怒江四線特大橋鋼箱梁拱上支架法施工技術(shù)研究

張 喆

(中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司，河北省唐山市豐潤區(qū)光華道28號 063000)

1 工程概況

怒江四線特大橋主橋?yàn)樯铣惺戒撹旃?，主?90m，橋梁全長1024m。全橋立面圖見圖1。拱上鋼箱梁全長520.8m，分為4種類型58個(gè)梁段，S1梁段為端部梁段，其余為標(biāo)準(zhǔn)梁段，標(biāo)準(zhǔn)梁段S3為支座部位梁段。拱上鋼箱梁主體材質(zhì)為Q345qD，重量約7265.6t。拱兩側(cè)為鋼混結(jié)合梁，主體材質(zhì)為Q345qD，重量約4922.9t，其中大里程側(cè)長205m，小里程側(cè)長度287m。鋼箱梁橫斷面結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 全橋立面圖(單位：mm)Fig.1 Elevation of the whole bridge(mm)

圖2 鋼箱梁橫斷面結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)Fig.2 Structural drawing of steel box girder cross section(mm)

2 拱上鋼箱梁施工方案比選

方案1：全橋采用步履式過拱頂推方案施工，左右半幅分開頂推，每次頂推距離為箱梁長度，循環(huán)喂梁、拼接、頂推工序，直至頂推至指定位置完成合龍[1]。小里程側(cè)從0#橋臺向跨中方向頂推，大里程側(cè)從13#橋臺向跨中方向頂推。在兩岸分別搭設(shè)頂推平臺，完成各梁段之間的拼裝、焊接、高強(qiáng)螺栓施擰及補(bǔ)涂裝等施工[2]。

方案2：拱上鋼箱梁利用纜索吊機(jī)吊裝，由跨中向兩側(cè)對稱吊裝。施工時(shí)，首先安裝拱頂鋼箱梁拼裝作業(yè)平臺；然后，在平臺拼裝5段長度18.6m(共93m)的鋼箱梁節(jié)段，并完成高強(qiáng)螺栓施擰、環(huán)縫焊接等工作；最后，以已拼裝好的93m鋼箱梁節(jié)段為胎架，在上部繼續(xù)拼裝后續(xù)鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段。

方案比選：方案一由于頂推過程較長極易產(chǎn)生梁體軸線的偏差。并且梁部整體的頂推過程由拱的一端逐步至中間，對拱部產(chǎn)生偏壓，且過拱頂推需在拱上立柱設(shè)置頂推裝置。頂推過程中產(chǎn)生水平推力，拱上立柱為鋼結(jié)構(gòu)，最大高度約90m,鋼立柱柔性較大，易產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，施工較為困難。方案二安全系數(shù)較高，且能與引橋梁部頂推同時(shí)施工，但需設(shè)置拱上支架[3]，綜合考慮方案二風(fēng)險(xiǎn)較低，更便于實(shí)施。

3 支架法施工工藝

怒江特大橋拱上14×37.2m連續(xù)鋼箱梁，全長520.8m，均在4×50t纜索吊機(jī)的覆蓋范圍之內(nèi)。單幅鋼箱梁縱向擬分為17個(gè)吊裝節(jié)段，每個(gè)梁段橫向均分為4個(gè)塊體，分別為翼緣塊體、邊箱梁、橫梁、中箱梁，單件最大吊重104.6t。拱上鋼箱梁的吊裝工作亦可利用此部纜索吊機(jī)完成。

拱頂鋼箱梁支架搭設(shè)在D7立柱兩側(cè)。鋼箱梁節(jié)段吊裝前，先在D7立柱左右位置搭設(shè)臨時(shí)拼裝平臺。利用纜索吊安裝拱上支架，單獨(dú)吊裝支腿和橫梁，在拱上組焊成整體，并調(diào)整拱上支架高程和水平度。

拱上鋼箱梁起吊點(diǎn)設(shè)置在小里程側(cè)邊跨6#-7#墩之間，此處平整、堅(jiān)硬，設(shè)置運(yùn)輸車輛進(jìn)出便道，運(yùn)輸車輛將桿件運(yùn)輸至此處時(shí)利用纜索吊機(jī)卸車。依照右箱室，中間橫梁，左箱室、外側(cè)挑臂的安裝順序，吊裝跨中18.6m節(jié)段。由于18.6m梁段最大吊裝重量為48.6t，故纜索吊扁擔(dān)梁可左右幅同時(shí)吊裝鋼箱梁，即左幅左箱室和右幅右箱室可由1組扁擔(dān)梁起吊。吊裝時(shí)，采用纜索吊左右側(cè)4組吊鉤同時(shí)起吊，先起升至橋面以上，再縱向移動(dòng)滑車至橋中處，至指定安裝位置落鉤，使用千斤頂調(diào)整節(jié)段位置，并與拱上拼裝平臺臨時(shí)固結(jié)[4]。

安裝鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段拼裝作業(yè)平臺。平臺分為支撐墩和安全走道兩個(gè)部分。支撐墩上方設(shè)置調(diào)整墊塊，按照設(shè)計(jì)施工圖要求調(diào)整鋼箱梁整體線型[5]。安全走道外側(cè)設(shè)置高度1.2m的防護(hù)欄桿，并安裝安全防護(hù)網(wǎng)。支撐墩及安全走道與拱圈上弦桿采用焊接連接。

利用已經(jīng)安裝好的鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段拼裝作業(yè)平臺，將待安裝的18.6m節(jié)段拼接成37.2m。利用纜索吊機(jī)吊裝已接長的鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段，接長后的37.2m標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段，最大吊裝重量為104.6t，采用左右幅分開方式單獨(dú)吊裝。

在吊裝支架上完成標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段塊體間的高強(qiáng)螺栓施擰及縱向?qū)雍缚p焊接工作，然后完成鋼箱梁節(jié)段之間的環(huán)縫焊接及高強(qiáng)螺栓施擰工作，并對施工部位進(jìn)行補(bǔ)涂裝。待縱橫向環(huán)縫碼完，鋼箱梁腹板打底焊焊完后方可松鉤。循環(huán)上述工作內(nèi)容，至鋼箱梁合龍。

4 拱上鋼箱梁拼裝支架設(shè)計(jì)與工況分析

4.1 拱頂支架設(shè)計(jì)

設(shè)置4組拱上支架，其縱向間距為18.6m，橫橋向?qū)ΨQ布置。拼裝平臺支撐柱其內(nèi)側(cè)鋼管規(guī)格φ610mm×14mm，外側(cè)鋼管規(guī)格φ420mm×8mm，鋼管之間由連接撐桿組成。分配梁為高度1000mm的箱型結(jié)構(gòu)，橫梁與立柱采用焊接連接。橫梁與立柱之間采用40a槽鋼進(jìn)行焊接連接。平臺高度由鋼箱梁安裝線形確定，平臺與主拱上弦桿焊接牢固。拱上鋼箱梁拼裝支架布置如圖3。

圖3 拱上鋼箱梁拼裝支架布置圖(單位：mm)Fig.3 Layout of steel box girder assembly support on arch(mm)

4.2 拱頂支架模型建立

鋼箱梁拼裝支架模型采用MidasCivil建立,模型如圖4。模型只建立立柱與分配梁，不建立上部鋼箱梁。鋼箱梁直接放置在分配梁上，其對分配梁的作用采用豎向荷載施加。由于立柱底部直接與拱肋焊接，因此立柱底部的邊界條件定義為固結(jié)。

圖4 鋼箱梁支架有限元模型圖Fig.4 Finite element model diagram of steel box girder support

4.3 工況定義與荷載計(jì)算

鋼箱梁拼裝平臺主要經(jīng)歷兩個(gè)荷載工況，一是第一層鋼箱梁拼裝(5個(gè)梁段，共93m)，記為“工況1”；二是以已拼梁段為平臺拼裝第二層鋼箱梁(后續(xù)鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)段)，記為“工況2”。在工況1，第一層鋼箱梁首先擱置在相應(yīng)支撐位置，然后再定位焊接。因此，在計(jì)算其對下部拱上立柱及支撐柱的荷載作用時(shí)，鋼箱梁應(yīng)按簡支梁考慮，計(jì)算荷載如圖5所示。

圖5 第一層鋼箱梁簡支狀態(tài)(工況一)Fig.5 Simply supported state of the first floor steel box girder(condition I)

在工況2，第二層鋼箱梁拼裝前，第一層鋼箱梁已經(jīng)完成節(jié)段之前的焊接，此時(shí)節(jié)段與節(jié)段間連續(xù)，可有效傳遞彎矩。因此，在計(jì)算其對下部支撐構(gòu)件的荷載作用時(shí)，第一層鋼箱梁應(yīng)按連續(xù)梁考慮，計(jì)算荷載如圖6所示。

圖6 第一層鋼箱梁簡支狀態(tài)(工況2)Fig.6 Simply supported state of the first floor steel box girder(conditionⅡ)

在計(jì)算鋼箱梁對下部支承構(gòu)件的作用時(shí)，根據(jù)對稱性，模型僅取單室鋼箱梁建立。模型的重量通過改變材料容重使得與實(shí)際相符，單個(gè)梁段重量為梁段重量加上焊縫重量。模型中S3節(jié)段的重量為GS3=136832.12kg+2052.48kg=138884.6kg；模型中S4節(jié)段的重量為GS4=118983.18kg+784.75kg=120767.93kg。人員及機(jī)具荷載(活載)按2.5kN/m2計(jì)算，考慮1.4的分項(xiàng)系數(shù)。自重(恒載)考慮1.2的分項(xiàng)系數(shù)。

將工況1與工況2由鋼箱梁作用于支撐柱的荷載統(tǒng)計(jì)列于表1。從表1可以看出，除F1R、F2L外，工況2下各支撐柱承擔(dān)的荷載均遠(yuǎn)大于工況1下的相應(yīng)荷載，因此鋼箱梁拼裝平臺的強(qiáng)度驗(yàn)算中，選取工況2為最不利荷載工況進(jìn)行計(jì)算。

表1 由鋼箱梁作用于支撐柱的荷載統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Load statistics of steel box girder as supporting column kN

4.4 鋼箱梁拼裝平臺強(qiáng)度驗(yàn)算

鋼箱梁拼裝平臺強(qiáng)度以容許應(yīng)力法按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2017)[6]進(jìn)行驗(yàn)算。鋼箱梁拼裝平臺的材質(zhì)為Q235B，考慮到鋼箱梁拼裝平臺是臨時(shí)結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)強(qiáng)度按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2017)取值，其抗拉、抗壓設(shè)計(jì)值為205MPa[7]。將表1所列荷載施加于鋼箱梁拼裝平臺有限元模型(見圖7)，計(jì)算得到的組合應(yīng)力云圖如圖8所示。從圖中可以看出，在最不利荷載工況下，鋼箱梁拼裝平臺最大組合應(yīng)力為131.5MPa，小于材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值205MPa，滿足規(guī)范要求。

圖7 鋼箱梁拼裝平臺最不利工況下荷載施加(單位：kN)Fig.7 Load application of steel box girder assembly platform under the most unfavorable working condition(kN)

圖8 鋼箱梁拼裝平臺最不利荷載工況下應(yīng)力(單位：MPa)Fig.8 Stress of steel box girder assembly platform under the most unfavorable load condition(MPa)

4.5 鋼箱梁拼裝平臺穩(wěn)定性驗(yàn)算

鋼箱梁拼裝平臺穩(wěn)定性通過屈曲分析，以穩(wěn)定系數(shù)來檢算。工程中，基于線彈性計(jì)算的穩(wěn)定系數(shù)一般要求大于4。在穩(wěn)定分析中，自重是不變荷載、而人和機(jī)具荷載是可變荷載，因此需要重新計(jì)算最不利工況下恒載與活載導(dǎo)致的FZi(計(jì)算結(jié)果如表2所示)，再將其輸入模型重新定義屈曲分析荷載類別，最后進(jìn)行穩(wěn)定性分析。計(jì)算的鋼箱梁拼裝平臺一階屈曲模態(tài)如圖9所示，表現(xiàn)為3#支撐柱柱間斜撐(大里程側(cè))面外失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為7.896>4，滿足要求。

表2 由鋼支墩傳給下層鋼箱梁的恒載與活載荷載Tab.2 Dead load and live load transmitted from steel buttress to lower steel box girder

圖9 鋼箱梁拼裝平臺最不利荷載工況下一階屈曲模態(tài)Fig.9 First order buckling mode of steel box girder assembly platform under the most unfavorable load condition

4.6 鋼支墩強(qiáng)度、穩(wěn)定性驗(yàn)算

第二層鋼箱梁拼裝是以第一層鋼箱梁為胎架，先在第一層鋼箱梁上部放置鋼支墩，再在支撐墩上拼裝后續(xù)鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)段。此時(shí)，梁上支撐墩直接承受上部梁段的重量及人與機(jī)具的荷載，因此有必要對其強(qiáng)度、穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。

鋼支墩模型基于MidasCivil軟件，采用梁單元建立。在模型底部定義固支約束，在模型頂部節(jié)點(diǎn)上施加由鋼箱梁傳遞的荷載。該荷載考慮1.2倍恒載加上1.4倍人機(jī)活載，取最大值為611.2kN。鋼支墩強(qiáng)度驗(yàn)算及穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果如圖10所示。

圖10 鋼支墩組合應(yīng)力分布(單位：MPa)、鋼支墩一階屈曲模態(tài)Fig.10 Stress distribution of steel buttress combination(MPa) and first order instability mode of steel buttress

4.7 計(jì)算結(jié)果分析

在最不利荷載工況下，鋼箱梁拼裝平臺最大組合應(yīng)力為131.5MPa，小于材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值205MPa，滿足規(guī)范要求。鋼箱梁拼裝平臺一階屈曲模態(tài)表現(xiàn)為3#支撐柱柱間斜撐(大里程側(cè))面外失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為7.896>4，滿足要求。

鋼支墩的最大應(yīng)力為21.4MPa，發(fā)生在鋼支墩墩底，遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定強(qiáng)度限值205MPa，鋼支墩在自重及上部荷載作用下的一階屈曲模態(tài)如圖10所示，表現(xiàn)為整體側(cè)向失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為185.1，遠(yuǎn)大于4，滿足規(guī)范要求。

5 施工關(guān)鍵技術(shù)及保障措施

5.1 穩(wěn)定措施

由于第一層拼裝鋼箱梁兩端S3節(jié)段的重心恰好位于支撐點(diǎn)上，而端頭又未設(shè)置其他支撐，施工中稍有擾動(dòng)，可能造成S3節(jié)段向外側(cè)傾覆。在施工過程中在S3節(jié)段端部增加1個(gè)支架，以保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

5.2 限位措施

由于拼裝平臺所在梁段受力較復(fù)雜，荷載較多，加上橋址風(fēng)載等作用，需在跨中5×18.6m節(jié)段添加橫向限位裝置，避免梁段引起過大位移，對線形產(chǎn)生影響。

5.3 尺寸精度控制

為保證全橋線形指標(biāo)，需在兩側(cè)隧道出口設(shè)置測量塔，全橋共2個(gè)。測量塔地基為混凝土承臺，防止晃動(dòng)、傾斜影響測量精度。焊接前后對環(huán)縫焊進(jìn)行跟蹤量測，確定在各氣溫條件下的相對收縮量，據(jù)此采取措施控制焊接變形[8]。

5.4 防風(fēng)防雨措施

鋼箱梁施工處于夏季炎熱多風(fēng)環(huán)境，最高氣溫42.3℃，最大風(fēng)速15m/s，且工地處于亞熱帶季風(fēng)氣候，山谷陣風(fēng)較大。為不影響焊接質(zhì)量，在環(huán)縫焊接位置設(shè)置防風(fēng)棚，防風(fēng)棚能夠縱向移動(dòng)，骨架為角鋼焊接而成，外部包裹防雨布，保障焊接質(zhì)量。

5.5 合龍段施工

由于考慮到邊跨頂推的導(dǎo)梁頂推到位后會(huì)延伸到拱上鋼箱梁處，故待邊跨頂推完畢后，利用纜索吊機(jī)吊裝最后兩段箱梁，拱上鋼箱梁兩邊最后兩個(gè)節(jié)段，均預(yù)留50mm余量，現(xiàn)場切割后完成吊裝、焊接等工作。

5.6 拼裝平臺拆除

支架拆除時(shí)將纜索吊機(jī)鋼絲繩下從兩幅中間100mm間隙穿至橋面以下，待拼裝平臺根部割除后，將拼裝支架起吊騰空旋轉(zhuǎn)90°，縱向移動(dòng)至D6墩處。在橋面設(shè)置2臺起重小車，從D6的左側(cè)和右側(cè)分別下放，完成穿檔作業(yè)。

6 結(jié)論

怒江四線特大橋拱上鋼箱梁采用支架法施工，形成了一套完整的施工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了與鋼混結(jié)合梁頂推的同步施工，施工過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，線性控制精度高，最終實(shí)現(xiàn)了鋼箱梁與鋼混結(jié)合梁的順利合龍，為今后類似橋梁的拱上支架的設(shè)計(jì)、搭設(shè)與鋼箱梁的吊裝、安裝提供了可靠依據(jù)。