斜拉橋鋼箱梁整體拼裝及河道浮運(yùn)技術(shù)研究

蔣暉 趙小浪 過勇 李沛洪 朱育才

廣州市第二市政工程有限公司 510060

引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)不斷發(fā)展，斜拉橋主梁采用鋼箱梁形式越來越廣泛，同時斜拉橋鋼箱梁施工技術(shù)也在不斷創(chuàng)新，特別是鋼箱梁制作、運(yùn)輸、吊裝是未來發(fā)展的趨勢。眾多學(xué)者針對該領(lǐng)域進(jìn)行研究，張濤、莊國方等［1-5］基于BIM技術(shù)對橋梁鋼箱梁等施工部位進(jìn)行研究解決鋼箱梁施工難題；周彥文、邱榮軍等［6-9］對鋼箱梁吊裝和浮運(yùn)定位進(jìn)行研究有效解決鋼箱梁大物件安裝問題。通常大跨度橋梁施工場地開闊，具備良好的通航條件、具有各類型先進(jìn)運(yùn)梁臺車，能實(shí)現(xiàn)鋼箱梁在廠房內(nèi)整體自動焊接成型，然后使用大型運(yùn)梁臺車轉(zhuǎn)運(yùn)，通過船舶運(yùn)輸?shù)竭_(dá)安裝位置。但對于橋梁所處施工場地受限，缺少先進(jìn)運(yùn)梁臺車，所處河流上下游存在攔河水壩缺少通航條件，重量重和尺寸大的鋼箱梁制作和運(yùn)輸是亟待解決的問題。本文針對較少場地內(nèi)以及不通航內(nèi)河等不利施工條件的現(xiàn)狀，區(qū)別于現(xiàn)有鋼箱梁制作與運(yùn)輸?shù)姆椒ǎ肓嘶贐IM技術(shù)的鋼箱梁拼裝場地布置、鋼箱梁整體拼裝、鋼箱梁從陸地運(yùn)輸至浮箱技術(shù)、浮箱及浮運(yùn)體系建立等施工方法，從而保證了斜拉橋施工質(zhì)量。

1 工程概況

鴨嘴巖大橋?yàn)楠?dú)塔雙索面斜拉橋，跨度為319m（200m＋74m＋45m），橋面寬36m、主塔高100m。采用鋼-混凝土組合橋塔，縱、橫橋向塔軸線均呈曲線。斜拉橋主跨200m為跨河段，采用鋼箱梁，邊跨74m＋45m為陸地跨（河岸），采用現(xiàn)澆混凝土，大橋全貌如圖1所示。由于河流為不通航、河岸的施工場地有限、起重設(shè)備起重能力有限，需提出在較少場地內(nèi)的鋼箱梁拼裝場地布置、鋼箱梁整體拼裝，并且在不通航河道內(nèi)進(jìn)行鋼箱梁從陸地運(yùn)輸至浮箱技術(shù)、浮箱及浮運(yùn)體系建立等解決方法。

圖1 大橋全貌Fig.1 Full view of the bridge

2 鋼箱梁場地布置方法

對于較少場地的鋼箱梁場地布置，主要包括運(yùn)輸?shù)缆贰鍐卧娣艆^(qū)、頂?shù)装孱A(yù)拼區(qū)、總拼區(qū)、存梁區(qū)以及浮運(yùn)港池。以鴨嘴巖大橋?yàn)槔囱b場地長約170m、寬約50m。按照BIM模擬效果，在施工場地上建立相應(yīng)區(qū)域，如圖2所示。整個場地布置呈現(xiàn)流水線作業(yè)，在狹小的制造區(qū)域內(nèi)加快了鋼箱梁制造效率［10-12］。

圖2 場地布置BIM模擬Fig.2 BIM simulation of site layout

（1）運(yùn)輸?shù)缆贰Ｆ囱b場地的道路與外界道路接通，場地內(nèi)的道路寬度為10m。（2）板單元存放區(qū)。板單元存放區(qū)長42m、寬50m。板單元存放區(qū)也進(jìn)行內(nèi)部分區(qū)，主要分為底板存放區(qū)、頂板存放區(qū)、隔板存放區(qū)、腹板存放區(qū)。20t龍門吊兩個軌道之間距離是40m，龍門吊軌道經(jīng)過板單元存放區(qū)、頂?shù)装孱A(yù)拼區(qū)、總拼區(qū)。（3）頂?shù)装孱A(yù)拼區(qū)。頂?shù)装孱A(yù)拼區(qū)長27m、寬50m。頂?shù)装孱A(yù)拼區(qū)的地面由水泥混凝土支墩布滿場地，作用是支承頂?shù)装逡员阌陬A(yù)拼裝，可同時滿足兩個鋼箱梁頂?shù)装孱A(yù)拼工作，當(dāng)頂?shù)装逋瓿深A(yù)拼后通過龍門吊將頂?shù)装宀考跹b至總拼區(qū)進(jìn)行拼裝。（4）總拼區(qū)。總拼區(qū)長40m、寬50m，可同時進(jìn)行兩個鋼箱梁總拼工作。總拼區(qū)由胎架組成，胎架的作用是定位和支承。運(yùn)梁車軌道經(jīng)過總拼區(qū)和存梁區(qū)。（5）存梁區(qū)。存梁區(qū)長25m、寬50m，可同時進(jìn)行兩個鋼箱梁存放工作。存梁區(qū)由凸起承臺組成，運(yùn)梁車通過運(yùn)梁軌道將在總拼區(qū)的鋼箱梁移動至存梁區(qū)存放，等待浮運(yùn)。（6）浮運(yùn)港池。浮運(yùn)港池的頂部長30m、寬50m，港池的邊坡為1∶1，深度約為4m，水深約2m。浮箱能夠進(jìn)入至港池內(nèi)，通過運(yùn)梁小車將在存梁區(qū)的鋼箱梁通過搭設(shè)的貝雷梁和正方形支撐梁上的軌道運(yùn)至浮箱上，退出運(yùn)梁小車，浮箱出港，拖拽至鋼箱梁吊裝位置。

3 鋼箱梁整體拼裝方法

鋼箱梁整體拼裝主要遵循流程如圖3所示。總拼采用“正裝法”，以胎架為外胎，以橫隔板為內(nèi)胎，各板單元按縱、橫基線就位，輔以加固設(shè)施以確保精度和安全，梁段總拼在胎架上一次完成。梁段組裝按照總拼流程的順序，實(shí)現(xiàn)立體階梯形推進(jìn)方式逐段組裝與焊接。在BIM技術(shù)協(xié)助下在拼裝場地對鋼箱梁進(jìn)行總體拼裝，模擬過程如圖4所示。

圖3 拼裝流程Fig.3 Assemble process

圖4 基于BIM技術(shù)鋼箱梁總拼流程模擬Fig.4 Simulation of general assembly process of steel box girder based on BIM technology

4 鋼箱梁運(yùn)輸方法

4.1 鋼箱梁陸上轉(zhuǎn)運(yùn)方式

在總拼區(qū)和存梁區(qū)的兩側(cè)設(shè)置運(yùn)梁軌道，每一側(cè)運(yùn)梁軌道布置運(yùn)梁小車，使用千斤頂將總拼區(qū)鋼箱梁頂起。接著開入運(yùn)梁小車，卸下千斤頂，使鋼箱梁落至運(yùn)梁小車上，驅(qū)動運(yùn)梁小車使運(yùn)梁小車移動至存梁區(qū)。然后使用千斤頂頂起鋼箱梁，退出運(yùn)梁小車，放下千斤頂使鋼箱梁落至存梁區(qū)的支承臺上。

4.2 存梁區(qū)和港池區(qū)運(yùn)輸方法

采用浮運(yùn)支架對鋼箱梁進(jìn)行浮運(yùn)，港池區(qū)域放置浮箱。通過在浮箱上放置正方形支撐梁以及在港池邊坡上進(jìn)行鋼管樁貝雷梁支架搭設(shè)，并在正方形支撐梁以及貝雷梁支架上安放運(yùn)梁軌道，使運(yùn)梁小車開至貝雷梁支架上直至正方形支撐梁上。放下千斤頂使鋼箱梁落于浮箱支架上并針對浮箱的下沉情況進(jìn)行抽水上浮，保證整體鋼箱梁浮箱的穩(wěn)定性和安全性，退運(yùn)梁小車。打開靠河流側(cè)的正方形支撐梁以及貝雷梁支架的連接螺栓，拖拽浮箱使鋼箱梁和浮箱出港。浮運(yùn)體系參數(shù)見表1。

表1 浮運(yùn)體系各項(xiàng)目力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of each item in the floating transport system

運(yùn)用BIM技術(shù)模擬存梁區(qū)和港池區(qū)運(yùn)輸過程，并對正方形支撐梁以及浮運(yùn)支架進(jìn)行BIM建模以及安全性分析，如圖5所示。

圖5 基于BIM技術(shù)存梁區(qū)和港池區(qū)運(yùn)輸模擬Fig.5 Transport simulation of beam area and harbor area based on BIM technology

4.3 正方形支撐梁及浮運(yùn)支架安全性分析

1.正方形支撐梁安全性分析

對正方形支撐梁面板局部穩(wěn)定性驗(yàn)算，根據(jù)施工工況，分別建立施工階段模型，進(jìn)行施工階段分析。如圖6所示，鋼箱梁最大應(yīng)力86MPa＜190MPa（極限破壞應(yīng)力），鋼箱梁最大位移為0.33mm，可滿足施工要求。

圖6 正方形支撐梁安全性分析Fig.6 Safety analysis of square supporting beams

2.浮運(yùn)支架安全性分析

浮運(yùn)支架用φ630×8mm為主肢，φ426×8mm的鋼管為連接系，在主肢下兩端安裝三拼63b工字鋼作為橫向分配梁，雙拼40a工字鋼作為縱向分配梁。根據(jù)施工工況，分別建立各施工階段模型，進(jìn)行施工階段分析。如圖7所示，浮船支架最大應(yīng)力32MPa＜190MPa（極限破壞應(yīng)力），浮箱支架最大位移為1.4mm，故結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

圖7 浮運(yùn)支架安全性分析Fig.7 Safety analysis of floating support

5 鋼箱梁水上浮運(yùn)方法

在兩岸各設(shè)1組地錨裝置，浮箱組四角各設(shè)卷揚(yáng)機(jī)與地錨相對應(yīng)；地錨位置可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況移動位置；浮箱組通過卷揚(yáng)機(jī)牽引纜繩行駛至吊裝位置，通過地錨連接精確定位［13-15］。運(yùn)輸路線：浮運(yùn)平臺出港池后，通過上游牽引繩溜放，沿河岸側(cè)運(yùn)輸至橋址，再通過下游牽引繩橫移至吊裝位置，實(shí)現(xiàn)鋼箱梁水上浮運(yùn)，如圖8所示。

6 結(jié)語

1.以鴨嘴巖大橋?yàn)楸尘埃ㄟ^BIM技術(shù)模擬拼裝場地布置，整個場地布置呈現(xiàn)為流水線作業(yè)，實(shí)現(xiàn)在拼裝場地對鋼箱梁進(jìn)行總體拼裝，加快鋼箱梁的制造效率。

2.采用浮運(yùn)支架對鋼箱梁進(jìn)行浮運(yùn)，在浮箱上搭設(shè)正方形支撐梁及浮運(yùn)支架并對安全性進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了鋼箱梁從陸地到浮運(yùn)的體系轉(zhuǎn)換，解決了鋼箱梁運(yùn)輸和浮運(yùn)的難題。

3.通過設(shè)置地錨拖拽系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鋼箱梁以及浮運(yùn)體系在內(nèi)河中運(yùn)輸，有效保證了斜拉橋施工質(zhì)量。