斜拉橋超寬幅鋼梁浮箱移運(yùn)施工技術(shù)

張 歡

（中鐵四局集團(tuán)市政工程有限公司，安徽 合肥 230041）

0 引言

鋼箱梁斜拉橋是大跨徑橋梁最常見的一種橋梁結(jié)構(gòu)形式，這種橋梁具有良好的承載能力，同時(shí)也便于施工。隨著通行要求的不斷提升，市政橋梁的寬度在不斷增加，目前主梁寬度超過(guò)50 m 的斜拉橋已屢見不鮮。對(duì)于寬幅鋼箱梁斜拉橋如何能夠快速便捷地進(jìn)行鋼主梁的安裝，是此類橋梁施工過(guò)程中需要解決的主要問(wèn)題之一[1-2]。

目前，常見的斜拉橋鋼箱梁的安裝方法包括支架安裝法、頂推施工法、懸臂拼裝法、大節(jié)段吊裝法等。對(duì)于跨越航道的斜拉橋，多采用懸臂拼裝法，目前跨江、跨海的大跨徑橋梁多采用此類施工方法；對(duì)于跨內(nèi)河航道的鋼梁斜拉橋，頂推施工法也是可考慮的備選方法之一，但采用頂推法施工需要設(shè)置鋼導(dǎo)梁和臨時(shí)墩，施工臨時(shí)措施費(fèi)用較高。采用懸臂拼裝施工時(shí)，鋼梁節(jié)段一般在廠內(nèi)加工成型，然后利用浮運(yùn)將整節(jié)段運(yùn)輸至吊裝位置，再利用橋面吊機(jī)進(jìn)行起吊安裝。當(dāng)不具備整體水運(yùn)條件時(shí)，一般在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置拼裝碼頭，將節(jié)段拼裝為整體后利用駁船運(yùn)輸至吊裝位置進(jìn)行拼裝[3-5]。

對(duì)于水運(yùn)條件較差，靠近河岸吃水深度較淺時(shí)，如何低成本且便捷地完成鋼梁的整體移運(yùn)，是超寬幅鋼箱梁斜拉橋在鋼梁安裝過(guò)程中需要探討的施工技術(shù)問(wèn)題之一。為了進(jìn)一步探討該問(wèn)題，本文以阜陽(yáng)市阜裕大橋?yàn)橐劳?，探討了斜拉橋超寬幅鋼梁浮箱移運(yùn)施工技術(shù)。

1 工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

阜陽(yáng)市阜裕大橋?yàn)槔蠘虿鸪亟?xiàng)目，新建的阜裕大橋主梁跨徑布置為35 m+90 m+166 m（見圖1）。橋梁結(jié)構(gòu)形式為不對(duì)稱布置獨(dú)塔鋼箱梁斜拉橋，結(jié)構(gòu)體系為半漂浮體系，在塔梁連接處設(shè)置可剪斷縱向限位支座。全橋共設(shè)置18 對(duì)斜拉索，中跨拉索梁端錨固點(diǎn)距離為8 m，邊跨拉索錨固點(diǎn)距離為5.5～6 m，拉索采用平行鋼絲成品拉索。在邊跨輔助墩附近設(shè)置配重，實(shí)現(xiàn)邊中跨質(zhì)量平衡。

圖1 阜裕大橋總體布置（單位：m）

主梁采用超寬幅雙箱型鋼梁結(jié)構(gòu)，主梁總寬度為60 m。在兩側(cè)拉索對(duì)應(yīng)位置各設(shè)置1 個(gè)鋼箱結(jié)構(gòu)，鋼箱外側(cè)設(shè)置鋼挑梁和正交異性橋面板，在鋼箱之間采用工字型鋼橫梁和正交異性橋面板，鋼梁中心間距為29.25 m，單側(cè)挑臂長(zhǎng)度為8.95 m。主塔縱向采用水滴外形，橋塔總高度為95.6 m，橋塔底部寬度為13 m，上部的寬度為17.6～5 m，在主梁位置采用鏤空布置。橫橋向?yàn)镠 型塔柱，在鋼梁底部位置設(shè)置1 道橫梁，在橋面以上不設(shè)置橫向聯(lián)系。

1.2 施工特點(diǎn)

由于受到運(yùn)輸條件限制，本橋的超寬幅鋼梁采用陸運(yùn)運(yùn)輸進(jìn)場(chǎng)，因此鋼梁加工后以塊體狀態(tài)運(yùn)輸至場(chǎng)內(nèi)，再進(jìn)行拼裝。由于均為陸上區(qū)域，因此邊跨直接采用支架拼裝的方式進(jìn)行主梁安裝，在橋位處搭設(shè)支架，在支架上將鋼梁塊體按照先橫向拼裝后縱向拼裝的順序進(jìn)行拼裝。

中跨受到潁河航道通行的限制，采用鋼梁整體懸臂吊裝的方法進(jìn)行安裝。在河岸邊設(shè)置鋼梁拼裝平臺(tái)，在拼裝平臺(tái)上完成鋼梁節(jié)段組拼。在節(jié)段拼裝檢驗(yàn)合格后利用自制浮箱將鋼梁整體移運(yùn)（見圖2）。鋼梁節(jié)段運(yùn)輸至橋位處利用橋面吊機(jī)進(jìn)行整體起吊安裝。

圖2 浮箱運(yùn)輸鋼箱梁示意圖

2 寬幅鋼梁移運(yùn)浮箱設(shè)計(jì)

2.1 浮箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本橋鋼梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)度為8 m，中跨的最大鋼梁質(zhì)量為260 t，為了滿足鋼梁節(jié)段整體運(yùn)輸?shù)囊?，設(shè)計(jì)本橋鋼梁運(yùn)輸專用浮船。浮船由10 個(gè)浮箱組成，單片浮箱尺寸為17.5 m×3 m×1.8 m。單個(gè)浮箱由4 個(gè)艙室組成，艙室之間設(shè)隔板，隔板間距為8.75～9 m，利用隔板將浮箱分割為多個(gè)隔艙。浮箱頂?shù)装搴?0 mm，腹板厚5 mm，隔板厚5 mm；在頂?shù)装逶O(shè)有2 道150 mm×50 mm 的L 形縱向勁板，加勁間距為1 m；浮箱沿環(huán)向在箱內(nèi)設(shè)置150 mm×50 mm 的L 形環(huán)形勁板，間距0.437 m。鋼梁運(yùn)輸過(guò)程的設(shè)計(jì)吃水深度1.4 m，最大吃水深度1.8 m，浮箱自重為30 t。

浮箱與浮箱之間在腹板上利用螺栓進(jìn)行連接，螺栓孔距頂板約1 m，沿浮箱縱向通過(guò)8 個(gè)直徑82 mm的錨栓將相鄰浮箱進(jìn)行連接。為了提高鋼箱之間的整體性，在浮箱頂面設(shè)置4 道雙拼I40b 型鋼作為聯(lián)系梁。組拼后浮船結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖3 浮船結(jié)構(gòu)示意圖

在浮船上設(shè)4 組“加強(qiáng)型321”貝雷支架作為鋼梁支撐平臺(tái)，每組貝雷支架上設(shè)2 個(gè)支點(diǎn)支撐于鋼梁腹板位置，支撐點(diǎn)在浮船上縱、橫向均采用對(duì)稱布置。每組貝雷支架由4 片貝雷梁組成，間距0.45 m，貝雷支架通過(guò)花架連接，在貝雷支架兩側(cè)焊接型鋼與浮箱進(jìn)行連接，以提高貝雷支架的整體穩(wěn)定性。浮箱結(jié)構(gòu)與連接構(gòu)件的總質(zhì)量為90 t，浮船設(shè)計(jì)浮力為435 t，最大托運(yùn)質(zhì)量735 t，可滿足托運(yùn)質(zhì)量要求。

2.2 浮箱受力分析

為了對(duì)浮箱的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，建立浮箱有限元模型進(jìn)行分析。水壓力對(duì)浮船的作用以荷載形式施加在浮船上，計(jì)算時(shí)按照最大托運(yùn)狀態(tài)施加壓力荷載。在貝雷支架與浮箱的的接觸位置設(shè)置邊界條件，邊界條件采用x、y、z 這3 個(gè)方向施加位移約束。

圖4 為最大浮運(yùn)狀態(tài)下，浮箱的Mises 應(yīng)力分布。分析表明，浮船腹板等效Mises 應(yīng)力最大值為94.9 MPa，底板的最大應(yīng)力為110 MPa，隔板應(yīng)力均在108 MPa 以內(nèi)。由此說(shuō)明浮箱的總體應(yīng)力水平較為合適，均滿足材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度；浮箱底板出現(xiàn)的最大變形為4.93 mm，剛度適合，加勁設(shè)置較為合理。

圖4 浮箱內(nèi)部等效應(yīng)力云圖（單位：MPa）

浮箱頂板與貝雷支架支撐局部位置的Mises 應(yīng)力分布如圖5 所示。浮箱頂部Mises 應(yīng)力的最大值為211.8 MPa，最大位置位于支撐墊板與浮船腹板及頂板接觸處，其他位置的應(yīng)力基本在150 MPa 以下。最大應(yīng)力均滿足Q235 鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

圖5 浮箱頂部局部等效應(yīng)力云圖（單位：MPa）

在橫向連接的錨栓孔位置附近受到孔洞效應(yīng)的影響，出現(xiàn)的最大Mises 應(yīng)力為212.5 MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度，可滿足局部受力的要求。

3 寬幅鋼梁浮箱移運(yùn)施工技術(shù)

為了避免在拼裝區(qū)域投入過(guò)多的機(jī)械設(shè)備，本橋中跨鋼梁采用浮船運(yùn)輸后進(jìn)行整體吊裝的技術(shù)。鋼梁拼裝在北岸側(cè)設(shè)置拼裝平臺(tái)和滑梁軌道，在拼裝平臺(tái)上利用1 臺(tái)履帶吊配合將鋼梁塊體拼裝為鋼梁整節(jié)段。節(jié)段拼裝成整體后，沿著拼裝平臺(tái)的滑梁軌道將節(jié)段向前滑移，在滑移后空出的空間進(jìn)行下個(gè)節(jié)段的拼裝。

浮箱移運(yùn)施工示意圖見圖6。

圖6 浮箱移運(yùn)施工示意圖

浮船移動(dòng)至拼裝平臺(tái)后，向浮箱內(nèi)注水，使得浮船緩慢下沉，當(dāng)貝雷支架頂部的高度低于鋼梁底板10 cm后，將浮船緩慢移入鋼梁下方（見圖6（a））。利用浮船動(dòng)力驅(qū)動(dòng)將浮箱頂面的貝雷支架支點(diǎn)與鋼梁對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行對(duì)中，并利用受拉葫蘆臨時(shí)固定浮船，再對(duì)稱、緩慢地將浮箱內(nèi)水排出，使浮船緩慢上浮，托起鋼梁完成支撐轉(zhuǎn)換。

鋼梁支撐完成裝換后，通過(guò)導(dǎo)鏈將鋼梁和貝雷支架進(jìn)行臨時(shí)固定，再利用拖船將浮箱和鋼梁運(yùn)輸至鋼梁安裝位置（見圖6（b））。利用鋼梁懸臂端部設(shè)置的面吊機(jī)將鋼梁整節(jié)段起吊后進(jìn)行對(duì)位安裝，再進(jìn)行環(huán)縫焊連和拉索安裝與張拉，完成1 個(gè)梁段的施工。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）將多個(gè)浮箱利用錨栓、型鋼連接在一起，可組成運(yùn)輸超寬幅鋼梁的浮船；在浮船頂部安裝貝雷支架作為鋼梁的支撐構(gòu)件，同時(shí)可增加浮箱的整體剛度。

（2）有限元分析結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的浮船在水壓力和鋼梁節(jié)段自重下受力狀態(tài)良好，浮箱的總體應(yīng)力均在150 MPa 以下，最大局部應(yīng)力不超過(guò)212.5 MPa，具有良好的承載能力。

（3）利用向浮箱內(nèi)注水或排水，從而靈活調(diào)整吃水深度的特點(diǎn)，可控制浮箱頂面高程，便捷地將鋼梁支撐由平臺(tái)轉(zhuǎn)化至浮箱上，避免在拼裝區(qū)域內(nèi)設(shè)置大型吊裝設(shè)備，減小了拼裝平臺(tái)的尺寸，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。