曲線鋼箱梁節(jié)段拼裝支架沉降影響研究

張建東 劉 鵬 李海濤 顧立君

(1.南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 南京 211102；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司 南京 211102；3.宜長高速公路建設(shè)指揮部 宜興 214200)

鋼箱梁橋與混凝土橋相比，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗彎抗扭剛度大、安裝迅速、外形美觀、適合工業(yè)化預(yù)制，以及運(yùn)輸安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，越來越廣泛運(yùn)用于跨線路和管線匝道或立交橋工程中[1-2]。其典型工程有鄂東長江公路大橋花湖互通，主橋鋼箱梁全長124.84 m，單跨最大跨徑50 m；重慶黃桷灣立交橋鋼箱梁段長110 m，平面曲線R=300 m；深圳南坪快速路麒麟立交橋匝道橋，單跨最大跨徑為44 m，全長460.5 m。

在鋼箱梁橋的架設(shè)施工中，支架拼裝施工是最為常用的施工方法之一。具有施工機(jī)具簡單、易于操作、成本低、工期短，以及質(zhì)量安全易于保證等優(yōu)點(diǎn)，適用于場地條件較好、交通方便的中小跨徑橋梁工程[3-4]。王晟[5]以小西沖立交匝道橋鋼箱梁為背景驗(yàn)算吊具強(qiáng)度并介紹了安裝支座控制參數(shù)；許正坤[6]研究了分段吊裝連續(xù)鋼箱梁整體卸落后支座脫空對橋梁變形的影響。

但是，現(xiàn)有研究主要關(guān)注吊具、支撐強(qiáng)度和穩(wěn)定性問題，少有研究通過對臨時(shí)支撐沉降量進(jìn)行參數(shù)化分析，來解決跨線匝道橋施工難題。本文擬通過對某匝道鋼箱梁橋拼裝過程中支撐沉降的參數(shù)化分析，提出跨越高速路和石油管道的臨時(shí)支撐沉降量控制標(biāo)準(zhǔn)，以保障施工安全，以期對類似工程提供一定的指導(dǎo)和借鑒。

1 工程概況

本橋?yàn)槿邕B續(xù)梁，鋼箱梁總長為109 m(38 m+38 m+33 m)，梁體斷面采用單箱雙室截面，鋼箱梁中心線處梁高為1.7 m，橋面總寬為11 m。平面呈曲線狀，曲線半徑為160 m。鋼箱梁頂板厚14 mm，加厚區(qū)18 mm；底板厚14 mm，加厚區(qū)為18 mm；腹板厚14 mm，頂?shù)装蹇v肋均采用T形肋。鋼箱梁材質(zhì)主要為Q345D，輔材為Q235，總重5 794 kN。橋梁整體示意圖見圖1。

圖1 橋梁整體示意圖

2 支架拼裝施工

2.1 支架布置形式

鋼箱梁預(yù)制橫向劃分為4個(gè)節(jié)段(兩箱室，兩翼緣)，整聯(lián)共30個(gè)節(jié)段，節(jié)段最長23.7 m，最重493 kN。拼裝支架整體布置見圖2，鋼箱梁橫向節(jié)段劃分圖見圖3。匝道施工分區(qū)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及現(xiàn)場條件，跨高速路及石油管道等進(jìn)行劃分。現(xiàn)場總體劃分2個(gè)施工區(qū)，先北側(cè)，后南側(cè)。由于匝道5～6軸跨石油管道且構(gòu)件無法由村道運(yùn)輸至現(xiàn)場。因此構(gòu)件全部從所跨高速路運(yùn)抵現(xiàn)場。北側(cè)完成后進(jìn)行匝道南側(cè)施工。

圖2 拼裝支架整體布置圖

圖3 鋼箱梁橫向節(jié)段劃分圖(單位：mm)

2.2 節(jié)段劃分與拼裝順序

1) 匝道6～7軸對應(yīng)區(qū)域?yàn)楦咚俦眰?cè)行車道及跨石油管道施工區(qū)域，為縮短占用高速公路施工周期，鋼箱梁分段劃分盡可能大，以減少吊次及措施支撐；綜合考慮現(xiàn)場條件、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)輸能力，鋼箱梁采用“整箱制作+分段運(yùn)輸+現(xiàn)場拼裝”的施工思路。鋼箱梁縱向節(jié)段劃分和編號見圖4，典型節(jié)段示意圖見圖5。

圖4 鋼箱梁縱向節(jié)段劃分圖

圖5 典型節(jié)段示意圖

2) 鋼箱梁吊裝。先吊裝北側(cè)路面段，北側(cè)半幅高速封閉，臨時(shí)支撐按吊裝順序分步安裝，南側(cè)變道通行，跨北側(cè)道路支撐布置見圖6。高速公路路面設(shè)置格構(gòu)支撐底座，底座與柏油路面之間采用彩條布進(jìn)行隔離，避免污染及破壞路面。

圖6 跨北側(cè)道路支撐布置圖

再吊裝跨石油管段構(gòu)件，跨石油管線支撐布置圖見圖7。

圖7 跨石油管線支撐布置圖

跨石油管施工構(gòu)件運(yùn)輸至高架上采用350 t汽車吊卸車至高架北側(cè)護(hù)坡外側(cè)臨時(shí)施工便道，采用1臺(tái)160 t汽車吊拼裝，格構(gòu)支撐底部及汽車吊支腿處均墊鋼板或路基箱。

北側(cè)施工完成后，南側(cè)半幅高速封閉，臨時(shí)支撐按吊裝順序分布進(jìn)行，北側(cè)變道通行，改道施工前只保留中間鋼管支撐，以防止結(jié)構(gòu)產(chǎn)生撓度，其余位于高速路面的支撐全部拆除，跨南側(cè)道路支撐布置圖見圖8。底座與柏油路面之間采用彩條布進(jìn)行隔離，見圖9，為避免污染及破壞路面，采用350 t汽車吊。

圖8 跨南側(cè)道路支撐布置圖

圖9 柏油路面(土地面)支撐橫斷面圖

3 臨時(shí)支撐沉降影響分析

3.1 分析工況選取

利用midas Civil 2018有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，建立鋼箱梁板梁模型，其中頂?shù)装濉⒏拱濉M隔板采用4節(jié)點(diǎn)或3節(jié)點(diǎn)板單元，T肋、I肋采用梁單元，在此基礎(chǔ)上，分析支撐支架沉降對吊裝施工過程節(jié)段受力和變形的影響。

首段梁的拼裝將影響后面所有節(jié)段和支架施工，因此，本文選取了首段梁(編號為1)拼裝工況；選取邊跨最長的曲線外側(cè)節(jié)段北側(cè)跨石油管線梁段(編號為14)；南側(cè)跨中梁段(編號為26)為本聯(lián)最長節(jié)段，而且具有3處臨時(shí)支撐，受力相對復(fù)雜；拆除臨時(shí)支撐前后鋼箱梁節(jié)段受力變形有可能發(fā)生較大變化，因此，選取拆除北側(cè)道路上臨時(shí)支撐前后工況，進(jìn)行臨時(shí)支撐支座沉降模擬，計(jì)算分析臨時(shí)支撐支座反力及鋼箱梁節(jié)段在拼裝過程中的變形和受力。

3.2 沉降影響分析

3.2.1對支座反力的影響

首段梁架設(shè)在支撐3,4的4個(gè)支座上，支座順時(shí)針由內(nèi)向外分別編號①②③④，節(jié)段1支撐圖見圖10，節(jié)段1有限元模型圖見圖11。對首段梁支座②沉降、支座②③同時(shí)沉降2種工況對支座反力影響進(jìn)行分析，支座②沉降、支撐4沉降對支反力影響圖分別見圖12、圖13。

圖10 節(jié)段1支撐圖(單位：mm)

圖11 節(jié)段1有限元模型圖

圖12 支座②沉降對各支座支反力影響圖

圖13 支撐4沉降對各支座支反力影響圖

選取鋼箱梁橋最長節(jié)段，節(jié)段26(長度為26 m)為對象進(jìn)行分析，吊裝到位后，節(jié)段26架設(shè)于支撐8，9，10上。支撐9上支座②⑤(節(jié)段26模型示意圖見圖14，支座編號①～⑥)即支撐4沉降對支反力影響圖見圖15。

圖14 節(jié)段26模型示意圖

圖15 支撐4沉降對各支座支反力影響圖

北側(cè)道路支撐5，7拆除前、后支撐4(支座編號①～③)沉降對支撐4和支撐6(支座編號④～⑥)支反力的影響進(jìn)行數(shù)值分析，拆除前、后支撐4沉降對支反力影響圖分別見圖16、圖17。

圖16 拆除前支撐4沉降對各支座支反力影響圖

由圖12,13,16可知，發(fā)生沉降的臨時(shí)支撐支反力隨沉降量增加而減小，當(dāng)沉降量小于3 mm時(shí)，支反力為正，當(dāng)沉降量超過3 mm時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象。由圖15知，支座②⑤發(fā)生沉降時(shí)，支座②支反力隨沉降量增加，迅速減小，當(dāng)沉降量超過4.5 mm時(shí)，發(fā)生支座脫空現(xiàn)象。由圖17知，安裝完成北側(cè)跨線路鋼箱梁，拆除道路上臨時(shí)支撐5，7后，當(dāng)沉降量超過6 mm時(shí)，發(fā)生支座脫空現(xiàn)象，但是此時(shí)最大支反力超過840 kN，支撐6受到過大的壓力。

3.2.2支座沉降對應(yīng)力和變形的影響

支座沉降將給節(jié)段焊接帶來問題，節(jié)段間存在的不同大小的沉降，將使拼接縫錯(cuò)開一定距離，從而不能有效焊接。臨時(shí)支撐的沉降也會(huì)使鋼箱梁節(jié)段產(chǎn)生局部應(yīng)力過大的不良情況。因此，本文研究將臨時(shí)支撐或支座的沉降控制在3 mm以內(nèi)時(shí)，對鋼箱梁節(jié)段變形和應(yīng)力的影響，并提出合理的沉降控制措施。

首節(jié)段1、節(jié)段2吊裝就位至臨時(shí)支撐3，4上，對支座②(圖10中所標(biāo)示的支座②)沉降引起節(jié)段十字錯(cuò)口拼接位置變形高差和節(jié)段支座處箱梁梁底應(yīng)力變化進(jìn)行分析，支座②沉降對拼接處變形影響圖見圖18，對梁底應(yīng)力影響圖見圖19。

圖18 支座②沉降對拼接處變形影響圖

圖19 支座②沉降對各支座處梁底應(yīng)力影響圖

由圖18可知，節(jié)段1、節(jié)段2端部十字錯(cuò)口拼接處撓度隨支座沉降量增加而增加，當(dāng)沉降量達(dá)到3 mm時(shí)，撓度增量為0.2 mm，2節(jié)段相對錯(cuò)開距離保持0.9 mm；由圖19可知，梁底最大應(yīng)力出現(xiàn)在支座①③處，且隨支座②沉降增大而增大。

選取節(jié)段26為對象，研究節(jié)段拼接縫處撓度和節(jié)段支座處梁底應(yīng)力隨支撐9沉降量增加的影響，支撐沉降對拼接縫處撓度影響見圖20、支撐沉降對支座處梁底應(yīng)力影響見圖21。

圖20 支撐沉降對拼接縫處撓度影響圖

圖21 支撐沉降對支座處梁底應(yīng)力影響圖

由于節(jié)段26長度較長，故在段中設(shè)置了支撐9，由圖20可知，兩支撐間撓度增加量隨支撐沉降量增加而增加，左端拼接接口處上撓與支撐沉降量比例約為1∶1，右端拼接處基本不變；由圖21可知，支撐9處鋼箱梁存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，其他支座處箱梁應(yīng)力隨沉降量增加變化不明顯。

3.3 沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

由以上分析得出，支座或臨時(shí)支撐沉降量小于3 mm時(shí)，各支座反力均為正；節(jié)段吊裝到位后撓度增加值隨沉降量增加呈一致性，為減小焊接時(shí)接口錯(cuò)開量，應(yīng)采取措施減小或消除支撐沉降；沉降量小于3 mm時(shí)，應(yīng)力增加不明顯，當(dāng)節(jié)段支座發(fā)生沉降時(shí)，應(yīng)注意最大應(yīng)力位置會(huì)發(fā)變化，防止應(yīng)力集中超限。

因此，為了防止支座脫空和臨時(shí)支撐承受過大壓力，以及防止鋼箱梁節(jié)段應(yīng)力集中超限、節(jié)段間接口變形錯(cuò)開量超過焊接限制，在施工過程中應(yīng)采取一定措施將支撐的沉降量控制在3 mm以內(nèi)。

4 結(jié)語

鋼箱梁節(jié)段吊裝就位后引起的臨時(shí)支撐或支座沉降，使得相鄰支座反力、節(jié)段十字錯(cuò)口拼接處變形差、支座處鋼箱梁應(yīng)力有明顯增大。

鋼箱梁在安裝后，由于跨度小、支撐布置均勻，鋼箱梁撓度和應(yīng)力均滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

同時(shí)，為了防止支座脫空和支架受壓力過大，威脅施工安全，建議將安裝過程吊裝就位后臨時(shí)支撐的沉降量控制在3 mm以內(nèi)。