鋼桁梁橋分段滑移、懸臂安裝組合施工關(guān)鍵技術(shù)

周 映 陳慧娜 許英英 徐閩濤 詹 瀟

浙江中天恒筑鋼構(gòu)有限公司 浙江 杭州 310008

鋼結(jié)構(gòu)橋梁因其自重輕、強度高、環(huán)境友好、施工周期短等優(yōu)點被越來越多地運用于實際工程之中。相較于普通鋼箱橋依靠自身箱體承力，鋼桁梁橋的主桁架為其主受力構(gòu)件，可根據(jù)所需跨度調(diào)整桁架高度，從而確保鋼桁梁橋具有更大的剛度及跨越能力，但鋼桁梁橋的現(xiàn)場施工仍受制于場地條件、施工組織以及交通管制等因素。為此，本文介紹了某鋼桁梁橋分段滑移、懸臂安裝組合施工方法的關(guān)鍵點，可為今后類似項目的施工提供借鑒[1-6]。

1 工程概況

1.1 工程概況

某運河大橋上跨運河，運河為Ⅴ級航道，通航凈空45 m×5 m，同時東西兩側(cè)均上跨主要道路。運河大橋主橋采用（42.5＋80.0＋42.5） m三跨連續(xù)鋼桁梁橋，正交異性鋼橋面，引橋為裝配式部分預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁；下部結(jié)構(gòu)為柱式墩、墻式臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。全橋跨徑組成為（3×25.0）＋（42.5＋80.0＋42.5）＋（3×25.0） m，總長323.16 m（圖1）。

圖1 上跨運河的連續(xù)鋼桁梁橋效果圖

1.2 鋼結(jié)構(gòu)概況

鋼桁梁橋沿縱向設(shè)2片主桁架，主桁中心距24.5 m。2片主桁之間設(shè)車行道鋼箱梁。主桁采用變高三角形桁式，共19個節(jié)間。上、下弦桿為焊接箱形截面，腹桿為焊接H形截面。節(jié)段間對接處下弦桿上翼緣板采用焊接，腹板、下翼緣板上弦桿、腹桿均采用栓接。車行道鋼箱梁橋面采用正交異性板，頂板厚16 mm，底板除邊跨壓重段板厚為24 mm外，其余均為14 mm。頂?shù)装迳显O(shè)U形縱向加勁肋，局部采用板肋加勁。鋼箱梁設(shè)2道縱腹板，腹板厚14 mm。每約3 m設(shè)1道橫隔板，橫隔板靠近主桁處厚16 mm、中間厚14 mm，壓重區(qū)域橫隔板厚20 mm（圖2）。

圖2 鋼桁梁橋縱向剖面示意

2 施工重難點及方案選擇

2.1 施工重難點

2.1.1 線形控制難度高

本工程節(jié)段間主桁架對接處下弦桿腹板、下翼緣板、上弦桿、腹桿、箱梁縱向腹板、翼緣、頂板縱肋采用均為栓接，施工精度要求高。而線形控制分縱向、橫向和豎向線形（即三維空間）控制，控制因素復(fù)雜，涉及安裝方法、安裝順序、安裝溫度、焊接工藝等方面，需綜合考慮現(xiàn)場施工條件選擇施工工藝。

2.1.2 封航封道限制

鋼桁梁橋上跨運河為Ⅴ級航道，航道運輸繁忙，施工期間通航凈空要求為45 m×5 m，施工過程中不得設(shè)置支架影響通航，且不得長時間占用河道。鋼桁梁橋上跨兩側(cè)道路均為沿運河設(shè)置的交通主干道，施工過程中需保證交通順暢，不得長時間封道施工。如何選擇相應(yīng)施工方案是本工程的一大難點。

2.1.3 管線數(shù)量多，施工困難

運河兩側(cè)沿交通主干道的管線眾多，涉及高壓電線、電力通信、雨污水等管線，現(xiàn)場施工限制多，如何減少管線遷移、加固工作量，方便施工是本工程另一難點。

2.2 施工方案比選

本工程施工精度要求高，封航封道限制多，現(xiàn)場管線分布廣。如何選擇施工方案在滿足現(xiàn)場條件的同時，兼顧安全、質(zhì)量、進度、經(jīng)濟性要求，顯得尤為重要。為此，對3種施工方案進行了比選。

2.2.1 自行式吊機安裝方案

優(yōu)點：技術(shù)成熟，安全性高，設(shè)備易租賃；方便靈活，工作效率高，轉(zhuǎn)場快。

缺點：施工便道受力要求高，措施量大，經(jīng)濟差；運河內(nèi)搭設(shè)臨時措施影響船舶通航；對線路管道影響大。

2.2.2 龍門吊安裝方案

優(yōu)點：技術(shù)成熟，安全性高，設(shè)備易租賃；縱向覆蓋范圍大，起重量大。

缺點：臨時措施量大，經(jīng)濟差；運河內(nèi)搭設(shè)臨時措施影響船舶通航；橫向覆蓋范圍小，兩端需設(shè)臨時大型堆場，影響施工組織；對線路管道影響大。

2.2.3 懸索吊安裝方案

優(yōu)點：對線路管道影響?。豢v向覆蓋范圍大，起重量大；不影響河內(nèi)通航、陸上交通。

缺點：橫向覆蓋范圍小，兩端需設(shè)大型臨時堆場，影響施工組織；臨時索塔和纜索系統(tǒng)設(shè)計及施工要求高。

2.2.4 最終施工方案選擇綜合上述施工重難點以及各個施工方案的優(yōu)缺點，最終采用邊跨構(gòu)件滑移安裝，中跨構(gòu)件無支架懸臂拼裝，跨中合龍的施工方式。

3 施工方案設(shè)計

3.1 總體施工思路

在主橋E0—E6及E0'—E6'節(jié)段下方布設(shè)臨時支架并設(shè)置通長滑移軌道梁，運河中不設(shè)支架以確保通航要求。采用1臺200 t起重船由兩端邊跨向中跨對稱架設(shè)、中跨合龍的方法安裝。其中，兩側(cè)邊跨及中跨E5E6、E5'E6'段鋼箱梁及下弦桿由200 t起重船分段起吊至臨時支架進行拼裝，然后通過滑移機器人滑移至設(shè)計位置，其余中跨鋼箱梁使用200 t起重船進行懸臂安裝。挑梁、主桁架腹桿及上弦桿等緊跟橋面構(gòu)件，采用100 t汽車吊安裝。具體方案如下：

第1步：200 t起重船吊裝E0E1、E0'E1'、E1E2、E1'E2'鋼梁至拼裝支架后，采用滑移機器人滑移至設(shè)計位置，配合100 t汽車吊吊裝對應(yīng)主桁腹桿及上弦桿。

第2步：按以上步驟施工到E4E5、E4'E5'節(jié)段后落梁。

第3步：安裝E5E6、E5'E6'鋼梁節(jié)段。

第4步：懸臂安裝E5E6—E8E9、E5'E6'—E8'E9'鋼梁節(jié)段，E9E9'跨中合龍。

第5步：線形調(diào)整及支座安裝后，卸載成形。

3.2 滑移機器人研發(fā)

邊跨施工時，采用200 t起重船將橫向分段的鋼箱梁構(gòu)件吊裝至臨時支架拼裝形成整體后，使用設(shè)備將鋼箱梁向上頂離臨時支架，滑移至設(shè)計位置后進行精準(zhǔn)落梁，而傳統(tǒng)液壓頂推滑移設(shè)備無法滿足鋼箱梁滑移前的頂升作業(yè)以及鋼箱梁就位后的落梁精確度要求。最終自主研發(fā)滑移機器人（圖3）作為滑移設(shè)備進行滑移施工，該滑移機器人內(nèi)置走行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)的控制器分別集成至一個總控制器進行集成控制，使得滑移機器人可以同步啟停。同時，每臺滑移機器人配備相應(yīng)的分控制器以實現(xiàn)單獨啟停，以確保在滑移過程中進行單點調(diào)節(jié)，消除滑移誤差產(chǎn)生的影響。液壓系統(tǒng)控制三維千斤頂3個方向的移動，從而對擬運輸構(gòu)件進行3個方向的位移調(diào)節(jié)，使得被移動構(gòu)件在運送過程中如遇到主體結(jié)構(gòu)尺寸偏差或構(gòu)件偏位等情況時，可實現(xiàn)構(gòu)件的空中頂升、尺寸微調(diào)和主體平移，避免構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)或臨時障礙物發(fā)生碰撞等。車架上設(shè)置帶自鎖穩(wěn)定的分配梁結(jié)構(gòu)，可與頂升設(shè)備配套使用，防止構(gòu)件受重心偏差或偶然沖擊時發(fā)生傾覆掉落等安全問題，從而確保項目的順利實施及安全作業(yè)。

圖3 滑移機器人

3.3 落梁施工技術(shù)

待E4E5、E4'E5'鋼梁節(jié)段滑移就位，安裝上弦桿A4A5、A4'A5'及對應(yīng)的腹桿和兩側(cè)挑臂后，需將已完成的邊跨結(jié)構(gòu)落至設(shè)計標(biāo)高以上200 mm左右，以保證施工安全以及后期鋼梁無應(yīng)力合龍。具體施工方案如下：

第1步：對鋼箱梁桁梁節(jié)點位置處內(nèi)側(cè)，進行臨時支撐施工。

第2步：拆除永久支墩處滑移軌道梁，并布置墊座及落梁千斤頂。

第3步：拆除臨時支撐短柱及滑移軌道后，通過千斤頂與墊座相互受力轉(zhuǎn)換，落梁至設(shè)計位置以上200 mm左右，永久支座提前布置，并在邊上設(shè)置臨時支座，臨時支座下鋪設(shè)聚四氟乙烯板以釋放水平位移。

第4步：重新對鋼桁梁節(jié)點處進行支撐。

3.4 懸臂安裝技術(shù)

本工程中跨構(gòu)件采用懸臂安裝的施工工藝，鋼箱梁安裝時在自重作用下往下?lián)锨式Y(jié)構(gòu)的縱向預(yù)拱需通過匹配件以及焊接碼板的措施反向人為抬高來實現(xiàn)。由于邊跨結(jié)構(gòu)安裝完畢后進行了落梁施工且又對鋼桁梁節(jié)點處重新進行支撐，此時可將邊跨結(jié)構(gòu)視為滿堂支架支撐，其余中跨懸臂安裝的構(gòu)件只需通過施工模擬分析確定每個主桁架節(jié)點處的撓度后，反向抬升至設(shè)計線形即可。

具體分析結(jié)果為：安裝E6E7、E6'E7'時，E7/E7'節(jié)點下弦桿位置下?lián)现禐?2 mm左右，故E7/E7'節(jié)點抬高量為12 mm；安裝E7E8、E7'E8'時，E8/E8'節(jié)點下弦桿位置下?lián)现禐?2 mm左右，故E8/E8'節(jié)點抬高量為12 mm；安裝E8E9、E8'E9'時，E9/E9'節(jié)點下弦桿位置下?lián)现禐?9 mm左右，故E9/E9'節(jié)點抬高量為19 mm。

3.5 跨中合龍技術(shù)

本橋鋼梁的合龍施工順序為先合龍鋼箱梁及下弦桿，然后合龍上弦桿和腹桿，最后合龍?zhí)舯邸?/p>

鋼箱梁合龍段E9E9'在加工制造前，與東西兩岸E8E9、E8'E9'節(jié)段進行實測匹配制造，確保合龍段E9E9'節(jié)段與東西兩岸E8E9、E8'E9'節(jié)段環(huán)向接口匹配并采用負(fù)公差進行加工。具體合龍段的吊裝施工步驟如下：

第1步：在中墩墩頂提前各布置2臺500 t落梁千斤頂。第2步：運輸船及起重船到達(dá)指定水域拋錨定位。

第3步：起重船垂直起吊合龍梁段，當(dāng)合龍段頂?shù)陀谝训跹b梁段底10～20 cm的位置時，暫停提升。

第4步：觀察合龍段與端口的錯位情況，通過邊墩處落梁千斤頂微調(diào)落頂來調(diào)整鋼梁線形，指揮200 t浮吊緩緩調(diào)整鋼梁位置，待合龍段位置與合龍口兩端鋼梁無干擾阻礙時，緩緩提升合龍段進行合龍。

第5步：利用汽車吊站于橋面進行上弦桿、腹桿及挑臂合龍。

第6步：復(fù)核全橋線形、鋼梁焊接和高強螺栓施工，確認(rèn)鋼梁荷載全部落于永久支座上，安裝支座螺栓后進行支座灌漿，完成體系轉(zhuǎn)換。

4 施工模擬分析

由于施工過程是一個動態(tài)累積、非線性的成形過程，施工各階段的構(gòu)件應(yīng)力、支座反力、結(jié)構(gòu)變形等方面與原設(shè)計一次成形的結(jié)果存在一定差異。為保證過程施工安全，保證結(jié)構(gòu)安全富余度不因施工而降低，有必要對結(jié)構(gòu)進行施工過程模擬分析。

4.1 有限元模型

采用Midas軟件建立計算模型，鋼橋上下弦桿、腹桿均采用梁單元，橋面段以及托架橫梁采用梁單元，上下面板采用板單元建立模型，滑座支撐于下弦桿節(jié)點位置，荷載情況主要是鋼橋結(jié)構(gòu)自重。

使用生死單元法進行施工階段模擬，有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型

1）邊界條件：施工過程中，臨時支撐以及永久柱墩處放水平方向位移，但為保證模型在計算時收斂，水平方向添加剛度較小的彈簧約束；完成體系轉(zhuǎn)換時，按設(shè)計圖紙設(shè)置邊界條件。

2）荷載條件：結(jié)構(gòu)自重根據(jù)深化模型，自重系數(shù)取值為1.1；忽略施工過程中施工荷載以及水平荷載的影響。

4.2 施工模擬步驟

本次施工模擬步驟根據(jù)施工方案以及現(xiàn)場實際情況共分10個施工階段（因為對稱施工，僅模擬其中一側(cè)的施工情況）：安裝E0E1、E1E2橋面節(jié)段及上部結(jié)構(gòu)→安裝E2E3橋面節(jié)段及上部結(jié)構(gòu)→安裝E3E4橋面節(jié)段及上部結(jié)構(gòu)→安裝E4E5橋面節(jié)段及上部結(jié)構(gòu)→落梁，拆除部分臨時支架及拖拉設(shè)備→安裝E5E6橋面節(jié)段及上部結(jié)構(gòu)→安裝E6E7橋面節(jié)段及上部結(jié)構(gòu)→安裝E7E8橋面節(jié)段及上部結(jié)構(gòu)→安裝E8E9橋面節(jié)段及上部結(jié)構(gòu)→安裝E9E9'橋面節(jié)段及上部結(jié)構(gòu)，完成體系轉(zhuǎn)化。

4.3 結(jié)果分析

4.3.1 施工各階段臨時支撐反力值分析

由分析可知，支座反力在施工過程中的最大值出現(xiàn)在E9E9'橋面節(jié)段合龍階段，大小為1 165 t，遠(yuǎn)小于設(shè)計要求的2 200 t，故能保證施工過程中結(jié)構(gòu)安全；施工過程中支座反力未出現(xiàn)負(fù)值，即未出現(xiàn)向上拔力，可保證橋面施工中不產(chǎn)生傾覆。

4.3.2 施工各階段構(gòu)件應(yīng)力分析

由分析結(jié)果可知，從安裝E0E1、E1E2橋面節(jié)段及上部結(jié)構(gòu)到落梁并拆除部分臨時支架及拖拉設(shè)備，構(gòu)件應(yīng)力先逐漸增大而后逐漸減小且均處于較低應(yīng)力水平；安裝E5E6橋面節(jié)段及上部結(jié)構(gòu)時，中墩附近構(gòu)件應(yīng)力增大；施工過程中構(gòu)件最大應(yīng)力為165 MPa，小于設(shè)計要求，故能保證施工過程中結(jié)構(gòu)安全。

合龍后結(jié)構(gòu)體系向設(shè)計狀態(tài)轉(zhuǎn)化，構(gòu)件最大應(yīng)力穩(wěn)定于157 MPa。

4.3.3 施工各階段結(jié)構(gòu)最大撓度分析

由分析結(jié)構(gòu)可知，施工至落梁并拆除部分臨時支架及拖拉設(shè)備時，鋼梁支撐狀態(tài)由滿堂支撐變換為簡支支撐，結(jié)構(gòu)變形加大；安裝E5E6橋面節(jié)段及上部結(jié)構(gòu)和安裝E6E7橋面節(jié)段及上部結(jié)構(gòu)階段，由于懸臂安裝，邊跨跨中撓度變??；合龍后結(jié)構(gòu)體系向設(shè)計狀態(tài)轉(zhuǎn)化，中跨跨中結(jié)構(gòu)最大變形為47 mm。

5 結(jié)語

本文結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)橋梁實際施工，剖析了該工程施工的重難點，分析了各個施工方案的優(yōu)缺點，并對實際采用的方案進行了針對性闡述。所總結(jié)的經(jīng)驗可為今后類似工程提供參考。