基于幾何狀態(tài)分析的大節(jié)段鋼箱連續(xù)梁吊裝技術(shù)

周琪

摘要：當(dāng)前，大節(jié)段鋼箱連續(xù)梁吊裝施工過程中，主要采用開環(huán)控制法調(diào)整施工誤差，由于該方法忽略了每個節(jié)段自身的幾何特征，導(dǎo)致吊裝完成后的橋梁變形較為嚴重。因此，文章以珠江三角洲西岸地區(qū)一項全長為50 km的大橋工程為研究背景，設(shè)計基于幾何狀態(tài)分析的大節(jié)段鋼箱連續(xù)梁吊裝技術(shù)。設(shè)計過程中首先參考溫差和施工受力引起的支座偏移量，計算鋼箱連續(xù)梁吊裝施工位置；其次依托幾何狀態(tài)分析原理確定每個節(jié)段的幾何特征，結(jié)合線形設(shè)計要求的預(yù)拱度，設(shè)置各節(jié)段的幾何控制線形，降低施工誤差；最后從橋梁一端開始應(yīng)用鋼絲繩捆綁式起吊法，將大片段梁體放置在合適位置，完成鋼箱連續(xù)梁吊裝施工。通過對吊裝施工完成后的橋梁進行監(jiān)測可知：大節(jié)段鋼箱連續(xù)梁最大累計變形值為22.05 mm，符合橋梁施工質(zhì)量要求。

關(guān)鍵詞：幾何狀態(tài)分析；大節(jié)段吊裝；鋼箱連續(xù)梁；預(yù)拱度；線形控制；支架

中圖分類號：U448.21? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）02-0051-04

0 引言

交通是城市發(fā)展的基礎(chǔ)，在當(dāng)今社會發(fā)展背景下，公路與城市道路建設(shè)工程越來越受到重視，其中橋梁工程的設(shè)計水平及施工技術(shù)也在快速發(fā)展，而橋跨箱形截面形式也成為最常用的橋梁結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出抗彎剛度大、自重輕等優(yōu)點。近年來，為了滿足不斷提升的鋼箱施工要求，鋼箱連續(xù)梁施工技術(shù)得到不斷更新，基于橋面吊機實現(xiàn)的小節(jié)段懸臂拼裝技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用［1］，但該技術(shù)應(yīng)用在斜拉橋等特殊施工時，無法主動調(diào)整鋼箱連續(xù)梁橋節(jié)段的標(biāo)高誤差［2］，最終導(dǎo)致施工橋梁變形較為嚴重。隨著吊裝機械設(shè)備技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，開始出現(xiàn)一種大節(jié)段鋼箱連續(xù)梁吊裝技術(shù)，與傳統(tǒng)方法相比，可以更好地調(diào)整施工誤差，大大提升了鋼箱連續(xù)梁的施工質(zhì)量。

目前，大節(jié)段鋼箱連續(xù)梁吊裝施工技術(shù)包括頂推法、分段吊裝法、轉(zhuǎn)體法等多種類型，具體的安裝技術(shù)選擇需要根據(jù)場地、工程進度等要求確定。本文選取一座全長接近50 km的橋梁工程作為研究對象，以加強吊裝施工主梁結(jié)構(gòu)的安全性為目標(biāo)，提出在傳統(tǒng)的吊裝施工過程中融入幾何狀態(tài)分析方法而形成一種新型吊裝技術(shù)，可以更好地控制施工線形誤差。

1 工程概況

本研究選定的橋梁施工工程位于珠江三角洲西岸地區(qū)，該橋梁的建設(shè)對促進該區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。經(jīng)過調(diào)查可知，該工程橋梁的全長和主體工程長度分別為50 km和30 km，橋梁主體工程區(qū)段采用連續(xù)鋼箱梁體系。結(jié)合施工區(qū)域的交通需求和橋梁建設(shè)預(yù)算，確定該橋梁結(jié)構(gòu)為6 ×110 m的六跨梁結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用正交異性板結(jié)構(gòu)設(shè)計頂板。從整體上看，鋼箱梁的尺寸為33.1 m×4.5 m，其截面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該鋼箱連續(xù)梁包括頂板、橫肋板、底板等多個組成結(jié)構(gòu)。不同梁段的厚度存在差異，要實現(xiàn)橋面頂板的鋪裝厚度滿足統(tǒng)一標(biāo)準，就需要在大節(jié)段鋼箱連續(xù)梁吊裝施工過程中應(yīng)用上緣對齊的方式進行對接處理。

采用大節(jié)段鋼箱連續(xù)梁吊裝技術(shù)進行鋼箱梁制造，需要經(jīng)過板單元生產(chǎn)、小節(jié)段制作與大節(jié)段拼裝3個前期環(huán)節(jié)。在大節(jié)段拼裝處理完成后，通過吊裝設(shè)備將鋼箱連續(xù)梁大節(jié)段吊放至合理區(qū)域。本研究選定的橋梁施工工程的吊裝施工主要包括20個步驟，每個步驟的工況描述見表1。

從表1中可以看到，為了輔助大節(jié)段鋼箱連續(xù)梁吊裝施工，本次施工現(xiàn)場存在7個固定支座，主要負責(zé)吊裝支撐和精確調(diào)位；吊裝施工工況包括6個跨越單元，每個吊裝跨越單元安裝后，都需要與前一個跨越單元進行焊接處理。在上述工程背景下，本研究提出一種結(jié)合幾何狀態(tài)分析方法進行大節(jié)段鋼箱連續(xù)梁吊裝施工的技術(shù)。

2 大節(jié)段鋼箱連續(xù)梁吊裝施工工藝

2.1 確定鋼箱連續(xù)梁吊裝位置

施工位置的確定是大節(jié)段鋼箱連續(xù)梁吊裝施工的基礎(chǔ)，考慮到目標(biāo)橋梁工程的跨數(shù)較多，整個吊裝梁體會受到施工受力和環(huán)境溫度的共同影響［3］，出現(xiàn)明顯的收縮變形，從而導(dǎo)致橋墩支座出現(xiàn)一定程度的位移。因此，在上部吊裝結(jié)構(gòu)位置定位過程中，需要考慮支座的縱向偏移量，確定合理的吊裝位置。

通過對橋墩支座定位流程進行分析可以發(fā)現(xiàn)，其縱向位移主要來自兩個方面，分別是支座體系轉(zhuǎn)換前和支座體系轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的位移量。前者產(chǎn)生的原因是梁體從臨時支座上轉(zhuǎn)移到永久支座時，會隨著底板的移動發(fā)生偏移。后者也可以稱為支座相對變形，產(chǎn)生的原因是永久支座的底板受到巨大壓力出現(xiàn)變形情況，從而引起縱向偏移。在實際吊裝施工過程中，溫差和施工受力都會引起兩個方面支座偏移量的變化。其中，溫差引起的支座偏移量可以表示如下：

[ΔLa=s×Δa×L]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

公式（1）中，[Δa]表示計算溫差，[a]表示溫度，[s]表示鋼材線膨脹系數(shù)，[L]表示固定支座與計算點之間的距離，[ΔL]表示支座偏移量。偏移量計算過程中，需要注意固定支座的轉(zhuǎn)換，這是因為每一次轉(zhuǎn)換都會引起固定支座與計算點之間的距離發(fā)生變化。

大節(jié)段鋼箱連續(xù)梁在受力狀態(tài)下，中性軸的長度不會發(fā)生變化，以此作為基準點，輔助后續(xù)線形控制參數(shù)的計算。但是，鋼箱連續(xù)梁底板的長度會受到受力情況的影響而出現(xiàn)變化，下緣平均應(yīng)力引起的支座偏移量計算公式如下：

[ΔLδ=k=1mδQ×Rk]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

公式（2）中，[δ]表示下緣平均應(yīng)力，[k]表示受力單元，[m]表示吊裝施工工程包含的受力單元總數(shù)量，[Q]表示當(dāng)前支座與固定支座之間單元個數(shù)，[R]表示單元長度。

綜合溫差和受力兩個方面因素計算出整體支座偏移量，確定落梁支座中心線、墩頂支座中心線之間的最優(yōu)距離如下：

[?=-（ΔLa+ΔLδ）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

公式（3）中，[?]表示墩頂支座與落梁支座中心線之間的距離。以當(dāng)前墩頂支座的中心線為基準線，結(jié)合公式（3）的計算結(jié)果，定位落梁支座中心線，在該中心線上開始大節(jié)段鋼箱連續(xù)梁吊裝施工。

2.2 現(xiàn)場布置吊裝設(shè)備

確定吊梁施工位置后，根據(jù)構(gòu)件重量、吊裝高度、施工環(huán)境等多項條件，定義大節(jié)段鋼箱連續(xù)梁吊裝施工設(shè)備參數(shù)。為了提升吊裝施工速度，本研究提出在吊裝施工場所內(nèi)布置2臺吊裝機械，將整個橋梁施工區(qū)段劃分為7個分段，同步開展大節(jié)段鋼箱連續(xù)梁吊裝工作。吊裝設(shè)備的具體參數(shù)見表2。

在目標(biāo)施工區(qū)域內(nèi)選擇合適的吊點，并對吊點區(qū)域的地基進行處理，確保吊裝施工過程中吊裝機械可以發(fā)揮更大的作用。此外，使用吊車進行吊裝處理后，設(shè)置外側(cè)腹板作為吊車支腿受力的最遠范圍。為了避免集中荷載對吊點區(qū)域的地基造成破壞導(dǎo)致設(shè)備側(cè)翻，進而損害起吊中的大節(jié)段鋼箱連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，要求吊車起吊前在吊車支腿下方墊合格枕木，實現(xiàn)支腿集中荷載的分散處理，確保吊裝作業(yè)安全可靠。

本研究選定的橋梁工程鋼箱連續(xù)梁區(qū)段較長，吊裝施工模式適合選擇分段吊裝法，即吊裝安裝機械時，每個分段點分別搭建臨時支撐支架和操作平臺，輔助拱架與拉索的吊裝。搭建吊裝臨時支撐支架時，為了保證其牢固性，采用4根底端固定在錨樁上的直徑為19.05 mm的鋼絲繩進行斜拉固定處理，避免出現(xiàn)支架偏斜情況。除鋼結(jié)構(gòu)外，吊裝臨時支撐支架還包含一個厚度為30 cm的混凝土底板，在實際操作過程中，需要先將支架的主肢穿過箱梁上方的孔洞，吊裝施工完成后，填充混凝土。此外，兩節(jié)段的鋼箱連續(xù)梁吊裝與安裝結(jié)束后，可以在箱梁翼緣板處布置一個腳手架，從而得到穩(wěn)定性較高的臨時支撐架。

考慮到重量較大的鋼架運輸難度較大，本研究提出使用平板拖車作為運輸工具，將其轉(zhuǎn)移到吊裝施工區(qū)域。同時，為了避免運輸過程中鋼架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形問題，需要在結(jié)構(gòu)下方添加一些胎具，減緩運輸途中的顛簸。運送到目的地的鋼架由現(xiàn)場施工人員進行整理和組裝，等待后續(xù)吊裝處理。

2.3 設(shè)置各節(jié)段幾何控制線形

2.3.1 參數(shù)設(shè)置

鋼箱連續(xù)梁吊裝施工的關(guān)鍵在于幾何線形控制，其作用是對吊裝施工誤差進行現(xiàn)場調(diào)整，有助于建設(shè)出符合質(zhì)量要求的吊裝施工節(jié)段。本次吊裝施工應(yīng)用了幾何狀態(tài)分析方法，分析當(dāng)前鋼箱連續(xù)梁吊裝現(xiàn)場的幾何特征，從而確定當(dāng)前幾何線形參數(shù)，根據(jù)參數(shù)設(shè)置吊裝施工幾何控制線形，使幾何線形不斷靠近設(shè)計要求，達到調(diào)整吊裝施工誤差的目的。幾何控制線形的設(shè)置需要以前期定義的預(yù)拱度為基礎(chǔ)，在吊裝施工正式開始之前，針對不同的吊裝分段，分別定義符合線形設(shè)計要求的預(yù)拱度，輔助大節(jié)段鋼箱連續(xù)梁的連接。本次參數(shù)設(shè)置應(yīng)用了梁單元模型分析，獲取橋梁累計變形的1/2活載變形，作為預(yù)拱度設(shè)置結(jié)果。

2.3.2 參數(shù)采集

吊裝施工幾何線形參數(shù)的設(shè)置，需要從大節(jié)段制作環(huán)節(jié)入手，根據(jù)小節(jié)段兩端標(biāo)高，確定每個小節(jié)段的相對里程與高程，與相對預(yù)拱度相加后得出相對高程計算結(jié)果，將此結(jié)果作為無應(yīng)力下料參數(shù)。大節(jié)段的幾何形態(tài)測量，需要通過紅外測距儀、精密水準儀等設(shè)備實現(xiàn)。其中，標(biāo)高需要用高精度的電子水準儀測量獲得，角度需要通過傾角儀進行測量，其他幾何參數(shù)則需要采用全站儀測量獲取。根據(jù)上述采集參數(shù)，可以確定當(dāng)前鋼箱梁制造的幾何線形特點，參考大節(jié)段吊裝施工要求，確定每個分段的幾何控制線形。

2.3.3 確定幾何控制線形

幾何控制線形確定后，設(shè)置控制點為底板中心，根據(jù)幾何關(guān)系確定頂板修正量，完成大節(jié)段預(yù)制處理。將預(yù)制處理后的大節(jié)段鋼箱通過吊裝設(shè)備轉(zhuǎn)移到臨時支座上，觀察鋼箱梁的自重變形特點，計算其對應(yīng)的安裝幾何控制線形，及時調(diào)整吊裝施工的線形偏差，確保鋼箱連續(xù)梁安裝后，生成符合線形要求的大跨度橋梁。大節(jié)段吊裝施工幾何控制線形的確定，需要考慮豎曲線的預(yù)拱度，以及當(dāng)前施工工況的位移，通過“以直代曲”的方式，制作預(yù)制鋼箱連續(xù)梁。以頂板的中心點作為核心，向四周合理布置測點，確定大節(jié)段制造線形（如圖2所示）。

除此之外，由于大節(jié)段鋼箱連續(xù)梁的吊裝安裝需要對相鄰節(jié)段進行焊接合攏，因此吊裝施工必然會存在梁端轉(zhuǎn)角，而轉(zhuǎn)角的取值也會對最終施工效果產(chǎn)生影響。本次施工應(yīng)用幾何狀態(tài)分析算法對梁端轉(zhuǎn)角進行深入分析，確定轉(zhuǎn)角的幾何控制線形，確保相鄰的鋼箱連續(xù)梁可以平順地完成連接。

2.4 完成大節(jié)段鋼箱連續(xù)梁吊裝施工

2.4.1 拉索安裝

吊裝施工的實現(xiàn)，在很大程度上依靠拉索，本次施工過程中為了保證拉索具有較強的承重能力，采用符合低松弛鋼絞線要求的鋼絞線作為吊裝拉索基礎(chǔ)材料，并在絞線和錨具表面分別涂抹一層環(huán)氧涂層。將拉索安裝到吊裝設(shè)備上，設(shè)置拉索長度為5 m，傾斜角度為85°。為了保證吊裝施工的順利進行，主梁吊裝施工共使用了14根拉索，所有拉索的主梁端連接叉耳式錨板，便于掛索安裝。前期處理階段已經(jīng)將吊裝設(shè)備布置到施工現(xiàn)場的合適位置，在拉索安裝階段，只需要在設(shè)備的上、下預(yù)埋處分別添加一個導(dǎo)向裝置，將拉索的牽引鋼絲繩穿過導(dǎo)向裝置，形成一個循環(huán)牽引力結(jié)構(gòu)。

2.4.2 吊裝施工

按照上述幾何控制線形設(shè)置結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)場吊裝設(shè)備的輔助下，從橋梁一端開始進行吊裝施工。首先，應(yīng)用鋼絲繩捆綁式起吊法，通過吊車將施工材料吊到彈性中心位置以上的吊點位置，結(jié)合大節(jié)段鋼箱連續(xù)梁分段吊裝長度，獲取不同節(jié)段的矢跨比。通常，吊點位置的選取應(yīng)滿足彎矩最小、負彎矩絕對值相等的要求，本次施工過程中，在忽略吊裝材料曲率的情況下，將該材料視為直梁。通過吊車上的鋼筋拉起大節(jié)段鋼箱連續(xù)梁，按照一次運輸一個拱段的運輸計劃，將其放置到預(yù)先搭建的兩個臨時支撐支架上。

吊梁施工操作是整個大節(jié)段鋼箱連續(xù)梁吊裝施工的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。為了保證梁體安放位置合理，可以在兩個臨時支撐支架上分別放置定位件和千斤頂，用于判斷當(dāng)前吊裝位置是否合理，并進行調(diào)整。所有鋼箱連續(xù)梁吊裝結(jié)束后，依次進行焊接處理，最后撤去吊裝設(shè)備，對吊裝就位效果進行檢驗，符合施工質(zhì)量要求后，可以拆除臨時支撐架。

3 吊裝施工結(jié)果分析

為了證明應(yīng)用幾何狀態(tài)分析后，大節(jié)段鋼箱連續(xù)梁吊裝的施工效果更佳，在吊裝施工完成一段時間后，對該施工橋梁進行變形監(jiān)測，將監(jiān)測結(jié)果生成的累計變形曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，吊裝施工后大節(jié)段鋼箱連續(xù)梁的累計變形呈現(xiàn)出中間大兩側(cè)小的規(guī)律。其中，最大累計變形值為22.05 mm，出現(xiàn)在跨中區(qū)域，明顯小于預(yù)期設(shè)定的大節(jié)段鋼箱連續(xù)梁變形值50 mm，表明幾何狀態(tài)分析下的吊裝技術(shù)具有良好的應(yīng)用性能。

4 結(jié)語

現(xiàn)代化交通領(lǐng)域的發(fā)展，推動了大跨度橋梁事業(yè)的發(fā)展。本文以珠江三角洲西岸地區(qū)一座大橋工程為研究對象，引入幾何狀態(tài)分析方法進行大節(jié)段鋼箱連續(xù)梁吊裝施工。應(yīng)用該吊裝施工技術(shù)后，從最終施工效果可以看出，橋梁一段時間內(nèi)的累計變形值較低，有效地提升了橋梁施工質(zhì)量。

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