基于幾何狀態分析的大節段鋼箱連續梁吊裝技術

周琪

摘要：當前，大節段鋼箱連續梁吊裝施工過程中，主要采用開環控制法調整施工誤差，由于該方法忽略了每個節段自身的幾何特征，導致吊裝完成后的橋梁變形較為嚴重。因此，文章以珠江三角洲西岸地區一項全長為50 km的大橋工程為研究背景，設計基于幾何狀態分析的大節段鋼箱連續梁吊裝技術。設計過程中首先參考溫差和施工受力引起的支座偏移量，計算鋼箱連續梁吊裝施工位置；其次依托幾何狀態分析原理確定每個節段的幾何特征，結合線形設計要求的預拱度，設置各節段的幾何控制線形，降低施工誤差；最后從橋梁一端開始應用鋼絲繩捆綁式起吊法，將大片段梁體放置在合適位置，完成鋼箱連續梁吊裝施工。通過對吊裝施工完成后的橋梁進行監測可知：大節段鋼箱連續梁最大累計變形值為22.05 mm，符合橋梁施工質量要求。

關鍵詞：幾何狀態分析；大節段吊裝；鋼箱連續梁；預拱度；線形控制；支架

中圖分類號：U448.21? ? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）02-0051-04

0 引言

交通是城市發展的基礎，在當今社會發展背景下，公路與城市道路建設工程越來越受到重視，其中橋梁工程的設計水平及施工技術也在快速發展，而橋跨箱形截面形式也成為最常用的橋梁結構，呈現出抗彎剛度大、自重輕等優點。近年來，為了滿足不斷提升的鋼箱施工要求，鋼箱連續梁施工技術得到不斷更新，基于橋面吊機實現的小節段懸臂拼裝技術已經得到廣泛應用［1］，但該技術應用在斜拉橋等特殊施工時，無法主動調整鋼箱連續梁橋節段的標高誤差［2］，最終導致施工橋梁變形較為嚴重。隨著吊裝機械設備技術的不斷創新發展，開始出現一種大節段鋼箱連續梁吊裝技術，與傳統方法相比，可以更好地調整施工誤差，大大提升了鋼箱連續梁的施工質量。

目前，大節段鋼箱連續梁吊裝施工技術包括頂推法、分段吊裝法、轉體法等多種類型，具體的安裝技術選擇需要根據場地、工程進度等要求確定。本文選取一座全長接近50 km的橋梁工程作為研究對象，以加強吊裝施工主梁結構的安全性為目標，提出在傳統的吊裝施工過程中融入幾何狀態分析方法而形成一種新型吊裝技術，可以更好地控制施工線形誤差。

1 工程概況

本研究選定的橋梁施工工程位于珠江三角洲西岸地區，該橋梁的建設對促進該區域經濟發展具有重要意義。經過調查可知，該工程橋梁的全長和主體工程長度分別為50 km和30 km，橋梁主體工程區段采用連續鋼箱梁體系。結合施工區域的交通需求和橋梁建設預算，確定該橋梁結構為6 ×110 m的六跨梁結構，并應用正交異性板結構設計頂板。從整體上看，鋼箱梁的尺寸為33.1 m×4.5 m，其截面結構如圖1所示。

該鋼箱連續梁包括頂板、橫肋板、底板等多個組成結構。不同梁段的厚度存在差異，要實現橋面頂板的鋪裝厚度滿足統一標準，就需要在大節段鋼箱連續梁吊裝施工過程中應用上緣對齊的方式進行對接處理。

采用大節段鋼箱連續梁吊裝技術進行鋼箱梁制造，需要經過板單元生產、小節段制作與大節段拼裝3個前期環節。在大節段拼裝處理完成后，通過吊裝設備將鋼箱連續梁大節段吊放至合理區域。本研究選定的橋梁施工工程的吊裝施工主要包括20個步驟，每個步驟的工況描述見表1。

從表1中可以看到，為了輔助大節段鋼箱連續梁吊裝施工，本次施工現場存在7個固定支座，主要負責吊裝支撐和精確調位；吊裝施工工況包括6個跨越單元，每個吊裝跨越單元安裝后，都需要與前一個跨越單元進行焊接處理。在上述工程背景下，本研究提出一種結合幾何狀態分析方法進行大節段鋼箱連續梁吊裝施工的技術。

2 大節段鋼箱連續梁吊裝施工工藝

2.1 確定鋼箱連續梁吊裝位置

施工位置的確定是大節段鋼箱連續梁吊裝施工的基礎，考慮到目標橋梁工程的跨數較多，整個吊裝梁體會受到施工受力和環境溫度的共同影響［3］，出現明顯的收縮變形，從而導致橋墩支座出現一定程度的位移。因此，在上部吊裝結構位置定位過程中，需要考慮支座的縱向偏移量，確定合理的吊裝位置。

通過對橋墩支座定位流程進行分析可以發現，其縱向位移主要來自兩個方面，分別是支座體系轉換前和支座體系轉換后產生的位移量。前者產生的原因是梁體從臨時支座上轉移到永久支座時，會隨著底板的移動發生偏移。后者也可以稱為支座相對變形，產生的原因是永久支座的底板受到巨大壓力出現變形情況，從而引起縱向偏移。在實際吊裝施工過程中，溫差和施工受力都會引起兩個方面支座偏移量的變化。其中，溫差引起的支座偏移量可以表示如下：

[ΔLa=s×Δa×L]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

公式（1）中，[Δa]表示計算溫差，[a]表示溫度，[s]表示鋼材線膨脹系數，[L]表示固定支座與計算點之間的距離，[ΔL]表示支座偏移量。偏移量計算過程中，需要注意固定支座的轉換，這是因為每一次轉換都會引起固定支座與計算點之間的距離發生變化。

大節段鋼箱連續梁在受力狀態下，中性軸的長度不會發生變化，以此作為基準點，輔助后續線形控制參數的計算。但是，鋼箱連續梁底板的長度會受到受力情況的影響而出現變化，下緣平均應力引起的支座偏移量計算公式如下：

[ΔLδ=k=1mδQ×Rk]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

公式（2）中，[δ]表示下緣平均應力，[k]表示受力單元，[m]表示吊裝施工工程包含的受力單元總數量，[Q]表示當前支座與固定支座之間單元個數，[R]表示單元長度。

綜合溫差和受力兩個方面因素計算出整體支座偏移量，確定落梁支座中心線、墩頂支座中心線之間的最優距離如下：

[?=-（ΔLa+ΔLδ）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

公式（3）中，[?]表示墩頂支座與落梁支座中心線之間的距離。以當前墩頂支座的中心線為基準線，結合公式（3）的計算結果，定位落梁支座中心線，在該中心線上開始大節段鋼箱連續梁吊裝施工。

2.2 現場布置吊裝設備

確定吊梁施工位置后，根據構件重量、吊裝高度、施工環境等多項條件，定義大節段鋼箱連續梁吊裝施工設備參數。為了提升吊裝施工速度，本研究提出在吊裝施工場所內布置2臺吊裝機械，將整個橋梁施工區段劃分為7個分段，同步開展大節段鋼箱連續梁吊裝工作。吊裝設備的具體參數見表2。

在目標施工區域內選擇合適的吊點，并對吊點區域的地基進行處理，確保吊裝施工過程中吊裝機械可以發揮更大的作用。此外，使用吊車進行吊裝處理后，設置外側腹板作為吊車支腿受力的最遠范圍。為了避免集中荷載對吊點區域的地基造成破壞導致設備側翻，進而損害起吊中的大節段鋼箱連續梁結構，要求吊車起吊前在吊車支腿下方墊合格枕木，實現支腿集中荷載的分散處理，確保吊裝作業安全可靠。

本研究選定的橋梁工程鋼箱連續梁區段較長，吊裝施工模式適合選擇分段吊裝法，即吊裝安裝機械時，每個分段點分別搭建臨時支撐支架和操作平臺，輔助拱架與拉索的吊裝。搭建吊裝臨時支撐支架時，為了保證其牢固性，采用4根底端固定在錨樁上的直徑為19.05 mm的鋼絲繩進行斜拉固定處理，避免出現支架偏斜情況。除鋼結構外，吊裝臨時支撐支架還包含一個厚度為30 cm的混凝土底板，在實際操作過程中，需要先將支架的主肢穿過箱梁上方的孔洞，吊裝施工完成后，填充混凝土。此外，兩節段的鋼箱連續梁吊裝與安裝結束后，可以在箱梁翼緣板處布置一個腳手架，從而得到穩定性較高的臨時支撐架。

考慮到重量較大的鋼架運輸難度較大，本研究提出使用平板拖車作為運輸工具，將其轉移到吊裝施工區域。同時，為了避免運輸過程中鋼架結構出現變形問題，需要在結構下方添加一些胎具，減緩運輸途中的顛簸。運送到目的地的鋼架由現場施工人員進行整理和組裝，等待后續吊裝處理。

2.3 設置各節段幾何控制線形

2.3.1 參數設置

鋼箱連續梁吊裝施工的關鍵在于幾何線形控制，其作用是對吊裝施工誤差進行現場調整，有助于建設出符合質量要求的吊裝施工節段。本次吊裝施工應用了幾何狀態分析方法，分析當前鋼箱連續梁吊裝現場的幾何特征，從而確定當前幾何線形參數，根據參數設置吊裝施工幾何控制線形，使幾何線形不斷靠近設計要求，達到調整吊裝施工誤差的目的。幾何控制線形的設置需要以前期定義的預拱度為基礎，在吊裝施工正式開始之前，針對不同的吊裝分段，分別定義符合線形設計要求的預拱度，輔助大節段鋼箱連續梁的連接。本次參數設置應用了梁單元模型分析，獲取橋梁累計變形的1/2活載變形，作為預拱度設置結果。

2.3.2 參數采集

吊裝施工幾何線形參數的設置，需要從大節段制作環節入手，根據小節段兩端標高，確定每個小節段的相對里程與高程，與相對預拱度相加后得出相對高程計算結果，將此結果作為無應力下料參數。大節段的幾何形態測量，需要通過紅外測距儀、精密水準儀等設備實現。其中，標高需要用高精度的電子水準儀測量獲得，角度需要通過傾角儀進行測量，其他幾何參數則需要采用全站儀測量獲取。根據上述采集參數，可以確定當前鋼箱梁制造的幾何線形特點，參考大節段吊裝施工要求，確定每個分段的幾何控制線形。

2.3.3 確定幾何控制線形

幾何控制線形確定后，設置控制點為底板中心，根據幾何關系確定頂板修正量，完成大節段預制處理。將預制處理后的大節段鋼箱通過吊裝設備轉移到臨時支座上，觀察鋼箱梁的自重變形特點，計算其對應的安裝幾何控制線形，及時調整吊裝施工的線形偏差，確保鋼箱連續梁安裝后，生成符合線形要求的大跨度橋梁。大節段吊裝施工幾何控制線形的確定，需要考慮豎曲線的預拱度，以及當前施工工況的位移，通過“以直代曲”的方式，制作預制鋼箱連續梁。以頂板的中心點作為核心，向四周合理布置測點，確定大節段制造線形（如圖2所示）。

除此之外，由于大節段鋼箱連續梁的吊裝安裝需要對相鄰節段進行焊接合攏，因此吊裝施工必然會存在梁端轉角，而轉角的取值也會對最終施工效果產生影響。本次施工應用幾何狀態分析算法對梁端轉角進行深入分析，確定轉角的幾何控制線形，確保相鄰的鋼箱連續梁可以平順地完成連接。

2.4 完成大節段鋼箱連續梁吊裝施工

2.4.1 拉索安裝

吊裝施工的實現，在很大程度上依靠拉索，本次施工過程中為了保證拉索具有較強的承重能力，采用符合低松弛鋼絞線要求的鋼絞線作為吊裝拉索基礎材料，并在絞線和錨具表面分別涂抹一層環氧涂層。將拉索安裝到吊裝設備上，設置拉索長度為5 m，傾斜角度為85°。為了保證吊裝施工的順利進行，主梁吊裝施工共使用了14根拉索，所有拉索的主梁端連接叉耳式錨板，便于掛索安裝。前期處理階段已經將吊裝設備布置到施工現場的合適位置，在拉索安裝階段，只需要在設備的上、下預埋處分別添加一個導向裝置，將拉索的牽引鋼絲繩穿過導向裝置，形成一個循環牽引力結構。

2.4.2 吊裝施工

按照上述幾何控制線形設置結構，在現場吊裝設備的輔助下，從橋梁一端開始進行吊裝施工。首先，應用鋼絲繩捆綁式起吊法，通過吊車將施工材料吊到彈性中心位置以上的吊點位置，結合大節段鋼箱連續梁分段吊裝長度，獲取不同節段的矢跨比。通常，吊點位置的選取應滿足彎矩最小、負彎矩絕對值相等的要求，本次施工過程中，在忽略吊裝材料曲率的情況下，將該材料視為直梁。通過吊車上的鋼筋拉起大節段鋼箱連續梁，按照一次運輸一個拱段的運輸計劃，將其放置到預先搭建的兩個臨時支撐支架上。

吊梁施工操作是整個大節段鋼箱連續梁吊裝施工的基礎環節。為了保證梁體安放位置合理，可以在兩個臨時支撐支架上分別放置定位件和千斤頂，用于判斷當前吊裝位置是否合理，并進行調整。所有鋼箱連續梁吊裝結束后，依次進行焊接處理，最后撤去吊裝設備，對吊裝就位效果進行檢驗，符合施工質量要求后，可以拆除臨時支撐架。

3 吊裝施工結果分析

為了證明應用幾何狀態分析后，大節段鋼箱連續梁吊裝的施工效果更佳，在吊裝施工完成一段時間后，對該施工橋梁進行變形監測，將監測結果生成的累計變形曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，吊裝施工后大節段鋼箱連續梁的累計變形呈現出中間大兩側小的規律。其中，最大累計變形值為22.05 mm，出現在跨中區域，明顯小于預期設定的大節段鋼箱連續梁變形值50 mm，表明幾何狀態分析下的吊裝技術具有良好的應用性能。

4 結語

現代化交通領域的發展，推動了大跨度橋梁事業的發展。本文以珠江三角洲西岸地區一座大橋工程為研究對象，引入幾何狀態分析方法進行大節段鋼箱連續梁吊裝施工。應用該吊裝施工技術后，從最終施工效果可以看出，橋梁一段時間內的累計變形值較低，有效地提升了橋梁施工質量。

5 參考文獻

［1］宋斌. 跨高速公路低高度敞開式鋼桁架梁大節段安裝施工技術［J］.安徽建筑，2020，27（4）：73-74.

［2］李德昆. 舟山新城大橋提籃式鋼箱系桿大節段拱肋整體吊裝［J］. 上海建設科技，2021（4）：46-48.

［3］曾祥福. 高墩鋼混組合梁無支架大節段吊裝及橋面施工技術［J］. 城市建筑，2020，17（18）：163-165.