鋼箱梁上跨既有高速公路施工技術要點研究

摘要 為了提高上跨既有高速公路的鋼箱梁施工質量，文章以泉南高速公路改擴建新增清流縣桐坑互通及連接線項目為研究對象，經過施工方案對比，選擇了臨時支撐分段吊裝方案。隨后，從鋼箱梁節段劃分、加工、預拼裝、涂裝、運輸、吊裝等環節闡述了施工要點。最后，利用Midas Civil軟件建立臨時支架的計算模型，分析了其在不同工況下的應力和變形，并分析了臨時支架的施工和拆除要點，研究成果可為類似鋼箱梁項目施工提供理論指導。

關鍵詞 鋼箱梁；上跨高速公路；施工要點；工程案例；計算模型

中圖分類號 U445.46文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）23-0063-04

0 引言

隨著高速公路網絡的不斷完善，越來越多的橋梁施工需上跨高速公路，在很大程度上提高了施工難度。近年來，鋼箱梁橋因具有重量強、強度大、承載能力高等優勢，在公路橋梁中的應用日益廣泛。如果鋼箱梁橋施工質量控制不當，會給橋梁運營帶來巨大的安全隱患。目前，鋼箱梁施工常用方法有分段頂推法、懸臂拼裝法、分段吊裝法等，其中分段吊裝法的施工優勢最大^[1]。因此，該文主要針對分段吊裝法來研究鋼箱梁上跨既有高速公路施工技術要點。

1 鋼箱梁上跨既有高速公路施工方案比選

1.1 工程概況

1.1.1 建設標準

泉南高速公路改擴建新增清流縣桐坑互通及連接線項目位于三明市清流縣溫郊鄉桐坑村，屬于省、市重點建設項目。該項目包括互通立交工程、連接線工程，其中桐坑互通采用“A形單喇叭”方案，A匝道2號橋和桐坑大橋均上跨泉南高速公路。互通區主線設計速度為100 km/h，建設標準為高速公路，雙向四車道；互通區內的5條匝道總長度為2.2 km，設計速度為40 km/h，建設標準為二級公路，路基寬度9～19.5 m不等；連接線工程全長5.7 km，設計速度為40 km/h，建設標準為二級公路，雙向兩車道，路基寬度為8.5 m。

1.1.2 鋼箱梁橋設計參數

桐坑互通A匝道2號橋起訖樁號為AK0+527.500～AK0+598.000，橋長為70.5 m，上部結構為1×56 m單箱三室簡支鋼箱梁橋，梁高2.63 m，橋面寬16.5 m。橋臺采用樁基U臺，橋臺處設置D-80伸縮縫、L=8 m搭板，基礎采用矩形承臺接灌注樁基礎。

桐坑大橋起訖樁號為K1+239.575～K1+299.575，橋長為60 m，上部結構為1×50 m簡支鋼箱梁橋，梁高為2.43 m，寬9.5 m，橋臺采用樁基U臺，基礎采用矩形承臺接灌注樁基礎。

鋼箱梁橋的具體設計參數見表1。

1.1.3 鋼箱梁橋建設條件

項目所在區域的地貌單元主要有剝蝕丘陵及山間沖洪積溝谷地貌，整體地勢北低南高，即路線起點低，沿著路線前進方向逐漸抬升，在路線終點達到最高。項目所在區域屬亞熱帶季風氣候，四季分明，年降雨量大，年均降水量為1 771.3 mm，主要集中在4—6月。同時，沿線水系較發達，雨季水位暴漲，山洪多發。

1.2 施工方案比選

由于鋼箱梁橋上跨高速公路，施工難度大、施工工藝復雜，結合實際情況，該文比選了架橋機逐跨安裝、頂推、臨時支撐分段吊裝等方案，具體見表2^[2]。

經對比，擬選擇施工費用低、施工工期短、對交通干擾小的分段吊裝方案來施工鋼箱梁橋，關鍵施工步驟如下^[3]：①鋼箱梁分成若干節段后，其體積減小，吊裝重量少，故將鋼箱梁橫向分塊、縱向分節后加工構件；②預拼裝無誤后按節段運輸至現場進行總拼吊裝，吊裝工藝如圖1所示；③在上跨高速公路上設置臨時支撐，分階段拼裝鋼箱梁階段；④施工結束后，及時拆除臨時支撐。

2 鋼箱梁橋施工要點分析

2.1 鋼箱梁橋節段劃分

2.1.1 節段劃分原則

結合相關研究成果，鋼箱梁節段劃分應堅持以下原則^[4]：①受力簡單。鋼箱梁節段劃分應選在剪切力、彎矩較小的位置；②尺寸合理。鋼箱梁節段尺寸劃分應合理，不宜過大或過小。如果節段過小會增加現場施工工作量和施工難度，節段過大會增加運輸難度，對沿線道路的損傷嚴重；③焊接簡單。減小鋼箱梁的焊接難度，鋼箱梁劃分應橫向+縱向相結合。

2.1.2 節段劃分結果

根據A匝道2號橋和桐坑大橋鋼箱梁的實際寬度及實際運輸條件，將鋼箱梁在橫斷面上分為3段、縱向分為4段，即每個鋼箱梁均劃分為12段，編號均為L1～L12，如圖2所示。

鋼箱梁橋節段劃分完成后，統計了各個節段的尺寸和重量。A匝道2號橋所有節段的高度均為2.63 m；節段L1、L4、L7、L10的寬度均為4.9 m，節段L2、L3、L5、L6、L8、L9、L11、L12的寬度均為5.8 m；節段L1、L2、L3的長度為15.66 m，節段L4、L5、L6的長度為14 m，節段L7、L8、L9的長度為13 m，節段L10、L11、L12的長度為13.16 m。

桐坑大橋的節段L1、L4、L7、L10高度為2.6 m，寬度為5.8 m；節段L2、L3、L5、L6、L8、L9、L11、L12的高度為0.516 m，寬度為1.85 m；節段L1、L2、L3的長度為13.66 m，節段L4、L5、L6的長度為14 m，節段L7、L8、L9的長度為12.039 m，節段L10、L11、L12的長度為10.223 m。

2.2 鋼箱梁構件加工和節段預拼裝

2.2.1 構件加工

鋼箱梁橋所有構件都應在加工廠加工，鋼板下料時鋼板不能有裂紋、破損等缺陷，且板件要保持平直、光滑。否則，應磨去鋼板邊緣的飛刺、掛渣等^[5]。此外，坡口應采用自動或半自動切割方式，嚴禁手工切割，切口尺寸和允許偏差應滿足現行規范要求。

2.2.2 節段初拼裝

構件加工完成后要結合相關圖紙詳細核對零件編號、外形尺寸、坡口方向等信息，核對無誤后按底板→橫隔板→腹板→頂板→懸挑構件順序將板件組成梁段^[6]。

出廠前要對相鄰節段在胎架上預拼裝，胎架長度應大于5個梁節段長度。拼裝前要徹底清除待焊區域50 mm內的鐵銹、氧化鐵皮、水分、油污等有害物，使構件表面顯露出金屬光澤。

2.3 鋼箱梁節段涂裝

2.3.1 涂裝要求

鋼箱梁結構涂裝前要除銹，除銹等級取Sa3.0級，且除銹4～8 h內完成涂裝工作。由《公路橋梁鋼結構防腐涂裝技術條件》（JT/T 722—2023）可知，鋼箱梁各部位所處環境不同，涂裝方案也不同，具體涂裝要求如下：對于直接暴露于大氣中的鋼箱梁外表面，涂裝耐久性≥20年；橋面板表面的涂裝層要有良好的附著力，需工地焊接的焊縫兩側各5 cm范圍內不必在工廠涂裝，現場施工后再涂裝。

2.3.2 涂裝方案

基于上述要求，總結了A匝道2號橋和桐坑大橋梁體各個部位的涂裝方案，見表3^[7]。

車間進行涂裝施工時，梁段應預留一部分不做涂裝，以免影響現場焊接。現場焊接完成后，該部分應重新修磨、除銹，并按上述方案進行涂裝。

2.4 鋼箱梁節段運輸

鋼箱梁節段宜采用公路運輸方案，在運輸前要勘察運輸線路，確保路線可通行性好，并向交通運輸管理部門報批。為了保證運輸安全，防止鋼箱梁節段在急轉彎、上下坡等段失穩，節段堆放不超過兩層，墊板設置在同一水平面上（支點受力更均勻），采用“順八”字和“逆八”字將節段捆扎牢固。

鋼箱梁節段運輸應選在夜間或清晨交通量小的路段，以減少對正常交通的影響，且運輸時車輛勻速前進，車速控制在20～25 km/h。此外，在夜間運輸鋼箱梁時，運輸車輛需懸掛警示燈，設備四周需粘貼反光膜，從而提示其他夜行車輛，防止發生安全事故。

2.5 鋼箱梁節段吊裝

2.5.1 吊裝機械

為了保證鋼箱梁節段的吊裝質量，吊裝機械選擇時應堅持以下原則：①安全性原則。選用的吊裝機械的吊裝能力要有一定安全系數，嚴禁用起重能力小的起重機超負荷吊裝重量大的構件；②經濟性原則。吊裝機械的安全系數不宜過大，不宜使用臺班費機械，以更好地控制施工成本；③便捷性原則。技術人員應結合施工現場情況確定吊車位置、起吊最大高度、回轉半徑等，優先采用單機吊裝方案。

經比選，A匝道2號橋和桐坑大橋的節段均采用“1臺350 t汽車吊+1臺25～50 t汽車吊”的吊裝方案，臂長31 m，吊車半徑分別為14 m、16 m，額定起吊重量分別為68 t、78 t。考慮1.25倍動載系數后，吊裝機械的吊裝能力均能滿足施工要求。

2.5.2 吊耳和鋼絲繩驗算

鋼箱梁節段吊裝時，建議將吊耳焊于鋼箱梁頂面并增設加勁板。吊耳要有足夠的承載力，其安全性驗算可從抗剪強度和抗拉強度兩方面開展，見式（1）和式（2）^[8]：

式中，N₁、N₂——吊耳所受的拉力和剪切力（kN）；A_s——吊耳受力截面積（m²）；f_y、f_v——吊耳的抗剪強度和抗拉強度（MPa）；γ——安全系數。

鋼絲繩主要承受拉應力，只驗算抗拉強度即可，見式（3）：

式中，N₃——鋼絲繩所受拉力（kN）；A_g——鋼絲繩總截面積（m²）；f_g——鋼絲繩抗拉強度（MPa）。

2.5.3 吊裝要求

A匝道2號橋和桐坑大橋鋼箱梁吊裝時先吊中間、再吊內側、最后吊外側，具體吊裝為L1→L2→L3→L4→L5→L6→L7→L8→L9→L10→L11→L12。

鋼箱梁段起吊時，應在整體梁段離車板50～100 mm時停車，檢查梁塊的平穩度是否符合組裝要求，并觀察承壓地面是否有下沉跡象，各條鋼絲繩受力是否均衡，是否能滿足載荷的要求。在確認無安全隱患后才能正式起吊。

梁段吊裝要安排專職人員指揮，且信號明確清晰，梁段提升或下降過程要保持勻速，嚴禁急剎車，吊臂旋轉，變幅時應緩慢起步。為了控制鋼箱梁標高、線形等，吊裝前宜在臨時支架橫梁上增設擋塊。

鋼箱梁定位完成后，應及時將鋼箱梁與支座臨時焊接固定，箱梁兩側使用方木作為頂撐，頂撐角度與水平面夾角宜取70°～75°。同時，為了避免焊接應力過大，導致鋼箱梁結構破壞，應按下述順序焊接箱梁節段：腹板的立對接焊縫→底板的平對接焊縫→頂板的平對接焊縫→對接焊縫探傷合格后，焊接縱肋。

2.6 臨時支架

2.6.1 臨時支架安裝

鋼箱梁安裝時需在泉南高速上搭設臨時支架，臨時支架的立柱采用9×φ630 mm的鋼管柱，平聯為2×25a，鋼管柱頂部采用720 mm×720 mm×14 mm樁帽結構，并設置反光標志。由于A匝道2號橋的1號支架和2號支架距離分段邊線較遠，在鋼箱梁挑臂分段底板處增設了一個臨時斜撐。

在地面上將鋼管柱同平聯斜撐焊接完成后，采用25 t汽車吊整體吊裝安裝，并在安裝時動態監測其平面位置和垂直度。鋼管樁接高時的頂標高應保持一致，否則應在樁頂設置鋼墊塊、薄鋼板等調整頂標高。此外，鋼箱梁橋施工前要對臨時支架進行預壓，防止地基土出現過大的明顯不均勻沉降，影響施工安全。

如果臨時支架施工期間突遇大風、暴雨、起霧等惡劣天氣，臨時處理完畢后迅速撤離施工現場，并電話通知監控分中心，加強施工預警，增派安全巡邏人員和交通疏通人員^[9]。

2.6.2 臨時支架驗算

該文利用邁達斯軟件內置的梁單元建立臨時支架的計算模型，如圖3所示，分析了其在不同工況下的應力和變形。

計算臨時支架應力和變形的荷載組合取“結構自重荷載+活載（人員、施工機械等重量）+風荷載”，并考慮1.2倍的安全系數。同時，臨時支架采用Q235鋼材，其計算參數取值如下：彈性模量取210 GPa、剪切模量取81 GPa、泊松比取0.3、抗拉強度取205 MPa、抗彎強度取205 MPa、抗剪強度取120 MPa、屈服應力取235 MPa、熱膨脹系數取0.000 012。

臨時支架的應力和變形計算結果如圖4所示。

圖4計算結果表明，單側箱體吊裝后、雙側箱體吊裝后所對應的臨時支架最大應力分別為135.8 MPa、149.6 MPa，均小于Q235鋼材的容許應力（205 MPa）；最大變形分別為9.8 mm、12.6 mm，均滿足設計要求值，這說明臨時支架的布置方案是合理可行的。

2.6.3 臨時支架拆除

支架拆除前要清理干凈臨時支架上的材料，并設置警戒標志。隨后，利用千斤頂將鋼箱梁脫空，按“后裝先拆，先裝后拆”的順序拆除臨時支架，即臨時支架的拆除順序與安裝順序相反。

由于臨時支架拆除存在風險，需對施工人員開展專門培訓，確保其了解拆除原則、拆除步驟等。拆除期間，應安排專職安全人員監督，嚴禁施工人員高空拋擲，長立桿、斜桿等拆除應至少兩人配合作業，且不宜中途換人。同時，宜安排貨車在拆除作業面旁等待，盡量做到“隨拆、隨裝、隨運”，避免影響正常交通。對于拆卸后的鋼管柱，應重復利用，以降低施工造價。

3 結論

該文以泉南高速公路改擴建新增清流縣桐坑互通及連接線項目為研究對象，主要研究了上跨既有高速公路鋼箱梁的施工要點，得到了以下幾個結論：①上跨高速公路的鋼箱梁施工難度大，宜選擇施工費用低、施工工期短、對交通干擾小的分段吊裝方案；②鋼箱梁節段劃分應選在剪切力、彎矩較小的位置，尺寸不宜過大或過小，且橫向、縱向劃分相結合；③鋼箱梁節段加工后要涂裝外表面和橋面板來防銹，經預拼裝無誤后才能運輸至施工現場；④鋼箱梁節段吊裝前要從抗拉強度、抗剪強度等方面驗算吊耳和鋼絲繩，吊裝時先吊中間、再吊內側、最后吊外側；⑤臨時支架安裝前可用有限元軟件驗算其應力和變形，且拆卸時嚴格遵循“后裝先拆，先裝后拆”的原則。

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收稿日期：2023-10-13

作者簡介：李丹（1983—），男，本科，工程師，從事路橋施工與監理工作。