山區公路曲線橋高墩大跨度鋼箱梁整體提升施工技術研究

0 引言

近年來，隨著交通強國戰略的實施，我國公路網密度增加，樞紐工程數量增長。我國地形以多丘陵山區為主，山區面積占國土面積近 70% 。山區溝谷縱橫，地勢起伏較大，樞紐工程[1-2為達到互通立交的目的，以曲線高架橋的形式矗立在地勢復雜場地。曲線梁不同于直線梁，受力復雜，特別是小半徑的曲線梁，屬于典型的空間結構體系，施工及運營期間會產生較大扭矩，混凝土橋梁已無法滿足安全要求。與混凝土梁相比，鋼箱梁具有自重輕、承載能力大、施工快、環境影響小、曲線適應性強等優勢，適用于大跨度橋梁和小半徑曲線橋，在樞紐工程中得到廣泛的應用[3-4]。鋼結構力學性能好的前提是制作要精細，鋼箱梁在大型工廠制作是確保其質量的重要措施。由于山區公路運輸條件差，道路曲折彎道多，不適合大節段成品鋼箱梁的運輸，需將鋼箱梁劃分為若干小節段工廣加工焊接、然后運輸至現場進行焊接成型。鋼箱梁的施工方法主要有支架法[5-6]、頂推法[7-8]等。隨著大噸位起吊設備的出現、自動信息化和數控液壓設備的不斷發展，在部分鋼箱梁工程中采用了同步提升技術，但主要應用于跨河海橋梁，可充分利用水運的優勢，而針對陸地鋼箱梁橋梁整體施工系統設計及施工方法研究仍較少。山區樞紐工程采用節段吊裝支架法施工時，臨時支墩搭設高度大，對材料用量大及材料性能要求高，在施工安全和施工成本方面存在較大的局限性。山區地勢起伏不定，很多情況下場地受限無法采用頂推法，而樞紐工程對跨越既有道路安全及工期要求較高，有必要尋求施工工藝上的突破，提出高效安全的施工方法。

本文結合依托工程，提出一種高墩大跨鋼箱梁低位拼裝整體提升施工方法，鋼箱梁小節段運輸至現場后，先在地面原位拼裝焊接成型，再利用安裝于邊跨上的懸臂提升架體，配備可靠設備，將拼裝焊接成型的大節段鋼箱梁整體提升合龍成橋。

1工程背景

某山區樞紐互通D匝道橋的第二聯橋跨越既有道路采用連續鋼箱梁，其跨徑布置為 57m+76m+57m 橋面寬度為 10.5m ，平面曲線半徑為 2200m ，橫坡為2% ，縱坡為 3.438% ，橋墩采用實心方墩加蓋梁形式。橋位處中跨地面較平坦，橋梁中跨上跨26m寬環城大道，與路線交叉角度為 27^° 。橋梁立面及平面布置圖如圖1所示，鋼箱梁橫斷面如圖2所示。

圖1橋梁布置圖

圖2鋼箱梁橫斷面圖

由于項目中的既有道路是進出該山區中心城市的唯一通道，道路兩側的橋墩較高，施工期間既有道路的安全面臨嚴峻挑戰。為此，項目所在地交通部門要求橋梁施工期間既有道路可半封閉，若要全封閉道路需要開辟臨時道路且只能限時30 d.

2橋梁低位拼裝大噸位整體提升技術

根據項目所在地交通部門的要求，施工期間分兩個階段開展安全預防措施：（1）道路兩側橋梁基礎和橋墩施工時采用半幅路限速通行措施；（2）橋跨施工時，在橋位周邊開辟臨時道路限速通行，封閉既有道路作業，時間 ? 30d。在嚴苛的工期及要求條件下，技術人員提出邊跨支架法和中跨整體提升法的新型鋼箱梁施工技術，即利用高大支架施工完成邊跨及中跨懸臂部分（懸臂長度為3.45m）的鋼箱梁架設，在地面上按設計線形及預拱度要求將中跨（69.1m長鋼箱梁，重443t）拼裝焊接成為整體，在兩端已吊裝完成的鋼箱梁上安裝懸臂提升架和提升設備系統試吊脫離胎架、精準調整姿態后整體提升 ，就位后與懸臂段對接合龍連接形成整體，完成體系轉換。圖3為該項目鋼箱梁的施工布置圖。

圖3鋼箱梁施工布置圖

2.1低位拼裝平臺設計及鋼箱梁拼接

根據鋼箱梁設計圖和橋位處場地條件，進行低位拼裝平臺設計。拼裝平臺由混凝土條形基礎和支撐架鋼管組成（見圖4），標高根據鋼箱梁設計圖的平豎曲線、縱橫坡、設計預拱度和施工預拱度等進行設計，同時平臺要進行地基承載力及支撐架的強度驗算。

平臺安裝并驗收合格后按設計節段順序吊裝鋼箱梁，吊裝過程中用儀器復核各點位精準調整到位后點焊連接縫和工藝碼板固定，施焊嚴格執行焊接工藝文件和該橋設計圖紙及相關規范的要求，焊接完成后對焊縫進行外觀檢查和無損檢測。

圖4低位拼裝平臺布置圖

2.2提升系統設計

低位拼裝后的大跨度鋼箱梁重443t，整體提升42.5m到設計標高后與已架設好的其他跨鋼箱梁連成整體。實現上述目標的關鍵一環是安全高效的提升系統設計。提升系統由提升設備和懸臂提升架組成。

2.2.1提升設備選擇

提升設備是為滿足整體提升需要而設置的。考慮整體提升施工的特殊性，提升設備選擇具備良好自鎖和同步性能的產品，以確保提升施工的連續性和提升過程結構的平穩，市場上多款液壓同步千斤頂設備均能滿足此需求，具體型號根據項目實際提升重量選擇。項自根據模型計算每端懸臂提升架的提升橫梁上布設2臺TS200D-300提升頂（公稱拉力為200t，提升行程為300mm），1 臺CPDY14-2D數控提升泵站；兩端共布設4臺千斤頂、2臺CPDY14-2D數控提升泵站；在總控室布設1臺主控臺（計算機控制系統）；提升鋼索采用 1×7 15.24mm鋼絞線，根據鋼箱梁重心偏心情況，外弧吊點配置16根鋼絞線，內弧吊點配置12根鋼絞線。

2.2.2懸臂提升架設計

懸臂提升架設計時，為了避免高大臨時支墩的諸多不利效應，采用懸臂提升架體，安裝于已經完成安裝的邊跨橋面上。充分考慮依托工程鋼箱梁設計截面特點，懸臂提升架遵循杠桿原理，由懸臂梁、前枕梁、后枕梁、提升梁、后錨系統組成的型鋼組合架體，通過后壓梁和精軋螺紋鋼將整個提升架錨固于已架設完成的鋼箱梁底部，由鋼箱梁自重平衡提升段的重量。懸臂提升架的工作示意圖見圖5，提升架示意圖見圖6。

懸臂梁是懸臂提升架的主要受力構件，共設4根，長度根據構件受力分析后確定，縱向布置于鋼箱梁腹板正上方；懸臂長度不宜過大，懸臂梁采用 H 型 + 板型鋼組合截面，截面尺寸由計算確定。

枕梁為懸臂梁的分配梁，將懸挑梁的荷載傳遞至鋼箱梁上，采用雙拼I56a工字鋼，共設兩根，長度由懸臂梁的布置確定。枕梁間距為5.5m，前枕梁作為懸臂梁的支點，布置于鋼箱梁懸臂段的端部橫肋上方，對應懸臂梁位置。設置加勁板進行加強，加勁板尺寸由計算確定。

后壓梁是懸臂提升架的后錨系統組成部分，設置雙后壓梁，采用雙拼I56a工字鋼截面，兩個工字鋼翼板的間距為 60mm ，以便 ?50 精軋螺紋鋼錨桿通過。上下翼板采用 350mm×150mm×20mm 鋼板進行焊接連接，連接板縱向間距為1m。

提升梁作為提升設備的直接支撐梁，承受鋼箱梁荷載，采用雙拼I56a工字鋼截面。兩個工字鋼翼板間距為140mm ，便于提升索通過，上下翼板采用20mm鋼板作為綴板通長連接加固。綴板中心對應吊索位置機械開設140mm圓孔，用于提升索通過。提升梁上方安裝液壓千斤頂提升設備。

錨固梁設置于鋼箱梁箱室內部，采用雙拼I36a工字鋼截面，兩個工字鋼翼板的間距為 140mm ，便于提升索通過，兩個工字鋼上下翼板采用20mm鋼板作為綴板通長連接加固，綴板中心對應吊索位置機械開設140mm圓孔，用于提升索通過。錨固梁兩端與鋼箱室腹板采用對接焊縫焊接固定，并加設加勁板焊接增強錨固。

后錨錨固梁采用雙拼I56a工字鋼截面，截面形式同后壓梁，設置于鋼箱梁底板， ?50 mm精軋螺紋鋼穿過鋼箱梁箱室后錨固于后錨錨固梁底部。為確保鋼箱梁剛度，錨固梁布置位置靠近箱梁大橫隔斷面。

圖5提升架體工作示意圖

圖6懸臂提升架模型圖

2.3提升系統作業過程和鋼箱梁施工及運營階段的力學分析

低位拼裝大噸位整體提升技術屬于高空作業，工藝復雜，提升過程中提升索和懸臂提升架在各個階段的力學性能和鋼箱梁在施工及運營階段的力學性能滿足現行規范要求是成功的關鍵。因此，必須對提升系統作業過程和鋼箱梁施工及運營階段的力學性能進行分析。利用有限元技術[9-10]開展力學分析具有精度高、效率高的特點，廣泛應用于土木工程的全生命周期分析。對結構體系進行分析時精度和準確性受邊界條件、單元類型、荷載施加方式及有限元軟件自身特點影響，建議至少采用3種有限元模型進行驗證性分析。

在實施過程中，利用橋梁博士（設計院模型）、MidasCivil和MidasFEA三個軟件對項目鋼箱梁提升過程及運營階段分別進行建模，分析了在結構自重荷載、溫度荷載、提升荷載、風荷載等組合效應下的鋼箱梁、提升設備及支架的應力和變形。三個模型的施工階段和運營階段的分析結果均在國家現行規范規定的范圍之內，說明施工臨時設施和鋼箱梁的安全性。此外，三個模型在施工階段的分析結果互相存在差異，并與現場測試結果相比最大偏差為 25% 。

2.4低位拼裝大噸位整體提升技術關鍵工藝

為保證合龍精度，確保合龍后鋼箱梁結構符合設計及規范要求，施工中應對關鍵工序進行嚴格控制。

2.4.1低位拼裝施工放樣

低位拼裝成型鋼箱梁的線形，包括平面線形和立面線形應符合設計及規范要求，并充分考慮施工預拱度，在施工放樣時應嚴格復核。以成橋的線形反算低位拼裝時的線形，采用AutoCAD、BIM等技術進行空間模擬，確定低位拼裝各塊段的坐標和高程。

2.4.2精準合龍控制

合龍精度是合龍成敗的關鍵，也是確保該技術施工成敗的關鍵。鋼箱梁拼裝加工時應充分考慮溫度、提升變形引起的梁長偏差和合龍端口轉角量，以保證合龍口焊縫尺寸符合設計及規范要求。鋼箱梁斷面一般由頂板、底板和多塊腹板組成，合龍時需要嚴格匹配對接，對接質量將直接影響橋梁結構安全，應將偏差控制在設計和規范要求的范圍內。因此，對于邊跨和提升段合龍端口斷面尺寸要嚴格復核，相互匹配，控制錯邊量。

2.4.3鋼箱梁整體提升

提升系統安裝完成檢測合格后即可進行試提升、姿態調整、整體提升、精準合龍焊接。采用1.25倍荷載試吊，按五級加載開始提升鋼箱梁，使其上升0.3m后停止提升，靜置約2h，進行各項檢查和檢測，收集相關參數數據，對提升段端部長度精準對接切割，控制在1cm以內。超重卸載完成后，在整體提升段面板上放樣邊跨懸臂端口投影點，并測量標高，根據設計縱坡和橫坡，測量組收集相對四個角的標高和平面位置大小樁號側邊跨端口標高差和橫坡，確定提升段的縱坡和橫坡，并將測量結果反饋至提升設備操作組，根據數據進行姿態調整。調整時以一側相對的測量值為基準，另外側位置的調整值根據測量值和計算值時進行單個千斤頂手動調整。調整完成后再次測量復核和調整，直到符合要求為止。姿態調整完成后，啟動提升系統同步提升，同時利用監測系統實施監測為提升系統提供調整依據并及時采取措施防止意外發生。各小組人員按工作部署要求全程在崗，各司其職，發現異常及時報告總指揮及時妥善處理，確保同步提升準確至合龍。

2.4.4 合龍施工

合龍施工宜采用一天中溫度較低 （20° ）的時間段進行，提升至合龍的位置，由作業人員對頂板、腹板和底板做標記并復核無誤后精準切除。縫隙控制在設計及規范允許范圍內，提升就位并精準調整后鎖死提升系統，合龍口臨時固結。合龍口對接焊接在20 C 時進行，焊接順序為：中腹板 $$ 邊腹板 $$ 底板 $$ 橫肋 $$ 頂板。焊縫檢測合格后進行卸載，提升系統拆除，體系轉換提升完成。

2.5技術先進性分析

在滿足施工安全及結構受力的前提下，評價一項技術的先進性，施工進度和施工措施費是最重要的因素。

該項目中支架法用時預計73d，而整體提升法18d，施工 詳細的措施費見表1。

表1支架法與整體提升法施工措施費對比表 單位：萬元

由表1可知，支架法的措施費用為162.35萬元，而整體提升法則為116.38萬元，與前者相比，后者措施費降低了45.97萬元。支架法用時73d無法滿足交通管理部門規定的30d的要求，而整體提升法用時18d，完全滿足要求。

3結語

論文提出了一種適用于山區樞紐工程大跨高墩鋼箱梁橋的場地低位拼裝整體提升法，系統介紹了該方法的主要內容和關鍵工藝。通過實際工程驗證，表明所提方法與支架法相比，施工費用降低46.47萬元，工期節省55d，且滿足交通管理部門規定的封路期限。場地低位拼裝整體提升法具有先進性，可推廣至其他公路樞紐工程鋼箱梁的安裝施工。

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