大跨鋼箱梁的整體吊裝施工和質量控制

許 飛

(太原市市政公用工程質量監督站，山西 太原 030012)

大跨鋼箱梁的整體吊裝施工和質量控制

許 飛

(太原市市政公用工程質量監督站，山西 太原 030012)

總結了大跨鋼箱梁的結構特點，介紹了大跨鋼箱梁吊裝施工中的三個主要階段，分析了整體吊裝法在施工過程中，通過線形控制和應力監測來實現大跨鋼箱梁在安裝過程中的質量控制，以滿足工程的精度、安全性和穩定性的要求。

鋼箱梁，結構特點，整體吊裝法，線形控制，應力監測

1 概述

當今社會的道路交通隨著城市一體化的進程加快而飛速發展，大跨徑橋梁作為道路交通的重要組成部分，在人們生活以及社會發展中變得越來越重要。隨著科技的發展，越來越多新穎的不同幾何結構、材料屬性以及截面形式的大跨徑橋梁被廣泛采用[1,2]。鋼箱梁就是其中最典型的一種橋梁結構，鋼箱梁由于其獨特的結構性能、力學性能和經濟優點，在橋梁工程中越來越受到重視。鋼箱梁在橋梁工程中的開始應用應該追溯到20世紀50年代，隨著薄壁結構(Thin-walled Structure)在理論模型計算、結構設計、數值仿真模擬和實驗驗證方面取得一系列的快速發展，并且鋼材在強度剛度穩定性方面的重大突破和工程施工技術與管理的逐漸完善，大跨鋼箱梁在橋梁工程的建設中得到了極大發展和廣泛應用[3，4]。在近年來我國橋梁建設中，一大批使用大跨鋼箱梁的結構新穎、吊裝施工復雜、強度計算難度高的大跨徑橋梁被建成，如香港后海灣大橋、上海長江隧橋、寧波西堠門大橋、多多羅大橋、蘇通大橋、南京長江三橋和杭州灣跨海大橋等(如圖1所示)。

2 大跨鋼箱梁的結構特點

鋼箱梁又叫鋼板箱形梁，是跨度較大橋梁常用的主要結構形式。鋼箱梁一般由面板(包括頂板和底板)、隔板(包括橫隔板和縱隔板)、腹板和加強肋等通過全焊接的方式連接而成。其中頂板為由蓋板構成的正交異性橋面板。鋼箱梁橋的橋頂板和縱向加強肋一般選用正交異性板，其隔板、腹板、橫向加強肋和底板一般選用薄鋼板，因而具有較大的抗彎剛度和抗扭剛度[2]。薄壁鋼箱梁橋集合了箱形截面結構強度高、抗彎剛度大、抗扭剛度大、防銹、設計美觀和維修成本低等優點，同時薄壁鋼箱梁與傳統裝配式混凝土梁相比，其重量減輕了30%～40%以上，大大減小橋梁下部的載荷[1]，并且與鋼桁架梁相比又節約了鋼材，降低施工成本。在相同載荷作用下，鋼箱梁與傳統裝配式混凝土梁、鋼桁架梁和鋼工字型梁相比，其能夠承受等量的正彎矩與負彎矩，因此根據鋼箱梁能較好發揮結構的材料性能，尤其可以廣泛應用于大跨度連續橋梁結構的橋梁工程、市政工程等領域[5]，如大跨度箱形梁橋、鋼結構廠房中的箱形吊車梁、高層建筑中的箱形轉換梁[4]，表1給出了鋼箱梁和工字型梁的性能指標對比。

表1 鋼箱梁和工字型梁的性能指標對比

鋼箱梁的結構主要有以下特點：

第一，箱形梁具有較大的抗彎和抗扭剛度，如箱形梁相比工字梁來說，兩者受到相同的扭矩作用下的最大剪力τmax分別為：

箱形梁：

(1)

工字梁：

(2)

其中，Mt為扭矩作用力；A為箱形截面面積；hmin為箱形梁最小壁厚；li為工字梁的腹板和翼緣的長度；hi為工字梁的腹板和翼緣的壁厚；hmax為工字梁的最大壁厚。箱形梁截面最大剪應力存在于最小壁厚處，而工字梁截面最大剪應力存在于厚度最大的長邊上。對于相同截面面積的箱形梁和工字梁，箱形梁的抗扭強度和剛度是工字梁的50多倍[6，7]。因此，箱形梁比工字梁具有更大的抗扭強度與剛度。

第二，薄壁鋼箱梁與傳統裝配式混凝土梁相比，截面尺寸較小，其重量減輕了30%～40%以上，大大減小橋梁下部的載荷，并且與鋼桁架梁相比又節約了鋼材，降低施工成本。

第三，鋼箱梁相比于其他截面形狀的梁，擁有包覆性閉合外形，有很好流線外形、美觀和穩定性。鋼箱梁防銹能力強，養護和維修成本較低。

第四，鋼箱梁建造速度快、吊裝效率高。鋼箱梁部件可采用工廠預制與拼裝、現場吊裝進行施工，這使工程施工進度得到提升。

3 大跨鋼箱梁的吊裝施工和質量控制

3.1大跨鋼箱梁的整體吊裝施工

大跨度鋼箱梁橋的施工方法很多，根據鋼箱梁結構特點、施工現場條件以及施工技術，常見的吊裝方法主要有五種：包括吊裝法(分段和整體吊裝法)、頂推法(分段和整體頂推法)、提升法(分段和整體提升法)、分段拼接法和整體平移法。不同吊裝方法有不同的施工特點、施工流程和施工要求，需要根據現場環境、施工場地、質量要求、施工周期和施工成本來綜合決定的。對于大跨度分段鋼箱梁橋來說，一般采用整體吊裝法。整體吊裝法施工是將整體鋼箱梁劃分為若干個子段，首先在工廠完成鋼箱梁子段的預制，將預制子段在工廠拼接成整體，將拼接好的整體在施工現場通過起吊設備吊至要求位置。整體吊裝法施工具有三個優點：第一，整體吊裝法施工靈活，鋼箱梁都是在工廠預制和拼接完成，不受氣候和外界環境的影響，可以保證施工周期。整體吊裝可以省去大量搭接腳手架和現場作業的時間。第二，整體吊裝法施工效率高，其可以減少傳統分段吊裝的現場拼接時間，吊裝完成后只需要拼接首尾兩端的鋼箱梁，提高工作效率。第三，整體吊裝法安全性相對高，拼接完成的鋼箱梁吊裝至要求位置后，只需要在兩端完成拼接，避免大面積的腳手架的搭建，且極大提高安全性。

大跨度鋼箱梁吊裝施工共分為三個階段：鋼箱梁的制作、拼接和起吊，鋼箱梁的調位施工和鋼箱梁的支座安裝。

1)鋼箱梁的制作、拼接和起吊。

鋼箱梁的制作和拼接在工廠完成，鋼箱梁子梁是通過將制作好的板、肋和梁焊接在一起，將子梁拼接成整體。然后在施工現場進行整體吊裝，在待安裝鋼箱梁接口處設置牛腿，在已安裝好的鋼箱梁接口處設置臨時支座，除首尾鋼箱梁段支撐在兩個主墩上外，其余鋼箱梁均一端支撐在主墩上，另一端則支撐在已安裝好的鋼箱梁接口處設置臨時支座上。以此類推。

2)鋼箱梁的調位施工。

鋼箱梁的調位施工主要包含首跨鋼箱梁安裝、中間跨鋼箱梁安裝和尾跨鋼箱梁安裝三個步驟。首跨鋼箱梁安裝起始兩個橋墩之間，第一橋墩為過渡墩，第二橋墩為中間墩，通過調節橋墩支座與鋼箱梁梁底滑移支座及墊板在水平方向和豎直方向安裝匹配。中間跨鋼箱梁一端安裝在中間墩，另一端通過牛腿與已安裝鋼箱梁臨時搭接，以此類推安裝。尾跨鋼箱梁安裝與中間跨鋼箱梁的安裝方法相同。

3)鋼箱梁的支座安裝。

鋼箱梁支座安裝分為臨時調位支座安裝和永久支座安裝。在安裝過程中使用臨時調位支座支撐，當鋼箱梁安裝就位且滿足精度和線形要求時，撤出臨時調位支座支撐，將鋼箱梁轉換在永久支座，待所有支座轉換體系完成后，進行永久支座墊石灌漿，墊石灌漿完成后支座安裝完成。

3.2大跨鋼箱梁的質量控制

雖然整體吊裝法施工具有很多優點，但是也有很多難點，主要表現在三個方面：第一，整體吊裝法施工對鋼箱梁預制和拼接精度要求較高。第二，整體吊裝法在現場施工階段的受力復雜，線形控制難度大，外界環境(如溫度、濕度和風力)對吊裝影響大。第三，整體吊裝法對起吊設備要求高，包括吊裝設備的精度、穩定性都對工程質量產生影響。

必須要滿足工程的精度、安全性和穩定性的要求。主要通過線形控制和應力監測來實現大跨鋼箱梁在安裝過程中的質量控制。為了使鋼箱梁達到設計線形，需要進行鋼箱梁端部轉角控制、控制鋼箱梁線形制造誤差、考慮溫度、濕度和風力對鋼箱梁吊裝的影響、合理控制支座的偏移值以及控制鋼箱梁安裝后的變形誤差。鋼箱梁結構的應力監測是大跨鋼箱梁在安裝過程中質量控制的主要內容之一，它是施工過程的安全預警系統。應力監測應用于整個工程階段，需要選取在鋼箱梁、牛腿、支座和橋墩等不同位置處布置應力測點，對于每處的應力測點分別布置三個方向(水平方向、豎直方向、45°方向)的應變花，先測量不同位置的初始應力值，隨著工程進度的不同，測量不同工程進度下各應力測點的應力值，通過一定的理論方法得到各處的應變值，保證每個測點的應變值都在工程許用范圍之內，如果超出工程許用范圍，那么需要對工程進度和安裝方式進行改進以達到工程許用范圍。

4 結語

大跨鋼箱梁具有截面結構強度和抗彎扭剛度高、設計美觀和維修成本低等優點，在橋梁建設中得到了廣泛應用。總結了大跨鋼箱梁的結構特點，分析了大跨鋼箱梁吊裝施工中的三個主要階段。分析了整體吊裝法在施工過程中，通過線形控制和應力監測來實現大跨鋼箱梁在安裝過程中的質量控制，以滿足工程的精度、安全性和穩定性的要求。該研究對大跨鋼箱梁的施工具有一定的指導意義。

[1] 葉洪波.鋼箱梁計算分析及經濟比選[J].西南公路,2015(4):137-139.

[2] 方 遠.大跨連續鋼箱梁橋大節段吊裝施工控制研究[D].杭州:浙江大學,2014.

[3] RA Khan,TK Datta.Probabilistic risk assessment of fan type cable stayed bridges against earthquake force[J].Journal of Vibration and Control,2010,16(6):779-799.

[4] 陳紹游.大跨度鋼箱梁的制作與分段吊裝技術研究與應用[D].重慶:重慶大學,2005.

[5] 鄭浩楠.鋼箱梁制造與拼接關鍵技術問題研究[D].廣州:華南理工大學,2015.

[6] JR Hutchinson.Shear coefficients for Timoshenko beam theory[J].Journal of Applied Mechanics,2001,68(1):87-92.

[7] Hutchinson JR.On Timoshenko beams of rectangular cross-section[J].Journal of Applied Mechanics,2004,71(3):359-367.

Overallliftingconstructionandqualitycontroloflargespansteelboxbeam

XuFei

(TaiyuanMunicipalPublicEngineeringQualitySupervisionStation,Taiyuan030012,China)

The structural characteristic and three main stages of the overall lifting construction of the large span steel box beam are analyzed. The quality control of the large span steel box beam in the overall lifting construction process is obtained thought the linear control and the stress monitoring to meet the requirements of accuracy, security and stability in the engineering application.

steel box beam, structural characteristic, overall lifting method, linear control, stress monitoring

1009-6825(2017)32-0165-02

2017-09-08

許 飛(1984- )，男，工程師

U448.213

A