钢箱拱桥原位拼装临时支撑系统施工技术研究

梁 胡，陶小磊，胡立楷

(1.广西路建工程集团有限公司，广西 南宁 530001；2.南宁市筑路技术与筑路材料工程技术研究中心，广西 南宁 530001)

0 引言

随着我国经济的不断发展，交通设施建设正处于大力发展时期。桥梁工程作为交通领域的重要工程，也在不断进行技术改革。钢箱拱桥作为比较常见的一类桥梁结构形式，具有结构稳定、外观优美等优势，具有强大的生命力，且处于高速发展状态。桥梁施工控制不仅是桥梁施工技术的重要组成部分，而且是确保桥梁施工宏观质量的关键，同时是桥梁建设的安全保证。因此，本文以大风江大桥为例，从临时支撑系统入手，分析从设计到现场施工所存在的问题及采取的解决办法，从而建立起一套完善的施工控制体系，为今后类似的桥梁工程建设提供参考。

1 工程概况

图1 大风江大桥效果图

兰海高速公路钦州至北海段改扩建工程大风江大桥右幅为(20+120+20) m的钢箱梁拱桥，主桥为下承式系杆钢箱拱，两侧引桥为预应力混凝土简支小箱梁，设计时速为120 km/h。钢结构由钢格构梁、钢箱拱肋、横撑、系杆和吊杆组成；钢格构梁由钢纵梁、主横梁、次横梁和钢-混凝土组合桥面板组成；主墩为“实体墩、承台+桩基础”的形式；下构采用柱式墩台，墩台均采用桩基础。大风江大桥效果图如图1所示。

通过与设计方进行沟通及考虑现场实际情况，大风江大桥钢结构安装采用原位拼装法施工[1-2]，主要利用搭设的水上钢平台作为上部结构的临时承重支架。根据现场施工需要，在钦州岸及北海岸两侧搭建两处引桥钢栈桥，用于水上钢平台的安装。钢栈桥及水上钢平台平面布置如图2所示。

图2 钢栈桥及水上钢平台平面布置图(cm)

2 临时支撑结构方案分析

根据钢栈桥及水上钢平台布置方案，采用Midas Civil软件建立相应受力模型，进行受力分析。

2.1 钢栈桥设计方案分析

施工栈桥主要承担结构自重、12 m3混凝土搅拌运输车荷载、80 t履带吊车行走及工作荷载。考虑施工车辆通行需求和经济性因素，钢栈桥引桥设计为长约30 m(倾斜段)+15 m(平台段)，栈桥岸单车道以6 m宽布置，标准跨度为9 m，最大跨度为9 m，栈桥设计车速为5 km/h。栈桥横断面结构布置如图3所示。

(a)栈桥倾斜段

钢栈桥作为一个桁架结构，由多种构件组成，需要分别对各个构件进行应力计算分析和变形计算，并对栈桥承载力极限状态进行验算。施工栈桥桥面板采用板单元，分配梁、贝雷架、主横梁、钢管桩采用梁单元，剪刀撑等拉结件采用桁架单元模拟。单跨受力模型如图4所示。

图4 单跨钢栈桥受力模型图

车辆荷载采用车道影响线加载，混凝土罐车按单车道中间及一侧加载，80 t履带吊车按照一个车道走栈桥中间加载，荷载组合分三种工况形式：(1)1.2倍恒载+1.4倍混凝土罐车一侧行驶荷载；(2)1.2倍恒载+1.4倍混凝土罐车中间行驶荷载；(3)1.2倍恒载+1.4倍履带吊整桥行驶荷载[3]。

经受力模型分析，在各种工况组合下，钢栈桥各构件承载力及桩身强度、稳定性满足设计要求，不同工况作用下结构的最大应力如表1所示。

表1 施工栈桥主要构件最大组合应力计算结果表(MPa)

2.2 水上钢平台设计方案分析

水上钢平台全长117 m，宽36 m，自重包括钢平台桥面板及桥面板以下结构的自重、胎架自重、钢格构梁自重、钢垫块自重、拱肋及拱肋横撑自重、15 cm厚C40钢纤维混凝土自重、汽车吊自重、防撞护栏自重及行人荷载。水上钢平台横、纵断面布置图如图5所示。

(a)水上钢平台横断面

同钢栈桥一样，水上钢平台需要对各个构件进行应力计算分析和变形计算分析。采用桁架单元进行模拟，建立Midas Civil有限元模型，如图6所示。对于桥梁上部结构，最不利荷载为合龙前两台汽车吊就位起吊时结构所受荷载。根据大风江大桥拱肋分段情况，取10个荷载工况进行分析，分别计算桥面板、分配梁、贝雷梁和横梁正应力、剪应力以及变形；对于下部结构，需要分别计算钢管桩承载力、稳定性与抗倾覆能力。根据受力分析情况，水上钢平台主要构件承载能力及稳定性满足要求。主要计算结果如表2所示。

图6 水上钢平台受力模型图

表2 水上钢平台主要构件计算结果汇总表

由此可见，钢栈桥及水上钢平台设计满足要求，可以进行施工。

3 施工工艺研究

根据验算通过的临时支撑结构设计方案，进行钢栈桥及水上钢平台施工。施工工艺流程如图7所示。

图7 钢栈桥及钢平台施工工艺流程图

3.1 钢管桩施工工艺研究

根据设计情况，钢栈桥及水上钢平台总计需要234根钢管桩，所有桩尺寸均为φ590 mm×10 mm。钢管桩沉桩按照先连接平台后引桥钢栈桥的顺序施工，在两岸同时进行。钢管桩采用KH300型80 t履带吊结合DZJ-135型振动锤进行安装。根据大风江大桥工程地质勘察说明，平台所处位置地下土层由全风化岩、强风化岩和中风化岩组成，因此，在进行施工时要考虑沉桩能否达到设计桩深以及钢管桩会否产生滑移。为解决这些问题，现场采用振动锤加强振动方式：首先进行缓慢振动，嵌入岩层，这样能够避免对钢管桩及振动设备造成损伤，保证沉桩过程中不发生偏位，同时避免岩石过硬对振动设备造成一定损伤；然后逐步加强振动速度，达到预定振动速度后保持匀速振动，直至到达预定沉桩深度。为保证平台架设期间施工便捷，单根桩入岩长度按照不足0.5 m按0.5 m控制，超过0.5 m不足1 m按1 m控制，超过1 m按1.5 m控制。

钢管桩节段间焊接采用坡口焊，吊装接长钢管两节间的对口间隙为2～4 mm，焊接应对称进行。应用多层焊，各层焊缝接头应在对接处设置加筋板，尺寸为200 mm×100 mm×10 mm，加筋板与两节桩需焊接牢靠。

相邻钢管桩施工完成后及时进行横联施工，保证其整体稳定性。横联采用20a号槽钢，一跨钢管桩施工完成后，立即进行下横梁施工。采用14a号双拼工字钢，在工字钢上、下两面用钢板焊接成整体，钢板尺寸为20 cm×20 cm×6 mm，每50 cm设置一道。

3.2 贝雷梁施工工艺研究

贝雷梁在岸上按跨3～5片拼装好，两排至四排一组采用支撑架进行竖向及横向联结，并使用8#槽钢作为结构补强杆安装在相应位置[4]。拼装完成后应仔细检查各连接部位构件情况，并进行试吊(整体起吊50 cm)，试吊合格后采用整体吊装方式将贝雷梁一次吊装至孔位。每片贝雷梁均设置限位，将切割成U型的20#槽钢作为限位装置，如图8所示。

图8 U型限位装置示意图(cm)

3.3 分配梁及桥面板施工工艺研究

分配梁采用20a号工字钢与10 mm厚钢板按照长6 m、宽3 m为一块焊接成整体，分配梁纵向按30 cm间距布置，整体吊装至贝雷梁上，通过U型板扣与贝雷梁固定，如图9所示。

图9 桥面板与分配梁固定示意图

大风江桥钢结构采用原位拼装法施工，对于钢平台桥面平整度有较高要求，因此，现场铺装钢板时，要保证钢板间不能重叠。如遇重叠部分，使用火焰切割机及时切割，焊接钢板时掉落至钢平台上的焊渣也要及时清理打磨。

4 钢平台预压及监控

4.1 水上钢平台预压

水上钢平台在施工完成后进行预压，预压的目的是检验水上钢平台的强度及稳定性，检验设计的合理性，消除水上钢平台的非弹性变形(包括沉降变形和各接触部位的变形)，同时可测出钢平台各处挠度变形量，确保钢平台安全。本项目水上钢平台采用水袋加载的方式逐跨进行。

根据受力情况，将水袋堆叠到指定预压跨，按24 m每跨，共5跨进行预压，并按照施工工况分级预压。以钢格构梁自重、增加混凝土重量，再增加“拱肋+胎架”重量及1.2倍总重量为设计荷载[3]，分四级进行预压。加载前需对水上钢平台初始数据进行检测，每级预压加载到位后需对水上钢平台沉降、变形等数据进行观测，合格后方可进行下一级加载。预压荷载如表3所示。

表3 水上钢平台预压荷载数据汇总表

4.2 水上钢平台沉降观测变形点布置

钢平台沉降观测点布置如图10所示。图中，倒三角符号表示沉降点布置位置。具体布置方式为：在贝雷梁架设完成后，每间隔4 m布设一个截面，每个截面分别布设左、中、右3个沉降观测点，共布设87个沉降观测点，并用数字水准仪进行测量。钢管桩沉降观测点布置如图11所示。布置方式为：在外侧钢管桩顶部布设棱镜，在第三列和第七列钢管桩中部布设反射片，可同时监测钢管桩基础沉降以及纵、横向变位，共布置16个棱镜和12个反射片观测点，并用高精度测量机器人进行测量。

图10 钢平台沉降观测点布置图(cm)

(a)平面

以第三跨为例，水上钢平台第三跨预压顶面沉降量观测部分如表4所示。由表4可知，钢平台顶面沉降量较小，满足要求。水上钢平台第3跨预压钢管桩变形量监测部分如表5所示。由表5可知，钢管桩变形量较小，在规范允许范围内，满足要求[5]。

表5 水上钢平台第3跨预压钢管桩变形值监测结果表

5 结语

本文探讨了临时支撑系统在钢箱拱桥原位拼装法中的应用。在钢箱拱桥原位拼装法施工中，钢栈桥及水上钢平台起到临时支撑作用，同时为钢格构梁以及拱肋安装提供了足够的工作平台。本文根据施工时的最不利荷载形式确定临时支撑系统的结构布置，并建立有限元模型进行验算；在施工过程中，针对某一环节存在的具体问题，提出了相应改进措施；水上钢平台搭设完成后进行预压，并对结构沉降进行监控，以确保支撑结构的承载能力及沉降量满足要求。

通过后期监控，临时支撑结构满足使用要求。由此可见，本文所介绍的原位拼装法施工临时支撑系统可对钢结构类桥梁的安装提供可行性思路。