大跨度斜拉橋輔助墩鋼箱梁段分塊吊裝設計與施工方案

余振

中鐵四局集團有限公司設計研究院，合肥230023

一座跨長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，塔上錨固采用同向回轉鞍座錨固系統，斜拉索采用同向回轉鋼絞線斜拉索系統。

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100 m協作跨。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）墩頂對應梁段（F梁段）長度為16.0 m，F梁段總質量約260 t。由于F梁段與墩身存在空間沖突，無法采用橋面吊機從橋下起吊，須搭設高支架，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］。而該長江大橋南岸邊跨位于淺水區，運梁船無法停靠，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為：利用800 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支架上→調整梁段位置及姿態→安裝臨時橫梁→安裝墩頂永久支座→解除支座臨時約束→將梁段向岸側預偏，待輔助墩梁段的前一梁段安裝完成后再將該梁段向江側頂推、匹配、焊接［2］。

根據現場吊裝模擬，可采用兩種吊裝方案。方案一：采用一臺履帶吊進行吊裝，至少需一臺750 t吊機；方案二：采用兩臺履帶吊抬吊安裝，至少需兩臺400 t吊機［3］。方案一施工空間與現有建筑物、大堤坡面等沖突，且預約租賃難度大，運輸、安裝周期長，經濟性差，不推薦采用。方案二運輸難度大，現場可利用場地較小，組拼難度大，吊機站位與現有建筑物等沖突，且影響浮吊連續性施工，本身存在閑置時間，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，采用單臺小型履帶吊機單側站位吊裝。因此要將F梁段進行分塊，以減小吊裝重量。履帶吊單側站位吊裝F梁段位置關系如圖2所示。

圖2 履帶吊單側站位吊裝F梁段位置示意（單位：m）

2 梁段分塊設計與施工方案

2.1 分塊設計原則

鋼箱梁的分塊運輸、吊裝常用于市政鋼箱梁橋，在大跨度鋼箱梁斜拉橋中的應用鮮見報道。市政鋼箱梁橋因為存在運輸限制，多選用橫橋向分塊。本橋若采用縱橋向分塊，會增加一道橫向焊縫，且由于橫梁、支座加勁等的存在，縱向無法進行均勻分割，因此采用橫橋向分塊［4］。分塊設計遵守以下原則：

1）結合結構特點進行分塊，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開布置，避免上下形成通縫。

3）結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）符合整個結構的吊裝工藝和經濟性，滿足施工操作要求，且盡量少浪費起重機等資源。

2.2 F梁段分塊設計方案

根據上述分塊原則，經與設計、施工、監控、鋼箱梁制造廠家等單位對接溝通，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、底板利用現有板塊單元分割線，不新增焊縫，僅將橫隔板進行分割，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］。分塊后兩個梁段的質量分別為150 t（橫梁側）和110 t（風嘴側），如圖3所示。

圖3 F梁段分塊方案

2.3 F梁段運輸方案

為防止梁段在運輸、吊裝過程中產生變形，并方便梁段分塊后重新匹配，在頂板、底板、橫隔板的接縫處設置臨時連接。

1）在每道橫隔板位置的頂板接縫處設置一個馬鐙，在鋼箱梁總體拼裝時與鋼箱梁頂板臨時焊接，作為主要受力構件。為確保連接強度，在頂板分割線處設置間距500 mm的馬板作為連接強度儲備。頂板接縫上布置四道臨時匹配件，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度。頂板接縫上布置三道對拉螺桿，輔助分塊梁段閉合。

2）在每道橫隔板位置的底板接縫處設置一個馬鐙，在鋼箱梁總體拼裝時與鋼箱梁底板臨時焊接，作為主要受力構件。為確保連接強度，在底板分割線處設置間距500 mm的馬板作為連接強度儲備。底板接縫上布置四道臨時匹配件，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度。

3）在每道隔板接縫兩側均設置3個栓接連接件作為主要受力構件。為確保連接強度，在隔板分割線處設置厚16 mm、間距300 mm的馬板作為連接強度儲備。

在鋼結構加工廠將分塊梁段臨時連接成整體后，采用運梁船整體運輸。

2.4 F梁段吊裝方案

F梁段整體運至施工現場后，在船上將分塊梁段匹配件拆除，使用卷揚機或手拉葫蘆將梁段分開。根據梁段接縫結構特點，梁段拆分時必須平移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。

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機或手拉葫蘆在墩頂支架上橫向滑移至設計位置，并用三向千斤頂精確調整梁段姿態及軸線。履帶吊分塊吊裝右幅（上游）梁段，右幅梁段先起吊橫梁側分塊，再起吊風嘴側分塊，匹配調梁方法同左幅梁段，參見圖2。采用一臺400 t大型履帶吊，履帶吊的地基承載力和抗傾覆的驗算均滿足相關施工規范要求。

3 分塊吊裝數值模擬

由于鋼箱梁分幅分塊吊裝，僅模擬單幅鋼箱梁分塊吊裝。由于風嘴不參與結構受力，局部計算模型中不考慮風嘴的作用。

計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位置節點的三向位移自由度。計算過程中僅考慮鋼箱梁結構自重，并考慮1.3倍沖擊系數。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 頂板應力

對梁段頂板應力進行計算。根據計算結果，對于橫梁側梁段頂板，縱橋向應力最大值為67.1 MPa，橫橋向應力最大值為75.4 MPa，Mises應力最大值為71.3 MPa；對于風嘴側梁段頂板，縱橋向應力最大值為58.5 MPa，橫橋向應力最大值為78.0 MPa，Mises應力最大值為70.3 MPa。梁段頂板應力滿足JTG D64—2015《公路鋼結構橋梁設計規范》的要求。

3.2 底板應力

對梁段底板應力進行計算。根據計算結果，對于橫梁側梁段底板，縱橋向應力最大值為-40.1 MPa，橫橋向應力最大值為-54.9 MPa，Mises應力最大值為49.5 MPa；對于風嘴側梁段底板，縱橋向應力最大值為-30.1 MPa，橫橋向應力最大值為-35.0 MPa，Mises應力最大值為34.0 MPa。梁段底板應力滿足JTG D64—2015的要求。

3.3 橫隔板應力

對梁段橫隔板應力進行計算。根據計算結果，對于橫梁側橫隔板，橫橋向應力最大值為51.6 MPa，豎橋向應力最大值為162.3 MPa（最大應力位于吊點處），Mises應力最大值為147.5 MPa；對于風嘴側橫隔板，橫橋向應力最大值為43.1 MPa；豎橋向應力最大值為146.3 MPa（最大應力位于吊點處），Mises應力最大值為133.7 MPa。梁段橫隔板應力滿足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，橫梁側梁段吊裝變形最大值為1.70 mm，風嘴側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）

除上述計算結果外，針對F梁段分塊還計算了鋼結構加工廠臨時連接成整體吊裝工況、梁段擱置在運梁船支撐結構上運輸工況。經計算，各工況下梁段各部分應力與變形計算結果均滿足設計及JTG D64—2015的要求。

該分塊吊裝方案已在現場實施，取得圓滿成功。

4 結語

輔助墩鋼箱梁段分塊設計減小了吊裝重量，使其可采用小型履帶吊機施工，避免了大型履帶吊機站位和現場建筑物之間的沖突。分塊吊裝施工保證了現場施工的連續性，提高了施工工藝的可操作性及經濟性。數值模擬結果驗證了臨時連接整體吊裝、運梁船運輸、分塊吊裝等工況下施工的安全性和可行性。梁段分塊設計與施工確保了項目整體進度，取得了良好的經濟效應。