大跨鋼箱梁的整體吊裝施工和質(zhì)量控制

許 飛

(太原市市政公用工程質(zhì)量監(jiān)督站，山西 太原 030012)

大跨鋼箱梁的整體吊裝施工和質(zhì)量控制

許 飛

(太原市市政公用工程質(zhì)量監(jiān)督站，山西 太原 030012)

總結(jié)了大跨鋼箱梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，介紹了大跨鋼箱梁吊裝施工中的三個(gè)主要階段，分析了整體吊裝法在施工過程中，通過線形控制和應(yīng)力監(jiān)測來實(shí)現(xiàn)大跨鋼箱梁在安裝過程中的質(zhì)量控制，以滿足工程的精度、安全性和穩(wěn)定性的要求。

鋼箱梁，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，整體吊裝法，線形控制，應(yīng)力監(jiān)測

1 概述

當(dāng)今社會(huì)的道路交通隨著城市一體化的進(jìn)程加快而飛速發(fā)展，大跨徑橋梁作為道路交通的重要組成部分，在人們生活以及社會(huì)發(fā)展中變得越來越重要。隨著科技的發(fā)展，越來越多新穎的不同幾何結(jié)構(gòu)、材料屬性以及截面形式的大跨徑橋梁被廣泛采用[1,2]。鋼箱梁就是其中最典型的一種橋梁結(jié)構(gòu)，鋼箱梁由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)性能、力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)優(yōu)點(diǎn)，在橋梁工程中越來越受到重視。鋼箱梁在橋梁工程中的開始應(yīng)用應(yīng)該追溯到20世紀(jì)50年代，隨著薄壁結(jié)構(gòu)(Thin-walled Structure)在理論模型計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)值仿真模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面取得一系列的快速發(fā)展，并且鋼材在強(qiáng)度剛度穩(wěn)定性方面的重大突破和工程施工技術(shù)與管理的逐漸完善，大跨鋼箱梁在橋梁工程的建設(shè)中得到了極大發(fā)展和廣泛應(yīng)用[3，4]。在近年來我國橋梁建設(shè)中，一大批使用大跨鋼箱梁的結(jié)構(gòu)新穎、吊裝施工復(fù)雜、強(qiáng)度計(jì)算難度高的大跨徑橋梁被建成，如香港后海灣大橋、上海長江隧橋、寧波西堠門大橋、多多羅大橋、蘇通大橋、南京長江三橋和杭州灣跨海大橋等(如圖1所示)。

2 大跨鋼箱梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

鋼箱梁又叫鋼板箱形梁，是跨度較大橋梁常用的主要結(jié)構(gòu)形式。鋼箱梁一般由面板(包括頂板和底板)、隔板(包括橫隔板和縱隔板)、腹板和加強(qiáng)肋等通過全焊接的方式連接而成。其中頂板為由蓋板構(gòu)成的正交異性橋面板。鋼箱梁橋的橋頂板和縱向加強(qiáng)肋一般選用正交異性板，其隔板、腹板、橫向加強(qiáng)肋和底板一般選用薄鋼板，因而具有較大的抗彎剛度和抗扭剛度[2]。薄壁鋼箱梁橋集合了箱形截面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、抗彎剛度大、抗扭剛度大、防銹、設(shè)計(jì)美觀和維修成本低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)薄壁鋼箱梁與傳統(tǒng)裝配式混凝土梁相比，其重量減輕了30%～40%以上，大大減小橋梁下部的載荷[1]，并且與鋼桁架梁相比又節(jié)約了鋼材，降低施工成本。在相同載荷作用下，鋼箱梁與傳統(tǒng)裝配式混凝土梁、鋼桁架梁和鋼工字型梁相比，其能夠承受等量的正彎矩與負(fù)彎矩，因此根據(jù)鋼箱梁能較好發(fā)揮結(jié)構(gòu)的材料性能，尤其可以廣泛應(yīng)用于大跨度連續(xù)橋梁結(jié)構(gòu)的橋梁工程、市政工程等領(lǐng)域[5]，如大跨度箱形梁橋、鋼結(jié)構(gòu)廠房中的箱形吊車梁、高層建筑中的箱形轉(zhuǎn)換梁[4]，表1給出了鋼箱梁和工字型梁的性能指標(biāo)對(duì)比。

表1 鋼箱梁和工字型梁的性能指標(biāo)對(duì)比

鋼箱梁的結(jié)構(gòu)主要有以下特點(diǎn)：

第一，箱形梁具有較大的抗彎和抗扭剛度，如箱形梁相比工字梁來說，兩者受到相同的扭矩作用下的最大剪力τmax分別為：

箱形梁：

(1)

工字梁：

(2)

其中，Mt為扭矩作用力；A為箱形截面面積；hmin為箱形梁最小壁厚；li為工字梁的腹板和翼緣的長度；hi為工字梁的腹板和翼緣的壁厚；hmax為工字梁的最大壁厚。箱形梁截面最大剪應(yīng)力存在于最小壁厚處，而工字梁截面最大剪應(yīng)力存在于厚度最大的長邊上。對(duì)于相同截面面積的箱形梁和工字梁，箱形梁的抗扭強(qiáng)度和剛度是工字梁的50多倍[6，7]。因此，箱形梁比工字梁具有更大的抗扭強(qiáng)度與剛度。

第二，薄壁鋼箱梁與傳統(tǒng)裝配式混凝土梁相比，截面尺寸較小，其重量減輕了30%～40%以上，大大減小橋梁下部的載荷，并且與鋼桁架梁相比又節(jié)約了鋼材，降低施工成本。

第三，鋼箱梁相比于其他截面形狀的梁，擁有包覆性閉合外形，有很好流線外形、美觀和穩(wěn)定性。鋼箱梁防銹能力強(qiáng)，養(yǎng)護(hù)和維修成本較低。

第四，鋼箱梁建造速度快、吊裝效率高。鋼箱梁部件可采用工廠預(yù)制與拼裝、現(xiàn)場吊裝進(jìn)行施工，這使工程施工進(jìn)度得到提升。

3 大跨鋼箱梁的吊裝施工和質(zhì)量控制

3.1大跨鋼箱梁的整體吊裝施工

大跨度鋼箱梁橋的施工方法很多，根據(jù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、施工現(xiàn)場條件以及施工技術(shù)，常見的吊裝方法主要有五種：包括吊裝法(分段和整體吊裝法)、頂推法(分段和整體頂推法)、提升法(分段和整體提升法)、分段拼接法和整體平移法。不同吊裝方法有不同的施工特點(diǎn)、施工流程和施工要求，需要根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境、施工場地、質(zhì)量要求、施工周期和施工成本來綜合決定的。對(duì)于大跨度分段鋼箱梁橋來說，一般采用整體吊裝法。整體吊裝法施工是將整體鋼箱梁劃分為若干個(gè)子段，首先在工廠完成鋼箱梁子段的預(yù)制，將預(yù)制子段在工廠拼接成整體，將拼接好的整體在施工現(xiàn)場通過起吊設(shè)備吊至要求位置。整體吊裝法施工具有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一，整體吊裝法施工靈活，鋼箱梁都是在工廠預(yù)制和拼接完成，不受氣候和外界環(huán)境的影響，可以保證施工周期。整體吊裝可以省去大量搭接腳手架和現(xiàn)場作業(yè)的時(shí)間。第二，整體吊裝法施工效率高，其可以減少傳統(tǒng)分段吊裝的現(xiàn)場拼接時(shí)間，吊裝完成后只需要拼接首尾兩端的鋼箱梁，提高工作效率。第三，整體吊裝法安全性相對(duì)高，拼接完成的鋼箱梁吊裝至要求位置后，只需要在兩端完成拼接，避免大面積的腳手架的搭建，且極大提高安全性。

大跨度鋼箱梁吊裝施工共分為三個(gè)階段：鋼箱梁的制作、拼接和起吊，鋼箱梁的調(diào)位施工和鋼箱梁的支座安裝。

1)鋼箱梁的制作、拼接和起吊。

鋼箱梁的制作和拼接在工廠完成，鋼箱梁子梁是通過將制作好的板、肋和梁焊接在一起，將子梁拼接成整體。然后在施工現(xiàn)場進(jìn)行整體吊裝，在待安裝鋼箱梁接口處設(shè)置牛腿，在已安裝好的鋼箱梁接口處設(shè)置臨時(shí)支座，除首尾鋼箱梁段支撐在兩個(gè)主墩上外，其余鋼箱梁均一端支撐在主墩上，另一端則支撐在已安裝好的鋼箱梁接口處設(shè)置臨時(shí)支座上。以此類推。

2)鋼箱梁的調(diào)位施工。

鋼箱梁的調(diào)位施工主要包含首跨鋼箱梁安裝、中間跨鋼箱梁安裝和尾跨鋼箱梁安裝三個(gè)步驟。首跨鋼箱梁安裝起始兩個(gè)橋墩之間，第一橋墩為過渡墩，第二橋墩為中間墩，通過調(diào)節(jié)橋墩支座與鋼箱梁梁底滑移支座及墊板在水平方向和豎直方向安裝匹配。中間跨鋼箱梁一端安裝在中間墩，另一端通過牛腿與已安裝鋼箱梁臨時(shí)搭接，以此類推安裝。尾跨鋼箱梁安裝與中間跨鋼箱梁的安裝方法相同。

3)鋼箱梁的支座安裝。

鋼箱梁支座安裝分為臨時(shí)調(diào)位支座安裝和永久支座安裝。在安裝過程中使用臨時(shí)調(diào)位支座支撐，當(dāng)鋼箱梁安裝就位且滿足精度和線形要求時(shí)，撤出臨時(shí)調(diào)位支座支撐，將鋼箱梁轉(zhuǎn)換在永久支座，待所有支座轉(zhuǎn)換體系完成后，進(jìn)行永久支座墊石灌漿，墊石灌漿完成后支座安裝完成。

3.2大跨鋼箱梁的質(zhì)量控制

雖然整體吊裝法施工具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是也有很多難點(diǎn)，主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：第一，整體吊裝法施工對(duì)鋼箱梁預(yù)制和拼接精度要求較高。第二，整體吊裝法在現(xiàn)場施工階段的受力復(fù)雜，線形控制難度大，外界環(huán)境(如溫度、濕度和風(fēng)力)對(duì)吊裝影響大。第三，整體吊裝法對(duì)起吊設(shè)備要求高，包括吊裝設(shè)備的精度、穩(wěn)定性都對(duì)工程質(zhì)量產(chǎn)生影響。

必須要滿足工程的精度、安全性和穩(wěn)定性的要求。主要通過線形控制和應(yīng)力監(jiān)測來實(shí)現(xiàn)大跨鋼箱梁在安裝過程中的質(zhì)量控制。為了使鋼箱梁達(dá)到設(shè)計(jì)線形，需要進(jìn)行鋼箱梁端部轉(zhuǎn)角控制、控制鋼箱梁線形制造誤差、考慮溫度、濕度和風(fēng)力對(duì)鋼箱梁吊裝的影響、合理控制支座的偏移值以及控制鋼箱梁安裝后的變形誤差。鋼箱梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力監(jiān)測是大跨鋼箱梁在安裝過程中質(zhì)量控制的主要內(nèi)容之一，它是施工過程的安全預(yù)警系統(tǒng)。應(yīng)力監(jiān)測應(yīng)用于整個(gè)工程階段，需要選取在鋼箱梁、牛腿、支座和橋墩等不同位置處布置應(yīng)力測點(diǎn)，對(duì)于每處的應(yīng)力測點(diǎn)分別布置三個(gè)方向(水平方向、豎直方向、45°方向)的應(yīng)變花，先測量不同位置的初始應(yīng)力值，隨著工程進(jìn)度的不同，測量不同工程進(jìn)度下各應(yīng)力測點(diǎn)的應(yīng)力值，通過一定的理論方法得到各處的應(yīng)變值，保證每個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)變值都在工程許用范圍之內(nèi)，如果超出工程許用范圍，那么需要對(duì)工程進(jìn)度和安裝方式進(jìn)行改進(jìn)以達(dá)到工程許用范圍。

4 結(jié)語

大跨鋼箱梁具有截面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗彎扭剛度高、設(shè)計(jì)美觀和維修成本低等優(yōu)點(diǎn)，在橋梁建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。總結(jié)了大跨鋼箱梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了大跨鋼箱梁吊裝施工中的三個(gè)主要階段。分析了整體吊裝法在施工過程中，通過線形控制和應(yīng)力監(jiān)測來實(shí)現(xiàn)大跨鋼箱梁在安裝過程中的質(zhì)量控制，以滿足工程的精度、安全性和穩(wěn)定性的要求。該研究對(duì)大跨鋼箱梁的施工具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 葉洪波.鋼箱梁計(jì)算分析及經(jīng)濟(jì)比選[J].西南公路,2015(4):137-139.

[2] 方 遠(yuǎn).大跨連續(xù)鋼箱梁橋大節(jié)段吊裝施工控制研究[D].杭州:浙江大學(xué),2014.

[3] RA Khan,TK Datta.Probabilistic risk assessment of fan type cable stayed bridges against earthquake force[J].Journal of Vibration and Control,2010,16(6):779-799.

[4] 陳紹游.大跨度鋼箱梁的制作與分段吊裝技術(shù)研究與應(yīng)用[D].重慶:重慶大學(xué),2005.

[5] 鄭浩楠.鋼箱梁制造與拼接關(guān)鍵技術(shù)問題研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2015.

[6] JR Hutchinson.Shear coefficients for Timoshenko beam theory[J].Journal of Applied Mechanics,2001,68(1):87-92.

[7] Hutchinson JR.On Timoshenko beams of rectangular cross-section[J].Journal of Applied Mechanics,2004,71(3):359-367.

Overallliftingconstructionandqualitycontroloflargespansteelboxbeam

XuFei

(TaiyuanMunicipalPublicEngineeringQualitySupervisionStation,Taiyuan030012,China)

The structural characteristic and three main stages of the overall lifting construction of the large span steel box beam are analyzed. The quality control of the large span steel box beam in the overall lifting construction process is obtained thought the linear control and the stress monitoring to meet the requirements of accuracy, security and stability in the engineering application.

steel box beam, structural characteristic, overall lifting method, linear control, stress monitoring

1009-6825(2017)32-0165-02

2017-09-08

許 飛(1984- )，男，工程師

U448.213

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