼梁架設(shè)。2)利用架梁吊機(jī)繼續(xù)進(jìn)行中跨鋼梁對(duì)稱懸臂架設(shè)，至中跨第10節(jié)、15節(jié)間后，分別安裝并張拉第一、第二根吊索，直至拱肋合龍前，調(diào)整合龍口位置合龍。3)逐段安裝吊桿及中跨縱橫梁節(jié)段至縱梁合龍前，調(diào)整縱梁合龍口位置，進(jìn)行縱梁合龍后，拆除臨時(shí)結(jié)構(gòu)。方案二中，龍門吊機(jī)作為鋼桁梁起始節(jié)間及架梁吊機(jī)安裝的吊裝設(shè)備。為滿足龍門吊機(jī)工作要求，需在橋位上、下游設(shè)置棧橋。

3.3 方案三(采用纜索吊機(jī)架設(shè)+吊索塔架輔助)

主橋鋼梁利用纜索吊架設(shè)，邊跨拱肋在支架上拼裝，中跨采用吊索塔架懸臂架設(shè)，拱肋合龍后安裝吊桿，繼續(xù)架設(shè)中跨縱橫梁直至合龍。

1)安裝兩岸邊跨臨時(shí)支架，利用纜索吊在邊跨支架上吊裝邊跨鋼梁。

2)利用纜索吊進(jìn)行中跨鋼梁對(duì)稱懸臂架設(shè)至拱肋第10節(jié)段，安裝并張拉吊索，繼續(xù)吊裝直至拱肋合龍前，鹿門寺側(cè)拱肋向跨中縱移，調(diào)整合龍口位置合龍拱肋。

3)繼續(xù)利用纜索吊從邊跨向跨中依次吊裝中跨縱橫梁及吊桿并張拉。兩側(cè)邊墩落梁調(diào)整縱梁合龍口位置，進(jìn)行縱梁合龍后，起頂邊跨鋼梁至設(shè)計(jì)位置安裝正式支座。

4 方案比選

從結(jié)構(gòu)受力、施工難度、經(jīng)濟(jì)及工期等方面對(duì)本橋鋼桁拱架設(shè)的幾種方案進(jìn)行綜合比選。

4.1 結(jié)構(gòu)的受力分析

三種施工方案從架設(shè)設(shè)備上可分為兩種。方案一和方案三均由纜索吊吊裝，方案二由架梁吊機(jī)架設(shè)。從架設(shè)方式上也可分為兩種，方案一為懸臂施工，方案二和方案三采用吊索塔架輔助施工。施工中采用何種設(shè)備和方式對(duì)鋼梁和大臨結(jié)構(gòu)受力影響差異明顯。首先方案二和方案三，同樣是導(dǎo)索塔架輔助施工，但方案二吊裝設(shè)備為拱上架梁吊機(jī)，必須考慮架梁吊機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形的影響；架梁吊機(jī)自重大，隨著鋼梁架設(shè)架梁吊機(jī)走行至跨中，引起鋼梁應(yīng)力和變形比方案一逐漸增大，同時(shí)為保證中跨鋼梁拼裝至最大懸臂狀態(tài)穩(wěn)定性滿足抗傾覆安全系數(shù)不小于1.3，需要在邊跨配置更多的壓重。

根據(jù)鋼梁架設(shè)方式的不同，計(jì)算出不同施工階段鋼梁應(yīng)力、位移和索力，見表1，表2。

表1 方案一計(jì)算結(jié)果

表2 方案三計(jì)算結(jié)果

由表1，表2可見，架設(shè)方式對(duì)鋼梁的應(yīng)力和撓度均有影響。其中方案三的鋼梁應(yīng)力較小，最大壓應(yīng)力約為149 MPa，最大拉應(yīng)力約為144 MPa，方案三的鋼梁位移明顯比方案一的誤差小，鋼梁的線形和應(yīng)力控制更優(yōu)。且通過計(jì)算對(duì)臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，方案一中的臨時(shí)系桿最大索力較方案三中吊索塔架吊索最大索力差異較小。

因此，從鋼梁強(qiáng)度和穩(wěn)定性及大臨結(jié)構(gòu)受力方面，方案一和方案三較方案二都更合適。

4.2 施工難度分析

方案一合龍調(diào)整措施：拱肋合龍口斷面上下弦縱向位移差，通過兩側(cè)拱肋落梁調(diào)整對(duì)稱、平行，縱向間距，通過向跨中縱移一側(cè)拱肋調(diào)整至合龍段長度，實(shí)現(xiàn)拱肋合龍?？v梁合龍口縱向間距，通過向邊跨縱移一側(cè)拱肋調(diào)整至合龍段長度，豎向位移，通過超張拉16號(hào)吊桿調(diào)整至對(duì)稱、平行，實(shí)現(xiàn)縱梁合龍。但落梁高度和縱移量均較大，對(duì)主墩頂與鋼梁之間豎向空間及主墩頂平面尺寸要求較高，否則墩身需要設(shè)置后澆段及較大的頂推反力架。

方案二架梁吊機(jī)吊裝重量需滿足要求。橫向兩片拱肋間距38.2 m，吊機(jī)底盤間距大；鋼梁節(jié)段最大重量約140 t，吊機(jī)吊重大，為適當(dāng)減小吊機(jī)吊重，部分鋼梁節(jié)段需要拆分成桿件吊裝，拆分后最大重量約97 t。目前并沒有這種大噸位的拱上架梁吊機(jī)，架梁吊機(jī)需要新制。拱肋橫向聯(lián)系較弱，架梁吊機(jī)起吊整體穩(wěn)定性較差，安全風(fēng)險(xiǎn)高。

方案三合龍調(diào)整措施：拱肋合龍口斷面上下弦縱向位移差，通過索張拉調(diào)整對(duì)稱、平行，縱向間距，通過向跨中縱移一側(cè)拱肋調(diào)整至合龍段長度，實(shí)現(xiàn)拱肋合龍?？v梁合龍口縱向間距，通過兩側(cè)邊支點(diǎn)拱肋落梁調(diào)整至合龍段長度，豎向位移，通過超張拉16號(hào)吊桿調(diào)整至對(duì)稱、平行，實(shí)現(xiàn)縱梁合龍。由于落梁高度和縱移量均較小，本橋墩身尺寸及高度即可滿足要求。

通過以上分析可知，方案一和方案二相比方案三施工都更為困難。

4.3 經(jīng)濟(jì)、工期比選

方案一和方案三的主要架梁設(shè)備為纜索吊機(jī)，下部結(jié)構(gòu)施工期間僅需設(shè)計(jì)單棧橋即可。方案二的主要架梁設(shè)備是龍門吊機(jī)和架梁吊機(jī)。其中，為滿足龍門吊機(jī)工作要求，需在橋位上、下游分別設(shè)置棧橋，且拱肋合龍后縱梁架設(shè)需要增加橋面吊機(jī)。

根據(jù)前述擬定的三種施工方案，其主要施工設(shè)備和施工結(jié)構(gòu)投入見表3。

表3 三種施工方案對(duì)比表

由表3可見，若考慮施工結(jié)構(gòu)的周轉(zhuǎn)性，則設(shè)備材料的投入關(guān)鍵在于主要的大型設(shè)備。因此，方案二相比方案一和方案三經(jīng)濟(jì)性較差。

對(duì)三種鋼梁架設(shè)施工方案進(jìn)行工期分析后可知，三種鋼梁架設(shè)方案中方案二所需要的總工期最長約15個(gè)月，方案一和方案三的工期基本相同約13個(gè)月。

4.4 小結(jié)

綜上所述，在保證施工安全的前提下，本橋鋼桁拱架設(shè)的三種方案在結(jié)構(gòu)受力安全性、施工難易程度、經(jīng)濟(jì)性和工期等方面的差異見表4。

表4 三種鋼桁拱架設(shè)方案對(duì)比表

顯然，方案三相比其他兩個(gè)方案具有更好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，因此本橋鋼桁梁架設(shè)最終選用纜索吊機(jī)利用吊索塔架輔助施工進(jìn)行架設(shè)的方案。

5 結(jié)語

本文介紹了蘇嶺山大橋的工程特點(diǎn)，經(jīng)過初步分析選取了三種鋼梁架設(shè)方案，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力、施工難度、經(jīng)濟(jì)性及工期結(jié)合本橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、水文地質(zhì)條件等方面的綜合比較及分析，對(duì)架設(shè)各階段進(jìn)行了詳細(xì)分析計(jì)算，確定出最合適方案，施工方便降低安全風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)效益高，架設(shè)方案因地制宜，簡單實(shí)用保障了本橋施工的順利進(jìn)行，并為以后同類型橋梁施工提供有效參考。

鋼桁拱架設(shè)[2,3]可根據(jù)施工實(shí)際情況選用架梁吊機(jī)、纜索吊等設(shè)備，架設(shè)設(shè)備的合理選擇對(duì)于降低施工難度、提高施工效益具有重要意義。以本橋?yàn)槔?，采用纜索吊機(jī)進(jìn)行鋼梁架設(shè)具有吊裝范圍覆蓋全橋的顯著優(yōu)勢，同時(shí)滿足吊裝拱肋節(jié)段和拱肋合龍后橋面縱梁吊裝要求，無需另外投入吊裝設(shè)備。

鋼桁拱架設(shè)從架設(shè)方式上可采用懸臂架設(shè)和吊索塔架輔助施工[4,5]兩類。采用不同的架設(shè)方式，對(duì)鋼梁結(jié)構(gòu)線形控制以及相關(guān)工序具有顯著差異。因此，施工方案擬定時(shí)應(yīng)綜合考慮實(shí)際情況，選取適宜的架設(shè)方式，以方便現(xiàn)場施工組織，降低施工難度。