大跨度斜拉橋輔助墩鋼箱梁段分塊吊裝設(shè)計(jì)與施工方案

余振

中鐵四局集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院，合肥230023

一座跨長(zhǎng)江的大跨度鋼箱梁斜拉橋的主橋橋跨布置為（100+308+806+308+100）m，全長(zhǎng)1 622 m，為雙塔四索面全漂浮體系斜拉橋，橋型布置如圖1所示。橋塔采用分肢柱式塔。主梁為分離式鋼箱梁，雙主梁橫橋向凈距17 m。斜拉索梁上采用錨拉板錨固系統(tǒng)，塔上錨固采用同向回轉(zhuǎn)鞍座錨固系統(tǒng)，斜拉索采用同向回轉(zhuǎn)鋼絞線斜拉索系統(tǒng)。

圖1 橋型布置（單位：m）

該橋主通航孔由806 m的主跨跨越，308 m的邊跨為備用通航孔，另設(shè)100 m協(xié)作跨。全橋滿足通航凈空、凈寬要求。

1 輔助墩鋼箱梁段分塊吊裝必要性

南輔助墩（Z5墩）墩頂對(duì)應(yīng)梁段（F梁段）長(zhǎng)度為16.0 m，F(xiàn)梁段總質(zhì)量約260 t。由于F梁段與墩身存在空間沖突，無法采用橋面吊機(jī)從橋下起吊，須搭設(shè)高支架，用大型履帶吊或浮吊將梁段擱置在墩頂支架上完成安裝［1］。而該長(zhǎng)江大橋南岸邊跨位于淺水區(qū)，運(yùn)梁船無法停靠，且無法使用大型浮吊直接將F梁段吊裝就位，因此只能采用大型履帶吊。

輔助墩鋼箱梁段安裝工序?yàn)椋豪?00 t浮吊將梁段吊放至邊跨矮支架上→將梁段滑移至輔助墩旁→利用履帶吊將梁段吊至輔助墩臨時(shí)支架上→調(diào)整梁段位置及姿態(tài)→安裝臨時(shí)橫梁→安裝墩頂永久支座→解除支座臨時(shí)約束→將梁段向岸側(cè)預(yù)偏，待輔助墩梁段的前一梁段安裝完成后再將該梁段向江側(cè)頂推、匹配、焊接［2］。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)吊裝模擬，可采用兩種吊裝方案。方案一：采用一臺(tái)履帶吊進(jìn)行吊裝，至少需一臺(tái)750 t吊機(jī)；方案二：采用兩臺(tái)履帶吊抬吊安裝，至少需兩臺(tái)400 t吊機(jī)［3］。方案一施工空間與現(xiàn)有建筑物、大堤坡面等沖突，且預(yù)約租賃難度大，運(yùn)輸、安裝周期長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)性差，不推薦采用。方案二運(yùn)輸難度大，現(xiàn)場(chǎng)可利用場(chǎng)地較小，組拼難度大，吊機(jī)站位與現(xiàn)有建筑物等沖突，且影響浮吊連續(xù)性施工，本身存在閑置時(shí)間，也不推薦采用。

通過分析，更適宜的方案是盡量減小吊裝重量，采用單臺(tái)小型履帶吊機(jī)單側(cè)站位吊裝。因此要將F梁段進(jìn)行分塊，以減小吊裝重量。履帶吊單側(cè)站位吊裝F梁段位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 履帶吊單側(cè)站位吊裝F梁段位置示意（單位：m）

2 梁段分塊設(shè)計(jì)與施工方案

2.1 分塊設(shè)計(jì)原則

鋼箱梁的分塊運(yùn)輸、吊裝常用于市政鋼箱梁橋，在大跨度鋼箱梁斜拉橋中的應(yīng)用鮮見報(bào)道。市政鋼箱梁橋因?yàn)榇嬖谶\(yùn)輸限制，多選用橫橋向分塊。本橋若采用縱橋向分塊，會(huì)增加一道橫向焊縫，且由于橫梁、支座加勁等的存在，縱向無法進(jìn)行均勻分割，因此采用橫橋向分塊［4］。分塊設(shè)計(jì)遵守以下原則：

1）結(jié)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分塊，確保支座連接架等加勁的完整，不影響支座與鋼箱梁連接受力。

2）新增焊縫與其他焊縫錯(cuò)開布置，避免上下形成通縫。

3）結(jié)合鋼箱梁制造廠家板單元分塊情況選擇切割位置，盡量利用板塊分割位置，減少新增焊縫數(shù)量。

4）盡量保證分塊的均勻性，減小單塊梁段自重。

5）符合整個(gè)結(jié)構(gòu)的吊裝工藝和經(jīng)濟(jì)性，滿足施工操作要求，且盡量少浪費(fèi)起重機(jī)等資源。

2.2 F梁段分塊設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述分塊原則，經(jīng)與設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)控、鋼箱梁制造廠家等單位對(duì)接溝通，確定了具體的分塊方案。避開豎向支座連接架，將梁段橫橋向分成兩塊；頂、底板利用現(xiàn)有板塊單元分割線，不新增焊縫，僅將橫隔板進(jìn)行分割，每道橫隔板增加一條豎向焊縫，且橫隔板分割位置避開頂、底板單元分割線［5］。分塊后兩個(gè)梁段的質(zhì)量分別為150 t（橫梁側(cè)）和110 t（風(fēng)嘴側(cè)），如圖3所示。

圖3 F梁段分塊方案

2.3 F梁段運(yùn)輸方案

為防止梁段在運(yùn)輸、吊裝過程中產(chǎn)生變形，并方便梁段分塊后重新匹配，在頂板、底板、橫隔板的接縫處設(shè)置臨時(shí)連接。

1）在每道橫隔板位置的頂板接縫處設(shè)置一個(gè)馬鐙，在鋼箱梁總體拼裝時(shí)與鋼箱梁頂板臨時(shí)焊接，作為主要受力構(gòu)件。為確保連接強(qiáng)度，在頂板分割線處設(shè)置間距500 mm的馬板作為連接強(qiáng)度儲(chǔ)備。頂板接縫上布置四道臨時(shí)匹配件，采用螺栓和定位銷連接，便于梁段重新精確匹配，并增加梁段的連接強(qiáng)度。頂板接縫上布置三道對(duì)拉螺桿，輔助分塊梁段閉合。

2）在每道橫隔板位置的底板接縫處設(shè)置一個(gè)馬鐙，在鋼箱梁總體拼裝時(shí)與鋼箱梁底板臨時(shí)焊接，作為主要受力構(gòu)件。為確保連接強(qiáng)度，在底板分割線處設(shè)置間距500 mm的馬板作為連接強(qiáng)度儲(chǔ)備。底板接縫上布置四道臨時(shí)匹配件，采用螺栓連接，便于梁段重新精確匹配，并增加梁段的連接強(qiáng)度。

3）在每道隔板接縫兩側(cè)均設(shè)置3個(gè)栓接連接件作為主要受力構(gòu)件。為確保連接強(qiáng)度，在隔板分割線處設(shè)置厚16 mm、間距300 mm的馬板作為連接強(qiáng)度儲(chǔ)備。

在鋼結(jié)構(gòu)加工廠將分塊梁段臨時(shí)連接成整體后，采用運(yùn)梁船整體運(yùn)輸。

2.4 F梁段吊裝方案

F梁段整體運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)后，在船上將分塊梁段匹配件拆除，使用卷揚(yáng)機(jī)或手拉葫蘆將梁段分開。根據(jù)梁段接縫結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，梁段拆分時(shí)必須平移1 m后方可徹底脫開，先利用浮吊逐塊吊裝擱置在存梁支架橫移軌道上，再滑移至履帶吊待吊區(qū)。

履帶吊逐塊起吊左幅（下游）已拆分梁段，并擱置在輔助墩墩頂支架上。利用手拉葫蘆及梁頂對(duì)拉螺桿收緊，完成最終匹配，并采用栓接和焊接混合連接。完成后將左幅梁段用卷揚(yáng)機(jī)或手拉葫蘆在墩頂支架上橫向滑移至設(shè)計(jì)位置，并用三向千斤頂精確調(diào)整梁段姿態(tài)及軸線。履帶吊分塊吊裝右幅（上游）梁段，右幅梁段先起吊橫梁側(cè)分塊，再起吊風(fēng)嘴側(cè)分塊，匹配調(diào)梁方法同左幅梁段，參見圖2。采用一臺(tái)400 t大型履帶吊，履帶吊的地基承載力和抗傾覆的驗(yàn)算均滿足相關(guān)施工規(guī)范要求。

3 分塊吊裝數(shù)值模擬

由于鋼箱梁分幅分塊吊裝，僅模擬單幅鋼箱梁分塊吊裝。由于風(fēng)嘴不參與結(jié)構(gòu)受力，局部計(jì)算模型中不考慮風(fēng)嘴的作用。

計(jì)算采用通用有限元軟件ANSYS，鋼箱梁板件采用SHELL63單元模擬。模型約束分塊梁段頂板吊點(diǎn)位置節(jié)點(diǎn)的三向位移自由度。計(jì)算過程中僅考慮鋼箱梁結(jié)構(gòu)自重，并考慮1.3倍沖擊系數(shù)。分塊吊裝有限元分析模型如圖4所示。

圖4 分塊吊裝有限元分析模型

3.1 頂板應(yīng)力

對(duì)梁段頂板應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)于橫梁側(cè)梁段頂板，縱橋向應(yīng)力最大值為67.1 MPa，橫橋向應(yīng)力最大值為75.4 MPa，Mises應(yīng)力最大值為71.3 MPa；對(duì)于風(fēng)嘴側(cè)梁段頂板，縱橋向應(yīng)力最大值為58.5 MPa，橫橋向應(yīng)力最大值為78.0 MPa，Mises應(yīng)力最大值為70.3 MPa。梁段頂板應(yīng)力滿足JTG D64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。

3.2 底板應(yīng)力

對(duì)梁段底板應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)于橫梁側(cè)梁段底板，縱橋向應(yīng)力最大值為-40.1 MPa，橫橋向應(yīng)力最大值為-54.9 MPa，Mises應(yīng)力最大值為49.5 MPa；對(duì)于風(fēng)嘴側(cè)梁段底板，縱橋向應(yīng)力最大值為-30.1 MPa，橫橋向應(yīng)力最大值為-35.0 MPa，Mises應(yīng)力最大值為34.0 MPa。梁段底板應(yīng)力滿足JTG D64—2015的要求。

3.3 橫隔板應(yīng)力

對(duì)梁段橫隔板應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)于橫梁側(cè)橫隔板，橫橋向應(yīng)力最大值為51.6 MPa，豎橋向應(yīng)力最大值為162.3 MPa（最大應(yīng)力位于吊點(diǎn)處），Mises應(yīng)力最大值為147.5 MPa；對(duì)于風(fēng)嘴側(cè)橫隔板，橫橋向應(yīng)力最大值為43.1 MPa；豎橋向應(yīng)力最大值為146.3 MPa（最大應(yīng)力位于吊點(diǎn)處），Mises應(yīng)力最大值為133.7 MPa。梁段橫隔板應(yīng)力滿足JTG D64—2015的要求。

3.4 吊裝變形

鋼箱梁分塊吊裝變形見圖5。可知，橫梁側(cè)梁段吊裝變形最大值為1.70 mm，風(fēng)嘴側(cè)梁段吊裝變形最大值為1.97 mm，滿足JTG D64—2015的要求。

圖5 鋼箱梁分塊吊裝變形（單位：mm）

除上述計(jì)算結(jié)果外，針對(duì)F梁段分塊還計(jì)算了鋼結(jié)構(gòu)加工廠臨時(shí)連接成整體吊裝工況、梁段擱置在運(yùn)梁船支撐結(jié)構(gòu)上運(yùn)輸工況。經(jīng)計(jì)算，各工況下梁段各部分應(yīng)力與變形計(jì)算結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)及JTG D64—2015的要求。

該分塊吊裝方案已在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，取得圓滿成功。

4 結(jié)語

輔助墩鋼箱梁段分塊設(shè)計(jì)減小了吊裝重量，使其可采用小型履帶吊機(jī)施工，避免了大型履帶吊機(jī)站位和現(xiàn)場(chǎng)建筑物之間的沖突。分塊吊裝施工保證了現(xiàn)場(chǎng)施工的連續(xù)性，提高了施工工藝的可操作性及經(jīng)濟(jì)性。數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證了臨時(shí)連接整體吊裝、運(yùn)梁船運(yùn)輸、分塊吊裝等工況下施工的安全性和可行性。梁段分塊設(shè)計(jì)與施工確保了項(xiàng)目整體進(jìn)度，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。