鋼桁梁橋分段滑移、懸臂安裝組合施工關(guān)鍵技術(shù)

周 映 陳慧娜 許英英 徐閩濤 詹 瀟

浙江中天恒筑鋼構(gòu)有限公司 浙江 杭州 310008

鋼結(jié)構(gòu)橋梁因其自重輕、強(qiáng)度高、環(huán)境友好、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)被越來(lái)越多地運(yùn)用于實(shí)際工程之中。相較于普通鋼箱橋依靠自身箱體承力，鋼桁梁橋的主桁架為其主受力構(gòu)件，可根據(jù)所需跨度調(diào)整桁架高度，從而確保鋼桁梁橋具有更大的剛度及跨越能力，但鋼桁梁橋的現(xiàn)場(chǎng)施工仍受制于場(chǎng)地條件、施工組織以及交通管制等因素。為此，本文介紹了某鋼桁梁橋分段滑移、懸臂安裝組合施工方法的關(guān)鍵點(diǎn)，可為今后類似項(xiàng)目的施工提供借鑒[1-6]。

1 工程概況

1.1 工程概況

某運(yùn)河大橋上跨運(yùn)河，運(yùn)河為Ⅴ級(jí)航道，通航凈空45 m×5 m，同時(shí)東西兩側(cè)均上跨主要道路。運(yùn)河大橋主橋采用（42.5＋80.0＋42.5） m三跨連續(xù)鋼桁梁橋，正交異性鋼橋面，引橋?yàn)檠b配式部分預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁；下部結(jié)構(gòu)為柱式墩、墻式臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。全橋跨徑組成為（3×25.0）＋（42.5＋80.0＋42.5）＋（3×25.0） m，總長(zhǎng)323.16 m（圖1）。

圖1 上跨運(yùn)河的連續(xù)鋼桁梁橋效果圖

1.2 鋼結(jié)構(gòu)概況

鋼桁梁橋沿縱向設(shè)2片主桁架，主桁中心距24.5 m。2片主桁之間設(shè)車行道鋼箱梁。主桁采用變高三角形桁式，共19個(gè)節(jié)間。上、下弦桿為焊接箱形截面，腹桿為焊接H形截面。節(jié)段間對(duì)接處下弦桿上翼緣板采用焊接，腹板、下翼緣板上弦桿、腹桿均采用栓接。車行道鋼箱梁橋面采用正交異性板，頂板厚16 mm，底板除邊跨壓重段板厚為24 mm外，其余均為14 mm。頂?shù)装迳显O(shè)U形縱向加勁肋，局部采用板肋加勁。鋼箱梁設(shè)2道縱腹板，腹板厚14 mm。每約3 m設(shè)1道橫隔板，橫隔板靠近主桁處厚16 mm、中間厚14 mm，壓重區(qū)域橫隔板厚20 mm（圖2）。

圖2 鋼桁梁橋縱向剖面示意

2 施工重難點(diǎn)及方案選擇

2.1 施工重難點(diǎn)

2.1.1 線形控制難度高

本工程節(jié)段間主桁架對(duì)接處下弦桿腹板、下翼緣板、上弦桿、腹桿、箱梁縱向腹板、翼緣、頂板縱肋采用均為栓接，施工精度要求高。而線形控制分縱向、橫向和豎向線形（即三維空間）控制，控制因素復(fù)雜，涉及安裝方法、安裝順序、安裝溫度、焊接工藝等方面，需綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)施工條件選擇施工工藝。

2.1.2 封航封道限制

鋼桁梁橋上跨運(yùn)河為Ⅴ級(jí)航道，航道運(yùn)輸繁忙，施工期間通航凈空要求為45 m×5 m，施工過(guò)程中不得設(shè)置支架影響通航，且不得長(zhǎng)時(shí)間占用河道。鋼桁梁橋上跨兩側(cè)道路均為沿運(yùn)河設(shè)置的交通主干道，施工過(guò)程中需保證交通順暢，不得長(zhǎng)時(shí)間封道施工。如何選擇相應(yīng)施工方案是本工程的一大難點(diǎn)。

2.1.3 管線數(shù)量多，施工困難

運(yùn)河兩側(cè)沿交通主干道的管線眾多，涉及高壓電線、電力通信、雨污水等管線，現(xiàn)場(chǎng)施工限制多，如何減少管線遷移、加固工作量，方便施工是本工程另一難點(diǎn)。

2.2 施工方案比選

本工程施工精度要求高，封航封道限制多，現(xiàn)場(chǎng)管線分布廣。如何選擇施工方案在滿足現(xiàn)場(chǎng)條件的同時(shí)，兼顧安全、質(zhì)量、進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)性要求，顯得尤為重要。為此，對(duì)3種施工方案進(jìn)行了比選。

2.2.1 自行式吊機(jī)安裝方案

優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟，安全性高，設(shè)備易租賃；方便靈活，工作效率高，轉(zhuǎn)場(chǎng)快。

缺點(diǎn)：施工便道受力要求高，措施量大，經(jīng)濟(jì)差；運(yùn)河內(nèi)搭設(shè)臨時(shí)措施影響船舶通航；對(duì)線路管道影響大。

2.2.2 龍門吊安裝方案

優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟，安全性高，設(shè)備易租賃；縱向覆蓋范圍大，起重量大。

缺點(diǎn)：臨時(shí)措施量大，經(jīng)濟(jì)差；運(yùn)河內(nèi)搭設(shè)臨時(shí)措施影響船舶通航；橫向覆蓋范圍小，兩端需設(shè)臨時(shí)大型堆場(chǎng)，影響施工組織；對(duì)線路管道影響大。

2.2.3 懸索吊安裝方案

優(yōu)點(diǎn)：對(duì)線路管道影響小；縱向覆蓋范圍大，起重量大；不影響河內(nèi)通航、陸上交通。

缺點(diǎn)：橫向覆蓋范圍小，兩端需設(shè)大型臨時(shí)堆場(chǎng)，影響施工組織；臨時(shí)索塔和纜索系統(tǒng)設(shè)計(jì)及施工要求高。

2.2.4 最終施工方案選擇綜合上述施工重難點(diǎn)以及各個(gè)施工方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最終采用邊跨構(gòu)件滑移安裝，中跨構(gòu)件無(wú)支架懸臂拼裝，跨中合龍的施工方式。

3 施工方案設(shè)計(jì)

3.1 總體施工思路

在主橋E0—E6及E0'—E6'節(jié)段下方布設(shè)臨時(shí)支架并設(shè)置通長(zhǎng)滑移軌道梁，運(yùn)河中不設(shè)支架以確保通航要求。采用1臺(tái)200 t起重船由兩端邊跨向中跨對(duì)稱架設(shè)、中跨合龍的方法安裝。其中，兩側(cè)邊跨及中跨E5E6、E5'E6'段鋼箱梁及下弦桿由200 t起重船分段起吊至臨時(shí)支架進(jìn)行拼裝，然后通過(guò)滑移機(jī)器人滑移至設(shè)計(jì)位置，其余中跨鋼箱梁使用200 t起重船進(jìn)行懸臂安裝。挑梁、主桁架腹桿及上弦桿等緊跟橋面構(gòu)件，采用100 t汽車吊安裝。具體方案如下：

第1步：200 t起重船吊裝E0E1、E0'E1'、E1E2、E1'E2'鋼梁至拼裝支架后，采用滑移機(jī)器人滑移至設(shè)計(jì)位置，配合100 t汽車吊吊裝對(duì)應(yīng)主桁腹桿及上弦桿。

第2步：按以上步驟施工到E4E5、E4'E5'節(jié)段后落梁。

第3步：安裝E5E6、E5'E6'鋼梁節(jié)段。

第4步：懸臂安裝E5E6—E8E9、E5'E6'—E8'E9'鋼梁節(jié)段，E9E9'跨中合龍。

第5步：線形調(diào)整及支座安裝后，卸載成形。

3.2 滑移機(jī)器人研發(fā)

邊跨施工時(shí)，采用200 t起重船將橫向分段的鋼箱梁構(gòu)件吊裝至臨時(shí)支架拼裝形成整體后，使用設(shè)備將鋼箱梁向上頂離臨時(shí)支架，滑移至設(shè)計(jì)位置后進(jìn)行精準(zhǔn)落梁，而傳統(tǒng)液壓頂推滑移設(shè)備無(wú)法滿足鋼箱梁滑移前的頂升作業(yè)以及鋼箱梁就位后的落梁精確度要求。最終自主研發(fā)滑移機(jī)器人（圖3）作為滑移設(shè)備進(jìn)行滑移施工，該滑移機(jī)器人內(nèi)置走行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)的控制器分別集成至一個(gè)總控制器進(jìn)行集成控制，使得滑移機(jī)器人可以同步啟停。同時(shí)，每臺(tái)滑移機(jī)器人配備相應(yīng)的分控制器以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)啟停，以確保在滑移過(guò)程中進(jìn)行單點(diǎn)調(diào)節(jié)，消除滑移誤差產(chǎn)生的影響。液壓系統(tǒng)控制三維千斤頂3個(gè)方向的移動(dòng)，從而對(duì)擬運(yùn)輸構(gòu)件進(jìn)行3個(gè)方向的位移調(diào)節(jié)，使得被移動(dòng)構(gòu)件在運(yùn)送過(guò)程中如遇到主體結(jié)構(gòu)尺寸偏差或構(gòu)件偏位等情況時(shí)，可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的空中頂升、尺寸微調(diào)和主體平移，避免構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)或臨時(shí)障礙物發(fā)生碰撞等。車架上設(shè)置帶自鎖穩(wěn)定的分配梁結(jié)構(gòu)，可與頂升設(shè)備配套使用，防止構(gòu)件受重心偏差或偶然沖擊時(shí)發(fā)生傾覆掉落等安全問(wèn)題，從而確保項(xiàng)目的順利實(shí)施及安全作業(yè)。

圖3 滑移機(jī)器人

3.3 落梁施工技術(shù)

待E4E5、E4'E5'鋼梁節(jié)段滑移就位，安裝上弦桿A4A5、A4'A5'及對(duì)應(yīng)的腹桿和兩側(cè)挑臂后，需將已完成的邊跨結(jié)構(gòu)落至設(shè)計(jì)標(biāo)高以上200 mm左右，以保證施工安全以及后期鋼梁無(wú)應(yīng)力合龍。具體施工方案如下：

第1步：對(duì)鋼箱梁桁梁節(jié)點(diǎn)位置處內(nèi)側(cè)，進(jìn)行臨時(shí)支撐施工。

第2步：拆除永久支墩處滑移軌道梁，并布置墊座及落梁千斤頂。

第3步：拆除臨時(shí)支撐短柱及滑移軌道后，通過(guò)千斤頂與墊座相互受力轉(zhuǎn)換，落梁至設(shè)計(jì)位置以上200 mm左右，永久支座提前布置，并在邊上設(shè)置臨時(shí)支座，臨時(shí)支座下鋪設(shè)聚四氟乙烯板以釋放水平位移。

第4步：重新對(duì)鋼桁梁節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行支撐。

3.4 懸臂安裝技術(shù)

本工程中跨構(gòu)件采用懸臂安裝的施工工藝，鋼箱梁安裝時(shí)在自重作用下往下?lián)锨式Y(jié)構(gòu)的縱向預(yù)拱需通過(guò)匹配件以及焊接碼板的措施反向人為抬高來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于邊跨結(jié)構(gòu)安裝完畢后進(jìn)行了落梁施工且又對(duì)鋼桁梁節(jié)點(diǎn)處重新進(jìn)行支撐，此時(shí)可將邊跨結(jié)構(gòu)視為滿堂支架支撐，其余中跨懸臂安裝的構(gòu)件只需通過(guò)施工模擬分析確定每個(gè)主桁架節(jié)點(diǎn)處的撓度后，反向抬升至設(shè)計(jì)線形即可。

具體分析結(jié)果為：安裝E6E7、E6'E7'時(shí)，E7/E7'節(jié)點(diǎn)下弦桿位置下?lián)现禐?2 mm左右，故E7/E7'節(jié)點(diǎn)抬高量為12 mm；安裝E7E8、E7'E8'時(shí)，E8/E8'節(jié)點(diǎn)下弦桿位置下?lián)现禐?2 mm左右，故E8/E8'節(jié)點(diǎn)抬高量為12 mm；安裝E8E9、E8'E9'時(shí)，E9/E9'節(jié)點(diǎn)下弦桿位置下?lián)现禐?9 mm左右，故E9/E9'節(jié)點(diǎn)抬高量為19 mm。

3.5 跨中合龍技術(shù)

本橋鋼梁的合龍施工順序?yàn)橄群淆堜撓淞杭跋孪覘U，然后合龍上弦桿和腹桿，最后合龍?zhí)舯邸?/p>

鋼箱梁合龍段E9E9'在加工制造前，與東西兩岸E8E9、E8'E9'節(jié)段進(jìn)行實(shí)測(cè)匹配制造，確保合龍段E9E9'節(jié)段與東西兩岸E8E9、E8'E9'節(jié)段環(huán)向接口匹配并采用負(fù)公差進(jìn)行加工。具體合龍段的吊裝施工步驟如下：

第1步：在中墩墩頂提前各布置2臺(tái)500 t落梁千斤頂。第2步：運(yùn)輸船及起重船到達(dá)指定水域拋錨定位。

第3步：起重船垂直起吊合龍梁段，當(dāng)合龍段頂?shù)陀谝训跹b梁段底10～20 cm的位置時(shí)，暫停提升。

第4步：觀察合龍段與端口的錯(cuò)位情況，通過(guò)邊墩處落梁千斤頂微調(diào)落頂來(lái)調(diào)整鋼梁線形，指揮200 t浮吊緩緩調(diào)整鋼梁位置，待合龍段位置與合龍口兩端鋼梁無(wú)干擾阻礙時(shí)，緩緩提升合龍段進(jìn)行合龍。

第5步：利用汽車吊站于橋面進(jìn)行上弦桿、腹桿及挑臂合龍。

第6步：復(fù)核全橋線形、鋼梁焊接和高強(qiáng)螺栓施工，確認(rèn)鋼梁荷載全部落于永久支座上，安裝支座螺栓后進(jìn)行支座灌漿，完成體系轉(zhuǎn)換。

4 施工模擬分析

由于施工過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)累積、非線性的成形過(guò)程，施工各階段的構(gòu)件應(yīng)力、支座反力、結(jié)構(gòu)變形等方面與原設(shè)計(jì)一次成形的結(jié)果存在一定差異。為保證過(guò)程施工安全，保證結(jié)構(gòu)安全富余度不因施工而降低，有必要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工過(guò)程模擬分析。

4.1 有限元模型

采用Midas軟件建立計(jì)算模型，鋼橋上下弦桿、腹桿均采用梁?jiǎn)卧瑯蛎娑我约巴屑軝M梁采用梁?jiǎn)卧舷旅姘宀捎冒鍐卧⒛Ｐ停斡谙孪覘U節(jié)點(diǎn)位置，荷載情況主要是鋼橋結(jié)構(gòu)自重。

使用生死單元法進(jìn)行施工階段模擬，有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型

1）邊界條件：施工過(guò)程中，臨時(shí)支撐以及永久柱墩處放水平方向位移，但為保證模型在計(jì)算時(shí)收斂，水平方向添加剛度較小的彈簧約束；完成體系轉(zhuǎn)換時(shí)，按設(shè)計(jì)圖紙?jiān)O(shè)置邊界條件。

2）荷載條件：結(jié)構(gòu)自重根據(jù)深化模型，自重系數(shù)取值為1.1；忽略施工過(guò)程中施工荷載以及水平荷載的影響。

4.2 施工模擬步驟

本次施工模擬步驟根據(jù)施工方案以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況共分10個(gè)施工階段（因?yàn)閷?duì)稱施工，僅模擬其中一側(cè)的施工情況）：安裝E0E1、E1E2橋面節(jié)段及上部結(jié)構(gòu)→安裝E2E3橋面節(jié)段及上部結(jié)構(gòu)→安裝E3E4橋面節(jié)段及上部結(jié)構(gòu)→安裝E4E5橋面節(jié)段及上部結(jié)構(gòu)→落梁，拆除部分臨時(shí)支架及拖拉設(shè)備→安裝E5E6橋面節(jié)段及上部結(jié)構(gòu)→安裝E6E7橋面節(jié)段及上部結(jié)構(gòu)→安裝E7E8橋面節(jié)段及上部結(jié)構(gòu)→安裝E8E9橋面節(jié)段及上部結(jié)構(gòu)→安裝E9E9'橋面節(jié)段及上部結(jié)構(gòu)，完成體系轉(zhuǎn)化。

4.3 結(jié)果分析

4.3.1 施工各階段臨時(shí)支撐反力值分析

由分析可知，支座反力在施工過(guò)程中的最大值出現(xiàn)在E9E9'橋面節(jié)段合龍階段，大小為1 165 t，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求的2 200 t，故能保證施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)安全；施工過(guò)程中支座反力未出現(xiàn)負(fù)值，即未出現(xiàn)向上拔力，可保證橋面施工中不產(chǎn)生傾覆。

4.3.2 施工各階段構(gòu)件應(yīng)力分析

由分析結(jié)果可知，從安裝E0E1、E1E2橋面節(jié)段及上部結(jié)構(gòu)到落梁并拆除部分臨時(shí)支架及拖拉設(shè)備，構(gòu)件應(yīng)力先逐漸增大而后逐漸減小且均處于較低應(yīng)力水平；安裝E5E6橋面節(jié)段及上部結(jié)構(gòu)時(shí)，中墩附近構(gòu)件應(yīng)力增大；施工過(guò)程中構(gòu)件最大應(yīng)力為165 MPa，小于設(shè)計(jì)要求，故能保證施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)安全。

合龍后結(jié)構(gòu)體系向設(shè)計(jì)狀態(tài)轉(zhuǎn)化，構(gòu)件最大應(yīng)力穩(wěn)定于157 MPa。

4.3.3 施工各階段結(jié)構(gòu)最大撓度分析

由分析結(jié)構(gòu)可知，施工至落梁并拆除部分臨時(shí)支架及拖拉設(shè)備時(shí)，鋼梁支撐狀態(tài)由滿堂支撐變換為簡(jiǎn)支支撐，結(jié)構(gòu)變形加大；安裝E5E6橋面節(jié)段及上部結(jié)構(gòu)和安裝E6E7橋面節(jié)段及上部結(jié)構(gòu)階段，由于懸臂安裝，邊跨跨中撓度變小；合龍后結(jié)構(gòu)體系向設(shè)計(jì)狀態(tài)轉(zhuǎn)化，中跨跨中結(jié)構(gòu)最大變形為47 mm。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)橋梁實(shí)際施工，剖析了該工程施工的重難點(diǎn)，分析了各個(gè)施工方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)實(shí)際采用的方案進(jìn)行了針對(duì)性闡述。所總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)可為今后類似工程提供參考。