互通跨既有线钢箱梁桥设计与施工研究

陈 伟,刘 爽

（1.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司,贵州 贵阳 550081; 2.中国建筑第二工程局有限公司,北京100073）

0 引言

随着我国社会经济的发展，目前各省均在大力修建高速公路，云南省紧跟国家“十三五”规划发展要求，各高速实现互联互通目标，国内存在大量的与既有高速公路连接、上跨等位置关系。该文工程案例中昌隆铺互通主线桥上跨沪昆高速，车流量较大，日均3.5 万辆，就该工程桥梁设计及施工要点进行分析，对后续桥梁的设计与施工具有借鉴意义。

1 桥梁设计

1.1 设计技术参数

桥梁跨径：2 跨40 m 钢箱梁；设计荷载：公路Ⅰ级；设计速度：100 km/h；桥面宽度：33.5 m。 0.55 m+15.45 m+1.5 m+15.45 m+ 0.55 m=33.5 m；桥面最大纵坡：i=2.5%，桥梁平面线形：桥梁位于R=1 500 m 的圆曲线内；抗震设防标准：地震动峰值加速度为0.2 g，地震动反应谱特征周期为0.45 s；桥区地震基本烈度为Ⅷ度，桥梁抗震设防类别为B 类，即按9 级采取抗震措施。

1.2 钢箱梁耐久性设计

（1）钢板预处理要求如下：涂料种类由制造厂家自行确定。

（2）钢箱梁外表面采用S05。（3）钢箱梁内表面采用S13。

（4）高栓摩擦面采用S22 涂装体系，无机富锌防滑涂料。待钢梁安装完成后，所有外漏表面均依次涂环氧类封孔剂、环氧云铁中间漆、氟碳面漆。

2 桥梁施工

2.1 钢箱梁制造

（1）钢梁制造按《公路桥涵施工技术规范》（JTG/F 041—2011）执行。

（2）钢箱梁在制造前，制造单位根据该工桥特点，制定专项方案，确定制作工艺流程，经专家论证后方可实施。

（3）焊接工艺的正确选择是保证钢箱梁质量的重要手段，焊接时，不得在构件上任意起弧、打火和锤击，钢梁焊接须持特殊工种操作证，且由经验丰富的焊工操作[1]。

（4）设计图所有标注的尺寸均为体系温度（20 ℃）时的尺寸，工厂下料制造须考虑温差的影响。

（5）主梁钢结构是钢箱梁最重要的板块，须选择专业钢结构加工厂，且必须具有高强螺栓施工经验的加工厂。

（6）工厂要搭建满布胎架，钢结构梁需要在胎架上按工艺要求进行整体组装，并牢固焊接。

（7）主梁支座垫板由工厂机加工，要求顶面与梁底密贴。

对于不合格焊缝进行返修，同时返修次数不得多于2 次。如第二次返修依旧不合格，应立即分析原因，并报送监理单位，由监理工程批准后进行第三次返修。

（8）钢梁预拼装按照施工控制确定的预拼线形组拼，且预拼装构件不得少于5个标准梁段。各个构件需单层存放，确定存放支点位置，使各个支点受力均匀，不得存在不平稳状态。存放地面应坚固，不得将构件存放至沉降不均匀地面，同时构件距离地面不得小于150 mm。

2.2 交通疏导

2.2.1 第一阶段交通疏导方案

（1）在K2012+420、K2013+060 上游2 000 m 波形护栏外设置告示牌：1900×1400 标牌——“前方2 km 施工”。

（2）在K2012+420、K2013+060 上游250 m 波形护栏外设置告示牌：1900×1400 标牌——“前方施工，注意安全”及“向左改道”。

昆明至曲靖方向交通疏导方案：

（1）在K2012+420、K2013+060 下游2 000 m 波形护栏外设置告示牌：1900×1400 标牌——“前方2 km施工”。

（2）在K2012+420、K2013+060 下游右转匝道入口设置告示牌：1900×1400 标牌——“前方施工，注意安全”及“向右改道”。

2.2.2 第二阶段交通疏导方案

昆明至曲靖方向交通疏导方案：

（1）在K2012+420、K2013+060 下游2 000 m 波形护栏外设置告示牌：1900×1400 标牌——“前方2 km 施工”。

（2）在K2012+420、K2013+060 下游右转匝道入口设置告示牌：1900×1400 标牌——“前方施工，注意安全”及“向右改道”。

曲靖至昆明方向交通疏导方案：

（1）在K2012+420、K2013+060 恢复原道路行驶。

（2）宣威至曲靖方向B 匝道封闭施工。

2.3 钢箱梁吊装

2.3.1 G、H 匝道安装

（1）首先对两条匝道临时支架基础顶标高进行测量，根据现场测量数据确定临时支架、防护棚、调节墩加工长度，使用汽车吊对临时支架、防护棚、分配梁及调节墩进行制作安装，如吊车宽度（根据选用吨位确定）受限，则可以向中央绿化带范围延伸，保证起吊范围。

（2）复核临时支架位置、标高，确保数据准确无误后进行A 节段吊装，A 节段是整体节段，外形规格为（mm）：2 900×10 500。

（3）B 节段吊装，先吊装左侧钢箱梁，再吊装中间平联，然后吊装右侧钢箱梁，吊装时在纵向对接缝处均使用码板按1 500 mm 间距对箱体进行连接固定。桥位复核无误后，对接环口用临时码板焊接固定，最后对两侧挑臂进行吊装。

（4）依次安装C、D 段。

（5）安装E、F 段。E、F 节段为跨高速节段，每次吊装时间仅有2 h，吊装时间较短，施工难度大，钢箱梁的运输、吊车等应紧密配合。吊装E 节段时确保昆曲高速昆明方向封闭，将吊车放置在左侧吊装左侧钢箱梁，当吊装右侧钢箱梁时，将吊车放置在右侧吊装。每次摆放吊车及收吊车时间约0.5 h，吊装时间为1 h，共计2 h。F 节段吊装方法与E 节段吊装方法一致。

（6）最后进行G、H 节段吊装。为保证箱梁能准确就位，H 节段设置为合拢段，合拢段加工时长度加长60 mm，根据现场实际测量长度在工厂进行切割，切割完成后运至桥址进行吊装，箱梁吊装完成。

（7）复核箱梁整体线型，拆除临时支架。

2.3.2 主线LZ、LY 吊装

（1）首先对两条主线临时支架基础顶标高进行测量，根据现场测量数据确定临时支架、防护棚、调节墩加工长度，使用汽车吊对临时支架、防护棚、分配梁及调节墩进行制作安装。

（2）封闭昆曲高速昆明方向车道，吊装左幅E 节段第一个箱体，使用吊车将钢箱梁吊装至贝雷梁支架上，调整箱梁位置至设计位置，紧接着吊装箱梁测，侧面的挑臂块体，挑臂与主箱梁对接缝处均使用码板按1 500 mm间距对箱体进行连接固定，收整吊车，恢复高速通车，吊车摆放及收整时间各约0.5 h，吊装时间为2 h，共计3 h。

（3）封闭昆曲高速昆明方向车道，铺设左线E 匝道第三节箱体下部贝雷梁及防护棚，吊装第二、三箱体之间平联，使用码板焊接固定，吊装第三节箱体及挑臂。收整吊车，恢复高速通车，共计封闭时间3 h。

（4）封闭昆曲高速曲靖方向车道，铺设左线C、D节段第一节箱体下部贝雷梁及防护棚，吊装第一节箱体，使用吊车将钢箱梁吊装至贝雷梁支架上，调整箱梁位置至设计位置，紧接着吊装箱梁侧面的挑臂块体，挑臂与主箱梁对接缝处均使用码板按1 500 间距对箱体进行连接固定使用码板焊接固定，吊装第三节箱体。收整吊车，恢复高速通车，共计封闭时间3 h。

（5）封闭昆曲高速曲靖方向车道，铺设左线C、D节段第二节箱体下部贝雷梁及防护棚，吊装第一、二箱体之间平联，使用码板焊接固定，吊装第二节箱体。收整吊车，恢复高速通车，共计封闭时间3 h。

（6）封闭昆曲高速昆明方向车道，铺设左线C、D节段第三节箱体下部贝雷梁及防护棚，吊装第二、三箱体之间平联，使用码板焊接固定，吊装第三节箱体及挑臂。收整吊车，恢复高速通车，共计封闭时间2 h。左线跨高速段吊装完毕，右线跨高速吊装次序与左线相同。

（7）最后进行A、B 节段吊装。为保证箱梁能准确就位，A 节段设置为合拢段，合拢段加工时长度加长60 mm，根据现场实际测量长度在工厂进行切割，切割完成后运至桥址进行吊装，箱梁吊装完成。

（8）复核箱梁整体线型，拆除临时支架。

2.3.3 临时支架结构

临时支架结构为缀条格构柱结构，立柱采用φ325×8 mm 钢管，连接系使用14#槽钢，分配梁为H440×300H型钢，临时支架所有连接处均采用焊接[2]。

2.4 临时支架设计及验算

2.4.1 临时支架计算

（1）受力分析。钢箱梁吊装时按最不利工况考虑，吊装时桥墩不受力，所有重量都加载在临时支架上。相邻两个节段落在一组支架分配梁上，根据支架组合结构形式，最不利受力工况有两种，G 匝道和H 匝道支架结构形式类似，最不利工况为吊装G 匝道D 节段，此时D节段梁段合计重约121 t，单个支架平均受力60.5 t。主线桥最不利工况为吊装右幅Ⅰ节段，此时Ⅰ节段梁段合计重量约165 t，单个支架平均受力55 t。为简化计算，以匝道两个支架组合、吊装梁段重量121 t、最大支架高度15.5 m 进行受力计算分析。

（2）模型说明。采用Midas Civil 2012 建模，各杆件采用空间梁单元模拟。材料采用Q235 钢材，支架材质为Q235 钢材，弹性模量E（2.06×105MPa），容重r（78.5 kN/m3），Q235 钢材屈服强度值为215 MPa，根据相关规范，钢材的抗力分项系数取1.25，Q235 钢材容许正应力[σ]=（215 MPa/1.25）=172 MPa，取5 的整数倍为170 MPa。

（3）模型加载。根据支架的支承条件，钢箱梁重量采用节点集中力模拟，立柱作为自重加载。根据相关规范的要求，自重系数取1.1，吊装动载系数取1.1，不均匀系数取1.2。G、H 匝道最不利的工况时，梁段重120 t，梁段布置在8 根调节短管上。假设每根调节短管均匀受力，支架系统按集中载荷进行受力分析。吊装时单个梁段：G=1.1×1.2×120×10=1 584 kN。单个支点受力F=1 584/8=198 kN，考虑到吊具和临时设备荷载，计算时按200 kN加载，支架系统受力如图1 所示。

图1 支架系统强度图

（4）支架系统受力分析：

1）强度验算。经计算分析，本支架在此受力工况下支架系统最大应力为32.5 MPa ＜170 MPa，支架强度满足要求。

2）刚度验算。考虑吊装过程中竖向荷载组合，支架最大变形位于分配梁中间，最大竖向变形为2.1 mm。支架分配梁挠度容许值νr=3 500 mm/400=8.75 mm（3 500 mm 为分配梁两支点最大跨度）。支架刚度满足要求。

3）定性验算。通过软件计算分析最大支点反力为220 kN。如图2 所示。

支架系统的最大支点反力为220 kN，缀条格构柱横撑最大间距为2 000 mm，即200 cm，φ325×8 mm 钢管的回转半径为11.211 cm，型钢立柱长细比为200/11.211=17.8。

查钢结构设计规范，得钢管柱的稳定性系数φt=0.985，钢管柱最大压应力：

式中，Nt——压杆支点反力（N）；At——压杆受力面积单位（mm2）。35.7 MPa ＜170 MPa，满足稳定性安全要求。

（5）计算结论。Midas Civil 2012 仿真计算表明，结构自重+吊装荷载作用下：

支架系统最大应力为32.5 MPa，支架强度满足要求。

荷载作用下支架最大变形为2.1 mm，刚度满足施工荷载的需求。

2.4.2 支架基础验算

根据支架计算结果，支架立柱最大反力220 kN，支架混凝土基础与地面接触面积S=2.9*2.9=8.41 m2，单个混凝土基础最大支架反力F=220*2=440 kN，支架范围地基承载力为0.16 MPa，即地基承载力＞0.16 MPa。地基处理完成后应进行钎探试验检测地基承载力。

3 结语

云南曲靖三宝至昆明清水高速公路工程项目的顺利竣工，实现又一重要工程节点，为项目全线贯通提供有力保障。建成后，将大大缩短云南曲靖至昆明两个城市之间时空距离，有利于进一步推国家发展战略和云南省内经济发展和建设，具有完善云南省内运输网络，促进沿线地区经济和社会发展的重大意义。