鋼箱拱橋復(fù)合支架原位拼裝施工關(guān)鍵技術(shù)研究

胡立楷 蔣昌盛 張坤球

摘要：文章以大風(fēng)江大橋建設(shè)為例，對(duì)鋼箱拱橋復(fù)合支架原位拼裝施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究?？偨Y(jié)了鋼箱拱橋復(fù)合支架原位拼裝施工特點(diǎn)及控制重點(diǎn)，對(duì)施工中臨時(shí)支撐體系的應(yīng)力及位移進(jìn)行有限元分析計(jì)算，并對(duì)拱肋、鋼格構(gòu)梁安裝線形控制給出合理的建議，可為同類型橋梁的安裝提供借鑒。

關(guān)鍵詞：鋼箱拱；復(fù)合支架；原位拼裝；線形控制

中圖分類號(hào)：U448.22? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文意編號(hào)：1673-4874（2024）04-0165-03

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)加工與制造技術(shù)不斷進(jìn)步，鋼箱拱橋利用自身受力性能合理、穩(wěn)定性高且跨度越大越節(jié)省鋼材的優(yōu)勢(shì)，正處在高速發(fā)展?fàn)顟B(tài)。對(duì)于鋼箱拱橋，當(dāng)前常見的施工方法有頂推施工法、纜索吊裝法及原位拼裝法等［1-2］。在中小跨徑的拱橋施工中，原位拼裝法施工有著無須大型吊裝設(shè)備、橫斜撐安裝便捷、拱軸線形容易控制等優(yōu)勢(shì)，且其施工占地少，對(duì)舊有道路影響小，在改擴(kuò)建工程中有著較大的優(yōu)勢(shì)。本文結(jié)合大風(fēng)江大橋建設(shè)工程，對(duì)鋼箱拱橋復(fù)合支架原位拼裝施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，以確保橋梁施工質(zhì)量。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

大風(fēng)江大橋是蘭州至?？诟咚俟窂V西欽州至北海段改擴(kuò)建工程上的主線橋梁，該橋位于欽州市高塘村境內(nèi)，在河道彎曲處跨越大風(fēng)江。橋梁跨徑為20 m+120 m+20 m，主橋?yàn)橄鲁惺戒撓湎禇U拱，凈跨徑120 m，凈矢高27 m，凈矢跨比為1/4.44。拱軸線采用二次拋物線，拱肋橫向中心間距為25.10 m，主拱由鋼箱拱肋、橫撐組成，拱肋為等截面鋼箱拱，截面高度2.5 m，寬度1.8 m。橋面系為鋼-混組合結(jié)構(gòu)，主墩為實(shí)體墩、承臺(tái)+樁基礎(chǔ)的形式，全橋用鋼量約為2 130 t，臨時(shí)結(jié)構(gòu)用鋼量約2 400 t。

1.2 原位拼裝施工法的提出

該項(xiàng)目為高速公路改擴(kuò)建施工，新建橋梁橋面距舊橋橋面僅12.6 m，為降低施工對(duì)高速公路通行的影響，實(shí)現(xiàn)無感化施工，保證通行安全，最終選取原位拼裝法，通過先梁后拱［3］的模式進(jìn)行大風(fēng)江大橋的施工。

1.3 復(fù)合支架體系的提出

現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)水上鋼平臺(tái)作為施工平臺(tái)，在平臺(tái)上依次進(jìn)行鋼格構(gòu)梁及拱肋安裝的施工。

為保證作業(yè)安全，提高施工精度，項(xiàng)目根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)了一套復(fù)合支架體系，作為結(jié)構(gòu)施工中的臨時(shí)支撐。該復(fù)合支架體系由支撐拱肋的胎架、支撐鋼格構(gòu)梁的支墩及支撐整體上部結(jié)構(gòu)的水上鋼平臺(tái)三部分組成，并通過三個(gè)臨時(shí)結(jié)構(gòu)的協(xié)同受力保證拱橋施工中的整體穩(wěn)定性，確保施工安全。

2 施工技術(shù)參數(shù)

2.1 拱肋胎架

胎架主要承受主拱肋、橫撐、自重、風(fēng)荷載及溫度荷載作用。根據(jù)高速公路運(yùn)輸要求及安裝情況將拱肋分為9段，在對(duì)應(yīng)拱肋連接處安裝拱肋胎架，共安裝16組胎架。

胎架兩側(cè)呈對(duì)稱布置，胎架中軸線離拱腳中心的水平距離分別為10.77 m、26.96 m、40.56 m、53.60 m，上游側(cè)胎架中軸線的高度分別為9.71 m、19.55 m、25.31 m、27.80 m。橋梁拱肋沿橋?qū)捴行木€對(duì)稱布置，兩拱肋軸線的水平距離為26.1 m。拱肋橫撐共5節(jié)，每一節(jié)自重均為40.98 t。拱肋共9節(jié)，從南寧側(cè)到北海側(cè)單片拱肋重量依次為47.37 t、49.24 t、36.62 t、35.89 t，合龍?zhí)巻纹袄咧?8.44 t。

考慮胎架立柱由377 mm×10 mm鋼管組成，鋼管橫撐由76 mm×5 mm鋼管組成，底座為HW 400 mm×400 mm×13/21 mm型鋼，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間由螺栓連接，現(xiàn)場(chǎng)布置如圖1所示。

2.2 鋼格構(gòu)梁支墩

為便于運(yùn)輸及安裝，鋼格構(gòu)梁分為13.6 m、18.75 m兩段，為保證施工質(zhì)量，降低自重對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響，將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為雙懸臂簡(jiǎn)支梁計(jì)算，受均布荷載，最合理的位置是使支點(diǎn)處負(fù)彎矩與跨中正彎矩絕對(duì)值相等，即取2∶6∶2安裝每段鋼格構(gòu)梁下支墩，考慮支墩由377 mm×10 mm鋼管組成，并沿縱橋向?qū)⒍祟^處相鄰支墩由76 mm×5 mm鋼管連接，增強(qiáng)穩(wěn)定性。

2.3 水上鋼平臺(tái)

水上鋼平臺(tái)作為全橋施工過程中主要受力部位，除應(yīng)考慮橋面各部件自重荷載及移動(dòng)荷載外，還要對(duì)洪水有一定的抵抗能力，確保足夠的安全系數(shù)。鋼平臺(tái)全長(zhǎng)117 m、寬36 m，其橫、縱斷面布置圖如圖2所示。

3 原位拼裝施工分析與控制

3.1 原位拼裝施工控制要點(diǎn)

3.1.1 臨時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制

臨時(shí)支架體系中，拱肋胎架除考慮拱肋安裝過程中，溫度、風(fēng)荷載、自重荷載等作用下的桿件應(yīng)力及位移外，還應(yīng)重點(diǎn)控制其各部件局部及整體的穩(wěn)定性；鋼格構(gòu)梁支墩通過相鄰部件連接增強(qiáng)其穩(wěn)定性；重點(diǎn)控制水上鋼平臺(tái)的局部穩(wěn)定性及施工荷載、水流荷載作用下結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

3.1.2 鋼格構(gòu)梁線形調(diào)整

由于鋼結(jié)構(gòu)加工廠位于橋體南寧岸方向，為提高施工效率，現(xiàn)場(chǎng)采用同一根鋼格構(gòu)梁分兩段依次運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，通過2臺(tái)50 t吊車，依次從由北海岸往南寧岸倒退安裝的方式，使全橋梁體完成臨時(shí)粗定位。通過三維千斤頂從兩端向中間對(duì)梁體進(jìn)行精調(diào)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量監(jiān)控，待梁體線形滿足設(shè)計(jì)要求后按照“兩岸向跨中同步焊接”的原則進(jìn)行施工。全橋部分鋼格構(gòu)梁平面坐標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示。

鋼格構(gòu)梁安裝完成后，以14對(duì)吊桿為測(cè)點(diǎn)對(duì)主梁線形進(jìn)行復(fù)核，偏差均在±5 mm以內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

3.1.3 拱肋線形調(diào)整

拱肋安裝中，線形控制尤為重要，為使成拱后盡量達(dá)到合理拱軸線，需對(duì)其線形進(jìn)行較精確的控制［4］。拱肋胎架安裝完成并驗(yàn)收合格后，采用2臺(tái)160T汽車吊按照“左右對(duì)稱，由拱腳至跨中”的順序分段安裝拱肋至合龍。以限位側(cè)向擋板或前一節(jié)段底部、側(cè)向匹配件為參考導(dǎo)向，配合測(cè)控點(diǎn)測(cè)量，進(jìn)行節(jié)段就位，每節(jié)段拱肋出廠時(shí)在其頂板上四角沖有控制點(diǎn)，安裝時(shí)依據(jù)理論計(jì)算的四點(diǎn)空間坐標(biāo)通過測(cè)量機(jī)器人對(duì)四個(gè)沖點(diǎn)進(jìn)行空間定位，提高控制精度。在現(xiàn)場(chǎng)安裝過程中借助場(chǎng)內(nèi)拼裝時(shí)預(yù)設(shè)匹配件將拱肋節(jié)段后端與前一節(jié)段的上口對(duì)齊進(jìn)行粗定位。采用一種鋼棒作為承壓件，上下結(jié)構(gòu)以弧形卡扣對(duì)接，用液壓千斤頂對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過結(jié)構(gòu)前后左右滑動(dòng)及繞銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)拱肋進(jìn)行精確調(diào)整，精調(diào)裝置如圖3所示，下游側(cè)拱肋高程監(jiān)控結(jié)果如表2所示。

對(duì)拱肋安裝進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過該施工工藝及新裝置的使用，將拱肋安裝偏差控制在1 cm以內(nèi)，且合龍偏差為4.9 mm，保證了施工精度。

3.2 原位拼裝施工模擬

3.2.1 施工模擬

通過Midas Civil軟件建立有限元模型，全橋模型由拱肋、胎架、鋼格構(gòu)梁、支墩及水上鋼平臺(tái)五部分組合而成，采用桁架單元對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行模擬，結(jié)構(gòu)共97 205個(gè)節(jié)點(diǎn)、157 019個(gè)單元。鋼管樁底部深入覆蓋層，邊界條件設(shè)為固接；水上鋼平臺(tái)單元間由下至上均采用僅受壓彈性連接；鋼格構(gòu)梁支墩與水上鋼平臺(tái)面板及分配梁焊接固定，結(jié)構(gòu)間采用剛性連接；鋼格構(gòu)梁安放在支墩上，結(jié)構(gòu)間采用僅受壓彈性連接；拱肋胎架與鋼格構(gòu)梁通過型鋼及卡扣近似固接，結(jié)構(gòu)間采用彈性連接的剛性連接形式；拱肋僅安放在胎架上，結(jié)構(gòu)間采用僅受壓彈性連接。有限元模型示意圖如圖4所示。

3.2.2 全過程分析

對(duì)拱肋胎架進(jìn)行全過程分析，按1.2自重+0.8溫度荷載+0.75風(fēng)載進(jìn)行荷載組合。

溫度荷載取值為：起始溫度為20 ℃，溫度變化為±20 ℃，即驗(yàn)算0 ℃、20 ℃和40 ℃三種溫度荷載。

風(fēng)荷載取值為：依據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3360-01-2018）附表A.3及《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012），以6級(jí)風(fēng)荷載作為正常使用狀態(tài)下風(fēng)荷載，以百年一遇風(fēng)荷載作為承載能力極限狀態(tài)下風(fēng)荷載。

拱肋胎架計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

計(jì)算結(jié)果顯示，拱肋安裝過程中，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力及最小特征值均發(fā)生在安裝4#拱肋階段，均滿足規(guī)范要求。

分別以5段拱肋安裝過程中，兩臺(tái)汽車吊就位后、拱肋起吊未完成安裝就位前，單臺(tái)吊車就位、拱肋節(jié)段運(yùn)輸為最不利工況進(jìn)行分析，計(jì)算不同工況下水上鋼平臺(tái)下橫梁、貝雷梁、分配梁及橋面板的正應(yīng)力、剪應(yīng)力、變形情況，并按最大水流流速V=4 m/s計(jì)算洪峰來臨時(shí)結(jié)構(gòu)的承載力、穩(wěn)定性與抗傾覆能力。

最終確定安裝4#拱肋時(shí)，單臺(tái)吊車就位、拱肋節(jié)段運(yùn)輸階段的構(gòu)件處于最不利工況，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

由表4可知，在最不利工況下，各構(gòu)件正應(yīng)力、剪應(yīng)力及變形均滿足規(guī)范要求。

鋼管樁采用529 mm×10 mm鋼管，許用應(yīng)力為170 MPa，其最大反力P=466.39 kN。對(duì)單根鋼管樁進(jìn)行安全性分析，其最小工作安全系數(shù)n/nw=1.45。

根據(jù)荷載反力及地質(zhì)情況，確定鋼管樁長(zhǎng)度，取最不利自由長(zhǎng)度為18.12 m進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析，在鋼管樁全部浸沒的情況下，MA（平衡）/MA（傾覆）=4.3，結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

本文探討了鋼箱拱橋復(fù)合支架原位拼裝結(jié)構(gòu)的施工關(guān)鍵技術(shù)。在該橋施工中，重點(diǎn)關(guān)注兩方面的控制：臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工、鋼格構(gòu)梁及拱肋線形調(diào)整。其中拱肋胎架、鋼格構(gòu)梁支墩及水上鋼平臺(tái)既起到了臨時(shí)支撐作用，同時(shí)也為鋼結(jié)構(gòu)安裝提供足夠的工作平臺(tái)。

為保證復(fù)合支架體系具備足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性，應(yīng)充分考慮施工時(shí)的最不利荷載形式以確定結(jié)構(gòu)的布置形式，并建立有限元模型進(jìn)行驗(yàn)算，對(duì)局部可優(yōu)化處提前進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，確保設(shè)計(jì)合理且施工便捷后方可進(jìn)行施工。施工過程中應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保全過程處于安全可控、安裝精度高的狀態(tài)下。

本文所述復(fù)合支架原位拼裝法能滿足鋼箱拱橋施工要求，可為同類型橋梁安裝提供思路。

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作者簡(jiǎn)介：胡立楷（1993—），工程師，主要從事道路與橋梁工程工作。