下承式拱桥钢箱梁吊装施工控制技术
2023-12-10 20:05:00蒙宇绍
西部交通科技 2023年9期
作者简介：蒙宇绍（1980—），高级工程师，研究方向：公路桥梁、隧道施工技术。
摘要：为探究钢箱梁吊装施工问题，文章以某下承式钢箱梁拱桥为研究背景，分析了施工过程中的重难点，提出了合理的施工流程和关键施工步骤，确保施工过程中的安全、质量和效率，并对施工过程中出现的各种最不利荷载工况进行结构计算，确保各组成构件在施工过程中的强度、刚度及稳定性符合要求。研究表明，所提出的“先梁后拱”施工原则符合当前项目条件，同时也满足安全、经济、高效的施工要求。
关键词：下承式拱桥；钢箱梁吊装；先梁后拱；结构安全验算
中图分类号：U448.22
0 引言
下承式拱桥由于造型优美等特点常常用于市政桥梁中，而下承式拱桥［1］的施工技术问题是影响施工工期的主要问题。在施工前不仅要通过有限元模型［2］、BIM技术等对施工过程及受力情况进行分析，还要对施工质量进行安全控制［3-4］。钢箱梁桥面宽［5］，为扁平结构［6］，也常常用于市政桥梁中。钢箱梁的施工吊装［7-8］及测控问题也是制约施工安全、质量和工期的主要问题［9］。
基于上述研究，本文以浙江某市政下承式拱桥的钢箱梁吊装为背景，探究钢箱梁吊装施工关键问题以及安全、质量等控制问题。
1 工程概况及重难点分析
1.1 工程概况
以浙江某市政下承式拱桥的钢箱梁吊装为研究背景，该桥为1×78 m下承式钢箱拱桥，桥跨布置为 （1×78）m，主梁采用单箱七室断面，桥面全宽37.5 m。桥型布置见图1：
该桥吊杆采用挤压锚固钢绞线索体系，吊杆型号采用GJ15-9类型，索体标准强度fpk=1 860 MPa，其中吊杆的弹模E=1.9×105N/mm2，计算截面面积为12.6 cm2。吊桿通过锚杯将组成吊杆的各个预应力钢绞线进行整体挤压和张拉。结合现场施工情况，采用一端张拉的方式以便于现场张拉施工，吊杆的张拉端设置在桥面主梁处，而主拱拱肋一端为锚固固定端，可以方便张拉设备的使用。此外，吊杆为细长索结构，在使用营运过程中，受风荷载、汽车荷载、雨水温湿度等的影响，可能会产生多次振动和锈蚀。因此，为了充分考虑到吊杆在使用过程中可能出现的振动疲劳问题、锈蚀引起的吊杆替换问题，要求吊杆在设计时吊杆轴力的冗余系数≥2.5。
1.2 施工重难点分析
1.2.1 桥面主梁以及主拱拱肋
本工程现场安装施工内容主要为钢箱梁结构和拱肋结构的安装施工，计划按照先梁后拱的总体施工方案进行施工作业。该桥桥面主梁采用钢箱梁结构，桥面宽37.5 m，主跨为78 m，如果采用整体吊装施工技术，其作业难度非常大。因此，需要将桥梁钢箱梁以及主拱拱肋进行节段划分。若节段划分过小，将增加吊装施工工期，不利于项目施工的经济性和进度把控；节段划分过大，又会影响吊装施工质量，可能使得钢箱梁和主拱拱肋中存在一定的初始应力，增加钢箱梁以及主拱拱肋在营运节段发生失效和开裂的质量风险。因此，桥梁钢箱梁以及主拱拱肋节段划分是下承式拱桥钢箱梁吊装施工过程中的重难点之一。
1.2.2 钢箱梁运输
钢箱梁的运输长度长且跨度大，故钢箱梁的运输也是本工程的重点难点。对该批超长、超宽的钢箱梁构件，计划选用30～32 t半挂平板加长车进行公路运输，并选用拉索加长底板车型运输。运输线路按照中南钢构→党农线→红十五线→信益线→钱陶公路→六一省道→三三省道→古咋线→江北连接线→机场路→东环北路→方欣路→目的地，运输里程约为150 km。
1.2.3 钢箱梁及拱肋结构现场吊装施工
钢箱梁及拱肋结构的吊装安装也是本工程的重点及难点。钢箱梁现场安装施工时，考虑到大面积的河道范围内无法行驶重型运梁车辆及大吨位汽车吊，故计划利用已安装完成的钢箱梁以及下部临时支撑架结构，在钢箱梁上方行走重型运梁车辆及大吨位汽车吊，该方案需要提请设计单位对下部钢箱梁结构进行应力及变形的验算。
1.2.4 临时脚手架及支撑杆件拆除工作
据前述可知，桥梁钢箱梁的吊装施工过程中，会使用一定数量的临时脚手架以及支撑杆件，施工完成后，要对这些临时脚手架以及支撑杆件进行拆除。为了确保钢箱梁质量问题和临时周转性脚手架以及支撑杆件拆除工作的安全性，要探究以下问题：
（1）何时对临时脚手架以及支撑杆件进行拆除才能确保钢箱梁质量；
（2）临时脚手架以及支撑杆件的拆除顺序是怎样的。
针对上述临时脚手架以及支撑杆件拆除施工，要通过有限元软件进行仿真数值模拟，计算和验算临时脚手架以及支撑杆件在拆除施工过程中各个构件、杆件的受力状态，并在临时脚手架以及支撑杆件拆除现场随时随地监测和测量各个杆件和构件的变形及受力情况，确保临时脚手架以及支撑杆件拆除工作顺利有序地进行。
2 吊装施工流程及步骤
2.1 施工流程（图2）
考虑本桥暂无通航要求，主桥总体施工方案为先梁后拱，即在主河道范围内完成地基处理后，均匀布置一定间距的格构式支撑胎架，并在其顶部设置主梁拼装平台。同时进行吊杆的安装、索力张拉、吊杆索力调整以及桥梁主梁和主拱线形的控制，并在上述工作全部完成后，逐步按支架拆除计划进行支架的拆除和监测工作。
具体施工组织及关键工程施工方案如下：
（1）进行地基处理及场地平整，做桥梁施工前的准备。
（2）工厂制作钢箱梁节段及钢拱肋节段。
（3）搭设临时支架并预压后，现场节段拼装钢箱梁梁体。
（4）搭設临时支架，吊装并焊接主拱。
（5）配合吊杆安装和初张拉。
（6）施工装饰拱肋部分。
（7）待上述工作全部完成后，逐步按支架拆除计划进行支架的拆除和监测工作，并进行后续收尾工作，主要包括桥面二期铺装、路面标志标线绘制、人行道的防护和车行道防撞栏杆等安装工作。
（8）进行成桥荷载试验，竣工验收，通车运营。
吊装施工流程如图2所示。
2.2 临时支架搭设
2.2.1 钢箱梁临时支撑架系统（图3）
钢箱梁的临时支撑胎架系统采用?359×10 mm钢管立柱，材质为Q345B，顶部分配梁采用双拼HM600×250×14×20，分配梁之间设置HM94×150×6×9次梁；横撑、斜撑采用16#槽钢，材质均为Q235B。支撑胎架底部铺设钢制路基板，路基板下方为换填处理过的地基。经承载力试验得知，该换填地基土承载力约为300 kPa/m2，
可以满足支撑胎架设置及受力要求。
节点说明：钢箱梁临时格构式支撑架的高度均在2.4 m左右。支撑胎架主梁与钢管立柱采用≥10 mm的角焊缝焊接，并在钢管立柱柱身处焊接10 mm×300 mm×200 mm耳板。水平支撑及斜支撑槽钢采用4颗M20的10.9 s高强螺栓与钢管立柱柱身的耳板连接。格构式支撑架的钢管立柱与下方路基箱之间通过6 mm角焊缝围焊焊接。格构式支撑胎架需经过深化设计后，方可加工制作。
2.2.2 拱肋结构临时支撑系统（下页图4）
拱肋结构的临时支撑胎架系统采用?359×10钢管立柱，材质为Q345B；顶部胎架梁采用HM600×250×14×20型钢梁；横撑和斜撑采用16#槽钢，材质均为Q235B。为保证支撑胎架系统的稳定性，支撑胎架底部的钢管立柱与下方的钢箱梁焊接固定，并在临时支撑架之间设置了16#槽钢斜撑，使临时支撑架形成稳定的整体。
节点说明：钢拱肋格构式支撑架的高度在6.4～12.3 m左右，支撑胎架的主梁与钢管立柱采用≥10 mm的角焊缝焊接，并在钢管立柱柱身处焊接10 mm×300 mm×200 mm耳板，水平支撑及斜支撑槽钢采用4颗M20的10.9 s高强螺栓与钢管立柱柱身耳板连接。格构式支撑胎架需经深化设计后，方可加工制作。
2.2.3 临时支撑架验收
（1）临时支撑架搭设及主体结构施工过程中，项目部应根据方案要求进行技术交底，安排专人进行巡视检查，并对施工过程中出现的不符合设计文件以及相关行业规定和规范中的技术参数要求的问题，应通知相关责任人及时整改，并做好整改记录，从而确保项目施工过程中的质量。
（2）搭设完成的临时支撑架应首先由项目部自行组织验收，需要整改的，及时组织整改。
（3）临时支撑架搭设完成后，必须会同总包和监理单位进行验收，并悬挂明显的状态标识牌（合格、不合格、待验收等）。
2.3 关键步骤
钢箱梁吊装施工中的主要关键步骤如下：
2.3.1 支架预压并吊装钢箱梁
临时支撑架搭设施工完成后，选择中部最不利的一排临时支撑架，按1.2倍设计承载力进行支架顶部预压加载试验。加载试验注意观测支架的变形及沉降情况，确保支撑系统的稳定后，逐段吊装钢箱梁，见图5。
2.3.2 拱肋架设
待钢箱梁全部安装焊接完成，搭设临时支撑架，采用220 t汽车吊开始对称安装拱肋，见图6。
2.3.3 安装并张拉吊杆
采用70 t汽车吊根据设计要求依次开始安装并张拉吊杆，见图7。
2.3.4 拆除临时支架并装饰
按照从中间向两边的顺序，依次对称拆除卸载拱肋下方的临时支撑胎架系统。顺序安装装饰架结构，直至钢结构安装施工完成，见图8。
3 吊装工况安全验算
3.1 工况分析
3.1.1 钢箱梁吊装工况计算（图9）
钢箱梁吊装工作均采用就近吊装施工的原则。钢箱梁吊装单元的最大外形尺寸为长13.8 m×宽4.6 m×高2.5 m，重量约为54.6 t。
SAC2200型220 t汽车吊选用主臂长度30.5 m，作业半径为10 m以内，额定起重量为65 t，可吊装高度为28.8 m，吊机单机负载率为84%，可以满足钢箱梁分段单元吊装施工要求。
3.1.2 拱肋结构吊装工况分析
拱肋结构单元均采用就近吊装施工的原则。拱肋吊装单元的最大外形尺寸为长12.4 m×宽1.8 m×高1.9 m，重量约为27.4 t，安装净高约为15.3 m。SAC2200型220 t汽车吊选用的主臂长度为30.5 m，作业半径在12 m以内，额定起重量为56 t，可吊装的高度为28.0 m，吊机单机的负载率为49%，可以满足拱肋分段单元吊装施工要求，见图10。
3.2 钢结构吊装索具计算
钢箱梁吊装时设4根钢丝绳吊索，吊装角度按60°计算，则每根钢丝绳受力为：
式中：
［Fg］——钢丝绳的容许拉力（kN）；
Fg——钢丝绳的钢丝破断拉力总和，无表查时可近似按Fg=0.5×d2计算;
d——钢丝绳直径；
α——换算系数，6×37钢丝绳，取0.82 ；
K——钢丝绳的安全系数，取6。
则选用直径为?52 mm的压制钢丝绳，可以满足吊装要求。
4 吊装施工安全措施
为确保钢箱梁吊装施工过程中的安全，需明确相应的安全措施：
（1）吊耳处根据受力大小进行内部加固；
（2）吊耳设计图：
（3）若采用吊车溜尾，需要移位时，设备尾部根据刚度情况决定是否加固并在吊车换位时落在搭好的道木上；
（4）吊裝时吊车支腿派专人监护。
5 结语
本文主要结论如下：
（1）对于下承式拱桥钢箱梁的吊装施工，在施工前要明确施工过程中的重点和难点，防止在施工过程中出现安全和延误工期等问题。
（2）施工前制定合理的施工流程、施工方法及施工步骤，是保证施工安全、质量与高效的关键措施。
（3）要对施工过程中出现的各种最不利荷载工况进行结构计算，确保各组成构件在施工过程中的强度、刚度及稳定性符合要求。
参考文献
［1］徐锦良.下承式尼尔森体系钢管混凝土拱桥施工安装技术［J］.黑龙江交通科技，2021，44（9）：115，117.
［2］周广腾.下承式钢箱拱桥缆索吊装施工过程有限元分析［J］.安徽建筑，2021，28（9）：203-205.
［3］马增权，余永亮，庄宏飞，等.大跨度中承式钢箱系杆拱桥施工技术［J］.科学技术创新，2021（24）：156-158.
［4］程 涛.下承式单索面钢管桁架梁拱组合桥施工控制关键问题研究［D］.兰州：兰州交通大学，2021.
［5］岳粹歌.城市高架桥钢箱梁吊装施工技术分析［J］.工程与建设，2021，35（4）：805-807.
［6］尹 涛.大跨度钢箱梁跨高速公路分段吊装施工技术［J］.交通世界，2021（15）：27-28.
［7］李 江.城市跨线立交桥钢箱梁施工技术［J］.工程建设，2021，53（5）：54-59.
［8］曹 勇.浅析钢箱梁施工中的吊装及测控技术［J］.四川水泥，2021（5）：204-205.
［9］孔庆东.城市钢结构桥梁吊装施工研究［J］.四川水泥，2021（5）：271-272.
收稿日期：2023-04-08