中小跨徑超寬鋼板組合梁橋整孔吊裝技術研究

韓洪舉,賈 健,郭吉平,陶鐵軍,胡 嫚,趙 疆,巨澤港,吳 飛

(1.貴州路橋集團有限公司，貴州 貴陽 550001；2.貴州大學 土木工程學院，貴州 貴陽 550025；3.西南大學 工程技術學院，重慶 400715；4.重慶大學 機械與運載工程學院，重慶 400044)

0 引言

我國正處于大規(guī)模橋梁建造階段，在橋梁工程建設新材料、新體系、智能建造和快速建造等領域的科學研究取得突破性進展[1-2]，并建造了多座世界標志性橋梁。《交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》[3]顯示截止2020年末，我國建造公路橋梁91.28萬座，其中特大橋梁6 444座、大橋119 935座；大橋和特大橋的橋跨布置時除主孔外其余跨徑布置50 m以下，即中小跨徑橋梁實際長度占比更高，具有適用性強、應用面廣等特點。

鋼材和混凝土是橋梁建造使用最多的材料[2]，通過合理的結(jié)構(gòu)設計與理論計算將工字鋼主梁和預制的鋼筋混凝土板通過剪力釘組合成鋼-混凝土組合橋梁，充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢，降低結(jié)構(gòu)自重，提高橋梁上部結(jié)構(gòu)的承載能力和變形能力[4]。我國中小跨徑橋梁上部結(jié)構(gòu)類型眾多[2，5]，設計選型需要綜合考慮多方面因素，目前主要以預制混凝土梁為主。隨著快速綠色建造技術和鋼材產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)鋼材種類更豐富、質(zhì)量也得到提高，鋼混組合橋占比持續(xù)增加，鋼板組合梁是中小跨徑快速建造的優(yōu)選結(jié)構(gòu)形式之一[6]。鋼混組合梁在特大橋梁建造工程中的應用日益廣泛，安徽濟祁高速公路淮河橋引橋工程-鋼板組合雙主梁橋的建造為鋼混組合梁橋快速建造提供了寶貴的經(jīng)驗[7]。預制拼裝技術是橋梁快速建造技術的核心與基礎，我國大跨徑橋梁上部結(jié)構(gòu)通常采用整孔吊裝[8-9]和懸臂拼接[10-11]兩種方法，且成功應用于多例橋梁建設工程。國內(nèi)外學者[12-15]關于中小跨徑鋼板組合梁橋的理論計算、數(shù)值模擬和試驗研究取得豐碩的成果，常用預制拼裝工藝主要有逐孔吊裝法、整聯(lián)同步施工法和頂推施工法。

中小跨徑橋梁現(xiàn)有研究主要集中在選型設計、受力分析等方面，關于山區(qū)中小跨徑多主梁橋整孔吊裝技術研究較少。本文詳細闡述了新平河特大橋的結(jié)構(gòu)形式及相關尺寸參數(shù)，描述了超寬智能架橋機的組成結(jié)構(gòu)及相關作用。新平河特大橋整孔吊裝時已架設超寬鋼主梁由于自重和架橋機作業(yè)導致懸臂端位移變形量過大，導致懸臂拼接面發(fā)生轉(zhuǎn)角偏離理想的豎直拼接面，使得下一跨整孔吊裝時懸臂拼接作業(yè)難度大、耗時長，且不易保證工程質(zhì)量。為此，將超寬智能架橋機簡化為具有高程差的三次超靜定鋼架結(jié)構(gòu)模型，已安裝跨鋼主梁簡化為簡支外伸梁，待吊裝鋼主梁簡化為兩端外伸的簡支梁，計算懸臂端的位移變形量，給出中小跨徑鋼板組合梁橋詳細的施工方法。基于理論計算結(jié)果結(jié)合數(shù)值模擬方法和現(xiàn)場監(jiān)測試驗驗證模型可行性并指導現(xiàn)場施工，給出詳細的懸臂拼接及整孔吊裝施工步驟，為山區(qū)中小跨徑橋梁類似工程提供參考。

1 橋梁與架橋機結(jié)構(gòu)

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)形式

新平河特大橋是一座3×(3×40)m+6×(4×40)m+3×40 m共10聯(lián)的多主梁鋼板組合梁橋，先簡支后橋面連續(xù)，設計荷載為公路-I級，單幅橋面凈寬為11.75 m。大橋位于地理環(huán)境復雜、氣候多變的喀斯特山區(qū)，施工難度大且周期長，上部結(jié)構(gòu)形式選用結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異、工廠化和裝配化程度高、經(jīng)濟效益顯著、方便維護且施工環(huán)境擾動小的鋼板組合梁。下部結(jié)構(gòu)采用柱式臺、采用U臺，橋墩采用空心墩、柱式墩，橋臺采用擴大基礎、樁基礎。施工方案主要包括預制拼接場超長工字鋼主梁節(jié)段拼接、智能架橋機整孔吊裝超寬鋼主梁、橋面板吊裝與現(xiàn)澆濕接縫，新平河特大橋第一聯(lián)的立面圖和橫斷面圖如圖1所示。

(a)第一聯(lián)立面圖(單位：cm)

新平河特大橋上部結(jié)構(gòu)由工字型鋼梁+混凝土橋面板組成，鋼主梁由3片工字型梁和2個小縱梁組成，每隔5 m設一道鋼橫系梁，混凝土預制橋面板厚25 cm，第一聯(lián)鋼主梁的詳細尺寸見表1。鋼板組合梁很大程度上降低了結(jié)構(gòu)高度，改善了結(jié)構(gòu)外形，有效解決了傳統(tǒng)中小跨徑橋梁穩(wěn)定性差、易開裂和表觀質(zhì)量難控制問題，鋼板組合梁工廠化預制程度高，現(xiàn)場安裝工期短，施工環(huán)境擾動小。

表1 第一聯(lián)鋼主梁各節(jié)段尺寸

1.2 架橋機結(jié)構(gòu)簡介

為實現(xiàn)40 m超寬鋼主梁整孔架設安裝，采用了超寬鋼-混組合連續(xù)梁專用智能架橋機，長72 m，寬13 m。其主要結(jié)構(gòu)包含2道主導梁，架橋機支腿由臨時支腿、前支腿1和2、中支腿、尾支腿，縱行桁車1、縱行桁車2，縱行桁車配備2臺16 t電動葫蘆，主要結(jié)構(gòu)簡介如圖2所示。

雷達控制儀：監(jiān)控橫梁距離前支腿3 m時減速，0.5 m時制動停止；紅外控制儀：監(jiān)控前支腿橫梁與臨時支腿距離，小于2 cm時制動停；縱向防撞器：桁車縱移，觸碰防撞器后報警制動停止；橫向防撞器：起重天車橫移時，觸碰防撞器后報警制動停止；急停開關：當因機械故障或指揮不當時，可按急停開關，橋機斷電制動停止。

此外超寬鋼-混組合連續(xù)梁專用智能架橋機與常用架橋機相比有兩個不同之處：

a.雙前支腿結(jié)構(gòu)設計：通過前支腿依次開啟和放下，可使超寬鋼主梁安全通過前支腿，保障了鋼主梁的節(jié)段拼接可在臨建場完成，是實現(xiàn)快速綠色建造施工技術的關鍵因素；同時雙前支腿結(jié)構(gòu)在架橋機作業(yè)過程有著相互穩(wěn)固的效果，提高架橋機的穩(wěn)定性和安全性。

b.智能監(jiān)控預警系統(tǒng)：基于計算機智能化控制算法和系統(tǒng)，采用紅外控制儀、雷達控制儀、速度傳感器、位移傳感器等對架橋機走行和吊裝動作智能識別，是架橋機高空作業(yè)安全的保障系統(tǒng)。

架橋機作業(yè)前應對起重小車和縱行桁車試車、吊具升降、智能監(jiān)控預警系統(tǒng)檢查，整個施工過程嚴格遵守《公路鋼-混組合橋梁設計與施工規(guī)范》，盡可能避免鋼主梁的表觀質(zhì)量損傷，嚴禁發(fā)生鋼主梁大幅度擺動與架橋機發(fā)生碰撞而導致的安全事故發(fā)生。

2 超寬鋼主梁懸臂拼接方法

2.1 鋼主梁撓度計算及現(xiàn)場監(jiān)測

2.1.1鋼主梁撓度計算模型

多主梁鋼板組合梁橋先簡支后橋面連續(xù)，在進行力學模型分析時忽略次要因素。架橋機整孔吊裝作業(yè)時支點存在高差，尾支腿不參與承擔荷載考慮為自由端，中支腿、前支腿的約束方式考慮為中支腿、雙前支腿鉸支的三次超靜定鋼架模型，任意截面抗彎剛度相同，已安裝完成的第一跨鋼板組合梁約束方式考慮為簡支外伸梁模型，如圖3所示。

圖3 理論計算力學模型簡化示意

2.1.2有限元模擬

小縱梁采用型鋼Q345qD，型號HW300 mm×300 mm×10 mm/15 mm型熱軋H型鋼，其余鋼主梁受力構(gòu)件采用Q420qD鋼。主梁橋面板采用預制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強度等級C50，全橋范圍內(nèi)采用250 mm等厚構(gòu)造，預制橋面板橫向受力鋼筋直徑為20 mm；負彎矩區(qū)縱向受力鋼筋直徑采用25 mm，其它區(qū)域縱向受力鋼筋直徑16 mm，濕接縫中順橋向鋼筋直徑16 mm。直徑小于22 mm采用HRB400鋼筋，直徑大于22 mm采用HRB500鋼筋。根據(jù)橋結(jié)構(gòu)設計尺寸，采用ABAQUS建立已安裝跨鋼梁有限元模型，計算如圖4所示。

圖4 已安裝跨鋼梁撓度有限元計算

2.1.3已安裝跨主梁撓度現(xiàn)場監(jiān)測

為保證主梁拼裝線形及受力滿足設計要求，同時達到懸臂精準、快速拼接的目的，整孔吊裝過程中采用全站儀對鋼主梁的豎向撓度進行監(jiān)測。撓度以新平河特大橋左幅第一聯(lián)的鋼主梁的變形監(jiān)測為例，選取主梁每跨跨中截面、支點截面及四分點截面，每個截面共布置3個測點，分別位于3片工字鋼主梁上。在吊鋼梁整孔架設時，監(jiān)測已安裝跨撓度變化，為懸臂的精準拼接提供數(shù)據(jù)支持，從而達到高質(zhì)量、高效率的施工。

測點編號X-Y中，X表示主梁橫向位置，L、M、R分別表示左邊主梁、中主梁、右邊主梁；Y表示節(jié)點所在主梁縱向位置，1、2、3、4、5分別表示所在跨的0、L4、2L4、3L/4、L處，每個測點測量3次取其平均值見表2。

表2 不同測點鋼梁撓度

2.1.4結(jié)果分析

現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果和理論模型的計算結(jié)果，分析整孔吊裝時已安裝跨鋼主梁位移變形情況。數(shù)值模擬結(jié)果表示已安裝跨鋼主梁撓度最大值為-164.62 mm、懸臂端撓度為91.87 mm，通過圖3中簡化力學模型得出已安裝跨鋼主梁撓度最大值為149.54 mm、懸臂端撓度為88.58 mm。根據(jù)鋼主梁撓度曲線圖認為數(shù)值模擬和理論模型計算的吻合度較高，現(xiàn)場撓度監(jiān)測平均值及理論模型計算撓度曲線如圖5所示，認為把智能架橋機簡化為具有高程差的三次超靜定鋼架模型、把已安裝跨鋼主梁簡化為簡支的外伸梁具有可行性。

圖5 鋼主梁撓度曲線圖

圖6 待拼接跨吊點位置示意

2.2 懸臂拼接方法

超寬鋼主梁整吊裝使用高強螺栓進行兩跨鋼主梁的高空懸臂拼接作業(yè)時需要精準對接螺栓孔，超寬鋼主梁移動時嚴禁與架橋機發(fā)生碰撞，且作業(yè)環(huán)境復雜、空間狹小，從而需要制定適用的施工工序。基于理論計算、數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場監(jiān)測試驗結(jié)果，給出超寬鋼主梁整孔吊裝時懸臂拼接主要步驟如下(見圖7)。

圖7 懸臂拼接工序示意圖

a.如圖7(b)所示，打開已安裝鋼梁懸臂接頭的上、下拼接板A，為避免縱行桁車2的天車左右移動時與已安裝跨鋼梁發(fā)生碰撞，待拼接鋼梁懸臂端就位時高度應低于已安裝鋼梁高度約20 mm，完成整孔吊裝準備工作。

b.如圖7(c)所示向左移動懸拼鋼梁3道鋼主梁接頭與已安裝鋼梁懸拼接頭初步對齊后合上上下鋼梁拼接板A，縱行桁車2先微動后移使鋼梁螺栓孔與拼接板A的螺栓孔初步對齊，縱行桁車2天車再提升鋼梁使兩鋼梁懸拼接頭水平后校對下拼接板B螺栓孔，兩端安裝臨時螺栓使下拼接板A和B貼近鋼梁下底板。

c.如圖7(d)所示鋼梁懸拼接頭底板拼接處打入沖釘，使得鋼梁底板、下拼接板A和B螺栓孔位對齊。縱行桁車1 d車提升鋼主梁，使得吊裝點初始高度差控制在200 mm，再根據(jù)拼接面縫隙大小緩慢提升，使得鋼梁懸拼接頭頂板螺栓孔對孔，對孔后安裝臨時螺栓。

d.如圖7(e)所示鋼梁懸拼接頭頂板拼接處打入沖釘，使得鋼梁頂板、上拼接板A和B螺栓孔位對齊。關于腹板拼接先安裝4棵拼接板邊角處臨時螺栓，打入8棵沖釘，完成螺栓對孔。

e.如圖7(f)所示確保所有螺栓對孔完畢后，從中心向四周安裝高強螺栓，逐步替換臨時螺栓及沖釘，完成3道鋼梁懸拼，最后拼接兩道小縱梁。

2.3 預制混凝土板吊裝方法

鋼主梁安裝完成后吊裝預制混凝土板，吊裝前清理剪力釘槽口混凝土和橋面板邊線多余混凝土，對于存在缺陷的橋面板及時修補和修飾。為提高混凝土板的運輸及吊裝施工效率，在預制加工時設定4個吊點，為鋼絲繩或吊帶提供固定的位置，吊點位置見圖8。單塊預制混凝土板重為10.5 t，根據(jù)圖8設計位置逐塊吊裝，縱行桁車配備的16 t電動葫蘆可以實現(xiàn)混凝土板的快速吊裝，具體施工步驟如下：

(a)運輸預制混凝土板

a.橋面板運輸：橋面板吊放在軌道運梁平車上運輸至架橋機尾支腿處，吊放2層，放置3排，共6塊，運輸橋面板時應根據(jù)橋面板型號及安裝位置進行運輸。

b.吊裝橋面板：橋面板安裝時采要按照設計圖紙進行安裝，安裝時采用φ48鋼管做導向管，調(diào)整橋面板位置及作為橋面板下放的定位導向裝置。橋面板吊裝時應先進行試放，判斷否存在鋼筋碰撞現(xiàn)象，對于濕接縫鋼筋處存在位置沖突的鋼筋，采用錘擊的方式調(diào)整鋼筋位置。

3 整孔吊裝技術

具有雙前支腿結(jié)構(gòu)和智能監(jiān)控預警系統(tǒng)的超寬鋼-混組合連續(xù)梁專用智能架橋機應用，為實現(xiàn)中小跨徑超寬鋼板組合梁橋整孔吊裝提供保障，2.2節(jié)中給出了鋼主梁拼接的詳細施工步驟，現(xiàn)給出鋼主梁臨建場拼接、鋼主梁運輸、架橋機喂梁和吊裝等施工方法。其現(xiàn)場施工如圖9所示。

(a)鋼主梁節(jié)段拼接

a.臨建場拼接。

鋼梁預制節(jié)段通過高強度螺栓組連接組成超長工字鋼主梁，連接完成后需進行整孔工字鋼主梁的線形復測，測量鋼梁的平面線形、橫坡和長度。臨建拼裝場使用采光大棚覆蓋確保拼裝場室內(nèi)環(huán)境干燥，配置80 t龍門吊兩臺，鋼構(gòu)件軌道運輸小車2臺，軌道運梁車2臺。設置滿足鋼梁線形、預拱度和橫坡可調(diào)要求的專用拼裝臺座，臺座由型鋼臺座、撐螺桿、鋼板梁及橡膠支墊組成。

b.鋼主梁運輸。

超寬整體鋼梁運輸采用軌道式，配套運梁裝備具有自動調(diào)節(jié)功能，包含水平調(diào)節(jié)裝置和豎向調(diào)節(jié)裝置，能夠有效消除運梁中縱坡、斜坡和左右轉(zhuǎn)彎對整體鋼梁結(jié)構(gòu)的影響。鋼梁運輸時兩臺軌道運梁車同時起步運梁，運輸過程全程監(jiān)測運輸車速度是否一致、是否脫軌，鋼主梁轉(zhuǎn)向角度是否過大，軌道行走時是否存在滑移現(xiàn)象，確保整個運輸過程平穩(wěn)可控，軌道軌距采用GPS測量控制。

c.喂梁。

采用具有水平和豎向自動調(diào)節(jié)裝置的軌道式運梁小車安全平穩(wěn)地運輸整孔鋼主梁至架橋機尾部，前天車提梁，縱桁車與軌道運梁車同步前移至鋼梁后起吊點，后起重天車提起鋼梁，前后天車前行完成喂梁工作。

d.整垮鋼梁吊裝。

整孔超寬鋼主梁安全通過智能架橋機雙前支腿，下放至指定拼接位置，整個過程中應嚴格控制前后天車運行速度，盡量避免鋼主梁發(fā)生擺動，是整孔吊裝實現(xiàn)的關鍵工序。

e.鋼梁懸臂拼接。

高空作業(yè)通過高強螺栓拼接兩孔超寬工字鋼主梁，是整孔吊裝施工最復雜、難度最大的工序，在2.2節(jié)做出詳細討論。

f.預制橋面板安裝。

按照施工方案逐塊吊裝鋼筋混凝土預制板到指定位置，并完成濕接縫的澆筑。

4 結(jié)論

以新平河特大橋河為工程背景，本文詳細闡述了鋼板組合梁的結(jié)構(gòu)形式，總結(jié)了鋼板組合梁橋的優(yōu)缺點，描述了智能架橋機的組成結(jié)構(gòu)?；趽隙扔嬎阒到Y(jié)合數(shù)值模擬研究和現(xiàn)場撓度監(jiān)測試驗，研究中小跨徑超寬鋼板組合梁橋整孔吊裝技術，并闡述喀斯特山區(qū)多主梁鋼板組合梁整孔吊裝的詳細施工方法。主要總結(jié)如下：

a.架橋機簡化為具有高程差的三次超靜定鋼結(jié)構(gòu)模型，整孔吊裝時已安裝跨鋼主梁計算撓度曲線與數(shù)值模擬結(jié)果趨勢一致，與現(xiàn)場撓度監(jiān)測平均值相吻合，為懸臂精準快速拼接作業(yè)提供數(shù)據(jù)支持。

b.山區(qū)中小跨徑鋼板組合梁橋采用整孔吊裝技術可提高施工效率、縮短工期且經(jīng)濟優(yōu)勢明顯，具有雙前支腿結(jié)構(gòu)智能架橋機是實現(xiàn)整孔吊裝超寬鋼板組合梁橋的基礎保障，懸臂拼接時嚴格控制架橋機桁車運行速度避免鋼主梁與架橋機發(fā)生碰撞。

c.懸臂精準拼接是實現(xiàn)鋼主梁整孔吊裝的關鍵，當鋼主梁兩個吊點高度差為200 mm時有利于懸臂端精準、高效拼接。