蘇嶺山大橋鋼梁架設方案比選研究

楊 蒙

(中鐵大橋局第七工程有限公司，湖北 武漢 430050)

1 工程背景

1.1 橋梁概述

蘇嶺山大橋是連接襄州區及東津區的重要快速通道，該橋北接航空路，南至金沙大道，跨越唐白河。主橋為下承式鋼桁拱橋，跨徑布置為70 m+240 m+70 m，鋼梁自重約為12 800 t。橋式布置見圖1。

主桁采用N型桁架，橫向兩片桁拱，中心間距38.2 m，上、下游拱肋桁片間設置有8道空間桁架式風撐。拱肋矢高54 m，矢跨比約為1/4.444。主桁拱肋跨中桁高7 m，中支點處桁高20.56 m，節間長度7.0 m。全橋共52個節間。邊跨各9個節間，中跨34個節間。主桁節點均采用焊接整體節點。上、下弦桿采用帶肋焊接箱形截面。腹桿采用箱形截面和H 形截面，橫梁采用工字形截面。主桁桿件除拱腳處部分的下弦桿和縱梁材質為Q390D鋼材，其余鋼材材質均為Q345D。

1.2 水文地質

橋址場地地形較平坦，橋位橫跨唐白河，河床開闊。襄陽屬亞熱帶季風型大陸氣候過渡區，四季分明、氣候溫和、降雨適中、雨熱同季等特點，年平均氣溫15.1 ℃～16.9 ℃。因橋位上下均有攔河壩，故此區域水位變化較小，最高通航水位+65.61 m，最低通航水位+62.32 m，常水位+62.73 m。場地巖土類型有：素填土、粉質粘土、淤泥質粘土、粉細砂、圓礫土、粉砂等。其中圓礫土適合作為橋梁基礎持力層且分布廣、土層較厚[1]。

2 工程特點及難點

1)根據本橋主桁結構設計特點，節點采用焊接整體節點。鋼桁拱采用整節段吊裝，其中單片拱肋節段最重140 t，風撐吊裝重量153 t，節段吊裝重量大。因此，鋼桁拱架設時所用的吊裝設備要求高。2)節段在工廠制造完成后，需經水路運輸至橋址水域，因運輸路線受沿途橋梁和水壩限高限寬影響，節段采用臥式運輸，運至現場后，水上翻身后起吊。3)鋼桁拱結構較為復雜；采用整體節點設計，焊接工作量大；邊跨采用拱梁結合設計；施工難度較大，構件拼裝定位精度直接影響成橋線形和過程中結構受力。4)鋼桁拱架設過程，先施工拱肋后安裝縱梁，拱肋合龍前，中跨為大懸臂吊裝施工。拱肋合龍后進行體系轉換，轉換成設計支座。需對施工過程進行模擬計算，控制各階段構件應力需滿足要求，成橋后線形需滿足設計要求。

3 鋼桁拱架設施工方案

根據本橋的工程特點，對本橋鋼桁拱架設擬定了三種可行方案。

3.1 方案一(采用纜索吊機懸臂架設)

主橋鋼梁利用纜索吊架設，邊跨拱肋在支架上拼裝，中跨懸臂架設，拱肋合龍后張拉臨時系桿，繼續架設中跨縱橫梁直至合龍。

1)安裝兩岸邊跨臨時支架，利用纜索吊在邊跨支架上吊裝邊跨鋼梁。2)利用纜索吊進行中跨鋼梁對稱懸臂架設至拱肋合龍前，通過兩側邊支點落梁和鹿門寺側鋼梁向跨中縱移調整合龍口位置進行合龍。3)邊跨起頂至設計高度，安裝臨時系桿，繼續利用纜索吊從邊跨向跨中依次吊裝吊桿及中跨縱橫梁。二次張拉臨時系桿，調整縱梁合龍口位置，進行縱梁合龍后，拆除臨時系桿。

3.2 方案二(采用架梁吊機架設+吊索塔架輔助)

邊跨起始節段采用龍門吊架設，其余節段采用全回轉架梁吊機從旁邊棧橋取梁架設，需吊索塔架輔助施工。

1)搭設邊跨棧橋，安裝棧橋上龍門吊、兩岸邊跨臨時支架，利用龍門吊在邊跨支架上吊裝邊跨鋼梁起始節段。利用龍門吊安裝架梁吊機，由架梁吊機完成邊跨剩余節段鋼梁架設。2)利用架梁吊機繼續進行中跨鋼梁對稱懸臂架設，至中跨第10節、15節間后，分別安裝并張拉第一、第二根吊索，直至拱肋合龍前，調整合龍口位置合龍。3)逐段安裝吊桿及中跨縱橫梁節段至縱梁合龍前，調整縱梁合龍口位置，進行縱梁合龍后，拆除臨時結構。方案二中，龍門吊機作為鋼桁梁起始節間及架梁吊機安裝的吊裝設備。為滿足龍門吊機工作要求，需在橋位上、下游設置棧橋。

3.3 方案三(采用纜索吊機架設+吊索塔架輔助)

主橋鋼梁利用纜索吊架設，邊跨拱肋在支架上拼裝，中跨采用吊索塔架懸臂架設，拱肋合龍后安裝吊桿，繼續架設中跨縱橫梁直至合龍。

1)安裝兩岸邊跨臨時支架，利用纜索吊在邊跨支架上吊裝邊跨鋼梁。

2)利用纜索吊進行中跨鋼梁對稱懸臂架設至拱肋第10節段，安裝并張拉吊索，繼續吊裝直至拱肋合龍前，鹿門寺側拱肋向跨中縱移，調整合龍口位置合龍拱肋。

3)繼續利用纜索吊從邊跨向跨中依次吊裝中跨縱橫梁及吊桿并張拉。兩側邊墩落梁調整縱梁合龍口位置，進行縱梁合龍后，起頂邊跨鋼梁至設計位置安裝正式支座。

4 方案比選

從結構受力、施工難度、經濟及工期等方面對本橋鋼桁拱架設的幾種方案進行綜合比選。

4.1 結構的受力分析

三種施工方案從架設設備上可分為兩種。方案一和方案三均由纜索吊吊裝，方案二由架梁吊機架設。從架設方式上也可分為兩種，方案一為懸臂施工，方案二和方案三采用吊索塔架輔助施工。施工中采用何種設備和方式對鋼梁和大臨結構受力影響差異明顯。首先方案二和方案三，同樣是導索塔架輔助施工，但方案二吊裝設備為拱上架梁吊機，必須考慮架梁吊機對結構應力和變形的影響；架梁吊機自重大，隨著鋼梁架設架梁吊機走行至跨中，引起鋼梁應力和變形比方案一逐漸增大，同時為保證中跨鋼梁拼裝至最大懸臂狀態穩定性滿足抗傾覆安全系數不小于1.3，需要在邊跨配置更多的壓重。

根據鋼梁架設方式的不同，計算出不同施工階段鋼梁應力、位移和索力，見表1，表2。

表1 方案一計算結果

表2 方案三計算結果

由表1，表2可見，架設方式對鋼梁的應力和撓度均有影響。其中方案三的鋼梁應力較小，最大壓應力約為149 MPa，最大拉應力約為144 MPa，方案三的鋼梁位移明顯比方案一的誤差小，鋼梁的線形和應力控制更優。且通過計算對臨時結構設計而言，方案一中的臨時系桿最大索力較方案三中吊索塔架吊索最大索力差異較小。

因此，從鋼梁強度和穩定性及大臨結構受力方面，方案一和方案三較方案二都更合適。

4.2 施工難度分析

方案一合龍調整措施：拱肋合龍口斷面上下弦縱向位移差，通過兩側拱肋落梁調整對稱、平行，縱向間距，通過向跨中縱移一側拱肋調整至合龍段長度，實現拱肋合龍?？v梁合龍口縱向間距，通過向邊跨縱移一側拱肋調整至合龍段長度，豎向位移，通過超張拉16號吊桿調整至對稱、平行，實現縱梁合龍。但落梁高度和縱移量均較大，對主墩頂與鋼梁之間豎向空間及主墩頂平面尺寸要求較高，否則墩身需要設置后澆段及較大的頂推反力架。

方案二架梁吊機吊裝重量需滿足要求。橫向兩片拱肋間距38.2 m，吊機底盤間距大；鋼梁節段最大重量約140 t，吊機吊重大，為適當減小吊機吊重，部分鋼梁節段需要拆分成桿件吊裝，拆分后最大重量約97 t。目前并沒有這種大噸位的拱上架梁吊機，架梁吊機需要新制。拱肋橫向聯系較弱，架梁吊機起吊整體穩定性較差，安全風險高。

方案三合龍調整措施：拱肋合龍口斷面上下弦縱向位移差，通過索張拉調整對稱、平行，縱向間距，通過向跨中縱移一側拱肋調整至合龍段長度，實現拱肋合龍?？v梁合龍口縱向間距，通過兩側邊支點拱肋落梁調整至合龍段長度，豎向位移，通過超張拉16號吊桿調整至對稱、平行，實現縱梁合龍。由于落梁高度和縱移量均較小，本橋墩身尺寸及高度即可滿足要求。

通過以上分析可知，方案一和方案二相比方案三施工都更為困難。

4.3 經濟、工期比選

方案一和方案三的主要架梁設備為纜索吊機，下部結構施工期間僅需設計單棧橋即可。方案二的主要架梁設備是龍門吊機和架梁吊機。其中，為滿足龍門吊機工作要求，需在橋位上、下游分別設置棧橋，且拱肋合龍后縱梁架設需要增加橋面吊機。

根據前述擬定的三種施工方案，其主要施工設備和施工結構投入見表3。

表3 三種施工方案對比表

由表3可見，若考慮施工結構的周轉性，則設備材料的投入關鍵在于主要的大型設備。因此，方案二相比方案一和方案三經濟性較差。

對三種鋼梁架設施工方案進行工期分析后可知，三種鋼梁架設方案中方案二所需要的總工期最長約15個月，方案一和方案三的工期基本相同約13個月。

4.4 小結

綜上所述，在保證施工安全的前提下，本橋鋼桁拱架設的三種方案在結構受力安全性、施工難易程度、經濟性和工期等方面的差異見表4。

表4 三種鋼桁拱架設方案對比表

顯然，方案三相比其他兩個方案具有更好的技術經濟性，因此本橋鋼桁梁架設最終選用纜索吊機利用吊索塔架輔助施工進行架設的方案。

5 結語

本文介紹了蘇嶺山大橋的工程特點，經過初步分析選取了三種鋼梁架設方案，根據結構受力、施工難度、經濟性及工期結合本橋的結構特點、水文地質條件等方面的綜合比較及分析，對架設各階段進行了詳細分析計算，確定出最合適方案，施工方便降低安全風險、經濟效益高，架設方案因地制宜，簡單實用保障了本橋施工的順利進行，并為以后同類型橋梁施工提供有效參考。

鋼桁拱架設[2,3]可根據施工實際情況選用架梁吊機、纜索吊等設備，架設設備的合理選擇對于降低施工難度、提高施工效益具有重要意義。以本橋為例，采用纜索吊機進行鋼梁架設具有吊裝范圍覆蓋全橋的顯著優勢，同時滿足吊裝拱肋節段和拱肋合龍后橋面縱梁吊裝要求，無需另外投入吊裝設備。

鋼桁拱架設從架設方式上可采用懸臂架設和吊索塔架輔助施工[4,5]兩類。采用不同的架設方式，對鋼梁結構線形控制以及相關工序具有顯著差異。因此，施工方案擬定時應綜合考慮實際情況，選取適宜的架設方式，以方便現場施工組織，降低施工難度。