互通跨既有線鋼箱梁橋設(shè)計與施工研究

陳 偉,劉 爽

（1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司,貴州 貴陽 550081; 2.中國建筑第二工程局有限公司,北京100073）

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，目前各省均在大力修建高速公路，云南省緊跟國家“十三五”規(guī)劃發(fā)展要求，各高速實現(xiàn)互聯(lián)互通目標(biāo)，國內(nèi)存在大量的與既有高速公路連接、上跨等位置關(guān)系。該文工程案例中昌隆鋪互通主線橋上跨滬昆高速，車流量較大，日均3.5 萬輛，就該工程橋梁設(shè)計及施工要點進(jìn)行分析，對后續(xù)橋梁的設(shè)計與施工具有借鑒意義。

1 橋梁設(shè)計

1.1 設(shè)計技術(shù)參數(shù)

橋梁跨徑：2 跨40 m 鋼箱梁；設(shè)計荷載：公路Ⅰ級；設(shè)計速度：100 km/h；橋面寬度：33.5 m。 0.55 m+15.45 m+1.5 m+15.45 m+ 0.55 m=33.5 m；橋面最大縱坡：i=2.5%，橋梁平面線形：橋梁位于R=1 500 m 的圓曲線內(nèi)；抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：地震動峰值加速度為0.2 g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45 s；橋區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，橋梁抗震設(shè)防類別為B 類，即按9 級采取抗震措施。

1.2 鋼箱梁耐久性設(shè)計

（1）鋼板預(yù)處理要求如下：涂料種類由制造廠家自行確定。

（2）鋼箱梁外表面采用S05。（3）鋼箱梁內(nèi)表面采用S13。

（4）高栓摩擦面采用S22 涂裝體系，無機(jī)富鋅防滑涂料。待鋼梁安裝完成后，所有外漏表面均依次涂環(huán)氧類封孔劑、環(huán)氧云鐵中間漆、氟碳面漆。

2 橋梁施工

2.1 鋼箱梁制造

（1）鋼梁制造按《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/F 041—2011）執(zhí)行。

（2）鋼箱梁在制造前，制造單位根據(jù)該工橋特點，制定專項方案，確定制作工藝流程，經(jīng)專家論證后方可實施。

（3）焊接工藝的正確選擇是保證鋼箱梁質(zhì)量的重要手段，焊接時，不得在構(gòu)件上任意起弧、打火和錘擊，鋼梁焊接須持特殊工種操作證，且由經(jīng)驗豐富的焊工操作[1]。

（4）設(shè)計圖所有標(biāo)注的尺寸均為體系溫度（20 ℃）時的尺寸，工廠下料制造須考慮溫差的影響。

（5）主梁鋼結(jié)構(gòu)是鋼箱梁最重要的板塊，須選擇專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)加工廠，且必須具有高強(qiáng)螺栓施工經(jīng)驗的加工廠。

（6）工廠要搭建滿布胎架，鋼結(jié)構(gòu)梁需要在胎架上按工藝要求進(jìn)行整體組裝，并牢固焊接。

（7）主梁支座墊板由工廠機(jī)加工，要求頂面與梁底密貼。

對于不合格焊縫進(jìn)行返修，同時返修次數(shù)不得多于2 次。如第二次返修依舊不合格，應(yīng)立即分析原因，并報送監(jiān)理單位，由監(jiān)理工程批準(zhǔn)后進(jìn)行第三次返修。

（8）鋼梁預(yù)拼裝按照施工控制確定的預(yù)拼線形組拼，且預(yù)拼裝構(gòu)件不得少于5個標(biāo)準(zhǔn)梁段。各個構(gòu)件需單層存放，確定存放支點位置，使各個支點受力均勻，不得存在不平穩(wěn)狀態(tài)。存放地面應(yīng)堅固，不得將構(gòu)件存放至沉降不均勻地面，同時構(gòu)件距離地面不得小于150 mm。

2.2 交通疏導(dǎo)

2.2.1 第一階段交通疏導(dǎo)方案

（1）在K2012+420、K2013+060 上游2 000 m 波形護(hù)欄外設(shè)置告示牌：1900×1400 標(biāo)牌——“前方2 km 施工”。

（2）在K2012+420、K2013+060 上游250 m 波形護(hù)欄外設(shè)置告示牌：1900×1400 標(biāo)牌——“前方施工，注意安全”及“向左改道”。

昆明至曲靖方向交通疏導(dǎo)方案：

（1）在K2012+420、K2013+060 下游2 000 m 波形護(hù)欄外設(shè)置告示牌：1900×1400 標(biāo)牌——“前方2 km施工”。

（2）在K2012+420、K2013+060 下游右轉(zhuǎn)匝道入口設(shè)置告示牌：1900×1400 標(biāo)牌——“前方施工，注意安全”及“向右改道”。

2.2.2 第二階段交通疏導(dǎo)方案

昆明至曲靖方向交通疏導(dǎo)方案：

（1）在K2012+420、K2013+060 下游2 000 m 波形護(hù)欄外設(shè)置告示牌：1900×1400 標(biāo)牌——“前方2 km 施工”。

（2）在K2012+420、K2013+060 下游右轉(zhuǎn)匝道入口設(shè)置告示牌：1900×1400 標(biāo)牌——“前方施工，注意安全”及“向右改道”。

曲靖至昆明方向交通疏導(dǎo)方案：

（1）在K2012+420、K2013+060 恢復(fù)原道路行駛。

（2）宣威至曲靖方向B 匝道封閉施工。

2.3 鋼箱梁吊裝

2.3.1 G、H 匝道安裝

（1）首先對兩條匝道臨時支架基礎(chǔ)頂標(biāo)高進(jìn)行測量，根據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)確定臨時支架、防護(hù)棚、調(diào)節(jié)墩加工長度，使用汽車吊對臨時支架、防護(hù)棚、分配梁及調(diào)節(jié)墩進(jìn)行制作安裝，如吊車寬度（根據(jù)選用噸位確定）受限，則可以向中央綠化帶范圍延伸，保證起吊范圍。

（2）復(fù)核臨時支架位置、標(biāo)高，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤后進(jìn)行A 節(jié)段吊裝，A 節(jié)段是整體節(jié)段，外形規(guī)格為（mm）：2 900×10 500。

（3）B 節(jié)段吊裝，先吊裝左側(cè)鋼箱梁，再吊裝中間平聯(lián)，然后吊裝右側(cè)鋼箱梁，吊裝時在縱向?qū)涌p處均使用碼板按1 500 mm 間距對箱體進(jìn)行連接固定。橋位復(fù)核無誤后，對接環(huán)口用臨時碼板焊接固定，最后對兩側(cè)挑臂進(jìn)行吊裝。

（4）依次安裝C、D 段。

（5）安裝E、F 段。E、F 節(jié)段為跨高速節(jié)段，每次吊裝時間僅有2 h，吊裝時間較短，施工難度大，鋼箱梁的運(yùn)輸、吊車等應(yīng)緊密配合。吊裝E 節(jié)段時確保昆曲高速昆明方向封閉，將吊車放置在左側(cè)吊裝左側(cè)鋼箱梁，當(dāng)?shù)跹b右側(cè)鋼箱梁時，將吊車放置在右側(cè)吊裝。每次擺放吊車及收吊車時間約0.5 h，吊裝時間為1 h，共計2 h。F 節(jié)段吊裝方法與E 節(jié)段吊裝方法一致。

（6）最后進(jìn)行G、H 節(jié)段吊裝。為保證箱梁能準(zhǔn)確就位，H 節(jié)段設(shè)置為合攏段，合攏段加工時長度加長60 mm，根據(jù)現(xiàn)場實際測量長度在工廠進(jìn)行切割，切割完成后運(yùn)至橋址進(jìn)行吊裝，箱梁吊裝完成。

（7）復(fù)核箱梁整體線型，拆除臨時支架。

2.3.2 主線LZ、LY 吊裝

（1）首先對兩條主線臨時支架基礎(chǔ)頂標(biāo)高進(jìn)行測量，根據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)確定臨時支架、防護(hù)棚、調(diào)節(jié)墩加工長度，使用汽車吊對臨時支架、防護(hù)棚、分配梁及調(diào)節(jié)墩進(jìn)行制作安裝。

（2）封閉昆曲高速昆明方向車道，吊裝左幅E 節(jié)段第一個箱體，使用吊車將鋼箱梁吊裝至貝雷梁支架上，調(diào)整箱梁位置至設(shè)計位置，緊接著吊裝箱梁測，側(cè)面的挑臂塊體，挑臂與主箱梁對接縫處均使用碼板按1 500 mm間距對箱體進(jìn)行連接固定，收整吊車，恢復(fù)高速通車，吊車擺放及收整時間各約0.5 h，吊裝時間為2 h，共計3 h。

（3）封閉昆曲高速昆明方向車道，鋪設(shè)左線E 匝道第三節(jié)箱體下部貝雷梁及防護(hù)棚，吊裝第二、三箱體之間平聯(lián)，使用碼板焊接固定，吊裝第三節(jié)箱體及挑臂。收整吊車，恢復(fù)高速通車，共計封閉時間3 h。

（4）封閉昆曲高速曲靖方向車道，鋪設(shè)左線C、D節(jié)段第一節(jié)箱體下部貝雷梁及防護(hù)棚，吊裝第一節(jié)箱體，使用吊車將鋼箱梁吊裝至貝雷梁支架上，調(diào)整箱梁位置至設(shè)計位置，緊接著吊裝箱梁側(cè)面的挑臂塊體，挑臂與主箱梁對接縫處均使用碼板按1 500 間距對箱體進(jìn)行連接固定使用碼板焊接固定，吊裝第三節(jié)箱體。收整吊車，恢復(fù)高速通車，共計封閉時間3 h。

（5）封閉昆曲高速曲靖方向車道，鋪設(shè)左線C、D節(jié)段第二節(jié)箱體下部貝雷梁及防護(hù)棚，吊裝第一、二箱體之間平聯(lián)，使用碼板焊接固定，吊裝第二節(jié)箱體。收整吊車，恢復(fù)高速通車，共計封閉時間3 h。

（6）封閉昆曲高速昆明方向車道，鋪設(shè)左線C、D節(jié)段第三節(jié)箱體下部貝雷梁及防護(hù)棚，吊裝第二、三箱體之間平聯(lián)，使用碼板焊接固定，吊裝第三節(jié)箱體及挑臂。收整吊車，恢復(fù)高速通車，共計封閉時間2 h。左線跨高速段吊裝完畢，右線跨高速吊裝次序與左線相同。

（7）最后進(jìn)行A、B 節(jié)段吊裝。為保證箱梁能準(zhǔn)確就位，A 節(jié)段設(shè)置為合攏段，合攏段加工時長度加長60 mm，根據(jù)現(xiàn)場實際測量長度在工廠進(jìn)行切割，切割完成后運(yùn)至橋址進(jìn)行吊裝，箱梁吊裝完成。

（8）復(fù)核箱梁整體線型，拆除臨時支架。

2.3.3 臨時支架結(jié)構(gòu)

臨時支架結(jié)構(gòu)為綴條格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)，立柱采用φ325×8 mm 鋼管，連接系使用14#槽鋼，分配梁為H440×300H型鋼，臨時支架所有連接處均采用焊接[2]。

2.4 臨時支架設(shè)計及驗算

2.4.1 臨時支架計算

（1）受力分析。鋼箱梁吊裝時按最不利工況考慮，吊裝時橋墩不受力，所有重量都加載在臨時支架上。相鄰兩個節(jié)段落在一組支架分配梁上，根據(jù)支架組合結(jié)構(gòu)形式，最不利受力工況有兩種，G 匝道和H 匝道支架結(jié)構(gòu)形式類似，最不利工況為吊裝G 匝道D 節(jié)段，此時D節(jié)段梁段合計重約121 t，單個支架平均受力60.5 t。主線橋最不利工況為吊裝右幅Ⅰ節(jié)段，此時Ⅰ節(jié)段梁段合計重量約165 t，單個支架平均受力55 t。為簡化計算，以匝道兩個支架組合、吊裝梁段重量121 t、最大支架高度15.5 m 進(jìn)行受力計算分析。

（2）模型說明。采用Midas Civil 2012 建模，各桿件采用空間梁單元模擬。材料采用Q235 鋼材，支架材質(zhì)為Q235 鋼材，彈性模量E（2.06×105MPa），容重r（78.5 kN/m3），Q235 鋼材屈服強(qiáng)度值為215 MPa，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，鋼材的抗力分項系數(shù)取1.25，Q235 鋼材容許正應(yīng)力[σ]=（215 MPa/1.25）=172 MPa，取5 的整數(shù)倍為170 MPa。

（3）模型加載。根據(jù)支架的支承條件，鋼箱梁重量采用節(jié)點集中力模擬，立柱作為自重加載。根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求，自重系數(shù)取1.1，吊裝動載系數(shù)取1.1，不均勻系數(shù)取1.2。G、H 匝道最不利的工況時，梁段重120 t，梁段布置在8 根調(diào)節(jié)短管上。假設(shè)每根調(diào)節(jié)短管均勻受力，支架系統(tǒng)按集中載荷進(jìn)行受力分析。吊裝時單個梁段：G=1.1×1.2×120×10=1 584 kN。單個支點受力F=1 584/8=198 kN，考慮到吊具和臨時設(shè)備荷載，計算時按200 kN加載，支架系統(tǒng)受力如圖1 所示。

圖1 支架系統(tǒng)強(qiáng)度圖

（4）支架系統(tǒng)受力分析：

1）強(qiáng)度驗算。經(jīng)計算分析，本支架在此受力工況下支架系統(tǒng)最大應(yīng)力為32.5 MPa ＜170 MPa，支架強(qiáng)度滿足要求。

2）剛度驗算?？紤]吊裝過程中豎向荷載組合，支架最大變形位于分配梁中間，最大豎向變形為2.1 mm。支架分配梁撓度容許值νr=3 500 mm/400=8.75 mm（3 500 mm 為分配梁兩支點最大跨度）。支架剛度滿足要求。

3）定性驗算。通過軟件計算分析最大支點反力為220 kN。如圖2 所示。

支架系統(tǒng)的最大支點反力為220 kN，綴條格構(gòu)柱橫撐最大間距為2 000 mm，即200 cm，φ325×8 mm 鋼管的回轉(zhuǎn)半徑為11.211 cm，型鋼立柱長細(xì)比為200/11.211=17.8。

查鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，得鋼管柱的穩(wěn)定性系數(shù)φt=0.985，鋼管柱最大壓應(yīng)力：

式中，Nt——壓桿支點反力（N）；At——壓桿受力面積單位（mm2）。35.7 MPa ＜170 MPa，滿足穩(wěn)定性安全要求。

（5）計算結(jié)論。Midas Civil 2012 仿真計算表明，結(jié)構(gòu)自重+吊裝荷載作用下：

支架系統(tǒng)最大應(yīng)力為32.5 MPa，支架強(qiáng)度滿足要求。

荷載作用下支架最大變形為2.1 mm，剛度滿足施工荷載的需求。

2.4.2 支架基礎(chǔ)驗算

根據(jù)支架計算結(jié)果，支架立柱最大反力220 kN，支架混凝土基礎(chǔ)與地面接觸面積S=2.9*2.9=8.41 m2，單個混凝土基礎(chǔ)最大支架反力F=220*2=440 kN，支架范圍地基承載力為0.16 MPa，即地基承載力＞0.16 MPa。地基處理完成后應(yīng)進(jìn)行釬探試驗檢測地基承載力。

3 結(jié)語

云南曲靖三寶至昆明清水高速公路工程項目的順利竣工，實現(xiàn)又一重要工程節(jié)點，為項目全線貫通提供有力保障。建成后，將大大縮短云南曲靖至昆明兩個城市之間時空距離，有利于進(jìn)一步推國家發(fā)展戰(zhàn)略和云南省內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和建設(shè)，具有完善云南省內(nèi)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)沿線地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重大意義。