鋼箱拱橋原位拼裝臨時支撐系統施工技術研究

梁 胡，陶小磊，胡立楷

(1.廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001；2.南寧市筑路技術與筑路材料工程技術研究中心，廣西 南寧 530001)

0 引言

隨著我國經濟的不斷發展，交通設施建設正處于大力發展時期。橋梁工程作為交通領域的重要工程，也在不斷進行技術改革。鋼箱拱橋作為比較常見的一類橋梁結構形式，具有結構穩定、外觀優美等優勢，具有強大的生命力，且處于高速發展狀態。橋梁施工控制不僅是橋梁施工技術的重要組成部分，而且是確保橋梁施工宏觀質量的關鍵，同時是橋梁建設的安全保證。因此，本文以大風江大橋為例，從臨時支撐系統入手，分析從設計到現場施工所存在的問題及采取的解決辦法，從而建立起一套完善的施工控制體系，為今后類似的橋梁工程建設提供參考。

1 工程概況

圖1 大風江大橋效果圖

蘭海高速公路欽州至北海段改擴建工程大風江大橋右幅為(20+120+20) m的鋼箱梁拱橋，主橋為下承式系桿鋼箱拱，兩側引橋為預應力混凝土簡支小箱梁，設計時速為120 km/h。鋼結構由鋼格構梁、鋼箱拱肋、橫撐、系桿和吊桿組成；鋼格構梁由鋼縱梁、主橫梁、次橫梁和鋼-混凝土組合橋面板組成；主墩為“實體墩、承臺+樁基礎”的形式；下構采用柱式墩臺，墩臺均采用樁基礎。大風江大橋效果圖如圖1所示。

通過與設計方進行溝通及考慮現場實際情況，大風江大橋鋼結構安裝采用原位拼裝法施工[1-2]，主要利用搭設的水上鋼平臺作為上部結構的臨時承重支架。根據現場施工需要，在欽州岸及北海岸兩側搭建兩處引橋鋼棧橋，用于水上鋼平臺的安裝。鋼棧橋及水上鋼平臺平面布置如圖2所示。

圖2 鋼棧橋及水上鋼平臺平面布置圖(cm)

2 臨時支撐結構方案分析

根據鋼棧橋及水上鋼平臺布置方案，采用Midas Civil軟件建立相應受力模型，進行受力分析。

2.1 鋼棧橋設計方案分析

施工棧橋主要承擔結構自重、12 m3混凝土攪拌運輸車荷載、80 t履帶吊車行走及工作荷載。考慮施工車輛通行需求和經濟性因素，鋼棧橋引橋設計為長約30 m(傾斜段)+15 m(平臺段)，棧橋岸單車道以6 m寬布置，標準跨度為9 m，最大跨度為9 m，棧橋設計車速為5 km/h。棧橋橫斷面結構布置如圖3所示。

(a)棧橋傾斜段

鋼棧橋作為一個桁架結構，由多種構件組成，需要分別對各個構件進行應力計算分析和變形計算，并對棧橋承載力極限狀態進行驗算。施工棧橋橋面板采用板單元，分配梁、貝雷架、主橫梁、鋼管樁采用梁單元，剪刀撐等拉結件采用桁架單元模擬。單跨受力模型如圖4所示。

圖4 單跨鋼棧橋受力模型圖

車輛荷載采用車道影響線加載，混凝土罐車按單車道中間及一側加載，80 t履帶吊車按照一個車道走棧橋中間加載，荷載組合分三種工況形式：(1)1.2倍恒載+1.4倍混凝土罐車一側行駛荷載；(2)1.2倍恒載+1.4倍混凝土罐車中間行駛荷載；(3)1.2倍恒載+1.4倍履帶吊整橋行駛荷載[3]。

經受力模型分析，在各種工況組合下，鋼棧橋各構件承載力及樁身強度、穩定性滿足設計要求，不同工況作用下結構的最大應力如表1所示。

表1 施工棧橋主要構件最大組合應力計算結果表(MPa)

2.2 水上鋼平臺設計方案分析

水上鋼平臺全長117 m，寬36 m，自重包括鋼平臺橋面板及橋面板以下結構的自重、胎架自重、鋼格構梁自重、鋼墊塊自重、拱肋及拱肋橫撐自重、15 cm厚C40鋼纖維混凝土自重、汽車吊自重、防撞護欄自重及行人荷載。水上鋼平臺橫、縱斷面布置圖如圖5所示。

(a)水上鋼平臺橫斷面

同鋼棧橋一樣，水上鋼平臺需要對各個構件進行應力計算分析和變形計算分析。采用桁架單元進行模擬，建立Midas Civil有限元模型，如圖6所示。對于橋梁上部結構，最不利荷載為合龍前兩臺汽車吊就位起吊時結構所受荷載。根據大風江大橋拱肋分段情況，取10個荷載工況進行分析，分別計算橋面板、分配梁、貝雷梁和橫梁正應力、剪應力以及變形；對于下部結構，需要分別計算鋼管樁承載力、穩定性與抗傾覆能力。根據受力分析情況，水上鋼平臺主要構件承載能力及穩定性滿足要求。主要計算結果如表2所示。

圖6 水上鋼平臺受力模型圖

表2 水上鋼平臺主要構件計算結果匯總表

由此可見，鋼棧橋及水上鋼平臺設計滿足要求，可以進行施工。

3 施工工藝研究

根據驗算通過的臨時支撐結構設計方案，進行鋼棧橋及水上鋼平臺施工。施工工藝流程如圖7所示。

圖7 鋼棧橋及鋼平臺施工工藝流程圖

3.1 鋼管樁施工工藝研究

根據設計情況，鋼棧橋及水上鋼平臺總計需要234根鋼管樁，所有樁尺寸均為φ590 mm×10 mm。鋼管樁沉樁按照先連接平臺后引橋鋼棧橋的順序施工，在兩岸同時進行。鋼管樁采用KH300型80 t履帶吊結合DZJ-135型振動錘進行安裝。根據大風江大橋工程地質勘察說明，平臺所處位置地下土層由全風化巖、強風化巖和中風化巖組成，因此，在進行施工時要考慮沉樁能否達到設計樁深以及鋼管樁會否產生滑移。為解決這些問題，現場采用振動錘加強振動方式：首先進行緩慢振動，嵌入巖層，這樣能夠避免對鋼管樁及振動設備造成損傷，保證沉樁過程中不發生偏位，同時避免巖石過硬對振動設備造成一定損傷；然后逐步加強振動速度，達到預定振動速度后保持勻速振動，直至到達預定沉樁深度。為保證平臺架設期間施工便捷，單根樁入巖長度按照不足0.5 m按0.5 m控制，超過0.5 m不足1 m按1 m控制，超過1 m按1.5 m控制。

鋼管樁節段間焊接采用坡口焊，吊裝接長鋼管兩節間的對口間隙為2～4 mm，焊接應對稱進行。應用多層焊，各層焊縫接頭應在對接處設置加筋板，尺寸為200 mm×100 mm×10 mm，加筋板與兩節樁需焊接牢靠。

相鄰鋼管樁施工完成后及時進行橫聯施工，保證其整體穩定性。橫聯采用20a號槽鋼，一跨鋼管樁施工完成后，立即進行下橫梁施工。采用14a號雙拼工字鋼，在工字鋼上、下兩面用鋼板焊接成整體，鋼板尺寸為20 cm×20 cm×6 mm，每50 cm設置一道。

3.2 貝雷梁施工工藝研究

貝雷梁在岸上按跨3～5片拼裝好，兩排至四排一組采用支撐架進行豎向及橫向聯結，并使用8#槽鋼作為結構補強桿安裝在相應位置[4]。拼裝完成后應仔細檢查各連接部位構件情況，并進行試吊(整體起吊50 cm)，試吊合格后采用整體吊裝方式將貝雷梁一次吊裝至孔位。每片貝雷梁均設置限位，將切割成U型的20#槽鋼作為限位裝置，如圖8所示。

圖8 U型限位裝置示意圖(cm)

3.3 分配梁及橋面板施工工藝研究

分配梁采用20a號工字鋼與10 mm厚鋼板按照長6 m、寬3 m為一塊焊接成整體，分配梁縱向按30 cm間距布置，整體吊裝至貝雷梁上，通過U型板扣與貝雷梁固定，如圖9所示。

圖9 橋面板與分配梁固定示意圖

大風江橋鋼結構采用原位拼裝法施工，對于鋼平臺橋面平整度有較高要求，因此，現場鋪裝鋼板時，要保證鋼板間不能重疊。如遇重疊部分，使用火焰切割機及時切割，焊接鋼板時掉落至鋼平臺上的焊渣也要及時清理打磨。

4 鋼平臺預壓及監控

4.1 水上鋼平臺預壓

水上鋼平臺在施工完成后進行預壓，預壓的目的是檢驗水上鋼平臺的強度及穩定性，檢驗設計的合理性，消除水上鋼平臺的非彈性變形(包括沉降變形和各接觸部位的變形)，同時可測出鋼平臺各處撓度變形量，確保鋼平臺安全。本項目水上鋼平臺采用水袋加載的方式逐跨進行。

根據受力情況，將水袋堆疊到指定預壓跨，按24 m每跨，共5跨進行預壓，并按照施工工況分級預壓。以鋼格構梁自重、增加混凝土重量，再增加“拱肋+胎架”重量及1.2倍總重量為設計荷載[3]，分四級進行預壓。加載前需對水上鋼平臺初始數據進行檢測，每級預壓加載到位后需對水上鋼平臺沉降、變形等數據進行觀測，合格后方可進行下一級加載。預壓荷載如表3所示。

表3 水上鋼平臺預壓荷載數據匯總表

4.2 水上鋼平臺沉降觀測變形點布置

鋼平臺沉降觀測點布置如圖10所示。圖中，倒三角符號表示沉降點布置位置。具體布置方式為：在貝雷梁架設完成后，每間隔4 m布設一個截面，每個截面分別布設左、中、右3個沉降觀測點，共布設87個沉降觀測點，并用數字水準儀進行測量。鋼管樁沉降觀測點布置如圖11所示。布置方式為：在外側鋼管樁頂部布設棱鏡，在第三列和第七列鋼管樁中部布設反射片，可同時監測鋼管樁基礎沉降以及縱、橫向變位，共布置16個棱鏡和12個反射片觀測點，并用高精度測量機器人進行測量。

圖10 鋼平臺沉降觀測點布置圖(cm)

(a)平面

以第三跨為例，水上鋼平臺第三跨預壓頂面沉降量觀測部分如表4所示。由表4可知，鋼平臺頂面沉降量較小，滿足要求。水上鋼平臺第3跨預壓鋼管樁變形量監測部分如表5所示。由表5可知，鋼管樁變形量較小，在規范允許范圍內，滿足要求[5]。

表5 水上鋼平臺第3跨預壓鋼管樁變形值監測結果表

5 結語

本文探討了臨時支撐系統在鋼箱拱橋原位拼裝法中的應用。在鋼箱拱橋原位拼裝法施工中，鋼棧橋及水上鋼平臺起到臨時支撐作用，同時為鋼格構梁以及拱肋安裝提供了足夠的工作平臺。本文根據施工時的最不利荷載形式確定臨時支撐系統的結構布置，并建立有限元模型進行驗算；在施工過程中，針對某一環節存在的具體問題，提出了相應改進措施；水上鋼平臺搭設完成后進行預壓，并對結構沉降進行監控，以確保支撐結構的承載能力及沉降量滿足要求。

通過后期監控，臨時支撐結構滿足使用要求。由此可見，本文所介紹的原位拼裝法施工臨時支撐系統可對鋼結構類橋梁的安裝提供可行性思路。