大跨組合廊橋鋼桁梁施工工藝及影響性分析

胡義新，劉寧波，陳 丁

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040； 2.中交(福州)建設(shè)有限公司，福建 福州 350000；3.中交第二航務(wù)工程局有限公司第六工程分公司，湖北 武漢 430014)

0 引言

廊橋在園林景觀設(shè)計史上具有非常悠久的歷史和廣泛應(yīng)用，展現(xiàn)了古代漢族勞動人民的聰明才智和古代橋梁建造的輝煌成就[1]。古代廊橋跨度較小，通常為木-砌體結(jié)構(gòu)。伴隨著現(xiàn)代建造技術(shù)的發(fā)展，大跨廊橋逐步出現(xiàn)，主要采用鋼桁梁結(jié)構(gòu)實現(xiàn)大跨，如黃山文峰橋廊橋。在橋梁工程的鋼桁梁施工方面，國內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了系列研究，李建等[2]以樟木箐安寧雙線特大橋鋼桁梁施工為背景，研討了支架法架設(shè)鋼桁梁的施工方法；楚躍彬[3]以蒙華重載鐵路跨京廣鐵路特大橋為背景，總結(jié)了拼裝架設(shè)法在跨既有線路條件下的鋼桁梁橋中的應(yīng)用技術(shù)；岳麗娜等[4]在收集和整理國內(nèi)外相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，對鋼桁梁的架設(shè)施工方法作了較詳盡的闡述；榮釗等[5]以泰東高速公路跨黃河大堤橋施工為背景，通過軟件建模結(jié)合現(xiàn)場施工監(jiān)測，驗證了有限元軟件模擬施工過程能有效指導(dǎo)鋼桁梁安裝；周晨等[6]以某橋梁上部結(jié)構(gòu)鋼桁梁施工為背景，對鋼桁梁上跨既有運(yùn)營高速鐵路隧道群拼裝和架設(shè)進(jìn)行了研究。針對部分特殊的大型鋼桁梁橋則出現(xiàn)了系列新工法，如果子溝大橋采用全回轉(zhuǎn)吊機(jī)散拼單元件懸拼法[7]，天興洲大橋鋼桁梁采用橋面吊機(jī)進(jìn)行節(jié)段吊裝懸拼法[8]，北盤江大橋鋼桁梁采用步履式頂推法[9]。

現(xiàn)有廊橋建設(shè)通常采用支架散拼法，如玉屏北門廊橋、五津廊橋、文峰橋廊橋等。而支架散拼法存在周期長、勞動力資源投入多，且有一定安全風(fēng)險，而橋梁施工的創(chuàng)新方法在廊橋鋼桁梁施工中適用性不強(qiáng)?，F(xiàn)依托某橫跨雙幅連續(xù)梁橋的大跨廊橋建設(shè)工程，通過與常規(guī)散拼方案進(jìn)行對比，結(jié)合工藝研究與數(shù)值分析，研究一種全新的鋼桁梁安裝方法及相應(yīng)工裝，以達(dá)到安全、精準(zhǔn)、高效建設(shè)的目標(biāo)。

1 工程概況

某大橋主橋為分離式雙幅變截面連續(xù)梁橋，附屬設(shè)置大跨“鋼-混凝土-木-砌體”組合廊橋結(jié)構(gòu)，其中“木-砌體”為建筑造型需要，“鋼-混凝土”為主要承載結(jié)構(gòu)。主橋兩側(cè)人行道設(shè)置長廊和古亭，0號塊頂部橫向分別設(shè)置1座觀景天橋，即展廊。展廊基礎(chǔ)位于主橋主墩基礎(chǔ)外側(cè)，下構(gòu)頂部設(shè)置觀江閣，觀江閣上構(gòu)橫跨主橋左、右幅，設(shè)置3層；展廊跨度達(dá)60m，與觀江閣2層相連，高5.1m，距橋面6m；展廊上層與觀江閣第3層相連，高7.5m(到屋頂)。廊橋與主橋相對關(guān)系如圖1所示。

圖1 廊橋與主橋結(jié)構(gòu)布置

展廊主要由鋼桁梁、觀景亭、樓道板、砌體墻等組成。展廊鋼桁梁作為關(guān)鍵承載支撐，通過群栓(尺寸間隙1.5mm)與觀江閣豎向剛架進(jìn)行連接，與閣樓豎向剛架連接如圖2所示。鋼桁梁跨度60m、寬9.6m、高5.1m，總重180t，主要由主縱梁、次縱梁、豎桿、斜桿、水平斜撐、橫向聯(lián)系、豎向聯(lián)系等構(gòu)成，連接以栓接為主、焊接為輔，構(gòu)造如圖3所示。

圖2 鋼桁梁連接示意

圖3 鋼桁梁構(gòu)造示意

2 大跨鋼桁梁施工工藝研究

2.1 鋼桁梁施工工藝優(yōu)選

鋼桁梁通常采用的施工方法有支架散拼法、懸拼法、頂推法等，由于鋼梁位于在建雙幅連續(xù)梁橋0號塊上方約6m位置，采用懸拼法和頂推法從操作性、合理性、經(jīng)濟(jì)性等方面適用性均不佳，因此廊橋通常采用支架散拼法，其工藝相對成熟，可操作性強(qiáng)，但存在以下缺點：①平臺結(jié)構(gòu)搭設(shè)周期長，施工受氣候影響大；②高空拼裝鋼桁梁，結(jié)構(gòu)焊接、螺栓擰固質(zhì)量及結(jié)構(gòu)整體線形無法保證；③工人需長時間在高空平臺上作業(yè)，安全風(fēng)險大。

結(jié)合鋼桁梁結(jié)構(gòu)特點及現(xiàn)場施工環(huán)境，現(xiàn)研究提出一種大跨鋼桁梁整體安裝方法，主要涉及鋼桁梁“橋面臥拼+翻轉(zhuǎn)站立+整體提升”施工工藝。該工法可有效改善鋼桁梁線形控制、保障栓焊連接質(zhì)量、降低工人操作風(fēng)險、提升鋼桁梁安裝效率。

2.2 鋼桁梁 “橋面臥拼+翻轉(zhuǎn)站立+整體提升”施工工藝

2.2.1施工準(zhǔn)備

1)鋼桁梁散件運(yùn)至現(xiàn)場前，做好鋼桁梁整體結(jié)構(gòu)的分段規(guī)劃設(shè)計，以主桁架片群栓連接位置作為分段線。鋼桁片分段如圖4所示。

圖4 桁片分段示意

2)測量放樣。將鋼桁梁翻轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動軸線放樣出來，轉(zhuǎn)動軸線位置要求主桁架片翻轉(zhuǎn)后，可精確將2榀桁架片對接成整體，另外，在轉(zhuǎn)動軸線上放樣出主桁片豎桿對應(yīng)節(jié)點位置，再將桁架片臥拼的其他位置放樣出來。桁片轉(zhuǎn)動軸線位置關(guān)系如圖5所示。

圖5 桁片轉(zhuǎn)動軸線位置示意

3)場地超墊及安放翻轉(zhuǎn)輔助裝置。桁片的主縱梁截面尺寸比連接腹桿尺寸大，需對上橫梁及下橫梁之間的位置進(jìn)行超墊，超墊材料采用規(guī)定尺寸的木方，在轉(zhuǎn)動軸豎桿對應(yīng)節(jié)點位置安放翻轉(zhuǎn)輔助工裝，以便順利翻轉(zhuǎn)，有效降低構(gòu)件局部受力造成的變形影響。場地上構(gòu)件超墊如圖6所示。

圖6 超墊示意

4)安裝整體提升系統(tǒng)。在觀江閣豎向剛架上安裝提升支架及提升系統(tǒng)，提升系統(tǒng)與剛架頂采用高強(qiáng)螺栓連接形式。提升支架及系統(tǒng)需根據(jù)提升荷載進(jìn)行專項設(shè)計。提升系統(tǒng)布置如圖7所示。

圖7 提升系統(tǒng)布置示意

2.2.2橋面臥拼

在橋面上進(jìn)行桁架片臥拼。主桁架片1臥拼及橫向連接系安裝同步進(jìn)行，按事先放樣的點將桁架片的上橫梁及下橫梁擺放到位，并用群栓連接起來，之后焊接桁架片內(nèi)部的連接腹桿，最后安裝桁架片之間的橫向連接系，完成主桁架片1的臥拼。按事先放樣的點將桁架片2的上橫梁及下橫梁擺放到位，并用螺栓連接起來，之后焊接桁架片內(nèi)部的連接腹桿，完成主桁架片2的臥拼。主桁架片臥拼平面及橫斷面如圖8所示。

圖8 臥拼平面與橫斷面

2.2.3翻轉(zhuǎn)站立

將拼裝好的主桁架片翻轉(zhuǎn)站立并進(jìn)行連接。汽車式起重機(jī)進(jìn)場，采用鋼絲繩吊著主桁架片，以放樣出來的軸線作為轉(zhuǎn)動軸，通過翻轉(zhuǎn)輔助裝置將主桁架片1和2分別翻轉(zhuǎn)站立，對2榀主桁架片間聯(lián)系實施栓焊組合連接，完成鋼桁梁的整體橋面拼裝。鋼桁架片的翻轉(zhuǎn)站立連接如圖9所示。

圖9 鋼桁架片翻轉(zhuǎn)站立示意

2.2.4整體提升

將鋼桁梁整體提升并栓焊固定。通過已安裝的起重裝備，采用鋼絲繩與鋼桁梁連接，將拼裝好的鋼桁梁整體同步提升至設(shè)計標(biāo)高，并與鋼桁梁兩端的豎向觀江閣支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行栓接固定，起重裝備緩慢卸荷，完成鋼桁梁的整體提升安裝(見圖10)。

圖10 鋼桁梁整體提升示意

3 鋼桁梁直接提升影響性分析

結(jié)合現(xiàn)場實際情況，將鋼桁梁直接進(jìn)行整體提升，選擇計算單元進(jìn)行有限元分析，研究其應(yīng)力及變形影響。

3.1 模型及荷載

根據(jù)設(shè)計提供材料及截面建立鋼桁梁模型，提升支架采用梁單元，鋼桁梁采用桁架單元，鋼絲繩采用索單元進(jìn)行模擬，提升支架與觀江閣豎向剛架采用剛接。恒荷載為結(jié)構(gòu)自重，由有限元軟件自行計入，不考慮活荷載影響[10]。

3.2 數(shù)值分析結(jié)果

通過有限元分析計算[11]，鋼桁梁數(shù)值分析結(jié)果應(yīng)力與位移云圖如圖11所示。

圖11 鋼桁梁應(yīng)力與位移云圖

鋼桁梁最大應(yīng)力為203MPa<300MPa，滿足結(jié)構(gòu)受力要求；最大撓度為37.67mm1.5/2=0.75mm，不滿足群栓安裝要求。

3.3 影響性分析

由分析結(jié)果可看出，鋼桁梁的應(yīng)力分布不均勻，吊點位置應(yīng)力較集中，且局部應(yīng)力達(dá)203MPa，對鋼桁梁間的局部連接焊縫產(chǎn)生較大影響。同時，主桁架片上、下弦桿變形差達(dá)28.6mm，將導(dǎo)致與觀江閣豎向剛架的螺栓群無法施工。

4 鋼桁梁提升吊具研究

為解決鋼桁梁吊裝過程中的應(yīng)力集中及螺栓群安裝問題，需增設(shè)輔助吊具，將鋼桁梁與吊具實施多吊點連接。吊具結(jié)構(gòu)方案一般采用剛性扁擔(dān)梁吊具及桁架梁吊具，考慮到吊具結(jié)構(gòu)的集中受力部位位于端部，但彎矩最大部位設(shè)置于跨中，現(xiàn)研究提出一種魚腹式拱形吊具。現(xiàn)對2種吊具形式分別進(jìn)行計算分析，以便擇優(yōu)選擇最適宜的吊具工裝。

4.1 剛性扁擔(dān)梁吊具

4.1.1結(jié)構(gòu)介紹

現(xiàn)研究設(shè)計一種剛性扁擔(dān)鋼箱梁吊具，主縱梁結(jié)構(gòu)采用截面高1.4m、寬0.9m，腹板厚25mm，上、下板厚30mm的鋼箱梁，鋼箱梁間橫撐采用φ630×6鋼管，鋼管間設(shè)置2[25支撐桿。該吊具結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 剛性扁擔(dān)梁吊具結(jié)構(gòu)

4.1.2數(shù)值分析結(jié)果

通過有限元模擬鋼桁梁整體吊裝工況，鋼桁梁數(shù)值分析結(jié)果應(yīng)力與位移云圖如圖13所示。

圖13 帶剛性吊具整體提升應(yīng)力與位移云圖

鋼桁梁最大應(yīng)力為45MPa<300MPa，滿足結(jié)構(gòu)受力要求；最大撓度為97.95mm

4.1.3影響性分析

由分析結(jié)果可看出，鋼桁梁的應(yīng)力分布均勻，且上、下弦桿變形差滿足與觀江閣豎向剛架的螺栓群連接要求。剛性扁擔(dān)梁吊具自重120t，與鋼桁梁整體提升質(zhì)量達(dá)300t。

4.2 魚腹式拱形吊具

4.2.1結(jié)構(gòu)介紹

吊具形狀設(shè)計成魚腹式拱形，主縱梁采用焊接雙拼HM588型鋼，拱撐、豎桿均采用φ426×6鋼管，拱形支撐間設(shè)置2[32聯(lián)系撐，材質(zhì)均為Q235b，主縱梁下設(shè)鋼絲繩吊點，魚腹式拱形鋼桁架吊具結(jié)構(gòu)如圖14所示。

圖14 魚腹式拱形吊具立面

4.2.2數(shù)值分析結(jié)果

通過有限元模擬采用魚腹式拱形吊具進(jìn)行鋼桁梁整體吊裝的工況，魚腹式拱形吊具整體提升應(yīng)力、構(gòu)件位移、鋼絲繩內(nèi)力等分析結(jié)果如圖15～17所示。

圖15 魚腹式拱形吊具整體提升應(yīng)力與位移云圖

圖16 鋼桁梁結(jié)構(gòu)位移云圖

圖17 鋼絲繩內(nèi)力云圖

鋼桁梁應(yīng)力均<50MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在魚腹式拱形吊具拱撐部位，最大應(yīng)力為180MPa<215MPa，構(gòu)件強(qiáng)度滿足規(guī)范要求；最大撓度為77.5mm

根據(jù)GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》[12]進(jìn)行鋼絲繩選型確定，滿足安全系數(shù)要求。

4.2.3影響性分析

由分析結(jié)果可看出，鋼桁梁的應(yīng)力分布均勻，且上、下弦桿變形差滿足與觀江閣豎向剛架的螺栓群連接要求。魚腹式拱形鋼桁梁吊具自重46t，整體提升質(zhì)量約226t。

4.3 吊具優(yōu)化確定

綜合對比剛性扁擔(dān)梁吊具與魚腹式拱形吊具，魚腹式拱形吊具相比于剛性扁擔(dān)梁吊具：質(zhì)量小60%、上下弦桿變形差小80%且具備更好的變形協(xié)同性。因此，選用魚腹式拱形吊具進(jìn)行鋼桁梁的整體吊裝更適宜。

5 結(jié)語

1)大跨組合廊橋上部結(jié)構(gòu)施工傳統(tǒng)采用支架散拼法，該法工藝相對成熟，可操作性強(qiáng)，但存在施工周期長、線形控制難、操作風(fēng)險大等缺點。

2)研發(fā)的鋼桁梁“橋面臥拼+翻轉(zhuǎn)站立+整體提升”施工工藝，可有效改善鋼桁梁線形控制、保障栓焊連接質(zhì)量、降低工人操作風(fēng)險、提升鋼桁梁安裝效率。

3)鋼桁梁直接吊裝易導(dǎo)致鋼桁梁端部應(yīng)力集中問題，同時主桁架片上、下弦桿變形差遠(yuǎn)超螺栓安裝精度控制標(biāo)準(zhǔn)，將導(dǎo)致鋼桁梁與觀江閣豎向剛架的螺栓群無法施工。

4)鋼桁梁整體吊裝需設(shè)置專用提升吊具工裝，優(yōu)化吊裝傳力路徑，改善鋼桁梁的變形協(xié)同性，便于螺栓群安裝。

5)研發(fā)的魚腹式拱形吊具相比于傳統(tǒng)的剛性扁擔(dān)梁吊具，質(zhì)量更小、上下弦桿變形差更小且具備更好的變形協(xié)同性。