少支架非对称分段吊装工艺在钢结构拱桥施工中的应用

朱铭，吴艳

（1.江苏华源电力工程有限公司，江苏 靖江 214500；2.靖江市城市建设投资发展（集团）有限公司，江苏 靖江 214500）

1 引言

钢结构拱桥以其优美、轻盈的造型及较大的跨越能力，越来越多地应用在城市内河桥梁中，成为城市的一张靓丽名片。钢结构拱桥常用现场安装工艺有桥位拼装、浮托顶推、浮吊整体吊装等，但每种安装工艺又有着各自的特点和适用条件。 如何根据现场环境条件，选择最优安装工艺，以达到技术可行、经济合理的目标。 本文以在建芜申线宗村大桥为工程背景，对少支架非对称分段吊装工艺进行研究。

2 工程概况

宗村大桥位于芜申线江苏省常州市溧阳城区段， 为90 m下承式钢箱提篮拱桥，计算跨径88 m，总重1 600 t。 主桥铅直面内投影矢高17.6 m（斜平面内17.871 m），矢跨比1/5，拱轴线线型为二次抛物线。拱肋为提篮拱形式，拱肋向内倾10°。拱肋中心横向距离在拱顶处距离为12.95 m，拱脚处中心距离为19.156 m（见图1）。

图1 宗村大桥现场吊装图

拱肋采用全焊钢箱结构， 矩形截面， 共设两片拱肋，高1.8 m， 宽1.565 m。 主桥系杆采用全焊平行四边形截面，高2.25 m，宽1.565 m。

主桥主体结构除拱肋底板及系杆顶板板材采用Q345DZ25 钢外，其余拱肋、系杆、横梁板材均采用Q345qD钢，主桥采用球形钢支座，下部结构采用分离式钢筋混凝土柱式桥墩，钻孔灌注摩擦桩基础。

芜申运河船舶交通繁忙，因不能满足日益增长的航运需求，目前由Ⅴ级航道（通航孔38 m 宽×5 m 高，实际运河宽50 m）单边拓宽升级为Ⅲ级航道（通航孔60 m 宽×7 m 高，实际运河宽70 m），现场不具备设置水中墩及长时间封航的条件。

3 现场安装方案的拟定

目前，国内上跨运河的主桥钢结构现场安装常用方式有：（1）河中打设支架，浮吊桥位吊装；（2）浮托顶推；（3）浮吊整体吊装。 第一种方式需侵占现有航道，对船只通行干扰较大；第二种方式需占用引桥场地进行主桥拼装， 影响引桥正常施工工期，且该方案安全风险较高；第三种方式受内河浮吊起重能力及河道宽度限制，无法采用多台浮吊抬吊的工艺（主桥钢结构总重量达1 600 t，目前内河最大浮吊为610 t，航道改造后为70 m 宽，仅能满足单台610 t 浮吊转体）[1]。

结合现场场地条件，通过对多方案进行技术经济比较，并与航道管理部门充分沟通后， 决定宗村大桥主桥钢结构采用少支架非对称分段吊装方案。 采用该方案优点为：（1）河中不打设支架，不影响航道船只正常通行；（2）大节段浮吊整体吊装工艺成熟、风险可控，仅需临时封闭航道；（3）不占用引桥施工区域，节约整体工期。

4 现场施工部署

本桥采用少支架非对称分段吊装方案， 即仅在南岸主墩与南岸驳岸之间、北岸老驳岸位置、北岸主墩位置搭设少量钢管支架。 具体施工步骤如下。

第一步：将主桥系梁分为4 个吊装区段，分别为南岸主墩段7.25 m（南岸主墩至南岸老驳岸边）、运河上部段52.5 m（约360 t）、北岸陆上段23 m（现有北岸驳岸至北岸主墩段）、北岸拱脚段7.25 m。 安装时首先安装主墩拱脚段及北岸陆上段，水中区域桥面系（主系梁、中横梁、小纵梁）在河道北岸场地上拼装成整体后，采用单台610 t 浮吊吊送至桥位位置定位。

第二步：安装拱肋下部临时支架及北岸陆地区域拱肋节段。

第三步：水中区域拱肋体系（约310 t）在拼装场地上将其拼装成整体，采用单台610 t 浮吊将其安装到位。

5 施工全过程结构分析

5.1 材料特性和强度值

主桥采用Q345qD 钢，ϕ800mm×8mm 钢管立柱、ϕ600mm×6 mm 钢管立柱、[16b 槽钢水平杆和斜杆、2 拼I56b 纵向分配梁、4 拼I56b 横向分配梁等组成的格构钢管支架，其材料均采用Q235 钢[2]。 Q345、Q235 钢材材料特性值见表1。

表1 Q345、Q235 钢材材料特性

5.2 施工阶段模拟

本文采用桥梁结构有限元专用分析软件Midas Civil 2021进行拱桥吊装施工全过程的结构分析。 拱肋、横撑、桥面纵横梁体系等均采用梁单元模拟[3]。桥位吊装从拱脚、系梁、桥面纵横梁体系、挑臂块体直至拱肋吊装就位。 图2 为系梁、纵横梁体系、挑臂块体及拱脚安装完成模型图，图3 为陆地区域拱肋吊装完成模型图，图4 为水中区域拱肋吊装完成模型图。

图2 CS1 施工阶段（系梁、纵横梁体系、挑臂块体及拱脚安装完成）

图3 CS2 施工阶段（陆地区域拱肋吊装完成）

图4 CS3 施工阶段（水中区域拱肋吊装完成）

5.3 计算结果及分析

主桥在各施工阶段产生的最大竖向变形、抗弯强度、抗剪强度见表2[4]。 桥位支架在各施工阶段产生的反力值、抗弯强度、抗剪强度、稳定强度见表3。

表2 主桥计算结果汇总

表3 桥位支架计算结果汇总

计算结果表明，拱肋及桥面系各构件在CS1～CS3 工况下的抗弯、抗剪强度、变形均满足规范要求；桥位支架在CS1～CS3吊装荷载作用下的各构件抗弯、抗剪强度、变形、长细比、构件屈曲稳定、结构整体稳定均满足规范要求；拱肋拼装支架在拱肋节段荷载作用下的各构件抗弯、抗剪强度、变形、长细比、构件屈曲稳定均满足规范要求。

6 结语

目前， 国内外对钢结构拱桥安装已积累了许多成熟的经验，形成了相关规范及文献，然而少支架非对称分段吊装在国内尚处于探索阶段。 本文结合芜申线宗村大桥现场安装方案，对少支架非对称分段吊装工艺进行了研究探讨， 并运用有限元数值模拟方法对主桥结构及桥位支架的强度、刚度、稳定性进行计算分析， 以检验安装工艺和临时支架参数选取的合理性，同时也为类似钢结构拱桥的安装积累经验。

通过数值模拟分析可知， 此桥采用少支架非对称分段吊装工艺在理论上是可行的，但由于采用非对称安装，如何在拱桥安装过程中保证成桥线形成为此安装工艺成败的关键。 例如：桥面系主梁大节段作为简支梁计算时（即两端铰接），其跨中下挠为9.2 mm，但作为连续梁计算时（即两端刚接），其最大下挠为4.3 mm，实际施工采用码板连接（即非刚性连接），桥面系主梁大节段在工厂加工制造时按照中间值6.5 mm 设置预拱度。 通过对成桥后线形进行观测，全桥整体线型良好，达到设计对线型的要求。

然而， 钢结构拱桥采用少支架非对称分段吊装工艺在实际施工中尚存在许多技术问题有待进一步研究， 如大节段拱肋拼装精度控制技术、 大跨度钢箱提篮拱施工线形监控量测技术、空间异形钢结构定位拼接技术等。