斜拉橋鋼箱梁整體拼裝及河道浮運技術(shù)研究

蔣暉 趙小浪 過勇 李沛洪 朱育才

廣州市第二市政工程有限公司 510060

引言

隨著社會經(jīng)濟建設(shè)不斷發(fā)展，斜拉橋主梁采用鋼箱梁形式越來越廣泛，同時斜拉橋鋼箱梁施工技術(shù)也在不斷創(chuàng)新，特別是鋼箱梁制作、運輸、吊裝是未來發(fā)展的趨勢。眾多學(xué)者針對該領(lǐng)域進行研究，張濤、莊國方等［1-5］基于BIM技術(shù)對橋梁鋼箱梁等施工部位進行研究解決鋼箱梁施工難題；周彥文、邱榮軍等［6-9］對鋼箱梁吊裝和浮運定位進行研究有效解決鋼箱梁大物件安裝問題。通常大跨度橋梁施工場地開闊，具備良好的通航條件、具有各類型先進運梁臺車，能實現(xiàn)鋼箱梁在廠房內(nèi)整體自動焊接成型，然后使用大型運梁臺車轉(zhuǎn)運，通過船舶運輸?shù)竭_安裝位置。但對于橋梁所處施工場地受限，缺少先進運梁臺車，所處河流上下游存在攔河水壩缺少通航條件，重量重和尺寸大的鋼箱梁制作和運輸是亟待解決的問題。本文針對較少場地內(nèi)以及不通航內(nèi)河等不利施工條件的現(xiàn)狀，區(qū)別于現(xiàn)有鋼箱梁制作與運輸?shù)姆椒?，引入了基于BIM技術(shù)的鋼箱梁拼裝場地布置、鋼箱梁整體拼裝、鋼箱梁從陸地運輸至浮箱技術(shù)、浮箱及浮運體系建立等施工方法，從而保證了斜拉橋施工質(zhì)量。

1 工程概況

鴨嘴巖大橋為獨塔雙索面斜拉橋，跨度為319m（200m＋74m＋45m），橋面寬36m、主塔高100m。采用鋼-混凝土組合橋塔，縱、橫橋向塔軸線均呈曲線。斜拉橋主跨200m為跨河段，采用鋼箱梁，邊跨74m＋45m為陸地跨（河岸），采用現(xiàn)澆混凝土，大橋全貌如圖1所示。由于河流為不通航、河岸的施工場地有限、起重設(shè)備起重能力有限，需提出在較少場地內(nèi)的鋼箱梁拼裝場地布置、鋼箱梁整體拼裝，并且在不通航河道內(nèi)進行鋼箱梁從陸地運輸至浮箱技術(shù)、浮箱及浮運體系建立等解決方法。

圖1 大橋全貌Fig.1 Full view of the bridge

2 鋼箱梁場地布置方法

對于較少場地的鋼箱梁場地布置，主要包括運輸?shù)缆?、板單元存放區(qū)、頂?shù)装孱A(yù)拼區(qū)、總拼區(qū)、存梁區(qū)以及浮運港池。以鴨嘴巖大橋為例，拼裝場地長約170m、寬約50m。按照BIM模擬效果，在施工場地上建立相應(yīng)區(qū)域，如圖2所示。整個場地布置呈現(xiàn)流水線作業(yè)，在狹小的制造區(qū)域內(nèi)加快了鋼箱梁制造效率［10-12］。

圖2 場地布置BIM模擬Fig.2 BIM simulation of site layout

（1）運輸?shù)缆?。拼裝場地的道路與外界道路接通，場地內(nèi)的道路寬度為10m。（2）板單元存放區(qū)。板單元存放區(qū)長42m、寬50m。板單元存放區(qū)也進行內(nèi)部分區(qū)，主要分為底板存放區(qū)、頂板存放區(qū)、隔板存放區(qū)、腹板存放區(qū)。20t龍門吊兩個軌道之間距離是40m，龍門吊軌道經(jīng)過板單元存放區(qū)、頂?shù)装孱A(yù)拼區(qū)、總拼區(qū)。（3）頂?shù)装孱A(yù)拼區(qū)。頂?shù)装孱A(yù)拼區(qū)長27m、寬50m。頂?shù)装孱A(yù)拼區(qū)的地面由水泥混凝土支墩布滿場地，作用是支承頂?shù)装逡员阌陬A(yù)拼裝，可同時滿足兩個鋼箱梁頂?shù)装孱A(yù)拼工作，當(dāng)頂?shù)装逋瓿深A(yù)拼后通過龍門吊將頂?shù)装宀考跹b至總拼區(qū)進行拼裝。（4）總拼區(qū)?？偲磪^(qū)長40m、寬50m，可同時進行兩個鋼箱梁總拼工作。總拼區(qū)由胎架組成，胎架的作用是定位和支承。運梁車軌道經(jīng)過總拼區(qū)和存梁區(qū)。（5）存梁區(qū)。存梁區(qū)長25m、寬50m，可同時進行兩個鋼箱梁存放工作。存梁區(qū)由凸起承臺組成，運梁車通過運梁軌道將在總拼區(qū)的鋼箱梁移動至存梁區(qū)存放，等待浮運。（6）浮運港池。浮運港池的頂部長30m、寬50m，港池的邊坡為1∶1，深度約為4m，水深約2m。浮箱能夠進入至港池內(nèi)，通過運梁小車將在存梁區(qū)的鋼箱梁通過搭設(shè)的貝雷梁和正方形支撐梁上的軌道運至浮箱上，退出運梁小車，浮箱出港，拖拽至鋼箱梁吊裝位置。

3 鋼箱梁整體拼裝方法

鋼箱梁整體拼裝主要遵循流程如圖3所示。總拼采用“正裝法”，以胎架為外胎，以橫隔板為內(nèi)胎，各板單元按縱、橫基線就位，輔以加固設(shè)施以確保精度和安全，梁段總拼在胎架上一次完成。梁段組裝按照總拼流程的順序，實現(xiàn)立體階梯形推進方式逐段組裝與焊接。在BIM技術(shù)協(xié)助下在拼裝場地對鋼箱梁進行總體拼裝，模擬過程如圖4所示。

圖3 拼裝流程Fig.3 Assemble process

圖4 基于BIM技術(shù)鋼箱梁總拼流程模擬Fig.4 Simulation of general assembly process of steel box girder based on BIM technology

4 鋼箱梁運輸方法

4.1 鋼箱梁陸上轉(zhuǎn)運方式

在總拼區(qū)和存梁區(qū)的兩側(cè)設(shè)置運梁軌道，每一側(cè)運梁軌道布置運梁小車，使用千斤頂將總拼區(qū)鋼箱梁頂起。接著開入運梁小車，卸下千斤頂，使鋼箱梁落至運梁小車上，驅(qū)動運梁小車使運梁小車移動至存梁區(qū)。然后使用千斤頂頂起鋼箱梁，退出運梁小車，放下千斤頂使鋼箱梁落至存梁區(qū)的支承臺上。

4.2 存梁區(qū)和港池區(qū)運輸方法

采用浮運支架對鋼箱梁進行浮運，港池區(qū)域放置浮箱。通過在浮箱上放置正方形支撐梁以及在港池邊坡上進行鋼管樁貝雷梁支架搭設(shè)，并在正方形支撐梁以及貝雷梁支架上安放運梁軌道，使運梁小車開至貝雷梁支架上直至正方形支撐梁上。放下千斤頂使鋼箱梁落于浮箱支架上并針對浮箱的下沉情況進行抽水上浮，保證整體鋼箱梁浮箱的穩(wěn)定性和安全性，退運梁小車。打開靠河流側(cè)的正方形支撐梁以及貝雷梁支架的連接螺栓，拖拽浮箱使鋼箱梁和浮箱出港。浮運體系參數(shù)見表1。

表1 浮運體系各項目力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of each item in the floating transport system

運用BIM技術(shù)模擬存梁區(qū)和港池區(qū)運輸過程，并對正方形支撐梁以及浮運支架進行BIM建模以及安全性分析，如圖5所示。

圖5 基于BIM技術(shù)存梁區(qū)和港池區(qū)運輸模擬Fig.5 Transport simulation of beam area and harbor area based on BIM technology

4.3 正方形支撐梁及浮運支架安全性分析

1.正方形支撐梁安全性分析

對正方形支撐梁面板局部穩(wěn)定性驗算，根據(jù)施工工況，分別建立施工階段模型，進行施工階段分析。如圖6所示，鋼箱梁最大應(yīng)力86MPa＜190MPa（極限破壞應(yīng)力），鋼箱梁最大位移為0.33mm，可滿足施工要求。

圖6 正方形支撐梁安全性分析Fig.6 Safety analysis of square supporting beams

2.浮運支架安全性分析

浮運支架用φ630×8mm為主肢，φ426×8mm的鋼管為連接系，在主肢下兩端安裝三拼63b工字鋼作為橫向分配梁，雙拼40a工字鋼作為縱向分配梁。根據(jù)施工工況，分別建立各施工階段模型，進行施工階段分析。如圖7所示，浮船支架最大應(yīng)力32MPa＜190MPa（極限破壞應(yīng)力），浮箱支架最大位移為1.4mm，故結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

圖7 浮運支架安全性分析Fig.7 Safety analysis of floating support

5 鋼箱梁水上浮運方法

在兩岸各設(shè)1組地錨裝置，浮箱組四角各設(shè)卷揚機與地錨相對應(yīng)；地錨位置可根據(jù)現(xiàn)場實際情況移動位置；浮箱組通過卷揚機牽引纜繩行駛至吊裝位置，通過地錨連接精確定位［13-15］。運輸路線：浮運平臺出港池后，通過上游牽引繩溜放，沿河岸側(cè)運輸至橋址，再通過下游牽引繩橫移至吊裝位置，實現(xiàn)鋼箱梁水上浮運，如圖8所示。

6 結(jié)語

1.以鴨嘴巖大橋為背景，通過BIM技術(shù)模擬拼裝場地布置，整個場地布置呈現(xiàn)為流水線作業(yè)，實現(xiàn)在拼裝場地對鋼箱梁進行總體拼裝，加快鋼箱梁的制造效率。

2.采用浮運支架對鋼箱梁進行浮運，在浮箱上搭設(shè)正方形支撐梁及浮運支架并對安全性進行分析，實現(xiàn)了鋼箱梁從陸地到浮運的體系轉(zhuǎn)換，解決了鋼箱梁運輸和浮運的難題。

3.通過設(shè)置地錨拖拽系統(tǒng)，實現(xiàn)鋼箱梁以及浮運體系在內(nèi)河中運輸，有效保證了斜拉橋施工質(zhì)量。