鋼箱連續梁橋大節段吊裝施工設計計算分析

林 楨 楷

(廣東省公路勘察規劃設計院股份有限公司，廣東 廣州 510640)

鋼箱連續梁橋大節段吊裝施工設計計算分析

林 楨 楷

(廣東省公路勘察規劃設計院股份有限公司，廣東 廣州 510640)

以在建佛陳大橋為工程背景，從大節段吊裝施工階段主梁受力、變形情況，成橋狀態下主梁關鍵部位上下緣應力大小、成橋位移，鋼箱梁制造線形計算等幾方面內容與常規小節段懸拼施工進行對比分析，從設計計算方面論證了鋼箱連續梁橋中跨大節段整體吊裝施工方案的可行性，分析結論對同類橋型設計具有一定參考意義。

鋼箱連續梁，大節段吊裝，施工方案，設計

在鋼箱梁橋施工中借助橋面吊機進行小節段懸臂拼裝已具備成熟經驗，該法對吊裝設備要求較低且施工過程梁段坐標具有可調性。但不同于斜拉橋、懸索橋等橋型在施工過程中可以通過拉索的張拉力對梁段標高進行主動調整，鋼箱連續梁橋節段標高一旦出現誤差很難在后續施工中進行調整，線形控制難度較大。近年來，隨著吊裝機械設備的發展，大節段整體吊裝的施工方法得到越來越多的應用。相比小節段懸臂拼裝，該方法能大幅度縮短工期、降低施工風險，梁段在工廠內拼裝為大節段更有利于焊縫質量的保證[1]，同時也大大降低了主梁線形控制難度。

在大跨度鋼箱連續梁橋施工中，大節段整體吊裝施工方法使用較少，可借鑒工程經驗有限。在對該工法下主梁關鍵部位上下緣應力、變形及鋼箱梁制造線形等內容進行計算分析表明，佛陳大橋大節段整體吊裝施工方法主梁結構安全、施工過程中線形控制難度較小，設計方案具有可實施性及安全性。

1 工程概況及建模說明

1)工程概況。在建佛陳大橋為58.51 m+112.8 m+58.51 m=229.82 m三跨鋼箱連續梁橋，單幅橋寬15.75 m。主梁采用變截面箱梁，主墩墩頂鋼箱梁梁高5 m，墩頂等高梁段兩側15.4 m區段梁高從5 m按二次拋物線漸變至2.8 m，其余區段梁高為2.8 m。全橋共計25個設計梁段。該橋施工工藝為邊跨及墩頂梁段采用支架施工，中跨施工在南北岸MS1節段采用浮吊吊裝到位后，MS2～MS6～MS2在工廠合并為一個長82.8 m的大節段運輸到橋位，采用橋面提升架整體提升吊裝完成“中跨合龍”的施工方法。

2)建模說明。使用Midas Civil建立梁單元空間有限元施工階段模型(見圖1)，按照設計梁段劃分單元，全橋共劃分為380個單元，437個節點。主梁與橋墩間采用“彈性連接”并按照支座參數計算出各自由度方向剛度值以模擬支座作用，下部結構樁基底部固結，樁側采用土彈簧模擬樁土作用。

2 設計驗算結果分析

2.1 大節段起吊階段驗算結果

佛陳大橋中跨大節段吊裝長度為82.8 m，其起吊狀態相當于一個82.8 m的簡支梁，因此設計時應對該階段大節段主梁上下緣應力進行驗算。主梁上下緣應力如圖2，圖3所示，從圖中可以看出：起吊階段主梁上緣跨中最大壓應力為4.29 MPa，下緣跨中最大拉應力為80.7 MPa，均小于Q345qc的設計容許應力值。

大節段整體吊裝時，在自重作用下就發生變形，這是與常規小節段懸拼施工的最大差別。該階段大節段變形情況見圖4。

從圖4中可知，大節段吊裝時僅在自重作用下跨中就發生16.9 cm的下撓變形。大節段在吊裝時無法設置預拋高來抵消施工過程中的變形，這就要求其在工廠制造的過程中，將施工預拱度通過制造線形的方式預先考慮。

2.2 大節段施工成橋階段驗算

橋梁結構成橋內力狀態是一個隨著施工階段不斷變化的過程。換言之，成橋階段主梁的應力大小在很大程度上和施工方法是相關的。驗算大節段施工方法成橋階段主梁應力情況，從圖5，圖6可以看出，成橋階段主梁最大壓應力出現在墩頂截面下緣，為45.7 MPa，最大拉應力出現在主梁跨中截面下緣，為102.3 MPa。主梁應力水平處于安全范圍內。這說明了佛陳大橋大節段施工方法能保證結構受力安全，為施工實施提供理論依據。

將大節段成橋階段應力大小與常規小節段拼裝施工成橋應力大小進行對比，如表1所示。

表1 兩種施工方法主梁關鍵部位應力對比表(拉應力為正)

從表1可以看出：采用大節段整體吊裝施工能減小主梁上緣的應力水平，但減小的幅度有限；而大節段施工會大大增大主梁跨中截面下緣的拉應力水平，比采用小節段懸拼施工應力增加約8.3倍。可見，對常用大節段整體吊裝施工橋梁，應對主梁下緣應力進行詳細驗算，當節段長度超過一定范圍，該施工方法可能造成結構應力水平超出安全范圍而不適合采用。

將兩種施工方法主梁中跨在成橋階段的累計變形值進行對比，繪制出對比曲線圖如圖7所示。從圖7可以看出兩種施工方法中跨主梁變形規律不同，最大變形值點出現的位置也不同，但對大節段整體吊裝而言，主梁最大變形值出現在跨中為22.6 cm，比小節段懸拼最大變形值25.6 cm減小約11.7%。

2.3 大節段施工制造線形計算

施工過程中主梁的累計變形可以通過設置預拱度的方式來消除，而大節段整體吊裝施工無法像小節段懸拼那樣通過在施工拼裝過程中設置節段預拋高來實現。大節段的預拱度只能在工廠中通過制造線形的方式在制造拼裝就考慮進去，且出廠后具有不可調整性。大節段吊裝施工鋼箱梁制造線形計算原理和常規小節段懸拼鋼箱梁制造線形計算原理有所差異。對于常規懸拼施工，鋼箱梁制造線形是為了保證懸拼梁段設置預拱度后，梁段之間頂底板焊縫寬度始終處于合理的范圍內而考慮的，簡單的說，小節段施工的制造線形是梁段之間拼裝時無應力夾角的間接反映，制造線形和施工預拱度是兩個不同的概念[2]。而大節段懸拼施工由于施工過程中無法設置預拱度，所以只能在工廠提前將預拱度在制造時予以考慮，因此在計算時只需要計算出預拱度(包括施工預拱度和成橋預拱度值)并擬合成一條光滑的曲線即可，制造線形實質上就是預拱度。兩種不同施工方法中跨鋼箱梁制造線形計算結果如表2所示。從圖8可以看出，兩種施工方法制造線形是兩條變形規律不同的曲線，小節段施工制造線形是梁段間夾角的間接反映。在這里小節段拼裝夾角體現為頂板對齊底板開口的形式，因此其對應制造線形為開口向上的曲線。大節段吊裝施工制造線形是一條與設計線形規律類似的光滑曲線。

表2 兩種施工方法鋼箱梁制造線形計算結果對比表(1/2中跨) m

3 結語

1)大節段吊裝施工方法隨著節段長度的增加會大大增加成橋階段主梁下緣應力水平，設計計算應進行詳細驗算，避免因吊裝長度過長而造成結構應力水平超過安全范圍；

2)大節段吊裝施工有利于降低施工線形控制難度、保證梁段間焊縫質量，對工期較緊的項目而言能大幅度縮短工期。

[1] 張永濤，周仁忠，高紀兵.崇啟大橋大節段整體吊裝技術研究[J].公路，2011(10)：82-89.

[2] 吳 霞.談某橋梁吊裝施工技術[J].山西建筑，2013，39(36)：208-209.

[3] 孫立山.大跨度混合梁斜拉橋幾何控制計算方法[D].成都：西南交通大學碩士論文,2007:21-26.

Calculation analysis on large-section hoisting construction design of steel-box continuous beam

LIN Zhen-kai

(Guangdong Highway Survey & Planning Institute Co., Ltd, Guangzhou 510640, China)

Taking in-building Fochen bridge as the engineering background, the article compares major beam stress and deformation conditions at large-section hoisting stage, upper-lower beam stress, completed bridge displacement and steel-box-girder linear calculation to conventional small-section cantilever construction, and discusses the feasibility of large-section hosting construction scheme of steel-box-beam bridge from aspects of design and computation. Thus, the analysis conclusions will have certain referring meaning for similar bridge design.

steel-box continuous beam, large-section hoisting, construction scheme, design

1009-6825(2014)18-0220-02

2014-04-11

林楨楷(1986- )，男，助理工程師

U448.215

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