云碧峰大橋大跨連續剛構鋼桁梁施工關鍵技術分析

錢利，段坤朋，王煒萍，呂驊昕，王浩，趙成杰

（浙江中天恒筑鋼構有限公司，浙江 杭州 310008）

隨著交通運輸事業的發展，我國對市政橋梁的需求越來越迫切，大跨度鋼結構橋梁常常作為跨越水域、山谷地帶的交通樞紐[1-2]。隨著設計與施工技術的不斷提高，我國市政領域大跨徑鋼結構橋梁開始向橋型不斷豐富化、結構不斷輕型化、注重環境保護等方向發展。其中大跨連續剛構鋼桁梁橋結構以其受力好、質量輕、滿足較高強度和剛度要求等優點[3]，成為跨越河流、深溝峽谷的理想橋型。

云碧峰大橋為大跨連續剛構鋼桁梁橋，采用曲線橫向變高式空間鋼桁梁和空間型網架式橋墩，加工制造、安裝施工難度較大。本文依托云碧峰大橋項目，對其關鍵施工技術進行總結分析。

1 工程概況

云碧峰大橋位于江西省上饒市云碧峰公園北側，是云碧峰和信江濕地公園的重要工程，橋梁工程由主橋、引橋、南岸及北岸聯絡道梯道四部分組成。云碧峰大橋主橋橫跨信江，跨徑布置為65m+120m+65m，橋梁全長250m。橋梁橫向分三幅布置，包括車行橋及東、西兩側輔橋，車行橋橋面寬8.0m，東、西輔橋橋面寬均為4.5m。車行橋平面為直線，東、西輔橋道路中心線平面為曲線，曲線半徑為850m。

主橋為連續剛構鋼桁梁橋，上部結構采用曲線橫向變高式空間鋼桁梁，順橋向、橫橋向均對稱。全橋橫向由四榀鋼架桁組成，車行橋桁高2.5～7.9m，東、西輔橋桁高2.0～6.9m，各桁架間通過上、下平聯連接，形成整體結構體系。主橋主墩為空間型網架式橋墩，與承臺間設鋼混結合段過渡，承臺上部為網狀鋼支腿，邊墩為混凝土橋墩。

主橋翼板板厚為20～45mm，腹板板厚為20～30mm，主橋上下弦桿和腹桿鋼結構采用Q420qD、Q345qD 鋼材。車行橋上、下弦桿由矩形斷面構成，尺寸為1200mm×1000mm～1200mm×700 mm，輔橋上、下弦桿由平行四邊形斷面構成，尺寸為1200mm×1000mm～1200mm×700mm。車行橋上、下平聯之間設置3 道小橫梁，采用“工”字形變高斷面。橋面為正交異性鋼橋面板，車行橋橋面板厚16mm，東西輔橋橋面板厚12mm。

圖1 效果圖

2 工程難點

主橋鋼桁梁構造復雜，受公路運輸條件和工地吊裝要求的制約，單片桁架需按節點和上下弦分塊，合理進行加工分段和吊裝分段以及確保施工過程的可靠性是工程難點。

東西輔橋各由一榀桁架承重，桁架上、下弦桿由平行四邊形斷面構成。單榀主桁架位于傾斜面內，在主跨跨中、邊跨跨中傾斜面與豎直面夾角40°，在中墩墩頂傾斜面與豎直面夾角25°，在邊墩墩頂傾斜面與豎直面夾角40°，部分節點連接桿件夾角變化較大，局部結構復雜，制造難度大。

主橋網狀鋼支腿安裝精度要求高，且主橋整體長度較長，構件及節點復雜，線形控制難度大。

3 主要施工技術

3.1 東西輔橋鋼桁梁加工制造

東西輔橋上下弦桿為平行四邊形截面，沿橋長方向呈圓弧曲線形，各節點分段組拼。東西輔橋上下弦桿加工方法為采用下料時預留焊接收縮余量，然后設置組拼胎架，在組拼胎架上采用倒裝法組拼。

平行四邊形弦桿采用倒裝法組裝，將頂板單元吊裝在組拼胎架上定位，于隔板與腹板交叉部位將胎架水平板與頂板單元進行定位焊。在橋頂板上劃出部件定位線，放置U 型肋、橫隔板等進行定位焊，使橋頂板、橫隔板、腹板形成框架，最后安裝底板單元。平行四邊形弦桿焊接順序為①→②→③，如圖4所示。

圖2 平行四邊形弦桿組拼胎架示意圖

圖3 平行四邊形弦桿焊接順序示意圖

圖4 預拼裝胎架

3.2 線形控制技術

3.2.1 信息化預拼裝利用XSTEEL 軟件對構件進行整體建模，確定整體坐標系，選定控制點。提取單個構件模型，建立局部坐標系，提取其上各控制點的局部坐標。

在工廠設置橋體前半聯胎架，采用分配梁上部設置短柱的方法來調整局部高度。制作完成后，將加工完成的構件在胎架上進行預拼裝[4]，通過全站儀測量實體中控制點的坐標。

將實體中控制點坐標返回到軟件建立的模型中，對模型進行修正[5]，使其與構件的實際形狀相符。

最后，將修正后的各單個構件模型放回到整體模型中，此時整體模型中各接口間的情況為實體預裝的實際情況。通過信息化預拼裝微調后續構件的模型，確保構件制作精度及接口部位間隙符合規范要求。

3.2.2 橋體預拱度值確定

為確保主橋線形符合設計要求，必須在深化時考慮預拱度[6]，由于主橋分段及構件自重大、安裝過程復雜等原因，需考慮加工、安裝過程中各種荷載對成橋線形的影響。主橋預拱度除考慮設計預拱度外，還需考慮加工預拱度及安裝預拱度。

圖5 車行橋鋼桁梁預拱度

加工預拱度考慮胎架沉降、板與胎架的不貼合情況、焊接變形。按照經驗進行估值，約為1/2000×分段長度。

安裝預拱度考慮安裝時構件自重造成的撓度影響以及支撐架造成的不可調沉降等。支撐架沉降根據《建筑樁基技術規范》（JGJ 94-2018）5.5.14確定。

計算車行橋及東西輔橋主桁上下弦預拱度如圖6所示。

圖6 輔橋鋼桁梁預拱度

3.2.3 施工過程中的線形控制

在臨時支撐架分配梁上設置調節短柱，安裝后利用全站儀對節點坐標進行復測，通過調節短柱和千斤頂調整序坐標偏差，校正合格后方可進行焊接。

3.3 主橋施工技術

主墩網狀鋼支腿采用龍門吊并結合支架法架設，主橋鋼桁梁采用大節段支架法拼裝。現場搭設臨時支撐架，通過汽車運輸的加工節段在現場拼裝胎架，并在拼裝成大節段后通過龍門吊吊裝到位。主墩網狀鋼支腿采用龍門吊并結合支架法架設。

3.3.1 網狀鋼支腿施工

承臺施工時設置預埋件，待承臺澆筑完成后，在承臺上設置HW300×300型鋼斜撐用于支撐網狀鋼支腿。網狀鋼支腿安裝時先采用碼板與鋼混承臺牛腿連接，并使用千斤頂進行定位調整。待測量定位完成，網狀鋼支腿之間采用橫梁及斜撐進行連接，連接完成后卸載千斤頂并焊接鋼支腿。

圖7 網狀鋼支腿施工

3.3.2 鋼桁梁施工

3.3.2.1 確定鋼桁梁分段

①工廠加工分段

工廠加工分段考慮便于運輸及避開應力高峰區的原則，主橋加工分段采用構件的長度不超過16m、寬度不超過3m，盡量避開跨中的1/3 跨長的方式分段。

②吊裝分段

吊裝分段考慮現場構件堆放區域的大小、單片桁架的構造、臨時支撐架搭設位置、現場兩臺80t 龍門吊的額定吊重及工廠加工分段。

3.3.2.2 現場安裝

主橋鋼桁梁施工通過工廠加工節段運至現場拼裝后，采用兩臺龍門吊進行分段安裝。根據鋼桁梁分段位置，現場設置28 個臨時支撐架。主橋鋼桁梁在拼裝場地拼裝完成后，采用龍門吊進行分段吊裝至臨時支撐架上，完成合攏段施工后卸載支撐架進行受力體系轉換。車行橋跨中段ZC-10 及東西輔橋跨中段ZF-11 采用2 臺龍門吊雙機抬吊，其余采用1臺龍門吊單機吊裝。

主橋鋼桁梁施工順序是先進行6#墩～7#墩及8#墩～9#墩構件吊裝，再進行跨中段構件吊裝，最后進行合攏段構件吊裝。6#墩～7#墩、8#墩～9#墩的吊裝順序為網狀鋼支腿墩處的下弦桿吊裝→下弦桿之間的平聯安裝→上弦桿及腹桿組合構件安裝→往東西方向對稱吊裝其余桁架構件。合攏段及中間段的吊裝順序為先安裝單榀桁架，后安裝之間的平聯。

圖10 支撐架平面布置圖

圖11 合攏段龍門吊雙機抬吊安裝

3.3.3 施工過程分析

3.3.3.1 主橋鋼桁梁安裝過程分析

運用MIDAS/Civil 有限元計算軟件建立主橋模型，對主橋安裝過程中6 個工況進行模擬分析。安裝過程如下：

圖12 現場施工圖

①安裝車行橋MQ7 墩南側三節點的下弦桿以及平聯；

②安裝車行橋MQ7 墩南側三節點的上弦桿以及橋面板；

③安裝車行橋MQ7 墩位北側三節點的桁架及橋面板；

④安裝輔橋MQ7 墩桁架及平聯和MQ8墩桁架和橋面板；

⑤安裝中間段南側鋼桁梁；

⑥安裝中間段鋼桁梁；

⑦安裝合攏段鋼桁梁；

⑧安裝剩余結構。

圖13 主橋有限元模型

通過計算分析可知，采用該施工方案，主橋最不利工況為工況⑥，在最不利工況下主橋鋼桁梁最大位移為14.257mm，小于鋼結構設計規范中要求的安全范圍；最大應力為90.5N/mm2，小于Q345qD 鋼材的彎曲容許應力。

3.3.3.2 主橋支撐架計算

本工程主橋鋼桁梁分段處共設置28 個臨時支撐架，支撐架立柱采用圓管630×10，采用雙排柱支撐形式，高度根據橋底標高調整，ZCJ-A 及ZCJ-C，原鉆孔平臺的樁不拆除，用作支撐架的樁。

運用3D3Sv14.0 軟件對支撐架進行建模計算。恒荷載采用軟件自動計算的支撐架自重，活荷載按最不利位置計算的上部鋼桁梁及橋面板重量、水平方向0.1 倍動力荷載、水平方向的水流力。荷載組合為1.3 恒荷載+1.5 活荷載、1.35 恒荷載+0.7 活荷載。通過計算得到所有支撐架最大應力比、最大位移均滿足要求。

3.3.4 卸載過程分析

主橋結構安裝完成后進行支撐架卸載，完成受力體系轉換，需對卸載點的支撐反力、位移變化和結構構件內力變化進行計算分析，確保主橋結構及支撐架的可靠性。

圖14 最不利工況計算結果圖

圖15 支撐架模型

3.3.4.1 主橋鋼桁梁卸載過程分析

主橋采用的卸載順序：①卸載12#、13#支撐→②逐步向兩側卸載，卸載11#、14#支撐架→③卸載10#、15#支撐架→④卸載7#、8#、9#支撐架和16#、17#、18#支撐架→⑤卸載1#、2#、3#支撐架和22#、23#、24#支撐架→⑥卸載10～16#、19～21#支撐架，以及ZCJA～ZCJ-D。

運用MIDAS/Civil 有限元計算軟件對6 個卸載工況下的主橋進行施工模擬分析。通過計算分析可知，采用該卸載方案，主橋最不利工況為工況⑤卸載支撐架1#～3#、22#～24#階段，在最不利工況下主橋鋼桁梁最大位移為59.420mm，最大應力為57.280N/mm2，符合規范要求。

圖16 最不利工況計算結果圖

3.3.4.2 主橋支撐架計算

通過對主橋支撐架卸載過程的模擬分析，提取最不利（11#、14#支撐架卸載完時，10#、15#支撐架的支座反力）支座反力，可知輔橋最大支座反力為629kN，車行橋最大支座反力為1126kN。采用3D3Sv14.0 軟件對支撐架進行驗算，計算結果滿足要求。

4 結語

本文分析總結了云碧峰大橋項目主橋施工關鍵技術。項目通過對曲線平行四邊形斷面桿件采用倒裝法組拼焊接；采用信息化預拼裝、支撐架上設調節短柱、增加加工和安裝預拱度的方式進行線形控制；采用型鋼斜撐支架法安裝網狀鋼支腿，同時根據實際條件對鋼桁梁優化加工、吊裝分段，確定施工方法、施工順序，并對主橋施工過程和卸載過程進行有限元分析，確保施工技術的可行性。本項目成果克服曲線空間變高鋼桁結構、平行四邊形斷面桿件的加工制作、安裝困難，網狀鋼支腿施工以及橋梁線形控制難等問題，為后續類似項目提供寶貴經驗。