钢箱拱桥钢箱梁安装施工方法研究

黄子麟 谷明 熊雅文

摘要：文章以柳州市官塘大桥钢箱梁安装为例，介绍了无吊索区拖拉支架施工和钢箱梁安装、标准梁段桥面吊机安装的混合施工方法，并采用数值分析对拖拉支架的设计以及拖拉过程中钢箱梁自身的状态进行研究。该混合方法高效、精准地完成了主桥钢箱梁安装，且施工过程中安全可控，可为类似工程提供经验借鉴。

关键词：钢箱梁;拖拉支架;桥面吊机;数值分析

0 引言

近年来，随着我国科学技术的发展和生产力的提高，钢结构加工与制造的技术迈入一个新的台阶，钢箱梁桥的应用越来越广泛。与一般的混凝土箱梁相比，钢箱梁具有抗扭性能好、结构形式多样、施工周期短等特点。

目前国内外对钢箱梁安装施工主要采用吊装和顶推的方法。吊装法主要利用大型机械设备辅助，顶推法需搭设大量水中支架。本文以柳州市官塘大桥施工为背景，借助有限元数值分析的方法，分析研究了无吊索区梁段拖拉支架法施工以及有吊索区桥面吊机施工的混合方法的可行性，对钢箱梁安装施工过程的受力性能与特点进行了分析，并对钢箱梁安装施工技术应用效果进行评价[1]。

1 研究背景

1.1 工程简介

柳州市官塘大桥主桥为中承式钢箱拱桥，结构体系为有推力提篮式拱桥。主桥全长462m，主拱计算跨径为457m，净矢高为100m，单侧拱座基础水平推力达17500t[2]（见图1）。

主桥钢箱梁采用单箱单室扁平流线型全焊钢箱梁，全桥钢箱梁划分为44节段。吊索区梁段宽44.5m，无吊索区梁段宽39.5m，梁中心高3.5m（外轮廓），端节段长11.33m，跨中节段长8.5m，标准节段长10.5m，最大吊重245t。

1.2 工程特点

（1）东西岸边跨无吊索区梁段安装区域大部分为浅水区或无水区，无法直接由660t浮吊吊装梁段就位，考虑先搭设临时支架作为存梁点，再由牵引装置将梁段拖拉至设计位置。

（2）为减少浮吊使用，将浮吊用于临时支架的拆除，同时增加标准梁段的安装速度，剩余的节段和跨中段均采用桥面吊机悬拼对称安装，并在安装过程中同步进行吊索安装与索力控制，最终完成钢箱梁的合龙。

2 施工技术方法

2.1 无吊索区梁段支架施工

无吊索区梁段采用的拖拉系统钢管支架主要由支撑立柱钢管和横联系钢管组成。钢管立柱作为后期对钢箱梁顶升落梁的支点，其位置应设计在钢箱梁横隔板对应处，避免钢箱梁在顶升落梁时产生过大变形。立柱钢管内设置钢筋笼并嵌入岩层后浇筑，钢管接长通过环板连接。工字钢分配梁焊接于管顶钢板上，上部设置钢板支垫调节标高。滑道梁与调节钢板焊接，并在滑道梁顶部焊接薄层不锈钢滑板，并设置MGE滑板。

2.2 无吊索区梁段拖拉施工

在南北侧交界墩盖梁处预埋PVC管形成张拉孔，采用自动连续千斤顶作为牵引装置拖拉钢箱梁，逐段拼接。拉錨器作为牵引钢绞线的固定端，焊接在钢箱梁底板前端两侧，横向限位装置焊接在无吊索区钢箱梁底部。钢箱梁底板设置四组横向精调系统，即钢箱梁需要横移调整时作为千斤顶反力点的构造（见图2）。

首节钢箱梁平面位置满足设计要求后，由竖向千斤顶调整梁顶面至控制标高，然后在梁底与滑道梁顶面之间塞垫钢板，千斤顶卸力，钢箱梁由滑道梁进行支撑。剩余的无吊索区节段标高以首节钢箱梁的标高为基准，顺接对位（见图3）。

2.3 标准梁段吊装施工

标准梁段桥面吊机安装施工工艺流程为：桥面吊机前移就位→运输船转运钢箱梁抛锚定位→吊具下放→吊点连接→钢箱梁起吊→钢箱梁粗对位→吊索与钢箱梁连接→钢箱精调→限位马板焊接→环焊缝焊接→连接板安装→吊索索力精调→下一循环。

每一节段钢箱梁安装前应根据监控指令确定钢箱梁预抬值和相应吊索张拉力值，桥面吊机吊装钢箱梁线形至目标值后进行钢箱梁匹配件安装及马板焊接，后进行钢箱梁环缝焊接。环缝焊接过程中吊索与钢箱梁栓接但不张拉，环缝焊接完成后张拉吊索调整吊索索力至目标值，经监控测量并符合要求后，桥面吊机前移进行下节段钢箱梁安装施工。

2.4 合龙段吊装施工

合龙段安装前，对合龙口应进行至少24h的连续观测。为利于合龙段安装，配切时将合龙段梁配切为梯形，即顶板比底板在顺桥向方向长度每侧小2cm（见图4）。由于合龙段配切过程为白天，为避免因温度影响配切数据准确度，在合龙段配切完成时间在8：00am前。[KH-*1]

3 有限元数值验算分析结果

3.1 拖拉支架验算分析

通过Midas软件建立梁单元模型，采用极限应力法，模拟无吊索区四片钢箱梁整体拖拉时支架受力的最不利工况。拖拉支架主要由钢管和工字钢、钢板组成，材料均为Q235型，钢管桩基为嵌入中风化岩层5m的钢筋混凝土桩，混凝土浇筑到岩面以上3m，其主要受四片钢箱梁的竖向重力、水平摩擦力和流水压力对整个支架的影响。

施加边界时，立柱钢管底部施加固定约束，轨道梁与分配梁弹性连接，分配梁与立柱钢管刚性连接。主要验算结构支架的强度、刚度、稳定性，以及钢管桩基底部锚固能力。结果采用承载能力极限状态的包络，施工阶段状态的包络。见图5。

支架的一阶弹性屈曲系数为4.65，滑道梁容易屈曲（见图6），实际施工中将滑道梁与分配梁之间焊接，提高支架整体稳定性。

钢混桩基下部受到来自钢管支墩与混凝土之间的粘结力（其大小为拖拉系统竖向支座反力F），水平剪力Q以及复合形式桩基结构底部弯矩M。经Midas软件计算，以最大值分别验算钢管的支反力、水平抗剪、抗弯（见表1～2）。

3.2 拖拉过程中钢箱梁验算分析

无吊索区梁段施工采取逐段拼接，并通过滑道梁及拖拉系统将拼接好的梁体向两侧桥台拖拉到位，最后由立柱钢管顶的千斤顶进行标高的调整。根据其拖拉施工过程，通过ANSYS程序进行钢箱梁板单元（Shell63）模拟计算，主要验算顶升过程对梁体的影响，该施工方法梁体是否能承受。建立钢箱梁整体模型（包括：横隔板、加劲肋、“U”肋等），荷载为1.2倍钢箱梁自重，拖拉索力为2×540000N。约束根据实际工况，分别对钢箱梁底部与滑道梁、千斤顶接触部分进行三个平动方向约束。工况如下。

工况一：1#梁体落位3#、4#立柱，采用拖拉装置对1#梁体进行拖拉。

工况二：1#梁体落位预定位置，开始拖拉2#梁体。

工况三：1#、2#、3#、4#梁体拖拉就位，采用钢管顶的千斤顶对四片梁进行顶升。

以工况三计算结果为例，钢箱梁底部Mises应力云图如图7所示，其应力主要范围在0～180MPa。超限部分主要集中于千斤顶与钢箱梁接触部位，应力集中区域相对较小。

其竖向位移云图如图8所示，竖向位移最大值为31.8mm，其挠跨比约1/765（肋间横梁与3#柱间梁体出现相对最大竖向位移）。

4 结语

根据理论并结合现场实际情况，官塘大桥主桥钢箱梁安装，其边跨无吊索区采用拖拉支架法施工，标准段和合龙段采用桥面吊机施工，施工过程涉及了多种施工工艺。该混合施工方法减少了临时工程量，有效地提高大型机械使用效率，节约人工，同时减少了管理人员投入。该桥仅采用100d就完成了钢箱梁的合龙安装，安装的全过程始终处于安全、快速、高效的可控状态，为今后同类桥梁施工提供了借鉴。

参考文献：

[1]薛 斌.高位条件下84m双线简支钢桁梁顶推施工技术研究[J].21世纪建筑材料，2010（6）：83-86.

[2]谷 明，陆家恩，徐小游，等.大跨度钢线拱桥施工技术研究及应用[J].建筑技术开发，2019（17）：41-42.