鋼箱梁吊裝施工及梁塊運輸、吊裝變形驗算

李相周，李晶晶

（湖北富昊工程項目管理咨詢有限公司，湖北武漢 430000）

鋼箱梁吊裝施工及梁塊運輸、吊裝變形驗算

李相周，李晶晶

（湖北富昊工程項目管理咨詢有限公司，湖北武漢 430000）

以某跨河連續梁橋為研究背景，介紹了鋼箱梁吊裝施工方案及流程；利用ABAQUS軟件對鋼箱梁梁塊運輸、吊裝過程中的應力和變形進行有限元分析，結果表明鋼箱梁應力和變形均滿足規范要求，利用有限元軟件驗算結果可為鋼箱梁安全施工提供理論保障。

橋梁；鋼箱梁；吊裝施工；有限元分析；變形驗算

隨著基礎設施建設的加快和施工技術的提高，鋼箱梁以其自重輕、經濟、架設方便等優點在大型橋梁建設中得到廣泛應用。鋼箱梁一般由頂板、底板、腹板、橫隔板、縱隔板及加勁肋等通過全焊接的方式連接而成，其吊裝施工是一個復雜的過程，施工中必須確保安全。該文以杭州市化工路跨余杭塘河橋梁為例，運用ABAQUS有限元軟件建立有限元模型，對鋼箱梁梁塊運輸、吊裝過程進行受力分析，為鋼箱梁吊裝施工提供參考。

1 工程概況

該跨河連續梁橋位于杭州市化工路和隱秀路交叉口南側，與余杭塘河斜交，右偏角度為80°。該橋平面位于半徑為326.1 m的圓曲線和緩和曲線上，同時位于半徑為1 833 m的豎曲線上，中跨跨越余杭塘河，南北走向，線路中心與河道斜交角度為右偏80°。起點樁號為K3+242.500（北端），終點樁號為K3+325.500（南端），中心樁號為K3+271.500。橋梁總長108 m，寬度30.7 m，局部變寬。

主橋采用等截面連續鋼箱梁結構，全橋配跨為（25+58+25）m。主橋采用等截面全焊鋼箱梁結構，單箱十室。道路中心線處梁高為1.9 m，寬度為30.7 m，頂板設置1.5%單項橫坡，底板與頂板平行，頂板厚度為18mm，中墩位置頂板變厚設計為20 mm，底板鋼板厚度為18 mm，挑臂斜底板和挑臂裝飾板均設計為12mm鋼板，鋼板材質為Q345qC。橫隔板均按徑向布置，在道路中心線處間距為3 m，支座中心線處橫隔板厚度為20 mm，其余橫隔板厚度為14 mm，腹板厚度為14 mm。全橋共設置普通橫隔板38道，4道橫梁，9種形式；縱隔板（腹板）11道。圖1為鋼箱梁標準橫斷面。

圖1 鋼箱梁標準橫斷面（單位：mm）

2 鋼箱梁吊裝施工

2.1 吊裝方案

該橋鋼構件超長超寬，重量大，運輸線路長，數量多，運輸、吊裝需歷時10 d，在構件運輸、吊裝過程中不能出現一點差錯。主橋上部鋼箱梁在工廠制作，通過汽車運輸到橋位進行安裝。

鋼箱梁總的吊裝施工方案如下：采用汽車吊+浮吊，以浮吊為主吊設備；晚上運輸，白天吊裝。鋼箱梁采用支架法安裝。鋼箱梁縱向（順橋向，由大樁號側起）分為A、B、C、D、E 5段，橫向分為20個吊裝塊，其中A段設計為1個橫向吊裝塊，B段分為B-1～B-6 6個分塊，C段分為C-1～C-6 6個分塊，D段分為D-1～D-6 6個分塊，E段設計為1個橫向吊裝塊。全橋共計20吊，分段、分塊均以底板投影面尺寸劃分。該橋與余杭塘河河道斜交，加上航道部門要求施工必須留出通航尺寸（22 m），不允許在河道內設置臨時支架，故分段較長，增大了安裝難度。結合現場情況，鋼箱梁吊裝采用一臺160 t浮吊（銘鑫浮吊6）作為主吊設備，350 t汽車吊作為輔吊設備。

2.2 鋼箱梁吊裝施工流程

該橋鋼箱梁中跨跨越余杭塘河，橋梁線形平縱均為曲線，橋面較寬（30.7 m），橫斷面為等截面扁平

正交異性全焊鋼箱梁，主橋與河道斜交，給鋼箱梁制造和安裝帶來困難。按照公路鋼箱梁一般制造方法，結合現場河道橋位安裝環境，同時滿足吊裝要求，把鋼箱梁按照縱向（順橋向）分段、橫向分塊的原則在預制場內整胎正裝制作，即在胎架上組拼、焊接和預拼裝一次性完成，然后分段、分塊脫胎運至現場進行吊裝。因該工程為新建，施工范圍內無交通影響，故安排晚上運輸、白天吊裝，保障施工安全。

根據浮吊大節段吊裝方案，首跨梁段施工時，直接利用浮吊吊裝至墩頂臨時支座上方，并精確控制位置；中跨及尾跨梁段施工時，一端利用梁端臨時牛腿掛設于已架梁段懸臂端，另一端支撐于墩頂臨時支座上方。相鄰節段之間鋼箱梁完成焊接連接后再進行下一跨梁段施工。大節段鋼箱梁吊裝見圖2。

鋼箱梁基本安裝順序是由主橋兩端向中間安裝，并從3號橋臺（學院路側）開始安裝，每一段由橋梁外弧向內弧依次安裝，即A→B→C←D←E，先安裝橋梁兩端A、E兩個橫向塊，再安裝B、D縱向吊裝塊，最后安裝合龍段C。

圖2 鋼箱梁吊裝示意圖

鋼箱梁分段依據設計圖紙、規范、公路運輸要求并結合橋位吊裝要求，以底板尺寸為標準，頂底板、腹板焊縫錯開間距滿足設計要求即≥50 cm；全橋共劃分為2個橫向段（A、E）、3個縱向段（B、C、D），共計20吊（見圖3）。

圖3 鋼箱梁底板分段、分塊示意圖（單位：mm）

在運輸吊裝前對鋼箱梁進行質量檢查，檢查內容和方法見表1。

表1 鋼箱梁檢查內容

箱梁吊裝施工中，橋面吊機在船上或附近碼頭拼好后用浮吊直接吊至橋面進行安裝。安裝調試完畢后即可在橋塔主跨側進行梁段懸拼施工。同塔的2臺橋面吊機同時起吊鋼箱梁，從主墩開始，起吊鋼箱梁段就位，調整梁段的斜率，與前一梁段進行臨時連接，精確控制相鄰梁段間縫寬接近于設計值，完成箱梁全部截面的焊接，第一次張開拉索；橋面吊機移去前面位置，第二次張開拉索，起吊下一段鋼箱梁段，完成臨時連接。依次循環完成標準梁段安裝。

3 鋼箱梁梁塊運輸、吊裝變形驗算

取最長的C2塊鋼箱梁進行變形驗算，驗算內容包括運輸過程中的變形及鋼箱梁吊裝過程中的變形。C2塊鋼箱梁長39.2 m，寬5 m，重量117 t。通過ABAQUS有限元建模進行驗算，考慮到鋼箱梁在施工階段采用懸臂拼裝的特點，鋼箱梁段間焊縫連接處的邊界條件用全固結模擬，另一端部位移邊界條件為全自由，即將梁段考慮為單懸臂構件。

3.1 鋼箱梁運輸過程中變形驗算

為了提高求解精度，采用ABAQUS殼單元進行建模。鋼箱梁彈性模量取206 GPa，泊松比取0.3。有限元計算模型長39.2 m，寬5 m（見圖4）。

圖4 C2塊運輸有限元模型

鋼箱梁采用運梁車運輸，運梁車由車頭及托盤組成。鋼箱梁出廠時將運梁車上托盤與鋼箱梁進行焊接固定，模擬時對鋼箱梁底部靠邊側2 m處（0.15 m×5 m=0.75 m2）范圍進行縱向、橫向、豎向三向約束。

運輸過程中鋼箱梁主要承受自重荷載，考慮到豎直方向可能出現的沖擊情況，取1.3荷載沖擊系數，計算運輸重量G=1.3×117×9.8=1 490.6 k N。驗算結果見圖5～7。

由圖5～7可知：在運輸過程中，鋼箱梁最大應力出現在運梁車托盤與箱梁接觸部位，最大壓應力為114.2 MPa＜200 MPa容許值，符合規范要求；最大變形出現在跨中腹板缺失處（另一側有腹板處變形較小），最大變形量為14.3 mm＜35 200／500= 70.2 mm，滿足規范要求。

圖5 鋼箱梁運輸中Mises應力云圖（單位：Pa）

圖6 鋼箱梁運輸中最大Mises應力部位（單位：Pa）

圖7 鋼箱梁運輸中位移云圖（單位：m）

3.2 鋼箱梁吊裝過程中變形驗算

取最重塊C2進行吊裝變形驗算。吊裝模型與運輸模型類似，長39.2 m，寬5 m。為了提高求解精度，鋼箱梁采用殼單元模擬，吊耳采用實體單元模擬。鋼箱梁采用8點起吊，吊耳一側布置4只，布置位置為箱梁橫隔板上方，橫向間距為4.6 m，縱向間距為6 m（見圖8、圖9）。

圖8 箱梁吊裝模型

圖9 箱梁吊裝有限元模型

鋼箱梁起吊過程中主要承受自重荷載，考慮到豎直方向出現的沖擊情況，取1.3荷載沖擊系數，計算吊裝重量G=1.3×117×9.8=1 490.6 k N。鋼箱梁采用卸扣扣緊吊耳進行起吊，計算時將吊耳穿孔進行三向約束。驗算結果見圖10、圖11。

圖10 鋼箱梁吊裝中最大Mises應力部位（單位：Pa）

圖11 鋼箱梁吊裝中位移云圖（單位：m）

由圖10、圖11可知：吊裝過程中，鋼箱梁最大應力出現在吊耳下方U形加勁肋與橫隔板交接處，最大拉應力為92.4 MPa＜170 MPa容許值，符合規范要求；最大變形出現在跨中腹板缺失處（另一側有腹板處變形較小），最大變形量為3.7 mm＜23 200／500=46 mm，滿足規范要求。

4 結語

鋼箱梁分塊超長超寬、重量大、運輸路線長，吊裝施工是一個非常復雜的工程，在構件運輸、吊裝、分塊、焊接等施工中必須確保安全。為此，需對大節段鋼箱梁梁塊運輸、吊裝進行有限元數值模擬分析，驗算其應力和變形是否符合規范要求。該文只分析了鋼箱梁梁塊運輸、吊裝過程中的應力和變形，橋面吊機吊裝支承鋼箱梁應力分布情況有待進一步分析。

［1］ JTJ 025-86，公路橋涵鋼結構及木結構設計規范［S］.

［2］ 雷俊卿.橋梁懸臂施工與設計［M］.北京：人民交通出版社，2000.

［3］ 楊文淵，徐犇.橋梁施工工程師手冊［M］.第二版.北京：人民交通出版社，2002.

［4］ 張永濤，周仁忠，高紀兵.崇啟大橋大節段整體吊裝技術研究［J］.公路，2011（10）.

［5］ 鄭浩楠，楊帥，朱曼.連續鋼箱梁橋大節段吊裝關鍵問題分析［J］.交通科學與工程，2015，6（2）.

［6］ 黃莊燈，鄧年春，陳立.橋面吊機吊裝支承鋼箱梁應力分析［J］.廣西工學院學報，2012，23（3）.

［7］ 徐斯林，何超然，彭勇，等.洪都大橋鋼箱梁頂推施工技術［J］.公路與汽運，2010（5）.

U445.4

A

1671-2668（2016）06-0193-04

2016-04-22