鋼箱拱橋原位拼裝臨時支撐系統(tǒng)施工技術研究

梁 胡，陶小磊，胡立楷

(1.廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001；2.南寧市筑路技術與筑路材料工程技術研究中心，廣西 南寧 530001)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，交通設施建設正處于大力發(fā)展時期。橋梁工程作為交通領域的重要工程，也在不斷進行技術改革。鋼箱拱橋作為比較常見的一類橋梁結構形式，具有結構穩(wěn)定、外觀優(yōu)美等優(yōu)勢，具有強大的生命力，且處于高速發(fā)展狀態(tài)。橋梁施工控制不僅是橋梁施工技術的重要組成部分，而且是確保橋梁施工宏觀質量的關鍵，同時是橋梁建設的安全保證。因此，本文以大風江大橋為例，從臨時支撐系統(tǒng)入手，分析從設計到現(xiàn)場施工所存在的問題及采取的解決辦法，從而建立起一套完善的施工控制體系，為今后類似的橋梁工程建設提供參考。

1 工程概況

圖1 大風江大橋效果圖

蘭海高速公路欽州至北海段改擴建工程大風江大橋右幅為(20+120+20) m的鋼箱梁拱橋，主橋為下承式系桿鋼箱拱，兩側引橋為預應力混凝土簡支小箱梁，設計時速為120 km/h。鋼結構由鋼格構梁、鋼箱拱肋、橫撐、系桿和吊桿組成；鋼格構梁由鋼縱梁、主橫梁、次橫梁和鋼-混凝土組合橋面板組成；主墩為“實體墩、承臺+樁基礎”的形式；下構采用柱式墩臺，墩臺均采用樁基礎。大風江大橋效果圖如圖1所示。

通過與設計方進行溝通及考慮現(xiàn)場實際情況，大風江大橋鋼結構安裝采用原位拼裝法施工[1-2]，主要利用搭設的水上鋼平臺作為上部結構的臨時承重支架。根據(jù)現(xiàn)場施工需要，在欽州岸及北海岸兩側搭建兩處引橋鋼棧橋，用于水上鋼平臺的安裝。鋼棧橋及水上鋼平臺平面布置如圖2所示。

圖2 鋼棧橋及水上鋼平臺平面布置圖(cm)

2 臨時支撐結構方案分析

根據(jù)鋼棧橋及水上鋼平臺布置方案，采用Midas Civil軟件建立相應受力模型，進行受力分析。

2.1 鋼棧橋設計方案分析

施工棧橋主要承擔結構自重、12 m3混凝土攪拌運輸車荷載、80 t履帶吊車行走及工作荷載?？紤]施工車輛通行需求和經(jīng)濟性因素，鋼棧橋引橋設計為長約30 m(傾斜段)+15 m(平臺段)，棧橋岸單車道以6 m寬布置，標準跨度為9 m，最大跨度為9 m，棧橋設計車速為5 km/h。棧橋橫斷面結構布置如圖3所示。

(a)棧橋傾斜段

鋼棧橋作為一個桁架結構，由多種構件組成，需要分別對各個構件進行應力計算分析和變形計算，并對棧橋承載力極限狀態(tài)進行驗算。施工棧橋橋面板采用板單元，分配梁、貝雷架、主橫梁、鋼管樁采用梁單元，剪刀撐等拉結件采用桁架單元模擬。單跨受力模型如圖4所示。

圖4 單跨鋼棧橋受力模型圖

車輛荷載采用車道影響線加載，混凝土罐車按單車道中間及一側加載，80 t履帶吊車按照一個車道走棧橋中間加載，荷載組合分三種工況形式：(1)1.2倍恒載+1.4倍混凝土罐車一側行駛荷載；(2)1.2倍恒載+1.4倍混凝土罐車中間行駛荷載；(3)1.2倍恒載+1.4倍履帶吊整橋行駛荷載[3]。

經(jīng)受力模型分析，在各種工況組合下，鋼棧橋各構件承載力及樁身強度、穩(wěn)定性滿足設計要求，不同工況作用下結構的最大應力如表1所示。

表1 施工棧橋主要構件最大組合應力計算結果表(MPa)

2.2 水上鋼平臺設計方案分析

水上鋼平臺全長117 m，寬36 m，自重包括鋼平臺橋面板及橋面板以下結構的自重、胎架自重、鋼格構梁自重、鋼墊塊自重、拱肋及拱肋橫撐自重、15 cm厚C40鋼纖維混凝土自重、汽車吊自重、防撞護欄自重及行人荷載。水上鋼平臺橫、縱斷面布置圖如圖5所示。

(a)水上鋼平臺橫斷面

同鋼棧橋一樣，水上鋼平臺需要對各個構件進行應力計算分析和變形計算分析。采用桁架單元進行模擬，建立Midas Civil有限元模型，如圖6所示。對于橋梁上部結構，最不利荷載為合龍前兩臺汽車吊就位起吊時結構所受荷載。根據(jù)大風江大橋拱肋分段情況，取10個荷載工況進行分析，分別計算橋面板、分配梁、貝雷梁和橫梁正應力、剪應力以及變形；對于下部結構，需要分別計算鋼管樁承載力、穩(wěn)定性與抗傾覆能力。根據(jù)受力分析情況，水上鋼平臺主要構件承載能力及穩(wěn)定性滿足要求。主要計算結果如表2所示。

圖6 水上鋼平臺受力模型圖

表2 水上鋼平臺主要構件計算結果匯總表

由此可見，鋼棧橋及水上鋼平臺設計滿足要求，可以進行施工。

3 施工工藝研究

根據(jù)驗算通過的臨時支撐結構設計方案，進行鋼棧橋及水上鋼平臺施工。施工工藝流程如圖7所示。

圖7 鋼棧橋及鋼平臺施工工藝流程圖

3.1 鋼管樁施工工藝研究

根據(jù)設計情況，鋼棧橋及水上鋼平臺總計需要234根鋼管樁，所有樁尺寸均為φ590 mm×10 mm。鋼管樁沉樁按照先連接平臺后引橋鋼棧橋的順序施工，在兩岸同時進行。鋼管樁采用KH300型80 t履帶吊結合DZJ-135型振動錘進行安裝。根據(jù)大風江大橋工程地質勘察說明，平臺所處位置地下土層由全風化巖、強風化巖和中風化巖組成，因此，在進行施工時要考慮沉樁能否達到設計樁深以及鋼管樁會否產(chǎn)生滑移。為解決這些問題，現(xiàn)場采用振動錘加強振動方式：首先進行緩慢振動，嵌入巖層，這樣能夠避免對鋼管樁及振動設備造成損傷，保證沉樁過程中不發(fā)生偏位，同時避免巖石過硬對振動設備造成一定損傷；然后逐步加強振動速度，達到預定振動速度后保持勻速振動，直至到達預定沉樁深度。為保證平臺架設期間施工便捷，單根樁入巖長度按照不足0.5 m按0.5 m控制，超過0.5 m不足1 m按1 m控制，超過1 m按1.5 m控制。

鋼管樁節(jié)段間焊接采用坡口焊，吊裝接長鋼管兩節(jié)間的對口間隙為2～4 mm，焊接應對稱進行。應用多層焊，各層焊縫接頭應在對接處設置加筋板，尺寸為200 mm×100 mm×10 mm，加筋板與兩節(jié)樁需焊接牢靠。

相鄰鋼管樁施工完成后及時進行橫聯(lián)施工，保證其整體穩(wěn)定性。橫聯(lián)采用20a號槽鋼，一跨鋼管樁施工完成后，立即進行下橫梁施工。采用14a號雙拼工字鋼，在工字鋼上、下兩面用鋼板焊接成整體，鋼板尺寸為20 cm×20 cm×6 mm，每50 cm設置一道。

3.2 貝雷梁施工工藝研究

貝雷梁在岸上按跨3～5片拼裝好，兩排至四排一組采用支撐架進行豎向及橫向聯(lián)結，并使用8#槽鋼作為結構補強桿安裝在相應位置[4]。拼裝完成后應仔細檢查各連接部位構件情況，并進行試吊(整體起吊50 cm)，試吊合格后采用整體吊裝方式將貝雷梁一次吊裝至孔位。每片貝雷梁均設置限位，將切割成U型的20#槽鋼作為限位裝置，如圖8所示。

圖8 U型限位裝置示意圖(cm)

3.3 分配梁及橋面板施工工藝研究

分配梁采用20a號工字鋼與10 mm厚鋼板按照長6 m、寬3 m為一塊焊接成整體，分配梁縱向按30 cm間距布置，整體吊裝至貝雷梁上，通過U型板扣與貝雷梁固定，如圖9所示。

圖9 橋面板與分配梁固定示意圖

大風江橋鋼結構采用原位拼裝法施工，對于鋼平臺橋面平整度有較高要求，因此，現(xiàn)場鋪裝鋼板時，要保證鋼板間不能重疊。如遇重疊部分，使用火焰切割機及時切割，焊接鋼板時掉落至鋼平臺上的焊渣也要及時清理打磨。

4 鋼平臺預壓及監(jiān)控

4.1 水上鋼平臺預壓

水上鋼平臺在施工完成后進行預壓，預壓的目的是檢驗水上鋼平臺的強度及穩(wěn)定性，檢驗設計的合理性，消除水上鋼平臺的非彈性變形(包括沉降變形和各接觸部位的變形)，同時可測出鋼平臺各處撓度變形量，確保鋼平臺安全。本項目水上鋼平臺采用水袋加載的方式逐跨進行。

根據(jù)受力情況，將水袋堆疊到指定預壓跨，按24 m每跨，共5跨進行預壓，并按照施工工況分級預壓。以鋼格構梁自重、增加混凝土重量，再增加“拱肋+胎架”重量及1.2倍總重量為設計荷載[3]，分四級進行預壓。加載前需對水上鋼平臺初始數(shù)據(jù)進行檢測，每級預壓加載到位后需對水上鋼平臺沉降、變形等數(shù)據(jù)進行觀測，合格后方可進行下一級加載。預壓荷載如表3所示。

表3 水上鋼平臺預壓荷載數(shù)據(jù)匯總表

4.2 水上鋼平臺沉降觀測變形點布置

鋼平臺沉降觀測點布置如圖10所示。圖中，倒三角符號表示沉降點布置位置。具體布置方式為：在貝雷梁架設完成后，每間隔4 m布設一個截面，每個截面分別布設左、中、右3個沉降觀測點，共布設87個沉降觀測點，并用數(shù)字水準儀進行測量。鋼管樁沉降觀測點布置如圖11所示。布置方式為：在外側鋼管樁頂部布設棱鏡，在第三列和第七列鋼管樁中部布設反射片，可同時監(jiān)測鋼管樁基礎沉降以及縱、橫向變位，共布置16個棱鏡和12個反射片觀測點，并用高精度測量機器人進行測量。

圖10 鋼平臺沉降觀測點布置圖(cm)

(a)平面

以第三跨為例，水上鋼平臺第三跨預壓頂面沉降量觀測部分如表4所示。由表4可知，鋼平臺頂面沉降量較小，滿足要求。水上鋼平臺第3跨預壓鋼管樁變形量監(jiān)測部分如表5所示。由表5可知，鋼管樁變形量較小，在規(guī)范允許范圍內，滿足要求[5]。

表5 水上鋼平臺第3跨預壓鋼管樁變形值監(jiān)測結果表

5 結語

本文探討了臨時支撐系統(tǒng)在鋼箱拱橋原位拼裝法中的應用。在鋼箱拱橋原位拼裝法施工中，鋼棧橋及水上鋼平臺起到臨時支撐作用，同時為鋼格構梁以及拱肋安裝提供了足夠的工作平臺。本文根據(jù)施工時的最不利荷載形式確定臨時支撐系統(tǒng)的結構布置，并建立有限元模型進行驗算；在施工過程中，針對某一環(huán)節(jié)存在的具體問題，提出了相應改進措施；水上鋼平臺搭設完成后進行預壓，并對結構沉降進行監(jiān)控，以確保支撐結構的承載能力及沉降量滿足要求。

通過后期監(jiān)控，臨時支撐結構滿足使用要求。由此可見，本文所介紹的原位拼裝法施工臨時支撐系統(tǒng)可對鋼結構類橋梁的安裝提供可行性思路。