臨海內(nèi)河雙層鋼箱梁鋼管拱橋施工支架設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究

摘要 為了提高臨海內(nèi)河雙層鋼箱梁鋼管拱橋施工質(zhì)量與工效，該文以連接線楠溪江大橋主橋?yàn)槔?，對比先梁后拱與先拱后梁的施工技術(shù)方案，確定先梁后拱支架法施工在雙層鋼箱梁鋼管拱橋中的運(yùn)用。在復(fù)雜地質(zhì)、復(fù)雜水文等不利條件下，探討雙層鋼箱梁鋼管拱橋施工支架設(shè)計(jì)與施工中的相關(guān)創(chuàng)新技術(shù)，以期研究成果為類似橋梁支架設(shè)計(jì)與施工提供參考。

關(guān)鍵詞 雙層鋼箱梁；鋼管混凝土；系桿拱橋

中圖分類號 U445 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）21-006400-03

0 引言

連接線楠溪江大橋?yàn)殡p層鋼箱梁鋼管混凝土系桿拱橋，跨越楠溪江V級航道，主跨148 m，通航凈空為130 m×8 m。主墩位于楠溪江中，楠溪江為鄰海內(nèi)河，漲落潮差大。東岸2#主墩鄰近高速公路，覆蓋層較薄，西岸3#主墩覆蓋層較厚。采用先拱后梁施工空間有限，為了高效高質(zhì)量完成主橋施工，同時滿足楠溪江通航，主橋采用三層支架法按先梁后拱法進(jìn)行施工。該文著重介紹三層支架法在雙層鋼箱梁鋼管拱橋支架設(shè)計(jì)與施工中的應(yīng)用。

1 工程概況

連接線楠溪江大橋主橋采用跨徑148 m雙層鋼箱梁鋼管拱橋，拱軸線形為二次拋物線，拱肋凈跨徑144 m，凈矢高35 m，矢跨比為1/4.114。拱肋為等截面鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)，全橋由兩榀桁架組成，兩榀桁架中到中間距為17.55m，每片拱肋由4根Φ800 mm鋼管組成高4.35 m，寬2.45 m的鋼管桁架，水平向由Φ500×20 mm鋼管連接兩根主鋼管，腹桿采用Φ400×14 mm鋼管作為豎向連接。主拱肋鋼管內(nèi)灌注混凝土，采用早強(qiáng)、緩凝、微膨脹C50混凝土。

連接線楠溪江大橋上下層鋼梁均為單箱五室梁斷面，梁高1.8 m，箱梁頂?shù)装逶O(shè)置單向2%橫坡。頂板設(shè)置U型縱向加勁，底板設(shè)置肋板式縱向加勁，順橋向約每2.7 m設(shè)置一道橫隔板。（如圖1）。

圖1 連接線楠溪江大橋主橋效果圖

2 總體支架設(shè)計(jì)與施工方案比選

2.1 施工方案比選

為保證高質(zhì)量高效地完成連接線楠溪江大橋主橋施工，同時保證楠溪江通航，主橋采用三層支架法按先梁后拱的方法施工。該施工方法受力明確，計(jì)算簡單，層層施工，工序轉(zhuǎn)換方便，對場地要求小，同時能夠保證楠溪江通航，且在施工過程中，對主體結(jié)構(gòu)干擾小，施工精度容易控制。

2.2 支架設(shè)計(jì)方案比選

經(jīng)過比選，主橋上部結(jié)構(gòu)支架采用臨時支墩下中間設(shè)置棧橋法，以此方法施工上部結(jié)構(gòu)臨時支墩，臨時支墩基礎(chǔ)采用鋼管樁基礎(chǔ)。上層鋼箱梁支架與臨時支墩相對位置對應(yīng)，拱肋支架設(shè)置于上層鋼箱梁上，對于較高的拱肋支架，在縱橫向設(shè)置聯(lián)結(jié)系，保證支架及其在拱肋安裝中的穩(wěn)定性。其優(yōu)點(diǎn)在于受力明確，計(jì)算簡單，對空間利用率高，對機(jī)械設(shè)備要求低，材料用量少，成本低，對主體鋼結(jié)構(gòu)浮吊等級要求低，同時便于施工過程中檢查、加固，以及主體結(jié)構(gòu)施工。其缺點(diǎn)在于存在交叉施工，對施工組織要求高。

3 支架設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

3.1 總體支架設(shè)計(jì)及施工方案

支架設(shè)計(jì)與鋼結(jié)構(gòu)分塊、航道情況、地質(zhì)條件等息息相關(guān)，同時還要兼顧支架安裝、檢查和拆除的便利性、經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)過與海事部門、設(shè)計(jì)等協(xié)商，橋位處需要在小里程側(cè)預(yù)留不小于40 m的通航孔。主橋鋼結(jié)構(gòu)安裝時，遵循從下往上的順序進(jìn)行。故下層鋼箱梁水中臨時支墩的受力尤為重要，支架頂分配梁設(shè)置在鋼箱梁橫隔板附近，盡可能不在通航孔上的鋼箱梁區(qū)域設(shè)置支架，以減小鋼箱梁受力，對總體線型控制有利。

該項(xiàng)目臨時支墩為雙層鋼管拱橋的鋼箱梁及以上結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)，臨時支墩棧橋主要用于安拆臨時支墩、作為臨時支墩結(jié)構(gòu)的檢查通道、作為鋼箱梁縱向焊縫焊接登高車的施工通道。臨時支墩棧橋主要考慮100 t履帶吊、100 t汽車吊等荷載。臨時支墩主要考慮：下層鋼箱梁、上層鋼箱梁及其支架、鋼管拱及其支架、端橫梁內(nèi)混凝土荷載、風(fēng)荷載、水流荷載等。中層支架主要考慮：上層鋼箱梁及其支架自重、鋼管拱及其支架、風(fēng)荷載等。拱肋支架主要考慮拱肋及其支架自重、風(fēng)荷載。

3.2 三層支架法設(shè)計(jì)及計(jì)算

3.2.1 三層支架設(shè)計(jì)概述

主梁臨時支墩采用鋼管樁加分配梁的結(jié)構(gòu)形式，下部采用φ800×10 mm和φ1000×10 mm鋼管樁基礎(chǔ)，聯(lián)結(jié)系采用2［20a型鋼，樁頂分配梁采用2I56b橫梁。其中2#墩位于斜巖面上，覆蓋層薄，約5 m，且均為淤泥層，故該處的臨時支墩采用φ1000×10 mm鋼管樁+鉆孔樁基礎(chǔ)，可以保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。3#墩及其余臨時支墩處覆蓋層均很厚，其中淤泥17 m，淤泥以下為約30 m的卵石層及碎石層，故采用φ800×10 mm鋼管樁基礎(chǔ)，鋼管樁均進(jìn)入碎石層。因下層鋼箱梁端橫梁設(shè)計(jì)有混凝土，故在承臺上設(shè)置一排鋼管樁作為支撐混凝土結(jié)構(gòu)[1]。

主梁上層鋼箱梁支架采用鋼管加分配梁的結(jié)構(gòu)形式，通航孔上的節(jié)段為合龍段，合龍段兩側(cè)支墩鋼管采用φ800×10 mm鋼管，其余支墩處采用φ400×8 mm鋼管，聯(lián)結(jié)系采用2［16a型鋼，鋼管頂分配梁采用2I56b橫梁。

拱肋拼裝支架采用鋼管樁加分配梁的結(jié)構(gòu)形式，拱肋中間節(jié)段為合龍段，合龍段兩側(cè)支墩均采用φ800×10 mm鋼管，其余支墩處采用φ400×8 mm鋼管，聯(lián)結(jié)系采用2［16a型鋼，樁頂分配梁采用2I56b橫梁。

3.2.2 三層支架設(shè)計(jì)計(jì)算

采用Midas civil建立整體施工階段模型。建立的模型如下圖2：

模型中僅計(jì)算主梁及拱肋拼裝支架的承載力情況，模型中主體結(jié)構(gòu)僅用來模擬其等效重力對下方拼裝支架產(chǎn)生的作用，需保證等效重量及分布與實(shí)際相等。主梁拼裝支架均按實(shí)際情況建立以模擬各構(gòu)件的受力情況。

荷載取值包括支架結(jié)構(gòu)自重、鋼箱梁及鋼管拱自重、風(fēng)荷載、水流力、汽車吊荷載。主要計(jì)算主梁拼裝支架的承載力。

工況一：搭設(shè)下層支架，拼裝下層鋼梁。

工況二：搭設(shè)中層支架，拼裝上層鋼梁。

工況三：搭設(shè)拱肋拼裝支架，拼裝拱肋支架。

計(jì)算結(jié)果取以上各工況最不利結(jié)果包絡(luò)。經(jīng)過計(jì)算，分別計(jì)算出下層鋼箱梁支架、上層鋼箱梁支架、拱肋支架的最不利強(qiáng)度、剛度結(jié)果如下：

下層鋼梁拼裝之間的橫向分配梁最大組合應(yīng)力為102 MPa，最大剪應(yīng)力為53 MPa，豎向變形為7.5 mm。

上層鋼梁拼裝之間的橫向分配梁最大組合應(yīng)力為126 MPa，最大剪應(yīng)力為34 MPa，豎向變形為0.3 mm。

拱肋拼裝之間的橫向分配梁最大組合應(yīng)力為43 MPa，最大剪應(yīng)力為27 MPa，豎向變形為0.8 mm。

鋼管樁最大組合應(yīng)力為100 MPa，最大樁反力為125 t。

支架設(shè)計(jì)滿足要求。

3.2.3 通航孔鋼梁拼裝應(yīng)力及變形

由計(jì)算可知：下層鋼梁最大應(yīng)力為28 MPa，上層鋼梁最大應(yīng)力為29 MPa；下層鋼梁最大相對變形為16 mm，上層鋼梁最大相對變形為17.2 mm，主體鋼箱梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度剛度均滿足要求。

3.3 支架與主橋鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

3.3.1 臨時支墩及其棧橋施工

東岸2#墩處臨時支墩位置河床覆蓋層較淺，東岸臨時支墩鋼管樁基礎(chǔ)位于斜巖面上，需要與巖層之間采用鋼筋混凝土錨固。臨時支墩鋼管樁采用80 t履帶吊+DZ—60型振動錘的方法插打至斜巖面上，利用聯(lián)結(jié)系作為沖擊鉆鉆孔平臺，鋼管樁作為臨時鋼護(hù)筒，采用鉆孔樁的施工方法施工東岸臨時支墩基礎(chǔ)[2]。待鋼管樁基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋混凝土都灌注完成后，再施工東岸臨時支墩的鋼管接長、聯(lián)結(jié)系安裝、分配梁安裝等。

承臺上的臨時支墩，在承臺施工時預(yù)埋鋼管預(yù)埋件，在承臺施工完成后，利用汽車吊安裝鋼管立柱，與預(yù)埋件焊接牢固，再安裝聯(lián)結(jié)系及分配梁。

西岸臨時支墩及其棧橋同步施工，考慮東西岸地質(zhì)差異較大，西岸覆蓋層有淤泥、卵石層，鋼管樁承載滿足要求，采用100 t履帶吊+DZ—90型振動錘的方法進(jìn)行釣魚法施工棧橋及臨時支墩。

因楠溪江鄰近海域，漲落潮差大，避開高平潮施工聯(lián)結(jié)系及鋼管接長，將分配梁、貝雷片安裝時間安排在高潮期間。

因臨時支墩棧橋設(shè)計(jì)在臨時支墩中間，為方便施工，在將棧橋推進(jìn)至最遠(yuǎn)端的過程中，依次施工臨時支墩兩側(cè)結(jié)構(gòu)、中間鋼管柱以及聯(lián)結(jié)系。待棧橋及兩側(cè)結(jié)構(gòu)施工完成后，再用倒退法依次施工中間鋼管樁、聯(lián)結(jié)系與立柱頂分配梁[3]。

雖然棧橋被臨時支墩中間鋼管分為兩部分，但是不影響小型吊機(jī)與登高車等工程車輛進(jìn)入支架底部進(jìn)行作業(yè)。

3.3.2 主體結(jié)構(gòu)、中層支架與拱肋支架施工

根據(jù)工期，按先下層、再中層、最后拱肋的順序，利用運(yùn)輸船依次將鋼箱梁及拱肋等構(gòu)件運(yùn)輸至橋位。主橋下層鋼箱梁采用300 t浮箱拼裝式浮吊進(jìn)行吊裝。

根據(jù)上下層鋼箱梁、拱肋等分節(jié)段重量，以及浮吊參數(shù)表，采用60 m長吊桿安裝下層鋼箱梁，待下層鋼箱梁安裝完成后，將浮吊吊桿接長至80 m，采用80 m長吊桿安裝上層鋼箱梁支架、上層鋼箱梁、拱肋支架、拱肋及風(fēng)撐等。

臨時支墩施工中，需要控制鋼管樁的平面位置，可以保證鋼管樁頂分配梁在鋼箱梁橫隔板位置，對結(jié)構(gòu)受力有利。臨時支墩施工完成后，復(fù)測所有樁頂分配梁標(biāo)高，在下層鋼箱梁設(shè)計(jì)支點(diǎn)處設(shè)置2I32a型鋼作為臨時抄墊，臨時抄墊與鋼箱梁之間設(shè)置鋼板增大鋼箱梁與抄墊間受力面積，保護(hù)梁底結(jié)構(gòu)及油漆面。當(dāng)浮吊將下層鋼箱梁吊裝至設(shè)計(jì)位置后，利用全站儀復(fù)測鋼梁平面位置及高程，尤其需要控制下層鋼箱梁兩側(cè)主吊桿的吊耳平面位置。在鋼箱梁完全就位前，利用倒鏈與焊接在鋼箱梁上的碼板調(diào)節(jié)鋼箱梁平面位置，利用千斤頂精調(diào)鋼箱梁高程[4]。

在下層鋼箱梁施工過程中，在岸邊規(guī)劃好的場地上將上層鋼箱梁支架提前焊接成整體。在下層鋼箱梁上有作業(yè)空間后，即可利用浮吊將拼裝好的支架依次吊裝至下層鋼箱梁上設(shè)計(jì)位置。每個支架安裝完成后，復(fù)測所有鋼管頂分配梁標(biāo)高，在上層鋼箱梁設(shè)計(jì)支點(diǎn)處設(shè)置2I32a型鋼作為臨時抄墊，臨時抄墊與鋼箱梁之間設(shè)置鋼板增大鋼箱梁與抄墊間受力面積，保護(hù)梁底結(jié)構(gòu)及油漆面。上層鋼箱梁吊裝的控制措施與下層鋼箱梁相同。

在上層鋼箱梁施工過程中，在岸邊將拱肋支架提前焊接成整體，在上層鋼箱梁上有作業(yè)空間后，即可利用該浮吊將拱肋支架吊裝至上層鋼箱梁上。

在拱肋支架驗(yàn)收合格后，即可利用浮吊將拱肋及風(fēng)撐吊裝至支架上。

在上下層鋼箱梁及拱肋安裝過程中，需要特別注意吊桿孔、吊桿索導(dǎo)管的中心位置，在結(jié)構(gòu)安裝過程中，尤其要注意吊耳平面位置、索導(dǎo)管平面位置的精度，對結(jié)構(gòu)受力影響較大。

4 方案創(chuàng)新與應(yīng)用

4.1 先梁后拱施工技術(shù)

楠溪江大橋雙層鋼箱梁桁架式鋼管混凝土拱橋采用先梁后拱法施工，利用浮吊依次安裝下層鋼箱梁、上層鋼箱梁、拱肋及風(fēng)撐，該方法適應(yīng)橋位處的地形地質(zhì)條件，與纜索塔架法相比，節(jié)約了索塔及臨時吊索的費(fèi)用，減少了不必要的主墩后方占地，而且三層支架法在雙層梁的拱橋施工中，可以減少對已架設(shè)構(gòu)件的碰撞，提高了安裝精度，增加了施工過程中的安全保障，且節(jié)約成本，提高工效。

4.2 鉆孔樁基礎(chǔ)優(yōu)化為鋼管樁基礎(chǔ)施工技術(shù)

采用釣魚法施工臨時支墩，相比于鉆孔樁基礎(chǔ)，減少了施工平臺的投入，減少了后期鉆孔樁處理措施，不僅方便安裝，也方便拆除，同時降低了水上施工的風(fēng)險(xiǎn)性。

4.3 臨時支墩中間設(shè)置棧橋施工技術(shù)

臨時支墩棧橋設(shè)置在主橋正下方，縮短施工設(shè)備工作半徑，減小棧橋及臨時支墩施工的履帶吊噸位，減小了棧橋的承載能力；為浮吊吊裝半徑提供空間，降低了浮吊噸位等級的要求；為鋼箱梁縱橫向焊縫提供了作業(yè)通道；便于支架的安裝、檢查、拆除。同時在用鋼量、機(jī)械設(shè)備、施工進(jìn)度上達(dá)到了降本增效的作用。

5 結(jié)論

連接線楠溪江大橋主橋?yàn)殡p層鋼箱梁鋼管拱橋，橋位處于鄰海內(nèi)河與高速公路附近，場地狹窄，施工受航道、潮汐影響大。采用三層支架法依次施工下層、上層鋼箱梁、拱肋的施工技術(shù)，與采用先拱后梁的纜索吊裝法和采用先下層梁再拱最后上層梁的施工方法相比，三層支架法施工便利，精度易于調(diào)整、對場地要求更小、成本更低、航道干擾較小，且先梁后拱法施工降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。該文總結(jié)了臨時支墩與棧橋同步安拆施工工藝、浮箱拼裝式浮吊吊裝主體與臨時鋼結(jié)構(gòu)工藝等施工經(jīng)驗(yàn)，提供了一整套的創(chuàng)新方法，對類似的雙層系桿拱橋先梁后拱支架法施工具有很大的參考意義。

參考文獻(xiàn)

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