少支架非對稱分段吊裝工藝在鋼結(jié)構(gòu)拱橋施工中的應(yīng)用

朱銘，吳艷

（1.江蘇華源電力工程有限公司，江蘇 靖江 214500；2.靖江市城市建設(shè)投資發(fā)展（集團(tuán)）有限公司，江蘇 靖江 214500）

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)拱橋以其優(yōu)美、輕盈的造型及較大的跨越能力，越來越多地應(yīng)用在城市內(nèi)河橋梁中，成為城市的一張靚麗名片。鋼結(jié)構(gòu)拱橋常用現(xiàn)場安裝工藝有橋位拼裝、浮托頂推、浮吊整體吊裝等，但每種安裝工藝又有著各自的特點(diǎn)和適用條件。 如何根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境條件，選擇最優(yōu)安裝工藝，以達(dá)到技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的目標(biāo)。 本文以在建蕪申線宗村大橋?yàn)楣こ瘫尘埃瑢ι僦Ъ芊菍ΨQ分段吊裝工藝進(jìn)行研究。

2 工程概況

宗村大橋位于蕪申線江蘇省常州市溧陽城區(qū)段， 為90 m下承式鋼箱提籃拱橋，計算跨徑88 m，總重1 600 t。 主橋鉛直面內(nèi)投影矢高17.6 m（斜平面內(nèi)17.871 m），矢跨比1/5，拱軸線線型為二次拋物線。拱肋為提籃拱形式，拱肋向內(nèi)傾10°。拱肋中心橫向距離在拱頂處距離為12.95 m，拱腳處中心距離為19.156 m（見圖1）。

圖1 宗村大橋現(xiàn)場吊裝圖

拱肋采用全焊鋼箱結(jié)構(gòu)， 矩形截面， 共設(shè)兩片拱肋，高1.8 m， 寬1.565 m。 主橋系桿采用全焊平行四邊形截面，高2.25 m，寬1.565 m。

主橋主體結(jié)構(gòu)除拱肋底板及系桿頂板板材采用Q345DZ25 鋼外，其余拱肋、系桿、橫梁板材均采用Q345qD鋼，主橋采用球形鋼支座，下部結(jié)構(gòu)采用分離式鋼筋混凝土柱式橋墩，鉆孔灌注摩擦樁基礎(chǔ)。

蕪申運(yùn)河船舶交通繁忙，因不能滿足日益增長的航運(yùn)需求，目前由Ⅴ級航道（通航孔38 m 寬×5 m 高，實(shí)際運(yùn)河寬50 m）單邊拓寬升級為Ⅲ級航道（通航孔60 m 寬×7 m 高，實(shí)際運(yùn)河寬70 m），現(xiàn)場不具備設(shè)置水中墩及長時間封航的條件。

3 現(xiàn)場安裝方案的擬定

目前，國內(nèi)上跨運(yùn)河的主橋鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場安裝常用方式有：（1）河中打設(shè)支架，浮吊橋位吊裝；（2）浮托頂推；（3）浮吊整體吊裝。 第一種方式需侵占現(xiàn)有航道，對船只通行干擾較大；第二種方式需占用引橋場地進(jìn)行主橋拼裝， 影響引橋正常施工工期，且該方案安全風(fēng)險較高；第三種方式受內(nèi)河浮吊起重能力及河道寬度限制，無法采用多臺浮吊抬吊的工藝（主橋鋼結(jié)構(gòu)總重量達(dá)1 600 t，目前內(nèi)河最大浮吊為610 t，航道改造后為70 m 寬，僅能滿足單臺610 t 浮吊轉(zhuǎn)體）[1]。

結(jié)合現(xiàn)場場地條件，通過對多方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，并與航道管理部門充分溝通后， 決定宗村大橋主橋鋼結(jié)構(gòu)采用少支架非對稱分段吊裝方案。 采用該方案優(yōu)點(diǎn)為：（1）河中不打設(shè)支架，不影響航道船只正常通行；（2）大節(jié)段浮吊整體吊裝工藝成熟、風(fēng)險可控，僅需臨時封閉航道；（3）不占用引橋施工區(qū)域，節(jié)約整體工期。

4 現(xiàn)場施工部署

本橋采用少支架非對稱分段吊裝方案， 即僅在南岸主墩與南岸駁岸之間、北岸老駁岸位置、北岸主墩位置搭設(shè)少量鋼管支架。 具體施工步驟如下。

第一步：將主橋系梁分為4 個吊裝區(qū)段，分別為南岸主墩段7.25 m（南岸主墩至南岸老駁岸邊）、運(yùn)河上部段52.5 m（約360 t）、北岸陸上段23 m（現(xiàn)有北岸駁岸至北岸主墩段）、北岸拱腳段7.25 m。 安裝時首先安裝主墩拱腳段及北岸陸上段，水中區(qū)域橋面系（主系梁、中橫梁、小縱梁）在河道北岸場地上拼裝成整體后，采用單臺610 t 浮吊吊送至橋位位置定位。

第二步：安裝拱肋下部臨時支架及北岸陸地區(qū)域拱肋節(jié)段。

第三步：水中區(qū)域拱肋體系（約310 t）在拼裝場地上將其拼裝成整體，采用單臺610 t 浮吊將其安裝到位。

5 施工全過程結(jié)構(gòu)分析

5.1 材料特性和強(qiáng)度值

主橋采用Q345qD 鋼，?800mm×8mm 鋼管立柱、?600mm×6 mm 鋼管立柱、[16b 槽鋼水平桿和斜桿、2 拼I56b 縱向分配梁、4 拼I56b 橫向分配梁等組成的格構(gòu)鋼管支架，其材料均采用Q235 鋼[2]。 Q345、Q235 鋼材材料特性值見表1。

表1 Q345、Q235 鋼材材料特性

5.2 施工階段模擬

本文采用橋梁結(jié)構(gòu)有限元專用分析軟件Midas Civil 2021進(jìn)行拱橋吊裝施工全過程的結(jié)構(gòu)分析。 拱肋、橫撐、橋面縱橫梁體系等均采用梁單元模擬[3]。橋位吊裝從拱腳、系梁、橋面縱橫梁體系、挑臂塊體直至拱肋吊裝就位。 圖2 為系梁、縱橫梁體系、挑臂塊體及拱腳安裝完成模型圖，圖3 為陸地區(qū)域拱肋吊裝完成模型圖，圖4 為水中區(qū)域拱肋吊裝完成模型圖。

圖2 CS1 施工階段（系梁、縱橫梁體系、挑臂塊體及拱腳安裝完成）

圖3 CS2 施工階段（陸地區(qū)域拱肋吊裝完成）

圖4 CS3 施工階段（水中區(qū)域拱肋吊裝完成）

5.3 計算結(jié)果及分析

主橋在各施工階段產(chǎn)生的最大豎向變形、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度見表2[4]。 橋位支架在各施工階段產(chǎn)生的反力值、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、穩(wěn)定強(qiáng)度見表3。

表2 主橋計算結(jié)果匯總

表3 橋位支架計算結(jié)果匯總

計算結(jié)果表明，拱肋及橋面系各構(gòu)件在CS1～CS3 工況下的抗彎、抗剪強(qiáng)度、變形均滿足規(guī)范要求；橋位支架在CS1～CS3吊裝荷載作用下的各構(gòu)件抗彎、抗剪強(qiáng)度、變形、長細(xì)比、構(gòu)件屈曲穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求；拱肋拼裝支架在拱肋節(jié)段荷載作用下的各構(gòu)件抗彎、抗剪強(qiáng)度、變形、長細(xì)比、構(gòu)件屈曲穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)語

目前， 國內(nèi)外對鋼結(jié)構(gòu)拱橋安裝已積累了許多成熟的經(jīng)驗(yàn)，形成了相關(guān)規(guī)范及文獻(xiàn)，然而少支架非對稱分段吊裝在國內(nèi)尚處于探索階段。 本文結(jié)合蕪申線宗村大橋現(xiàn)場安裝方案，對少支架非對稱分段吊裝工藝進(jìn)行了研究探討， 并運(yùn)用有限元數(shù)值模擬方法對主橋結(jié)構(gòu)及橋位支架的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性進(jìn)行計算分析， 以檢驗(yàn)安裝工藝和臨時支架參數(shù)選取的合理性，同時也為類似鋼結(jié)構(gòu)拱橋的安裝積累經(jīng)驗(yàn)。

通過數(shù)值模擬分析可知， 此橋采用少支架非對稱分段吊裝工藝在理論上是可行的，但由于采用非對稱安裝，如何在拱橋安裝過程中保證成橋線形成為此安裝工藝成敗的關(guān)鍵。 例如：橋面系主梁大節(jié)段作為簡支梁計算時（即兩端鉸接），其跨中下?lián)蠟?.2 mm，但作為連續(xù)梁計算時（即兩端剛接），其最大下?lián)蠟?.3 mm，實(shí)際施工采用碼板連接（即非剛性連接），橋面系主梁大節(jié)段在工廠加工制造時按照中間值6.5 mm 設(shè)置預(yù)拱度。 通過對成橋后線形進(jìn)行觀測，全橋整體線型良好，達(dá)到設(shè)計對線型的要求。

然而， 鋼結(jié)構(gòu)拱橋采用少支架非對稱分段吊裝工藝在實(shí)際施工中尚存在許多技術(shù)問題有待進(jìn)一步研究， 如大節(jié)段拱肋拼裝精度控制技術(shù)、 大跨度鋼箱提籃拱施工線形監(jiān)控量測技術(shù)、空間異形鋼結(jié)構(gòu)定位拼接技術(shù)等。