大跨度單索面地錨式懸索橋鋼箱梁頂推施工技術(shù)研究

李定有

中鐵四局集團(tuán)第五工程有限公司 江西 九江 332000

在越來越多的大跨度懸索橋建設(shè)中，大跨度懸索橋鋼箱梁因其施工控制的難度以及復(fù)雜性，存在許多問題，諸多學(xué)者對(duì)此做了研究。王浩等[1]以潤(rùn)揚(yáng)懸索橋?yàn)檠芯繉?duì)象，使用數(shù)值模擬研究大跨度懸索橋扁平鋼箱梁的工作行為與受力性能。李國(guó)強(qiáng)[2]依托寸灘長(zhǎng)江大橋，對(duì)橋鋼箱梁吊裝施工階段模擬分析，保證成橋效果達(dá)到最理想的狀態(tài)。王同民[3]以桃花峪黃河大橋?yàn)橐劳?，設(shè)計(jì)研制了摩擦副試驗(yàn)裝置和低摩阻的摩擦副結(jié)構(gòu)，解決該橋梁在高位單向多點(diǎn)長(zhǎng)距離頂推條件下架設(shè)難題。鐘繼衛(wèi)[4]以武漢陽邏長(zhǎng)江大橋?yàn)槔⒕?xì)化有限元模型，分析鋼箱梁吊裝過程中結(jié)構(gòu)的變形及主索鞍的頂推工藝。李海等[5]以廣州珠江黃埔大橋懸索橋鋼箱梁局部承壓試驗(yàn)為例，通過對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比研究，進(jìn)而對(duì)正交異性板承載力計(jì)算理論進(jìn)行分析。前人對(duì)現(xiàn)有工程，多方面對(duì)大跨度懸索橋鋼箱梁進(jìn)行了研究，但對(duì)于大跨度單索面地錨式懸索橋鋼箱梁頂推施工技術(shù)研究較少。

本文以南寧英華大橋工程為依托，首先介紹鋼箱梁頂推施工控制，然后建立鋼箱梁頂推計(jì)算模型，模擬頂推施工過程，計(jì)算頂推過程中加勁梁和導(dǎo)梁的線形、受力以及臨時(shí)墩的支反力，最后確定鋼箱梁拼裝焊接線形，為實(shí)際工程提供參考。

1 工程概況

英華大橋主橋?yàn)閱沃骼|懸索橋（見圖1），橋梁長(zhǎng)度為500m，寬度37.7m，跨徑組成為45m+410m+45m。其中邊跨無吊索，中跨吊索間距10m。塔側(cè)吊索為人字形吊索，其余位置采用垂直箱梁中心的一字形吊索。

圖1 英華大橋橋型布置圖

主梁采用單箱四室扁平流線型全焊鋼箱梁（見圖2），縱隔板設(shè)置于箱梁中間，箱梁寬為37.7m，中心高度為3.5m。鋼箱梁頂板厚16mm、上斜腹板14mm，底板、下斜腹板厚12mm。

圖2 箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

2 鋼箱梁頂推施工控制

2.1 鋼箱梁與導(dǎo)梁以及臨時(shí)墩構(gòu)造

主梁設(shè)計(jì)為扁平流線型鋼箱梁，全橋鋼箱梁劃分為51個(gè)吊裝節(jié)段，節(jié)段分為七類。采用工型梁桁架形式，前端梁高1.193m，尾端梁高3.346m，最大截面高度4.064m，兩節(jié)之間距離為2.5m+2×14+9.5m，縱向布置平行的兩片桁，桁間距離為20.5m，同主橋鋼箱梁邊縱隔板一致。導(dǎo)梁后端部分的上下面板、腹板于鋼箱梁的面板、底板及邊縱隔板使用焊接連接，具體見圖3。

圖3 導(dǎo)梁構(gòu)造圖

此橋鋼箱梁使用步履式多點(diǎn)連續(xù)頂推法進(jìn)行施工。在北岸邊的14#～16#墩中間設(shè)置了頂推平臺(tái)，主跨上搭設(shè)了6個(gè)臨時(shí)墩，并安裝了頂推設(shè)備。鋼箱梁在拼裝場(chǎng)地拼裝完畢，經(jīng)過涂裝后，使用運(yùn)梁臺(tái)車將成品鋼箱梁運(yùn)送到橋位，然后，使用提升吊機(jī)將鋼箱梁提升，并吊運(yùn)到頂推平臺(tái)上，使平面位置與高程調(diào)整到施工線形后進(jìn)行焊接，采用多點(diǎn)多臺(tái)步履式頂推系統(tǒng)同步將鋼箱梁逐段向前面移動(dòng)，循環(huán)作業(yè)使鋼箱梁到達(dá)要求位置。具體布置圖見圖4和圖5。

圖4 鋼箱梁頂推滑道橫向布置

圖5 臨時(shí)墩總體布置

2.2 鋼箱梁頂推總體施工方法

在北岸邊的14#～16#墩中間搭建頂推平臺(tái)，主跨上布置6個(gè)臨時(shí)墩，并在上面布置滑道。鋼箱梁在拼裝場(chǎng)地拼裝完畢，經(jīng)過涂裝后，使用運(yùn)梁臺(tái)車將成品鋼箱梁運(yùn)送到橋位，然后，使用提升吊機(jī)將鋼箱梁提升，并吊運(yùn)到頂推平臺(tái)上，使平面位置與高程調(diào)整到施工線形后進(jìn)行焊接，主橋中間部分曲線段鋼梁底面設(shè)置兩條通長(zhǎng)的滑道，使中間曲線段鋼梁滑移面變成無坡度的直線段，滑道與鋼梁臨時(shí)固結(jié)。采用多點(diǎn)多臺(tái)連續(xù)千斤頂同步張拉鋼絞線的方法，讓鋼箱梁逐段向前面滑移，循環(huán)作業(yè)使鋼箱梁到達(dá)設(shè)計(jì)位置。待鋼梁全部頂推到位后，切除嵌補(bǔ)段部分，用千斤頂落梁將兩側(cè)直線段部分鋼梁調(diào)整至設(shè)計(jì)線形，最后進(jìn)行三個(gè)大節(jié)段之間的焊縫焊接。在鋼箱梁支撐墩上設(shè)置縱橫移調(diào)整裝置，以調(diào)整鋼箱梁的狀態(tài)，在滿足設(shè)計(jì)要求后安裝支座。

3 鋼箱梁頂推計(jì)算

根據(jù)施工方的頂推方案，使用MIDAS/Civil建立模型，來模擬頂推施工的過程，計(jì)算在此過程中加勁梁和導(dǎo)梁的線形、受力以及臨時(shí)墩的支反力。鋼箱梁和導(dǎo)梁用梁?jiǎn)卧M，計(jì)算模型如圖6所示。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度為20℃，在實(shí)際頂推施工中，要以實(shí)際環(huán)境溫度和鋼梁溫度，將鋼梁線形進(jìn)行修正。

圖6 鋼箱梁頂推計(jì)算模型

3.1 臨時(shí)墩反力與導(dǎo)梁變形計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明：（1）當(dāng)導(dǎo)梁前端剛好到達(dá)L6支墩時(shí)，L4支墩處出現(xiàn)最大支反力，支反力值為111467kN，經(jīng)驗(yàn)算，在該支反力作用下，臨時(shí)支墩強(qiáng)度和穩(wěn)定性均滿足相關(guān)規(guī)范要求；（2）當(dāng)導(dǎo)梁前端到達(dá)L3之前，其前端最大撓度為174.6mm，小于規(guī)范規(guī)定的L/300=200mm（L為懸臂段長(zhǎng)度）；（3）當(dāng)導(dǎo)梁前端剛好到達(dá)13#橫梁支座時(shí)，鋼導(dǎo)梁產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力為70.1MPa，最大壓應(yīng)力為71.5MPa；當(dāng)導(dǎo)梁前端剛好到達(dá)L6時(shí)，鋼箱梁產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力為20.4 MPa，當(dāng)導(dǎo)梁前端到達(dá)L4前，鋼箱梁產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力為47.6 MPa，小于構(gòu)件自身屈服強(qiáng)度。

3.2 鋼箱梁節(jié)段局部應(yīng)力分析

運(yùn)用ANSYS有限元軟件建立殼單元節(jié)段模型，計(jì)算鋼箱梁受到最大支反力的局部應(yīng)力分布情況。

此模型約束底板在主滑道承壓板位置的豎向位移，根據(jù)整體模型計(jì)算結(jié)果，在節(jié)段兩端施加一定的內(nèi)力。

應(yīng)力計(jì)算云見圖7，鋼箱梁產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力為134.6MPa，出現(xiàn)在底板支撐位置處，該應(yīng)力值小于規(guī)范容許應(yīng)力值。

圖7 鋼箱梁節(jié)段的等效應(yīng)力云圖

4 鋼箱梁拼裝焊接線形的確定

箱梁節(jié)段精匹配定位使用相鄰梁段之間的夾角來控制。根據(jù)實(shí)測(cè)參數(shù)L1～L4和H1、H2、目標(biāo)控制角度β，換算待拼梁段前端控制點(diǎn)相對(duì)標(biāo)高H3，以H3為目標(biāo)進(jìn)行精匹配放樣?，F(xiàn)場(chǎng)具體操作方法為：H1、H2、H3為在同一測(cè)站中的水準(zhǔn)儀視線讀數(shù)，當(dāng)溫度穩(wěn)定不變后，H1、H2不變，為了滿足拼裝角度β的要求，我們需要持續(xù)調(diào)整H3。H3用于控制視線讀數(shù)，計(jì)算公式如下所示：

其中：L1、L3為一個(gè)梁段前后控制點(diǎn)間的距離，L2、L4為梁段交接點(diǎn)至該梁段遠(yuǎn)端控制點(diǎn)間的距離。

H3的“放樣實(shí)測(cè)值”與“按目標(biāo)折角β?lián)Q算得到理論值”間的誤差大小控制在10mm以內(nèi)，同時(shí)要兼顧頂?shù)缀缚p的匹配間距。以F類鋼箱梁為例，在已拼梁段：N-1，參數(shù)L1、L2的測(cè)試值分別為6.667和7.667；在待拼梁段：N，參數(shù)L3、L4的測(cè)試值分別為6.667和9.000。

為了確保匹配的精度，測(cè)量工作要在日出前，或者日落2小時(shí)之后且鋼箱梁頂、底板溫度差小于2℃時(shí)進(jìn)行，建議在晚上20:00至次日早上06:00之間進(jìn)行。

5 結(jié)論

（1）當(dāng)導(dǎo)梁前端剛好到達(dá)L6支墩時(shí)，L4支墩處出現(xiàn)最大支反力，支反力值為111467kN，經(jīng)驗(yàn)算，在該支反力作用下，臨時(shí)支墩強(qiáng)度和穩(wěn)定性均滿足相關(guān)規(guī)范要求；

（2）當(dāng)導(dǎo)梁前端到達(dá)L3之前，其前端最大撓度為174.6mm，小于規(guī)范規(guī)定的L/300=200mm（L為懸臂段長(zhǎng)度）；

（3）當(dāng)導(dǎo)梁前端剛好到達(dá)13#橫梁支座時(shí)，鋼導(dǎo)梁產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力為70.1MPa，最大壓應(yīng)力為71.5MPa；當(dāng)導(dǎo)梁前端剛好到達(dá)L6時(shí)，鋼箱梁產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力為20.4MPa，當(dāng)導(dǎo)梁前端到達(dá)L4前，鋼箱梁產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力為47.6MPa，上述應(yīng)力計(jì)算結(jié)果均小于構(gòu)件自身屈服強(qiáng)度；

（4）承受最大支反力工況下，鋼箱梁底板支撐位置處出現(xiàn)最大等效應(yīng)力，其值為134.6MPa，小于規(guī)范容許應(yīng)力值。