高速公路大跨度鋼箱梁頂推智能化施工技術(shù)分析

收稿日期：2024-01-09

作者簡(jiǎn)介：余姣（1979—），女，本科，工程師，研究方向：路橋工程。

摘要 隨著交通建設(shè)的不斷發(fā)展，大跨度鋼箱梁的應(yīng)用逐漸增多，但其施工過(guò)程存在一定的難度和風(fēng)險(xiǎn)。因此，文章探討如何利用智能化技術(shù)提高大跨度鋼箱梁頂推施工的效率和安全性。首先，概述了高速公路大跨度鋼箱梁頂推施工技術(shù)的背景；然后，詳細(xì)討論了大跨度鋼箱梁頂推智能化施工的力學(xué)性能分析。結(jié)果表明，智能化施工技術(shù)在大跨度鋼箱梁頂推施工中具有廣闊的應(yīng)用前景，能夠提高施工速度和施工質(zhì)量，同時(shí)減少人力成本和安全隱患。

關(guān)鍵詞 高速公路；大跨度；鋼箱梁頂；智能化；施工技術(shù)

中圖分類號(hào) U445.462文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）09-0116-03

0 引言

在高速公路建設(shè)中，大跨度鋼箱梁頂推技術(shù)被廣泛應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)快速施工和提高工程質(zhì)量[1]。隨著科技的不斷發(fā)展和智能化技術(shù)的應(yīng)用，智能化施工技術(shù)在大跨度鋼箱梁頂推施工中的作用也越來(lái)越重要。鋼箱梁頂推是一種先進(jìn)的施工技術(shù)，它通過(guò)鋼箱梁的頂推方式實(shí)現(xiàn)橋梁施工，具有施工周期短、施工質(zhì)量高和施工安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。然而，大跨度鋼箱梁頂推施工過(guò)程中存在一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)，比如施工過(guò)程監(jiān)控不及時(shí)、施工工藝不完善和材料選擇不合理等。為了解決這些問(wèn)題，智能化施工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[2]。

1 工程概述

某高速公路大跨度超大橋主橋工程是某市公共交通系統(tǒng)測(cè)試段的控制工程。該橋采用35 m+260 m+50 m+

64 m+66 m鋼混凝土復(fù)合單塔斜拉的橋型方案，a型塔架，塔高146.8 m，橋面寬46.5 m，橋長(zhǎng)475 m，側(cè)墩及副墩均設(shè)有支護(hù)。小里程側(cè)主跨和35 m側(cè)跨梁采用鋼箱梁，其他主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁[3]。

主梁為分離的扁鋼箱梁，抗風(fēng)性好，完整性強(qiáng)，線條優(yōu)美。分離鋼箱采用密集分布的工字梁連接，正交異性鋼橋面布置在橫梁上，梁間距3.0 m。鋼箱梁腹板高度3.3 m，橋面寬46.5 m，箱寬39.64 m，橋面雙向橫坡的坡度為2%，高寬比1∶12.01，高跨比1∶78.79。在鋼箱梁外設(shè)置一條2.5 m寬的人行通道，風(fēng)整流罩寬度為0.67 m。鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)截面厚16 mm，底板厚14 mm，上下靠近支撐板加厚至22 mm。鋼管柱設(shè)計(jì)為橫向橋，共2組4行，每組2排連接一組，鋼管柱通過(guò)型材鋼連接系統(tǒng)進(jìn)行連接。鋼管柱頂組為2H 588 mm×300 mm×20 mm

×12 mm型鋼分配梁。鋼管柱頂部配型鋼梁，型鋼配梁配斜梁和工字梁，鋼箱梁縱向移動(dòng)安裝在工字梁滑道上。主梁鋼箱周長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)截面如圖1所示：

2 高速公路大跨度鋼箱梁頂推施工技術(shù)研究

高速公路大跨度鋼箱梁是一種應(yīng)用廣泛的結(jié)構(gòu)形式，其施工技術(shù)的背景和意義十分重要。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速，大跨度鋼箱梁頂推技術(shù)已成為高速公路建設(shè)中常用的施工方法。這種技術(shù)可以顯著縮短施工周期，提高工程質(zhì)量，減少勞動(dòng)力和材料消耗，降低對(duì)環(huán)境的污染[4]。首先，大跨度鋼箱梁頂推技術(shù)可以加快施工進(jìn)度。相比傳統(tǒng)施工方法，鋼箱梁頂推技術(shù)可以在短時(shí)間內(nèi)完成大跨度橋梁的梁段安裝，大大縮短了施工周期，提高了施工效率。這對(duì)于高速公路建設(shè)來(lái)說(shuō)非常重要，可以盡早開(kāi)通交通，更快地滿足人們的出行需求。其次，大跨度鋼箱梁頂推技術(shù)可以提高工程質(zhì)量。在頂推施工過(guò)程中，梁段的安裝非常精準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的定位和對(duì)齊，這樣可以確保梁段的準(zhǔn)確安裝和連接，避免了傳統(tǒng)澆筑方法中存在的施工誤差和質(zhì)量問(wèn)題。

建筑建設(shè)全過(guò)程大致分為四個(gè)階段：設(shè)計(jì)階段、生產(chǎn)階段、運(yùn)輸階段和施工安裝階段。

2.1 設(shè)計(jì)階段

設(shè)計(jì)階段可以大致分為技術(shù)策劃、方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)和構(gòu)件深化設(shè)計(jì)五個(gè)部分，其中還包括各階段之間的審批和信息傳遞等工作。技術(shù)策劃環(huán)節(jié)對(duì)建筑項(xiàng)目起到承前啟后的重要作用。在此階段，設(shè)計(jì)單位要充分考慮外部條件、成本限額和項(xiàng)目規(guī)模等因素影響，制定科學(xué)合理的技術(shù)路線，為后續(xù)設(shè)計(jì)工作奠定基礎(chǔ)。構(gòu)件深化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的二次設(shè)計(jì)，一般基于建筑的結(jié)構(gòu)形式、安全性能、個(gè)性化需求以及生產(chǎn)運(yùn)輸安裝的便捷性等進(jìn)行拆分設(shè)計(jì)。構(gòu)件深化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是設(shè)計(jì)階段極為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，其目的是將整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)分解成較小的部分，并且將每個(gè)部分進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，以確保符合生產(chǎn)和安裝要求。

2.2 生產(chǎn)階段

預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)在構(gòu)件廠內(nèi)完成，不易受環(huán)境以及天氣等因素的影響，生產(chǎn)進(jìn)度比較穩(wěn)定。在此階段，構(gòu)件加工廠根據(jù)預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)和生產(chǎn)相配套模具，然后按照細(xì)分的圖紙進(jìn)行預(yù)埋件的埋設(shè)。預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)都可以采用流水線設(shè)備進(jìn)行，并可以運(yùn)用信息化和智能化系統(tǒng)進(jìn)行管理。

2.3 運(yùn)輸階段

運(yùn)輸階段是相較于傳統(tǒng)建筑建造方式新增的一個(gè)環(huán)節(jié)。運(yùn)輸裝載效率受預(yù)制構(gòu)件尺寸、種類、形狀以及裝載車(chē)輛類型的影響。目前，我國(guó)預(yù)制構(gòu)件大都采用平板運(yùn)輸車(chē)方式運(yùn)輸。結(jié)合預(yù)制構(gòu)件自身的特點(diǎn)，選擇不同的運(yùn)輸方式，包括豎直立放式、平放式和散裝式等運(yùn)輸形式。此外，構(gòu)件在運(yùn)輸階段的管理也至關(guān)重要。運(yùn)輸方案的制定需要充分考慮運(yùn)輸路線及距離、道路路況、裝載效率、運(yùn)輸車(chē)輛類型和構(gòu)件數(shù)量等，盡可能地提高車(chē)輛裝載率及運(yùn)輸效率。預(yù)制構(gòu)件的進(jìn)場(chǎng)也要合理規(guī)劃，避免等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成工人窩工或者增加倉(cāng)儲(chǔ)費(fèi)的現(xiàn)象。預(yù)制構(gòu)件運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)后需按照指定位置存放，盡量避免二次搬運(yùn)，以免對(duì)構(gòu)件造成損傷。

2.4 施工安裝階段

預(yù)制構(gòu)件運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)后，需根據(jù)指定地點(diǎn)進(jìn)行存放，施工時(shí)利用大型吊裝機(jī)械設(shè)備對(duì)構(gòu)件進(jìn)行吊裝及拼接。施工工藝受載荷形式及結(jié)構(gòu)形式等方面的影響略有不同，但基本上都包括定位放線、支撐體系搭設(shè)、吊裝和連接等。就預(yù)制構(gòu)件之間連接形式而言，水平接縫及豎向接縫形式多采用干連接，像焊接、螺栓、預(yù)應(yīng)力或者栓釘連接及混合連接；鋼筋連接形式多為套筒灌漿連接、漿錨搭接連接和套箍連接等。施工安裝階段也是影響成本的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。預(yù)制構(gòu)件在堆放和吊裝時(shí)很容易因?yàn)楣と瞬僮鞑皇炀殞?dǎo)致磕碰和損壞，嚴(yán)重影響裝配式預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量，也影響后續(xù)的安裝拼接。

3 支架設(shè)計(jì)方案

鋼梁設(shè)有兩段鋼箱梁支架，分別位于主橋的東西兩側(cè)。鋼箱梁支架從DP1#墩開(kāi)始，穿過(guò)DP2#墩和左岸路堤入水面。主要用于安裝M31至M21梁段縱向移動(dòng)、安裝支撐或臨時(shí)存放。支架全長(zhǎng)94.31 m，其中河流支護(hù)長(zhǎng)度39 m，支護(hù)距地面約20 m。支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)有四種類型。第一種為水泥攪拌樁基礎(chǔ)，直徑500 mm，樁間距400 mm。樁基礎(chǔ)鋪有20 cm厚的砂墊層，頂部為鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)[5]；濱坡有2個(gè)頂，尺寸為2.3 m×4.6 m×0.8 m；在回水斜坡上有2個(gè)頂蓋，尺寸為4.6 m×4.6 m×0.8 m；適用于河堤段的支架基礎(chǔ)。第二類為Φ400 mm PHC管樁基礎(chǔ)。PHC管樁長(zhǎng)度約23 m，樁頂部為鋼筋混凝土帽，尺寸為100 cm×100 cm×80 cm；PHC管樁長(zhǎng)度約23 m，樁頂部為鋼筋混凝土帽，尺寸為100 cm×100 cm×80 cm，適用于海岸支架基礎(chǔ)。第三種類型為Φ630 mm×6 mm（820 mm

×8 mm）鋼管樁基礎(chǔ)，支架直接安裝在水下支架基礎(chǔ)上使用。第四種類型是將預(yù)埋件安裝在部件的頂部，連接鋼管柱的墩蓋。鋼管柱設(shè)計(jì)為橫向橋，共2組4行，每組2排連接一組，鋼管柱通過(guò)型材鋼連接系統(tǒng)進(jìn)行連接。鋼管柱頂組2H 588 mm×300 mm×20 mm×12 mm型鋼分配梁。鋼管柱頂部配型鋼梁，型鋼配梁配斜梁和工字梁，鋼箱梁縱向移動(dòng)安裝在工字梁滑道上[6]。

4 大跨度鋼箱梁頂推智能化施工模型力學(xué)分析

4.1 模型計(jì)算

該工程有三個(gè)并排箱，混凝土面板澆筑前未形成整體。盒子之間的影響很小。此外，計(jì)算機(jī)容量有限，三個(gè)盒子的模擬仿真單元數(shù)量較大，有必要簡(jiǎn)化整體結(jié)構(gòu)。橋梁的單跨距與邊界條件基本一致，荷載條件也基本一致。因此，選擇單跨橋進(jìn)行分析，其幾何模型如圖2所示。模型坐標(biāo)系以XZ平面為橋的截面，以Y方向?yàn)檩S向。計(jì)算網(wǎng)格為一個(gè)四節(jié)點(diǎn)的四面體單元，整個(gè)計(jì)算域分為212 515個(gè)單元和70 718個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 大跨度鋼箱梁頂幾何模型

4.2 荷載及邊界條件的計(jì)算

在此計(jì)算中，考慮了三種工作工況。工況1：靜載；工況2：靜載+混凝土面板；工況3：靜載+混凝土面板+施工荷載，其中施加于混凝土面板的載荷為2 kN/m2。混凝土靜載的傳輸路徑面板為：木模板—鋼管支撐—底板為鋼管支撐—加強(qiáng)肋。從上述傳輸路徑可以看出，施工荷載和混凝土死荷載最終傳遞到鋼箱，鋼箱結(jié)構(gòu)承擔(dān)總荷載[7]。

材料特性和邊界條件的介紹：計(jì)算材料是基于線性彈性混凝土的計(jì)算參數(shù)。包括：彈性模量Es為2.8E10 Pa，泊松比μ為0.167，密度為2 500 kg/m3。金屬材料為Q35，彈性模量Es為2.06E11 Pa，泊松比μ為0.3，密度為7 850 kg/m3。在計(jì)算過(guò)程中，邊界條件是對(duì)橋架底部的墊片施加鉸鏈約束。

4.3 計(jì)算結(jié)果的分析

不同工況下橋梁的應(yīng)力大小及分布情況見(jiàn)表1所示。各工作條件下橋梁的應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，分析主要是針對(duì)工作條件3，并考慮混凝土面板死載和施工負(fù)荷的工況3。

圖3顯示了箱體底板位移和盒子內(nèi)各部分的應(yīng)力分布。可以看出，箱的主拉應(yīng)力面積主要分布在箱的上中區(qū)域，應(yīng)力從兩端向中間逐漸增大，最大值約110 MPa，遠(yuǎn)小于鋼的屈服值295 MPa，箱的整體應(yīng)力梯度較大，超過(guò)50 MPa的應(yīng)力面積小。此外，在盒兩端的底部也有一個(gè)較大的拉應(yīng)力區(qū)域，認(rèn)為在計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要是由于兩端的充分約束。從圖中可以看出，主控制方向?yàn)閄Z方向，即盒形截面。整體剪應(yīng)力分布沿中間向兩端逐漸增大，最大剪應(yīng)力為30.4 MPa，小于規(guī)定值（即170 MPa）。

圖3 箱體底板位移分布圖（mm）

5 結(jié)論

該文通過(guò)對(duì)高速公路大跨度鋼箱梁頂推智能化施工技術(shù)的研究分析，對(duì)大跨度鋼箱梁頂推智能化施工模型進(jìn)行了力學(xué)分析，提出了一種解決方案，并對(duì)其可行性進(jìn)行了論證。結(jié)果表明，該技術(shù)具有很大的潛力和應(yīng)用前景。通過(guò)分析和探討智能化施工技術(shù)的應(yīng)用，可以為相關(guān)工程提供有效的參考和指導(dǎo)，推動(dòng)高速公路建設(shè)的進(jìn)步和發(fā)展。未來(lái)可以對(duì)智能化施工技術(shù)的具體應(yīng)用細(xì)節(jié)進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步完善該技術(shù)方案，以適應(yīng)不同類型和規(guī)模的工程需要。

參考文獻(xiàn)

[1]耿開(kāi)軍， 孫俊， 王曉剛. 山區(qū)高速公路大跨度鋼箱梁頂推技術(shù)應(yīng)用分析[J]. 交通節(jié)能與環(huán)保， 2023（S1）： 136-139+150.

[2]何振濤. 跨高速公路鋼箱梁步履式頂推施工監(jiān)測(cè)與數(shù)值分析[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)， 2022.

[3]熊?chē)?guó)武. 高速公路大跨度連續(xù)剛構(gòu)主墩深水基礎(chǔ)施工技術(shù)[J]. 路基工程， 2023（3）： 160-164.

[4]謝財(cái)進(jìn). 大跨度無(wú)中墻連拱隧道施工力學(xué)行為及應(yīng)用[D]. 貴陽(yáng)：貴州大學(xué)， 2022.

[5]王國(guó)萍. 山區(qū)高速公路大跨度鋼箱梁橋頂推施工技術(shù)[J]. 價(jià)值工程， 2023（4）： 74-76.

[6]高紅杰. 巖體應(yīng)變軟化模型及其在超大斷面分岔式隧道圍巖穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)， 2022.

[7]董云飛. 大跨度鋼箱梁跨既有高速公路吊裝技術(shù)[J]. 建筑機(jī)械， 2022（5）： 107-109.