架橋機應用于預制裝配橋梁施工的關鍵技術

葛純熙

[上海公路橋梁（集團）有限公司，上海市200092]

0 引言

隨著社會的快速發展以及經濟的快速提升，橋梁建設的數量和規模都在不斷增加。對于現代橋梁建設來說（特別是大型橋梁），架橋機已經成為必不可少的組成部分，其能夠方便完成橋梁施工、提升工作效率、確保施工安全[1]。

橋梁預制裝配式施工工藝相比傳統的混凝土模板現澆工藝，具有質量易于控制、施工迅速、對環境影響較小的優勢，尤其在城市高架橋建造施工中逐漸得到了認可和大規模應用[2]。上海市嘉閔高架、濟陽路快速化改造、S7 滬崇高速等工程均在全線使用預制裝配式施工方法。閔浦三橋首次在跨黃浦江大橋的引橋上采用預制裝配式施工工藝，立柱、蓋梁、小箱梁以及防撞護欄均采用預制場內預制完成，施工現場通過大型起重設備精準吊裝就位的方法。

1 工程概況

閔浦三橋引橋總長度約為1.4 km，其中南岸680 m（20 跨），北岸720 m（21 跨）。引橋為雙幅布置，每幅橋面寬12 m，單向三車道。引橋采用雙柱式蓋梁橋墩，標準跨徑35 m，主梁結構為梁高1.9 m的小箱梁，并按照梁體簡支、橋面連續的結構體系設計，見圖1。

圖1 引橋結構布置圖（單位：cm）

在立柱、蓋梁現場吊裝完成后，根據現場的場地情況采用架橋機進行主梁的安裝。架橋機在梁體架設安裝施工過程中存在其自身的優勢，架橋機施工時受到地面環境的限制較小，并且也能夠適應全天候，全類型的橋梁施工[3]。由于預制裝配式工藝的引橋與傳統工藝引橋有一定的差異，而且閔浦三橋也首次采用防撞護欄與小箱梁一同預制后現場安裝，因此在進行主梁安裝過程中，涉及了多種復雜的工況。本文以閔浦三橋引橋主梁安裝為例，詳細介紹在預制裝配式橋梁中架橋機架梁的關鍵施工工藝。

2 架橋機施工過程驗算

近些年，架橋機施工中出現的事故也偶有發生[4]，結合閔浦三橋引橋預制拼裝的特色，施工前方案中工況的考慮和計算顯得尤為重要。

2.1 架橋機縱移

標準跨徑為35 m 的小箱梁，總體重量約為170 t，增加了預制防撞墻之后，梁體的總重量接近205 t。按照荷載規范要求，原本只要200 t 起重量的架橋機增大到260 t 才能滿足。架橋機型號增大，適應的架設跨度也會增大[5]，傳統的260 t 公路架橋機，一般最大跨度在40～50 m，因此對于閔浦三橋引橋施工的架橋機不需要增加尾部配重就能滿足空載過跨的最不利工況。

方案要結合現場的實際施工來制定才具有可行性。在預制防撞墻一體化小箱梁的初期就決定了采用架橋機進行架設，為了能保證架橋機縱移時，給支腿和橫移軌道留有空間，見圖2。在防撞墻梁端位置各留出2 m 的空間，這2 m 的防撞墻在梁體架設完成后再進行接順后澆施工。

圖2 防撞墻預留現場澆筑位置示意圖

2.2 架橋機橫移

架橋機橫移的工況更為復雜，由于閔浦三橋引橋為雙幅引橋，為了提高架橋機架梁施工效率，架橋機從雙幅引橋之間橫移切換勢在必行。不同于蓋梁上方的軌道，對位于兩個蓋梁之間的軌道，采用魚腹梁的形式進行了加強，確保了軌道上表面的平順密接，同時魚腹式的加強增強了軌道的抗彎能力。

除了架橋機空載橫移跨幅之外，在方案初期也考慮了架橋機帶著小箱梁一同跨幅。需要對跨幅過程中最不利的情況進行計算，見圖3。圖中描述了架橋機位于兩幅橋之間，并準備在蓋梁的一側將梁提起。架橋機總重約為260 t，在前支腿的一側重量約為65 t，梁體總重約為205 t，前支腿大約承受一半的重量約為102.5 t。根據實際情況將荷載和尺寸明確在計算簡圖中。

圖3 提梁跨幅最不利工況計算示意圖（單位：cm）

通過建模計算得到蓋梁底部最大拉應力1.64 MPa，小于蓋梁C50 混凝土抗拉設計允許值1.855 MPa。蓋梁最大剪力值為2763 kN，小于抗剪承載力容許值。而在遠離荷載一側立柱頂彎矩491 kN·m，立柱頂軸力為拉力726 kN，對于局部節點受力較為不利。在極端的受力情況下，預制拼裝的立柱變為具有較大拉力的偏拉構件。在與設計進一步復核后，不滿足下部預制拼裝結構的受力要求。

結合這樣的計算結果，架橋機無法提梁跨幅，施工方案將只在單幅引橋設置喂梁通道調整為雙幅引橋均設置喂梁通道，每幅引橋的小箱梁均沿著各自引橋運至架設的位置，從而經濟合理地避開了架橋機提梁過跨的施工需求。

2.3 喂梁、架梁施工細節驗算

閔浦三橋引橋小箱梁采用小尺寸濕接縫，濕接縫寬度僅為30 cm，搭接鋼筋為非焊接，澆筑C80 混凝土?；谶@樣的構造，在濕接縫澆筑之前，一跨之內的三榀小箱梁并未形成整體。梁上運梁就需要更加謹慎，如果橫跨邊梁和中梁，可能會導致梁體受力不平衡而傾覆，因此運梁車車輪只能全部作用在中梁腹板的上方。

為了確保運梁車的安全，除了在中梁上劃好行車線確保車輛平穩通行，也對滿載的運梁車只作用在中梁的工況進行了驗算，經過圖4 中兩個工況的驗算，抗彎和抗剪的均能夠滿足，從而確保梁上運梁的安全實施。

圖4 梁上運梁的驗算工況（單位：mm）

作為防撞墻一體化預制的邊梁，梁體重心偏向了防撞墻一側，增加了梁體傾覆的風險[6]。在吊裝和落梁的過程中精準的計算出重心的位置尤為重要。從圖5 中可以看出，1.9 m 高的小箱梁，一側增加1.1 m高的防撞墻，經過計算，重心偏移了31.3 cm。為了確保吊梁過程中梁體的空中姿態水平，讓重心位于扁擔的正下方，將吊梁的扁擔兩側做了適當延長的設計。小箱梁每一端采用雙支座，偏移后的重心仍然位于兩個支座之間，梁體并不會出現傾覆[7]。

圖5 重心偏移的邊梁吊裝（單位：mm）

3 特殊工況驗算

閔浦三橋引橋小箱梁架設安裝過程中，除了架橋機配合預制裝配式橋梁結構施工的常規動作外，還存在兩個極為特殊的工況需要仔細驗算，這兩個工況也出現在類似的工程中，具有相當明顯的指導意義。

3.1 過渡墩段架梁

架橋機從地面開始架設，最后一跨與之前的情況有所不同。最后一跨本來應該將架橋機橫移軌道放在主橋過渡墩上[8]，但是由于主橋的邊跨梁段已經架設完成，見圖6，只能將軌道放置在已經就位的主梁之上。為了能夠將引橋的邊梁安裝就位，架橋機必須橫移至主梁的挑臂位置。

圖6 主橋邊跨先于引橋安裝完成

閔浦三橋主梁采用疊合梁的形式，標準斷面為開口鋼箱梁疊合預制混凝土橋面板。在過渡墩位置設計單位考慮到局部受力，采用的是全截面鋼箱梁后澆混凝土橋面板，截面尺寸見圖7。架橋機架設安裝最后一跨引橋時，橫移軌道直接鋪設在鋼梁的頂板上，架橋機提梁的施工時，頂板上方局部的支腿分擔的重量超過100 t。盡管已經將橫移軌道放置在鋼箱梁內有橫隔板的位置，但是施工之前必須對鋼梁的挑臂進行詳細的計算。

圖7 過渡墩頂鋼梁的尺寸設計（單位：mm）

采用ANSYS 有限元軟件對挑臂位置進行建模，模型采用板殼單元shell63 來模擬，單元按照四邊形來劃分，按照對稱性的原則，只建立梁體含挑臂的鋼梁，其中頂板、肋板和箱梁內部的隔板均按照實際尺寸進行建立。架橋機的重量和邊梁的重量均按照實際工況分攤到兩個支腿上，外側的支腿分擔的重量更重一些，模型最終荷載取值為外側受力為140 t，內側受力為90 t。

計算結果表明，懸臂的最外端位移最大值為2.02 cm，整體受力比較合理，但是在內側的橫隔板位置出現了較大的應力值，見圖8（b），等效換算應力值約為355 MPa，閔浦三橋的鋼材種類為Q345q 類型，計算值355 MPa 大于設計強度，存在較大的安全隱患。為了能夠確保在最不利狀況下實施架橋機安裝，對梁體內部的橫隔板進行了補強，在轉角位置增加了橫橋向1 m，高度0.7 m 等厚度的鋼板并重新建模進行了計算。轉角位置的等效換算應力下降到260 MPa，懸臂最外端的位移最大值也下降為1.94 cm，對于懸挑長度為4.5 m 的鋼結構挑臂來換算，等效撓度比為，滿足規范中的鋼結構變形要求。

圖8 有限元模型建立以及兩種工況下計算的應力值

基于計算結果，現場施工前，首先對橫移軌道下方的枕木進行了增強，確保局部位置受力分散均勻，同時對橫移軌道下方的橫隔板轉角進行了補強，確保最不利工況下鋼梁各個位置的應力均小于設計強度。最終小箱梁架設安全完成，現場監測的挑臂最大位移值約為0.9 mm，施工完成后，未留下殘余變形。

3.2 小半徑架梁

閔浦三橋北岸引橋，為了避開閔行區某發電廠，整個線路向西偏移約400 m，引橋的主線轉彎半徑降為650 m，內側一幅的曲線半徑僅為635 m。對于架橋機整體而言，雙主梁和前后支腿組成一個長方形，整個長方形在一個曲線半徑很小的區域里，可能會出現邊梁一端無法架設到位的情況[9]，因此在施工前，對小半徑施工區域內的小箱梁架設進行了詳細的模擬。

根據弦切角定理，半徑635 m 的圓弧，35 m 的弦長位置，圓弧點與切線的距離為0.965 m。換成架梁過程中的實體，35 m 的梁段長度上，前后支腿在橫橋向與蓋梁相對位置始終錯開96.5 m 距離。

首先對前支腿的位置進行模擬，確定了前支腿移動到最邊緣時，架橋機的主梁中心線在蓋梁邊緣外側85 cm（見圖9（a）），此時中支腿位置的主梁中心線應該在蓋梁邊緣內側11.5 cm。接下來模擬中支腿位置架設邊梁的極限情況，按照天車的吊索與架橋機主梁貼緊來考慮，此時為了能夠架設邊梁，架橋機的主梁中心線最靠內側的位置是蓋梁以內13 cm（見圖9（b））。根據相對位置的模擬，在距離蓋梁以內11.5 cm 的情況下中支腿位置是能夠保證邊梁架設到位，也避免了架橋機主梁進行風險較高的轉角處理。

圖9 小半徑位置的真實模擬（單位：cm）

小半徑曲線區域的蓋梁是隨著主線不斷旋轉，導致前后兩跨的蓋梁并不平行，而架橋機的前中支腿橫移軌道必須平行，因此中支腿的軌道需要按照前支腿軌道的位置平行放置。因此中支腿的軌道與梁端的過孔線并不平行，距離最大的位置約有1.2 m的距離，這個偏差能夠在2 m 的防撞墻后澆區域內進行有效地調整。

3.3 梁體架設完成

對架橋機整個施工過程中各個工況進行計算和模擬，閔浦三橋南北岸引橋的小箱梁架設安裝過程全程受控（見圖10）。經過南北岸各1 個月的時間連續施工，架橋機高精度的完成了大縱坡、小半徑的防撞墻一體化小箱梁的安裝架設。小箱梁位置準確，梁體所形成的橫坡、縱坡平順，防撞墻整體線型順直，梁體之間的濕接縫間距控制滿足設計，達到了預制裝配式施工中上部結構梁體安裝的精度要求。

圖10 引橋小箱梁架設安裝完成

4 結語

本文通過對閔浦三橋248 榀小箱梁采用架橋機架設的施工工藝進行總結，得到以下幾個結論：

（1）對于防撞墻一體化預制的小箱梁，采用架橋機架設安裝時，需要在小箱梁預制過程中充分考慮架橋機施工過程中的預留構造空間，確保架橋機能夠順利施工。

（2）下部結構為預制裝配式工藝施工完成，架橋機在進行上部結構架梁施工時，需要考慮最不利工況下對于下部結構的受力影響，保證下部結構的拼裝節點受力滿足設計要求。

（3）施工過程中，架橋機可能會跨越多種結構類型的主梁，在過渡墩位置需要根據施工工況計算蓋梁前后的架梁工況，確保過渡墩兩側的梁體受力均能滿足。

（4）對于架橋機施工中出現的空間位置限制所可能導致的不能一次性準確落梁的情況，需要在模型中進行多工況精準模擬，避免強行移動超限導致架橋機出現側翻事故。

本文相關的施工工藝和關鍵技術能夠更好地指導目前日益增多的預制裝配式橋梁結構中合理運用架橋機施工，從而為架橋機在類似工程中施工提供成功經驗和參考。