鋼板組合梁橋吊裝施工過程風(fēng)險源分析

荊偉偉，楊智敏，嚴水龍，劉旭政

（1.嘉善縣交通運輸局，浙江 嘉興 314100；2.嘉興市卓越交通建設(shè)檢測有限公司，浙江 嘉興 314001；3.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013）

0 引言

鋼板組合梁梁橋在施工中的各個階段存在一些不利影響因素，影響施工質(zhì)量及危害結(jié)構(gòu)安全。李紹華等[1-3]鋼板組合橋梁施工過程進行了研究。在鋼梁起吊及架設(shè)初期，鋼梁邊界條件變化大，約束能力差，會影響構(gòu)件受力、變形及穩(wěn)定性；在鋼梁架設(shè)過程中，鋼結(jié)構(gòu)受日照溫度影響較大，鋼梁拼接會受到溫差的影響，可能造成施工階段及成橋階段橋梁結(jié)構(gòu)存在不利受力狀態(tài)；在橋面板施工階段，橋面施工荷載作為外荷載施加于鋼梁上，不利荷載的組合易產(chǎn)生鋼梁橫向受力不均、負彎矩區(qū)混凝土開裂等問題?？紤]到吊裝施工過程風(fēng)險源多且存在耦合，鋼梁易存在多種不利施工狀態(tài)，本文對鋼梁起吊、架設(shè)及橋面板混凝土澆筑三個階段進行分析，明確不同施工階段中的影響荷載，為鋼板組合梁橋安全吊裝施工方法制定提供參考。

1 鋼板梁吊裝施工過程安全控制問題

鋼板組合梁施工過程涉及鋼梁的加工與運輸、鋼梁的安裝及混凝土橋面板施工幾個階段。在每個施工階段鋼梁的荷載形式、邊界條件等都在發(fā)生變化，根據(jù)《公路鋼混組合橋梁設(shè)計與施工規(guī)范》5.2.3規(guī)定[4]，組合梁的短暫情況設(shè)計應(yīng)對組合梁在施工過程中各個階段的承載能力及穩(wěn)定性進行驗算，必要時尚應(yīng)進行結(jié)構(gòu)的傾覆驗算。

1.1 構(gòu)件或結(jié)構(gòu)承載能力

在鋼板梁施工階段，承載力計算應(yīng)考慮所有適用的荷載，荷載組合應(yīng)采用基本組合，并滿足下式要求：

式中：γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；Sd為作用組合的效應(yīng)（如軸力、彎矩或表示幾個軸力、彎矩的向量）設(shè)計值；Rd為結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力設(shè)計值。

具體施工階段鋼梁強度驗算可參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》（GB 50017—2017）[5]，且鋼梁的應(yīng)力不應(yīng)大于0.95 fd。

1.2 穩(wěn)定性分析

鋼板組合梁橋在運營期間因混凝土橋面板與鋼梁形成整體受力，混凝土橋面板對鋼梁起到了較好的約束作用，使結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到較好的改善，特別是上翼緣板的局部穩(wěn)定性。而在短暫狀況下（施工過程）中，即在混凝土澆筑完畢但未凝固之前的整個過程，在不利荷載組合作用下，鋼梁支撐自由長度較大，容易發(fā)生穩(wěn)定性問題。鋼梁的穩(wěn)定性包括整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性。

（1）整體穩(wěn)定

對于受彎鋼梁，在荷載作用下構(gòu)件可能突然偏離原來彎曲變形平面，而發(fā)生側(cè)向撓曲和扭轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為整體失穩(wěn)，見圖1。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》（GB 50017—2017）[5]，受彎構(gòu)件整體穩(wěn)定性應(yīng)按式（2）計算：

圖1 均布荷載作用下鋼梁的整體失穩(wěn)形態(tài)

式中：Mx為繞強軸作用的最大設(shè)計彎矩值；Wx為按受壓最大限位確定的鋼梁毛截面模量；φb為鋼梁整體穩(wěn)定系，具體計算可參見《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》（GB 50017—2017）[5]附錄C；fd為鋼梁材料強度設(shè)計值。

構(gòu)件的整體穩(wěn)定計算主要依賴于構(gòu)件的整體狀況，如端部約束條件、支撐間長度及荷載沿構(gòu)件分布等。

（2）局部穩(wěn)定

如果板件的寬度與厚度之比太大，在一定的荷載條件下，會出現(xiàn)波浪狀的鼓曲變形，表現(xiàn)為局部失穩(wěn)。這種失穩(wěn)雖不直接降低結(jié)構(gòu)的承載能力，但有可能誘發(fā)結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)，進而間接影響結(jié)構(gòu)的承載能力。鋼梁的局部穩(wěn)定可能發(fā)生在上下翼緣板、腹板等受壓區(qū)，設(shè)計時通常采用鋼板寬厚比、設(shè)置橫向加勁肋等措施來加以控制。

1.3 鋼梁安裝過程抗傾覆性

在鋼梁安裝過程中，支撐約束不足時，當鋼梁受到不利荷載作用（如側(cè)向風(fēng)荷載），或曲梁起吊過程中產(chǎn)生較大扭轉(zhuǎn)荷載時，可能發(fā)生傾覆的危險。對于采用橡膠支座支承的直線鋼梁安裝過程，其傾覆危險一般發(fā)生在單梁狀態(tài)（簡支），見圖2。

圖2 單梁傾覆計算簡圖

由圖2 可知，當支承反力力矩不足以抵抗側(cè)向力Fw作用產(chǎn)生的力矩時，鋼梁會發(fā)生傾覆。故為保證鋼梁不發(fā)生傾覆，應(yīng)滿足：

式中：Fw為側(cè)向作用力，如風(fēng)荷載、吊裝構(gòu)件碰撞力等；dw為側(cè)向力的力矩，即圖中作用點到o 點距離；Rx為梁底分布的支承反力；d 為支座寬度；kqf為橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，取2.5。

2 起吊施工過程分析

在鋼梁起吊前，應(yīng)制定吊裝程序，包括吊裝梁階段劃分（需考慮起重機設(shè)備的起吊能力）、吊點的位置、起吊速度等，以保障鋼梁起吊過程中具有足夠的強度和抗屈曲能力，對于曲線梁段還需保證其抗傾覆能力。鋼梁梁吊點的連線應(yīng)通過構(gòu)件的重心，并且每個吊點處的起吊反作用力應(yīng)相等。在確定重心時，對于采用雙梁或多梁形式情況，在起吊前應(yīng)考慮鋼梁間的橫梁的影響。

（1）直梁

鋼梁起吊時，建議采用兩點起吊。當采用單點起吊時，吊點相當于單點支承，鋼梁被劃分為兩段長懸臂：梁段內(nèi)應(yīng)力會明顯增大；梁端變形增加，不利于控制安裝；梁段的穩(wěn)定性得不到保證。采用兩點起吊時，如果采用垂直吊繩，鋼梁基本可以簡化為兩點支承的情況來進行受力特性分析，見圖3。如果采用斜向吊繩時，吊繩會在鋼梁內(nèi)形成水平力，鋼梁起吊分析時應(yīng)考慮該影響，見圖4。此外，每處吊點的吊耳應(yīng)設(shè)置在鋼梁軸線上，或?qū)ΨQ于梁軸線（還應(yīng)注意翼緣板的強度是否滿足要求），見圖5，以防止起吊過程中鋼梁的傾覆。對于直線鋼梁的起吊，應(yīng)根據(jù)施工應(yīng)力和變形要求，及穩(wěn)定性來確定合理的吊點位置及起吊鋼梁節(jié)段的選擇。

圖3 垂直吊繩起吊

圖4 斜向吊繩吊裝

圖5 吊點吊耳設(shè)置

（2）曲梁

對于曲線鋼梁節(jié)段的起吊，相較于直線梁段，因曲率的影響更容易出現(xiàn)傾覆，故應(yīng)盡可能使吊點連線通過曲線梁段的重心，見圖6，否則會出現(xiàn)圖7 中的傾覆情況，進而影響到吊裝安全及梁段拼接。

圖6 吊點連線通過曲線梁段的重心

圖7 曲梁可能的傾覆情況

對于圖8 所示總長為l 的理想均質(zhì)曲線梁段，半徑為r，面積為A，密度ρ 沿重心線均勻分布。以圓心為坐標原點建立坐標系，可計算梁段總質(zhì)量為：

圖8 曲梁重心計算示意圖

進而可計算其重心位置：

考慮到實際吊裝梁段不是理想材質(zhì)，其截面質(zhì)量不可能會集中在截面中心，這導(dǎo)致梁段的中心的位置會與理想位置有所差別，從而會存在不平衡的傾覆力矩，選擇合理的吊點位置，確定合理的l1和l2梁段長度，需要進行深入分析。

3 架設(shè)施工過程受力分析

架設(shè)施工階段包括從鋼梁吊裝至設(shè)計位置至全部鋼梁吊裝完成即將進入澆筑橋面板整個過程，該過程中鋼梁存在邊界條件變化、荷載耦合作用及體系轉(zhuǎn)換等不利風(fēng)險源，進行鋼板組合梁梁橋施工安全分析前需明確各類風(fēng)險源。

（1）恒載

在施工過程中，恒載主要由鋼梁的自重產(chǎn)生，橋面板澆筑過程中，橋梁自重還包括澆筑混凝土自重。這些根據(jù)設(shè)計圖紙實際尺寸可以獲得。但在起吊過程中，應(yīng)考慮動力產(chǎn)生的效應(yīng)，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）[6]，引入1.20 倍的動力系數(shù)進行考慮。

（2）風(fēng)荷載

在橋梁結(jié)構(gòu)施工時，風(fēng)荷載作為活荷載施加于結(jié)構(gòu)上，風(fēng)荷載標準值按現(xiàn)行《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》（JTG/T 3360-01—2018）[7]確定，并由《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）[6]進行相應(yīng)荷載組合。風(fēng)荷載Fw大小與風(fēng)壓相關(guān)，作用到單位面積上的風(fēng)荷載可表示為：

（3）溫度荷載

溫度荷載具有復(fù)雜的時變特性且作用于橋梁結(jié)構(gòu)的整個生命周期，環(huán)境溫度變化對組合梁橋的影響不可忽視。鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)約為混凝土的50 倍，鋼板梁可以對環(huán)境溫度的變化迅速作出響應(yīng)，因此鋼-混凝土組合梁橋溫度場的研究是解決橋梁溫度問題的關(guān)鍵。目前大部分鋼-混凝土組合梁橋的研究是針對澆筑好混凝土橋面板和鋪裝層后的鋼-混凝土組合梁橋成橋狀態(tài)，對在未澆筑橋面板狀態(tài)下組合連續(xù)梁橋溫度場及溫度效應(yīng)研究較少。在無橋面板狀態(tài)下，鋼梁均能直接受到日照輻射，各鋼主梁的溫度梯度明顯比成橋階段要大，尤其是多主梁鋼板組合連續(xù)梁橋，各主梁溫度梯度比雙主梁組合梁橋復(fù)雜。同時，我國相關(guān)規(guī)范未對無橋面板狀態(tài)下的組合梁結(jié)構(gòu)溫度梯度做出詳細規(guī)定。英國BS-5400規(guī)范[8]對不同承重結(jié)構(gòu)類型、不同鋪裝層厚度下的溫度梯度做出了詳細規(guī)定，見圖9。同時，表1 中為不同鋪裝層厚度下溫度梯度，在鋪裝層為0 mm 時可表示為未澆筑橋面板時，即僅架設(shè)鋼梁節(jié)段，的溫度參數(shù)值。而本文對某改擴建公路上鋼板組合梁橋鋼梁吊裝階段的鋼梁溫度梯度進行了實際測量，建立了15:00 時的溫度曲線，見圖9。通過對比可以看出，英國BS-5400 規(guī)范溫度曲線與實測溫度有所不同，UK梯度溫度從上緣至下緣逐級遞減，溫度梯度遠大于實測值，在梁高范圍內(nèi)溫度差最大可達到27℃，且未考慮主梁空間位置不同而產(chǎn)生的溫度梯度差異以及存在橫梁溫度梯度，這對鋼梁受力會產(chǎn)生明顯影響。

表1 英國BS-5400 規(guī)范參數(shù)T 取值 單位：℃

圖9 英國BS-5400 規(guī)范溫度梯度曲線與實測溫度曲線對比

（4）強迫拼裝

鋼梁在制造誤差、溫差作用或懸臂狀態(tài)等因素下，可能會出現(xiàn)拼裝誤差。《公路鋼混組合梁橋設(shè)計與施工規(guī)范》（JTG/T D64-01—2015）[4]規(guī)定，鋼梁在拼裝過程中應(yīng)減少相鄰梁段接縫偏差，在縱橫向及高度方向的拼接錯口不宜大于2 mm。若存在拼接誤差超限時，將嚴重影響施工質(zhì)量及結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，見圖10，其影響不應(yīng)忽略。

圖10 強迫拼裝

進行強迫拼裝會給構(gòu)件施加強制位移或附加外力，影響構(gòu)件或結(jié)構(gòu)受力。以一雙主梁拼裝施工為例，主梁長28 m，間距4m，梁高2.4 m，在拼裝中間小橫梁時存在6 mm 強迫拼裝，見圖11。通過計算，因強迫拼裝導(dǎo)致鋼梁產(chǎn)生局部應(yīng)力達到達到106.37 MPa，發(fā)生在腹板處?？梢姡瑥娖绕囱b會明顯增加鋼梁內(nèi)部應(yīng)力，產(chǎn)生永久不利影響。

圖11 6 mm 強迫拼裝計算

（5）偶然荷載

在鋼梁吊裝過程中，偶然荷載會影響構(gòu)件的強度及穩(wěn)定性。例如起重機吊鉤或提升的構(gòu)件可能會撞擊先前放置的鋼梁，或者下方運行的設(shè)備可能會意外撞擊到先前放置的鋼梁。雖然這些載荷是很難去定義量化，但應(yīng)在施工階段受力分析考慮到此類意外事件。

（6）約束支承條件

在鋼梁架設(shè)過程中，需要考慮穩(wěn)定性和抗傾覆的影響，在施工操作時需增加臨時支座或采取臨時固結(jié)措施。圖12 為某改擴建公路上鋼梁架設(shè)時一端支承于橋墩蓋梁支座上，一端采用牙板固結(jié)于臨時支架上，而在后期又出現(xiàn)鋼梁懸臂支撐的工況，見圖13。不同支撐條件下對鋼梁的受力響應(yīng)及穩(wěn)定性影響較大，圖14 和圖15 中為單片鋼梁一端采用牙板固結(jié)與臨時支架上，另一端在橋墩蓋梁上采用固結(jié)和簡支支撐時第一階失穩(wěn)模態(tài)，前者為跨中側(cè)向彎扭失穩(wěn)，而后者為在簡支段側(cè)扭。分析不同邊界條件對鋼梁支撐時的應(yīng)力狀態(tài)、變形量及穩(wěn)定性，有助于指導(dǎo)施工過程中作出支撐約束選取或臨時支撐設(shè)計。

圖12 單梁一端用牙板固結(jié)于臨時支架上

圖13 懸臂拼裝

圖14 兩端固結(jié)時失穩(wěn)模態(tài)

圖15 一端固定一端簡支時失穩(wěn)模態(tài)

4 橋面板施工過程受力分析

在橋面板與鋼梁形成整體工作前，橋面板混凝土及一些臨時荷載都是作為外荷載作用于鋼梁上，這一過程中鋼梁的受力特性及穩(wěn)定性都需要格外關(guān)注。確定合理的混凝土澆筑順序：（1）確保鋼梁不產(chǎn)生較大局部應(yīng)力；（2）保證澆筑混凝土過程中，不造成鄰跨明顯上拱及支承處出現(xiàn)拉力，如圖16 所示兩跨連續(xù)梁；（3）保證有較高穩(wěn)定系數(shù)。

5 結(jié)論

本文對鋼板組合梁橋吊裝施工過程中的風(fēng)險源進行了探討，主要結(jié)論如下：

（1）鋼板組合梁橋吊裝施工過程中由于風(fēng)險源荷載不確定及混凝土與鋼梁未形成整體工作狀態(tài)而可能存在施工安全隱患，應(yīng)對該不利狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)強度、穩(wěn)定性及傾覆性進行驗算。

（2）在鋼梁起吊階段主要受重力荷載作用，起吊過程中具有足夠的強度和抗屈曲能力，對于曲線梁段還需保證其抗傾覆能力；鋼梁架設(shè)階段中鋼梁存在邊界條件變化、荷載耦合作用及體系轉(zhuǎn)換等不利風(fēng)險源，荷載主要包括自重、風(fēng)荷載、溫度、偶然荷載及強迫拼裝；橋面板施工階段荷載包括了混凝土自重及施工臨時荷載。

（3）在吊裝施工不同階段中風(fēng)險源多且存在耦合，致使鋼梁易存在多種不利施工狀態(tài)，在吊裝施工前應(yīng)明確不利風(fēng)險源的影響，以保證施工安全。