架橋機(jī)應(yīng)用于預(yù)制裝配橋梁施工的關(guān)鍵技術(shù)

葛純熙

[上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司，上海市200092]

0 引言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展以及經(jīng)濟(jì)的快速提升，橋梁建設(shè)的數(shù)量和規(guī)模都在不斷增加。對(duì)于現(xiàn)代橋梁建設(shè)來(lái)說(shuō)（特別是大型橋梁），架橋機(jī)已經(jīng)成為必不可少的組成部分，其能夠方便完成橋梁施工、提升工作效率、確保施工安全[1]。

橋梁預(yù)制裝配式施工工藝相比傳統(tǒng)的混凝土模板現(xiàn)澆工藝，具有質(zhì)量易于控制、施工迅速、對(duì)環(huán)境影響較小的優(yōu)勢(shì)，尤其在城市高架橋建造施工中逐漸得到了認(rèn)可和大規(guī)模應(yīng)用[2]。上海市嘉閔高架、濟(jì)陽(yáng)路快速化改造、S7 滬崇高速等工程均在全線使用預(yù)制裝配式施工方法。閔浦三橋首次在跨黃浦江大橋的引橋上采用預(yù)制裝配式施工工藝，立柱、蓋梁、小箱梁以及防撞護(hù)欄均采用預(yù)制場(chǎng)內(nèi)預(yù)制完成，施工現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)大型起重設(shè)備精準(zhǔn)吊裝就位的方法。

1 工程概況

閔浦三橋引橋總長(zhǎng)度約為1.4 km，其中南岸680 m（20 跨），北岸720 m（21 跨）。引橋?yàn)殡p幅布置，每幅橋面寬12 m，單向三車道。引橋采用雙柱式蓋梁橋墩，標(biāo)準(zhǔn)跨徑35 m，主梁結(jié)構(gòu)為梁高1.9 m的小箱梁，并按照梁體簡(jiǎn)支、橋面連續(xù)的結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖1。

圖1 引橋結(jié)構(gòu)布置圖（單位：cm）

在立柱、蓋梁現(xiàn)場(chǎng)吊裝完成后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)地情況采用架橋機(jī)進(jìn)行主梁的安裝。架橋機(jī)在梁體架設(shè)安裝施工過(guò)程中存在其自身的優(yōu)勢(shì)，架橋機(jī)施工時(shí)受到地面環(huán)境的限制較小，并且也能夠適應(yīng)全天候，全類型的橋梁施工[3]。由于預(yù)制裝配式工藝的引橋與傳統(tǒng)工藝引橋有一定的差異，而且閔浦三橋也首次采用防撞護(hù)欄與小箱梁一同預(yù)制后現(xiàn)場(chǎng)安裝，因此在進(jìn)行主梁安裝過(guò)程中，涉及了多種復(fù)雜的工況。本文以閔浦三橋引橋主梁安裝為例，詳細(xì)介紹在預(yù)制裝配式橋梁中架橋機(jī)架梁的關(guān)鍵施工工藝。

2 架橋機(jī)施工過(guò)程驗(yàn)算

近些年，架橋機(jī)施工中出現(xiàn)的事故也偶有發(fā)生[4]，結(jié)合閔浦三橋引橋預(yù)制拼裝的特色，施工前方案中工況的考慮和計(jì)算顯得尤為重要。

2.1 架橋機(jī)縱移

標(biāo)準(zhǔn)跨徑為35 m 的小箱梁，總體重量約為170 t，增加了預(yù)制防撞墻之后，梁體的總重量接近205 t。按照荷載規(guī)范要求，原本只要200 t 起重量的架橋機(jī)增大到260 t 才能滿足。架橋機(jī)型號(hào)增大，適應(yīng)的架設(shè)跨度也會(huì)增大[5]，傳統(tǒng)的260 t 公路架橋機(jī)，一般最大跨度在40～50 m，因此對(duì)于閔浦三橋引橋施工的架橋機(jī)不需要增加尾部配重就能滿足空載過(guò)跨的最不利工況。

方案要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際施工來(lái)制定才具有可行性。在預(yù)制防撞墻一體化小箱梁的初期就決定了采用架橋機(jī)進(jìn)行架設(shè)，為了能保證架橋機(jī)縱移時(shí)，給支腿和橫移軌道留有空間，見(jiàn)圖2。在防撞墻梁端位置各留出2 m 的空間，這2 m 的防撞墻在梁體架設(shè)完成后再進(jìn)行接順后澆施工。

圖2 防撞墻預(yù)留現(xiàn)場(chǎng)澆筑位置示意圖

2.2 架橋機(jī)橫移

架橋機(jī)橫移的工況更為復(fù)雜，由于閔浦三橋引橋?yàn)殡p幅引橋，為了提高架橋機(jī)架梁施工效率，架橋機(jī)從雙幅引橋之間橫移切換勢(shì)在必行。不同于蓋梁上方的軌道，對(duì)位于兩個(gè)蓋梁之間的軌道，采用魚(yú)腹梁的形式進(jìn)行了加強(qiáng)，確保了軌道上表面的平順密接，同時(shí)魚(yú)腹式的加強(qiáng)增強(qiáng)了軌道的抗彎能力。

除了架橋機(jī)空載橫移跨幅之外，在方案初期也考慮了架橋機(jī)帶著小箱梁一同跨幅。需要對(duì)跨幅過(guò)程中最不利的情況進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)圖3。圖中描述了架橋機(jī)位于兩幅橋之間，并準(zhǔn)備在蓋梁的一側(cè)將梁提起。架橋機(jī)總重約為260 t，在前支腿的一側(cè)重量約為65 t，梁體總重約為205 t，前支腿大約承受一半的重量約為102.5 t。根據(jù)實(shí)際情況將荷載和尺寸明確在計(jì)算簡(jiǎn)圖中。

圖3 提梁跨幅最不利工況計(jì)算示意圖（單位：cm）

通過(guò)建模計(jì)算得到蓋梁底部最大拉應(yīng)力1.64 MPa，小于蓋梁C50 混凝土抗拉設(shè)計(jì)允許值1.855 MPa。蓋梁最大剪力值為2763 kN，小于抗剪承載力容許值。而在遠(yuǎn)離荷載一側(cè)立柱頂彎矩491 kN·m，立柱頂軸力為拉力726 kN，對(duì)于局部節(jié)點(diǎn)受力較為不利。在極端的受力情況下，預(yù)制拼裝的立柱變?yōu)榫哂休^大拉力的偏拉構(gòu)件。在與設(shè)計(jì)進(jìn)一步復(fù)核后，不滿足下部預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)的受力要求。

結(jié)合這樣的計(jì)算結(jié)果，架橋機(jī)無(wú)法提梁跨幅，施工方案將只在單幅引橋設(shè)置喂梁通道調(diào)整為雙幅引橋均設(shè)置喂梁通道，每幅引橋的小箱梁均沿著各自引橋運(yùn)至架設(shè)的位置，從而經(jīng)濟(jì)合理地避開(kāi)了架橋機(jī)提梁過(guò)跨的施工需求。

2.3 喂梁、架梁施工細(xì)節(jié)驗(yàn)算

閔浦三橋引橋小箱梁采用小尺寸濕接縫，濕接縫寬度僅為30 cm，搭接鋼筋為非焊接，澆筑C80 混凝土?；谶@樣的構(gòu)造，在濕接縫澆筑之前，一跨之內(nèi)的三榀小箱梁并未形成整體。梁上運(yùn)梁就需要更加謹(jǐn)慎，如果橫跨邊梁和中梁，可能會(huì)導(dǎo)致梁體受力不平衡而傾覆，因此運(yùn)梁車車輪只能全部作用在中梁腹板的上方。

為了確保運(yùn)梁車的安全，除了在中梁上劃好行車線確保車輛平穩(wěn)通行，也對(duì)滿載的運(yùn)梁車只作用在中梁的工況進(jìn)行了驗(yàn)算，經(jīng)過(guò)圖4 中兩個(gè)工況的驗(yàn)算，抗彎和抗剪的均能夠滿足，從而確保梁上運(yùn)梁的安全實(shí)施。

圖4 梁上運(yùn)梁的驗(yàn)算工況（單位：mm）

作為防撞墻一體化預(yù)制的邊梁，梁體重心偏向了防撞墻一側(cè)，增加了梁體傾覆的風(fēng)險(xiǎn)[6]。在吊裝和落梁的過(guò)程中精準(zhǔn)的計(jì)算出重心的位置尤為重要。從圖5 中可以看出，1.9 m 高的小箱梁，一側(cè)增加1.1 m高的防撞墻，經(jīng)過(guò)計(jì)算，重心偏移了31.3 cm。為了確保吊梁過(guò)程中梁體的空中姿態(tài)水平，讓重心位于扁擔(dān)的正下方，將吊梁的扁擔(dān)兩側(cè)做了適當(dāng)延長(zhǎng)的設(shè)計(jì)。小箱梁每一端采用雙支座，偏移后的重心仍然位于兩個(gè)支座之間，梁體并不會(huì)出現(xiàn)傾覆[7]。

圖5 重心偏移的邊梁吊裝（單位：mm）

3 特殊工況驗(yàn)算

閔浦三橋引橋小箱梁架設(shè)安裝過(guò)程中，除了架橋機(jī)配合預(yù)制裝配式橋梁結(jié)構(gòu)施工的常規(guī)動(dòng)作外，還存在兩個(gè)極為特殊的工況需要仔細(xì)驗(yàn)算，這兩個(gè)工況也出現(xiàn)在類似的工程中，具有相當(dāng)明顯的指導(dǎo)意義。

3.1 過(guò)渡墩段架梁

架橋機(jī)從地面開(kāi)始架設(shè)，最后一跨與之前的情況有所不同。最后一跨本來(lái)應(yīng)該將架橋機(jī)橫移軌道放在主橋過(guò)渡墩上[8]，但是由于主橋的邊跨梁段已經(jīng)架設(shè)完成，見(jiàn)圖6，只能將軌道放置在已經(jīng)就位的主梁之上。為了能夠?qū)⒁龢虻倪吜喊惭b就位，架橋機(jī)必須橫移至主梁的挑臂位置。

圖6 主橋邊跨先于引橋安裝完成

閔浦三橋主梁采用疊合梁的形式，標(biāo)準(zhǔn)斷面為開(kāi)口鋼箱梁疊合預(yù)制混凝土橋面板。在過(guò)渡墩位置設(shè)計(jì)單位考慮到局部受力，采用的是全截面鋼箱梁后澆混凝土橋面板，截面尺寸見(jiàn)圖7。架橋機(jī)架設(shè)安裝最后一跨引橋時(shí)，橫移軌道直接鋪設(shè)在鋼梁的頂板上，架橋機(jī)提梁的施工時(shí)，頂板上方局部的支腿分擔(dān)的重量超過(guò)100 t。盡管已經(jīng)將橫移軌道放置在鋼箱梁內(nèi)有橫隔板的位置，但是施工之前必須對(duì)鋼梁的挑臂進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算。

圖7 過(guò)渡墩頂鋼梁的尺寸設(shè)計(jì)（單位：mm）

采用ANSYS 有限元軟件對(duì)挑臂位置進(jìn)行建模，模型采用板殼單元shell63 來(lái)模擬，單元按照四邊形來(lái)劃分，按照對(duì)稱性的原則，只建立梁體含挑臂的鋼梁，其中頂板、肋板和箱梁內(nèi)部的隔板均按照實(shí)際尺寸進(jìn)行建立。架橋機(jī)的重量和邊梁的重量均按照實(shí)際工況分?jǐn)偟絻蓚€(gè)支腿上，外側(cè)的支腿分擔(dān)的重量更重一些，模型最終荷載取值為外側(cè)受力為140 t，內(nèi)側(cè)受力為90 t。

計(jì)算結(jié)果表明，懸臂的最外端位移最大值為2.02 cm，整體受力比較合理，但是在內(nèi)側(cè)的橫隔板位置出現(xiàn)了較大的應(yīng)力值，見(jiàn)圖8（b），等效換算應(yīng)力值約為355 MPa，閔浦三橋的鋼材種類為Q345q 類型，計(jì)算值355 MPa 大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度，存在較大的安全隱患。為了能夠確保在最不利狀況下實(shí)施架橋機(jī)安裝，對(duì)梁體內(nèi)部的橫隔板進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)，在轉(zhuǎn)角位置增加了橫橋向1 m，高度0.7 m 等厚度的鋼板并重新建模進(jìn)行了計(jì)算。轉(zhuǎn)角位置的等效換算應(yīng)力下降到260 MPa，懸臂最外端的位移最大值也下降為1.94 cm，對(duì)于懸挑長(zhǎng)度為4.5 m 的鋼結(jié)構(gòu)挑臂來(lái)?yè)Q算，等效撓度比為，滿足規(guī)范中的鋼結(jié)構(gòu)變形要求。

圖8 有限元模型建立以及兩種工況下計(jì)算的應(yīng)力值

基于計(jì)算結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)施工前，首先對(duì)橫移軌道下方的枕木進(jìn)行了增強(qiáng)，確保局部位置受力分散均勻，同時(shí)對(duì)橫移軌道下方的橫隔板轉(zhuǎn)角進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)，確保最不利工況下鋼梁各個(gè)位置的應(yīng)力均小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度。最終小箱梁架設(shè)安全完成，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的挑臂最大位移值約為0.9 mm，施工完成后，未留下殘余變形。

3.2 小半徑架梁

閔浦三橋北岸引橋，為了避開(kāi)閔行區(qū)某發(fā)電廠，整個(gè)線路向西偏移約400 m，引橋的主線轉(zhuǎn)彎半徑降為650 m，內(nèi)側(cè)一幅的曲線半徑僅為635 m。對(duì)于架橋機(jī)整體而言，雙主梁和前后支腿組成一個(gè)長(zhǎng)方形，整個(gè)長(zhǎng)方形在一個(gè)曲線半徑很小的區(qū)域里，可能會(huì)出現(xiàn)邊梁一端無(wú)法架設(shè)到位的情況[9]，因此在施工前，對(duì)小半徑施工區(qū)域內(nèi)的小箱梁架設(shè)進(jìn)行了詳細(xì)的模擬。

根據(jù)弦切角定理，半徑635 m 的圓弧，35 m 的弦長(zhǎng)位置，圓弧點(diǎn)與切線的距離為0.965 m。換成架梁過(guò)程中的實(shí)體，35 m 的梁段長(zhǎng)度上，前后支腿在橫橋向與蓋梁相對(duì)位置始終錯(cuò)開(kāi)96.5 m 距離。

首先對(duì)前支腿的位置進(jìn)行模擬，確定了前支腿移動(dòng)到最邊緣時(shí)，架橋機(jī)的主梁中心線在蓋梁邊緣外側(cè)85 cm（見(jiàn)圖9（a）），此時(shí)中支腿位置的主梁中心線應(yīng)該在蓋梁邊緣內(nèi)側(cè)11.5 cm。接下來(lái)模擬中支腿位置架設(shè)邊梁的極限情況，按照天車的吊索與架橋機(jī)主梁貼緊來(lái)考慮，此時(shí)為了能夠架設(shè)邊梁，架橋機(jī)的主梁中心線最靠?jī)?nèi)側(cè)的位置是蓋梁以內(nèi)13 cm（見(jiàn)圖9（b））。根據(jù)相對(duì)位置的模擬，在距離蓋梁以內(nèi)11.5 cm 的情況下中支腿位置是能夠保證邊梁架設(shè)到位，也避免了架橋機(jī)主梁進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)較高的轉(zhuǎn)角處理。

圖9 小半徑位置的真實(shí)模擬（單位：cm）

小半徑曲線區(qū)域的蓋梁是隨著主線不斷旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致前后兩跨的蓋梁并不平行，而架橋機(jī)的前中支腿橫移軌道必須平行，因此中支腿的軌道需要按照前支腿軌道的位置平行放置。因此中支腿的軌道與梁端的過(guò)孔線并不平行，距離最大的位置約有1.2 m的距離，這個(gè)偏差能夠在2 m 的防撞墻后澆區(qū)域內(nèi)進(jìn)行有效地調(diào)整。

3.3 梁體架設(shè)完成

對(duì)架橋機(jī)整個(gè)施工過(guò)程中各個(gè)工況進(jìn)行計(jì)算和模擬，閔浦三橋南北岸引橋的小箱梁架設(shè)安裝過(guò)程全程受控（見(jiàn)圖10）。經(jīng)過(guò)南北岸各1 個(gè)月的時(shí)間連續(xù)施工，架橋機(jī)高精度的完成了大縱坡、小半徑的防撞墻一體化小箱梁的安裝架設(shè)。小箱梁位置準(zhǔn)確，梁體所形成的橫坡、縱坡平順，防撞墻整體線型順直，梁體之間的濕接縫間距控制滿足設(shè)計(jì)，達(dá)到了預(yù)制裝配式施工中上部結(jié)構(gòu)梁體安裝的精度要求。

圖10 引橋小箱梁架設(shè)安裝完成

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)閔浦三橋248 榀小箱梁采用架橋機(jī)架設(shè)的施工工藝進(jìn)行總結(jié)，得到以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）對(duì)于防撞墻一體化預(yù)制的小箱梁，采用架橋機(jī)架設(shè)安裝時(shí)，需要在小箱梁預(yù)制過(guò)程中充分考慮架橋機(jī)施工過(guò)程中的預(yù)留構(gòu)造空間，確保架橋機(jī)能夠順利施工。

（2）下部結(jié)構(gòu)為預(yù)制裝配式工藝施工完成，架橋機(jī)在進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)架梁施工時(shí)，需要考慮最不利工況下對(duì)于下部結(jié)構(gòu)的受力影響，保證下部結(jié)構(gòu)的拼裝節(jié)點(diǎn)受力滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）施工過(guò)程中，架橋機(jī)可能會(huì)跨越多種結(jié)構(gòu)類型的主梁，在過(guò)渡墩位置需要根據(jù)施工工況計(jì)算蓋梁前后的架梁工況，確保過(guò)渡墩兩側(cè)的梁體受力均能滿足。

（4）對(duì)于架橋機(jī)施工中出現(xiàn)的空間位置限制所可能導(dǎo)致的不能一次性準(zhǔn)確落梁的情況，需要在模型中進(jìn)行多工況精準(zhǔn)模擬，避免強(qiáng)行移動(dòng)超限導(dǎo)致架橋機(jī)出現(xiàn)側(cè)翻事故。

本文相關(guān)的施工工藝和關(guān)鍵技術(shù)能夠更好地指導(dǎo)目前日益增多的預(yù)制裝配式橋梁結(jié)構(gòu)中合理運(yùn)用架橋機(jī)施工，從而為架橋機(jī)在類似工程中施工提供成功經(jīng)驗(yàn)和參考。