京杭運河183 m拱橋鋼桁組合梁雙船浮托法架設技術研究

蘇巧江， 楊新湘， 朱冠華

(1.湖南路橋建設集團有限責任公司， 湖南 長沙 410004； 2.長沙市公路橋梁建設有限責任公司， 湖南 長沙 410013)

0 前言

隨著我國交通事業(yè)的迅速發(fā)展，跨江、跨河大鋼桁梁橋的修建呈幾何級增長，尤其是城市內(nèi)跨航道橋梁建設，在場地狹窄、航道繁忙的前提下，如何快速、安全、經(jīng)濟地完成該類橋梁的架設施工是急需解決的關鍵技術問題。

根據(jù)施工工藝的不同,傳統(tǒng)內(nèi)河中承式鋼桁架系桿拱鋼主梁安裝方法分為：纜索吊吊裝法和浮吊吊裝法[1-5]。纜索吊吊裝施工是通過布置主索、工作索、塔架及錨固裝置，利用主纜承受吊重和作為跑車的運行軌道，主索跑車上的起重裝置和牽引裝置將鋼主梁分段吊起、升降、運輸和安裝成型的方法。浮吊吊裝法則是采用合適性能的浮吊，通過水上吊裝將預制鋼梁分段依次吊裝成型的安裝方法。

在航道繁忙、施工場地狹窄的環(huán)境下，纜索吊裝法、浮吊吊裝法均存在一定的使用限制。纜索吊裝法需項目周邊較為空曠，便于布置錨碇及相關風纜繩拉設，若周邊建筑林立，則臨時用地征遷困難，征拆費用高；且纜索吊起吊能力偏小，導致主梁節(jié)段長度劃分偏小，水中主梁安裝次數(shù)增加，增加封航次數(shù)。浮吊吊裝法需運梁駁船先定位在待安裝位置，浮吊再進行安裝，單次安裝施工工期長，封航時間長，且浮吊需跨過拱肋進行主梁安裝，要選擇大噸位浮吊才能安裝。

本著“確保質(zhì)量安全、減少封航次數(shù)、縮短施工周期、降低施工成本”的原則，研發(fā)了雙船浮托技術，既可有效解決運河內(nèi)無法使用大型起重船和大型駁船進行鋼梁安裝的難題，又可減少封航次數(shù)，還能為運河內(nèi)鋼梁安裝等提供必要的技術儲備。本文依托菱湖大橋項目，詳細闡述了雙船浮托架設施工方法，為浮托法在橋梁架設施工中的應用積累了技術資料，可供同類工程施工參考。

1 工程概況

菱湖大道(旺莊路-運河西路)位于無錫市新吳區(qū)與經(jīng)開區(qū)交界處，橫跨京杭大運河，是連接兩區(qū)主要交通干道，主橋上構為(100+183+100) m的3跨中承式系桿拱橋(見圖1)。

主橋鋼梁采用鋼混組合梁結(jié)構形式，梁中心高2.11 m，橋面寬40.5 m，中跨23個節(jié)間，標準節(jié)間長度7.5 m，采用預制C50砼橋面板+鋼縱橫梁結(jié)構，單個標準節(jié)段梁重130 t。

菱湖大道跨運河大橋橋位航段位于京杭運河之蘇南運河無錫段，為Ⅲ級航道，橋梁航段位于河道轉(zhuǎn)彎處，主航道彎曲半徑為600 m，橋位處河口寬約150～162 m，航道底寬Bb=70 m，航道寬度80m，設計水深H=3.20 m，航道兩側(cè)均為直立式駁岸，河床斷面穩(wěn)定。由于京杭大運河是內(nèi)陸河流的黃金水道，目前工程位置船舶流量約1300～1500艘/d，平均船舶噸位約700 t。根據(jù)航道、港監(jiān)部門的要求，其通航河道寬度不能小于70 m，封航時間最長不得超過4 h，否則會造成嚴重的水上交通堵塞，后續(xù)水上交通疏導難度大，將帶來重大經(jīng)濟損失。

2 浮托法基本原理及施工工藝

2.1 浮托法施工原理

雙船浮托法施工是將兩條駁船合并為一個浮船，在浮船上搭設滿足主梁安裝高度、長度的臨時支架，將15m長主梁吊裝至浮托上后，由浮托整體運輸至待安裝位置，通過安裝吊桿、臨時匹配件將梁段安裝完成的一種全新工法。

2.2 浮托法施工工藝

1) 施工范圍內(nèi)進行河床清淤，確保施工時船舶的吃水深度，并在岸側(cè)設置浮托、浮吊?？繀^(qū)。

2) 在岸側(cè)搭設組合梁拼裝胎架，同步組裝浮托及安裝浮托上支架。

3) 中跨主梁在加工廠內(nèi)加工成主梁、兩側(cè)挑梁3個構件，陸運至岸側(cè)拼梁區(qū)。采用履帶吊進行拼裝，將主梁組拼成15 m長大節(jié)段。

4) 正式浮托施工前向海事、航道等相關部門申請封航日期，做好封航及航道警戒準備，確保正式浮托施工時航道內(nèi)無過往船只。

5) 利用浮吊從岸側(cè)拼梁胎架上將梁段整體吊裝至浮托，根據(jù)施工水位塞入合適厚度墊塊，將浮托梁段標高調(diào)整至略高于已安裝梁段10～15 cm，并臨時固定在浮托支架上。

6) 浮托將主梁運至待安裝位置，通過浮托四周錨繩精調(diào)浮托至設計位置。

7) 將主梁與對應吊桿銷軸打入，完成梁與吊桿的連接，浮托壓水緩慢下降，與已安裝梁段接口對齊后，安裝臨時匹配件及碼板，完成梁段安裝。

8) 解除浮托支架與梁體臨時連接，浮托繼續(xù)壓水下降，與梁底達到安全距離后駛離，進行下個節(jié)段安裝。

3 浮托施工關鍵技術

在運河內(nèi)采用浮托法進行15 m大節(jié)段組合梁安裝施工難度大，主要體現(xiàn)在雙船拼裝的浮體穩(wěn)定性要求高、浮體重心高、浮體移動同步性要求高、船艙內(nèi)加水同步穩(wěn)定性要求高、定位精度高、防水流及浪涌力的影響等方面，為解決些問題，特從以下幾方面進行技術研究。

3.1 浮托設計

浮托采用2條1 000 t駁船連接成整體，選用長度和載重量相同或類似的甲板駁船，船舶參數(shù)見表1。

表1 船舶參數(shù)表總長/m船寬/m型深/m空載吃水/m空載排水量/t46112.20.57260船長/m最大船寬/m最大船高/m滿載吃水/m滿載排水量/t43.811.3551.7727

船體間采用4道雙拼HN700×300分配梁連成整體，分配梁與船體焊接，為防止船體不均勻受力產(chǎn)生外翻力，在兩船體底部用粗鋼絲繩摟底捆綁，使兩船連成整體，確保浮體的穩(wěn)定性和整體性，分配梁搭設前，先用型鋼將船艙找平。

在浮船艙外搭設浮托支架(見圖2)，浮托支架為格柱式構造，支撐于船體連接雙拼HN700×300分配梁上。單個支架為格柱式構造，采用4根φ 426×8 mm鋼管樁，鋼管樁間距為1.8 m，鋼管樁之間采用[10槽鋼為平聯(lián)和斜撐，頂面采用12mm鋼板為蓋板，頂部設雙拼I56 a承重梁，承重梁上設置調(diào)節(jié)墊塊，來調(diào)整支架整體高度。共設置2排支架，單排支架由4個格柱支架組成。

(a) 平面

3.2 浮托穩(wěn)定性分析

在大節(jié)段主梁浮運施工過程中，浮托整體穩(wěn)定性是橋梁施工成功的關鍵。菱湖大橋浮托穩(wěn)定性驗算采用船舶完整穩(wěn)性計算系統(tǒng) [2019]進行模擬仿真計算。對浮托滿載運行過程中的穩(wěn)性工況分析：浮托空船重量為520 t，支架為74.8 t，主梁為211 t，總排水量為805.8 t；浮托重心豎向坐標Z重心為4.936 m，重心縱向坐標X重心為21.52 m；浮托吃水為1.02 m。

根據(jù)《內(nèi)河船舶法定檢驗技術規(guī)則》(2019)規(guī)定，京杭運河為C級航區(qū)，對浮托進行完整穩(wěn)性衡準。

3.2.1風壓穩(wěn)性衡準數(shù)

航行于C級航區(qū)的船舶，其風壓穩(wěn)性衡準數(shù)Kf應符合下式：

式中：Mq 0為不計橫搖影響的最小傾覆力矩，kN·m；Mf為風壓傾側(cè)力矩，kN·m1；lq 0為不計橫搖影響的最小傾覆力臂，m；lf為風壓傾側(cè)力臂，m。

3.2.2風壓傾側(cè)力矩Mf和力臂lf

雙船受風面積為所得值的1.2倍。風壓傾側(cè)力矩Mf和力臂lf應分別按下式計算：

Mf=CppAf(Zf-a0d)×10-3

式中：Cp為風壓修正系數(shù)，取1.3；p為單位計算風壓，Pa;Af為所核算裝載情況下船舶的受風面積，m2;Zf為所核算裝載情況下船舶受風面積中心至基線的垂向高度，m；d為所核算裝載情況下船舶的型吃水，m；Δ為所核算裝載情況下船舶的排水量，t；a0為修正系數(shù)，雙體船取0.5。

3.2.3船體荷載計算

船體荷載分布曲線如圖3所示。

圖3 船體荷載分布曲線

3.2.4最小傾覆力矩和最小傾覆力臂

僅航行于C級航區(qū)采用動穩(wěn)性曲線來確定最小傾覆力矩和力臂時，動穩(wěn)性曲線可不向B軸負值方向延伸，作圖僅在坐標原點右面進行。動穩(wěn)性曲線結(jié)果見圖4。

圖4 穩(wěn)定性力臂曲線

3.2.5穩(wěn)定性計算結(jié)論

根據(jù)計算結(jié)果得出，浮托運行過程中具有良好的穩(wěn)定性能，其整體工作性能滿足施工要求。結(jié)果見表2。

表2 浮托穩(wěn)定性分析結(jié)果匯總項目計入修正的初穩(wěn)性高度衡準/m最大復原力臂/m最大復原力臂lm對應的橫傾角/(°)甲板貨船 θm對應的復原力臂曲線面積/(m·rad)實際值43.85.44112.1740.794許用值>0.2——>0.057項目風壓傾側(cè)力臂/m回航傾側(cè)力臂/m風壓穩(wěn)性衡準數(shù)/Kf回航靜傾角衡準結(jié)果/(°)實際值0.0540.13760.6020.179實際值——>1<4.375

3.3 鋼主梁高度調(diào)整技術

根據(jù)主梁安裝思路，主梁就位后，須先將吊桿與主梁吊耳連接形成體系，浮托再加水下沉脫離梁底，完成安裝，因此，浮托支架高度的確定、調(diào)整及浮托加水下沉量成為主梁安裝是否成功的關鍵點之一。

浮托支架高度確定公式：

Hz=hl-(D-d+HS)

式中：hl為待安裝梁底標高，m；D為浮托高度，m；d為浮托加載時吃水深度，m；HS為施工水位標高，m。

根據(jù)圖紙,中跨鋼梁節(jié)段最低安裝梁底標高為11.140 m，最高安裝梁底標高為11.550 m，安裝時要求主梁吊耳高于吊桿下叉耳20 cm，以便吊桿安裝，故待安裝梁底標高hl為11.340～11.750 m。

京杭運河常水位為1.570 m，施工期間水位起伏在20 cm內(nèi)，故HS施工水位標高為1.670 m。

根據(jù)單條船舶空載排水量260 t，空載吃水深度0.57 m，載梁階段排水量為403 t，載梁浮托吃水深度d為1.02 m。

代入公式則最小支架高度Hz=11.340 m-(2.2-1.02+1.670)m=8.49 m；最大支架高度Hz=11.750 m-(2.2-1.02+1.670) m=8.90 m。

浮托上支架高度為甲板到支架橫梁頂高度8.49 m，因此，其高差為8.9 m-8.49 m=0.41 m，再加上運河水位起伏為20 cm，其總高差為61 cm，高差通過在頂部分配梁設置鋼墊塊控制，每組墊塊高度為10 cm，根據(jù)主梁線形增減墊塊數(shù)量及壓水控制高度。

3.4 浮托行走及定位技術

浮托由2艘船舶組拼而成，船舶具有動力系統(tǒng)，可自行移動。船舶自行至待吊裝位置進行粗定位，然后，利用岸上錨點及防撞墩進行四角錨定(見圖5)，并通過卷揚機收放鋼絲繩精確調(diào)整梁段至設計安裝位置。

圖5 浮托定位錨樁布置

浮托艄首和艄尾4角位置各設置2組錨機，且在角點處設置導向輪用于鋼絲繩轉(zhuǎn)角。浮運前，定位四角鋼絲繩用拖輪送至錨點；船舶移到橋位后調(diào)整四角的錨繩松緊程度，微移船體，測量定位，根據(jù)轉(zhuǎn)向和移動需要收放鋼絲繩，緩慢完成梁段的精定位(見圖6)。

圖6 浮托錨機布置示意

3.5 鋼主梁安裝技術

浮托精定位后，將拱肋吊桿下叉耳與梁段吊耳連接，打入銷軸。浮托加水下沉，待安裝梁段與已安裝梁段接口對齊時，采用臨時碼板和栓接匹配件與已安裝梁段進行連接。碼板連接前，測量梁段平面位置及焊縫寬度，調(diào)整浮托確保梁段位置準確及焊縫寬度至滿足設計、規(guī)范要求，通過設置在浮托支架頂端的千斤頂，調(diào)整梁段標高，確保梁段線形符合設計及監(jiān)控要求，使焊縫處于無應力狀態(tài)進行焊接。碼板連接部位主要設置在腹板和縱梁對應的頂板處。廠內(nèi)預拼裝時栓接匹配件設置在主縱梁頂板上，采用沖釘和螺栓定位連接(見圖7)。

圖7 栓接匹配件布置

碼板及匹配件安裝完成后，拆除浮托與梁體間的臨時連接，往浮托內(nèi)持續(xù)注水使其下沉，直至浮托支架脫離梁底，完成梁段安裝。

采用Midas軟件對主梁吊裝施工過程進行模擬仿真計算，計算結(jié)果如圖8～10所示。施工全過程主梁最大彎矩為7 009 kN·m，最大剪力為9588 kN，吊桿最大力為557 kN。菱湖大橋鋼梁材料采用Q345qD，吊桿采用標準強度1860MPa高強鍍鋅平行鋼絲，結(jié)構內(nèi)力滿足設計要求。

圖8 主梁吊裝階段彎矩圖(單位： kN·m)

圖9 主梁吊裝階段剪力圖(單位： kN)

圖10 吊桿吊裝階段應力圖(單位： kN)

3.6 浮托加水下沉技術

京杭運河內(nèi)封航時間要求小于4 h，因此需盡快完成梁段安裝，減少封航時間。在加水下沉時，確保荷載對稱加載、防止偏載是完成浮托施工的關鍵之一。

根據(jù)施工要求，浮托壓水工作在1 h內(nèi)完成，總壓水量為636.44 m3。單臺水泵抽水量為80 m3/h，每艘船設置4組潛水泵，總流量320 m3/h。單艘船舶壓水318.22 m3，4組水泵1 h可壓水320 m3/h。水泵在進水時設置在艙外，出水時設置在艙內(nèi)。水泵布置見圖11。

(a) 壓水工況水泵布置

為確保注水時船艙內(nèi)均勻加載，將船艙橫向分為3大艙室(左艙室、中艙室、右艙室)。沿船長方向分為4分艙室，分艙室長10 m，寬度3.5～4 m不等。橫向分艙室間可以互通，以保證橫向艙室內(nèi)液面相平。浮托進行壓水下沉或出水上浮時，在外側(cè)艙室內(nèi)設置潛水泵，潛水泵型號、流量相同，以此保證每個艙室內(nèi)液面相平，浮托整體穩(wěn)定上升或下浮。

在每個艙室采用紅色油漆做好水位標記，每5cm為一個刻度，在運行過程中，發(fā)現(xiàn)部分艙室液面不一致時，通過調(diào)節(jié)水泵開關時間，調(diào)整進出水量以保證浮托整體的穩(wěn)定與安全(見圖12)。

圖12 艙室平面分布(單位： mm)

4 結(jié)語

針對在航道繁忙、施工場地狹窄的環(huán)境，菱湖大橋采用了浮托法施工主梁，解決了內(nèi)河主梁架設的難題，并得到以下結(jié)論：

1) 通過對雙船浮托法安裝大節(jié)段鋼混組合梁的技術研究，開拓了內(nèi)河鋼拱橋建造的新工藝及新方法，可為類似工程提供參考。

2) 浮托法施工減少了航運繁忙的跨河橋梁施工封航次數(shù)，降低了對航運的影響，降低了施工風險，社會效益顯著。

3) 解決了內(nèi)河無大型浮吊及船舶進行大噸位吊裝施工的難題，降低了施工成本，加快了施工進度，經(jīng)濟效益顯著。

4) 采用浮托法進行大節(jié)段梁段吊裝，可減少水上作業(yè)、高空作業(yè)時間及現(xiàn)場焊接量，提高了施工效率，降低了勞動強度和安全風險。