云碧峰大橋大跨連續(xù)剛構(gòu)鋼桁梁施工關(guān)鍵技術(shù)分析

錢利，段坤朋，王煒萍，呂驊昕，王浩，趙成杰

（浙江中天恒筑鋼構(gòu)有限公司，浙江 杭州 310008）

隨著交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，我國(guó)對(duì)市政橋梁的需求越來越迫切，大跨度鋼結(jié)構(gòu)橋梁常常作為跨越水域、山谷地帶的交通樞紐[1-2]。隨著設(shè)計(jì)與施工技術(shù)的不斷提高，我國(guó)市政領(lǐng)域大跨徑鋼結(jié)構(gòu)橋梁開始向橋型不斷豐富化、結(jié)構(gòu)不斷輕型化、注重環(huán)境保護(hù)等方向發(fā)展。其中大跨連續(xù)剛構(gòu)鋼桁梁橋結(jié)構(gòu)以其受力好、質(zhì)量輕、滿足較高強(qiáng)度和剛度要求等優(yōu)點(diǎn)[3]，成為跨越河流、深溝峽谷的理想橋型。

云碧峰大橋?yàn)榇罂邕B續(xù)剛構(gòu)鋼桁梁橋，采用曲線橫向變高式空間鋼桁梁和空間型網(wǎng)架式橋墩，加工制造、安裝施工難度較大。本文依托云碧峰大橋項(xiàng)目，對(duì)其關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行總結(jié)分析。

1 工程概況

云碧峰大橋位于江西省上饒市云碧峰公園北側(cè)，是云碧峰和信江濕地公園的重要工程，橋梁工程由主橋、引橋、南岸及北岸聯(lián)絡(luò)道梯道四部分組成。云碧峰大橋主橋橫跨信江，跨徑布置為65m+120m+65m，橋梁全長(zhǎng)250m。橋梁橫向分三幅布置，包括車行橋及東、西兩側(cè)輔橋，車行橋橋面寬8.0m，東、西輔橋橋面寬均為4.5m。車行橋平面為直線，東、西輔橋道路中心線平面為曲線，曲線半徑為850m。

主橋?yàn)檫B續(xù)剛構(gòu)鋼桁梁橋，上部結(jié)構(gòu)采用曲線橫向變高式空間鋼桁梁，順橋向、橫橋向均對(duì)稱。全橋橫向由四榀鋼架桁組成，車行橋桁高2.5～7.9m，東、西輔橋桁高2.0～6.9m，各桁架間通過上、下平聯(lián)連接，形成整體結(jié)構(gòu)體系。主橋主墩為空間型網(wǎng)架式橋墩，與承臺(tái)間設(shè)鋼混結(jié)合段過渡，承臺(tái)上部為網(wǎng)狀鋼支腿，邊墩為混凝土橋墩。

主橋翼板板厚為20～45mm，腹板板厚為20～30mm，主橋上下弦桿和腹桿鋼結(jié)構(gòu)采用Q420qD、Q345qD 鋼材。車行橋上、下弦桿由矩形斷面構(gòu)成，尺寸為1200mm×1000mm～1200mm×700 mm，輔橋上、下弦桿由平行四邊形斷面構(gòu)成，尺寸為1200mm×1000mm～1200mm×700mm。車行橋上、下平聯(lián)之間設(shè)置3 道小橫梁，采用“工”字形變高斷面。橋面為正交異性鋼橋面板，車行橋橋面板厚16mm，東西輔橋橋面板厚12mm。

圖1 效果圖

2 工程難點(diǎn)

主橋鋼桁梁構(gòu)造復(fù)雜，受公路運(yùn)輸條件和工地吊裝要求的制約，單片桁架需按節(jié)點(diǎn)和上下弦分塊，合理進(jìn)行加工分段和吊裝分段以及確保施工過程的可靠性是工程難點(diǎn)。

東西輔橋各由一榀桁架承重，桁架上、下弦桿由平行四邊形斷面構(gòu)成。單榀主桁架位于傾斜面內(nèi)，在主跨跨中、邊跨跨中傾斜面與豎直面夾角40°，在中墩墩頂傾斜面與豎直面夾角25°，在邊墩墩頂傾斜面與豎直面夾角40°，部分節(jié)點(diǎn)連接桿件夾角變化較大，局部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造難度大。

主橋網(wǎng)狀鋼支腿安裝精度要求高，且主橋整體長(zhǎng)度較長(zhǎng)，構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，線形控制難度大。

3 主要施工技術(shù)

3.1 東西輔橋鋼桁梁加工制造

東西輔橋上下弦桿為平行四邊形截面，沿橋長(zhǎng)方向呈圓弧曲線形，各節(jié)點(diǎn)分段組拼。東西輔橋上下弦桿加工方法為采用下料時(shí)預(yù)留焊接收縮余量，然后設(shè)置組拼胎架，在組拼胎架上采用倒裝法組拼。

平行四邊形弦桿采用倒裝法組裝，將頂板單元吊裝在組拼胎架上定位，于隔板與腹板交叉部位將胎架水平板與頂板單元進(jìn)行定位焊。在橋頂板上劃出部件定位線，放置U 型肋、橫隔板等進(jìn)行定位焊，使橋頂板、橫隔板、腹板形成框架，最后安裝底板單元。平行四邊形弦桿焊接順序?yàn)棰佟凇郏鐖D4所示。

圖2 平行四邊形弦桿組拼胎架示意圖

圖3 平行四邊形弦桿焊接順序示意圖

圖4 預(yù)拼裝胎架

3.2 線形控制技術(shù)

3.2.1 信息化預(yù)拼裝利用XSTEEL 軟件對(duì)構(gòu)件進(jìn)行整體建模，確定整體坐標(biāo)系，選定控制點(diǎn)。提取單個(gè)構(gòu)件模型，建立局部坐標(biāo)系，提取其上各控制點(diǎn)的局部坐標(biāo)。

在工廠設(shè)置橋體前半聯(lián)胎架，采用分配梁上部設(shè)置短柱的方法來調(diào)整局部高度。制作完成后，將加工完成的構(gòu)件在胎架上進(jìn)行預(yù)拼裝[4]，通過全站儀測(cè)量實(shí)體中控制點(diǎn)的坐標(biāo)。

將實(shí)體中控制點(diǎn)坐標(biāo)返回到軟件建立的模型中，對(duì)模型進(jìn)行修正[5]，使其與構(gòu)件的實(shí)際形狀相符。

最后，將修正后的各單個(gè)構(gòu)件模型放回到整體模型中，此時(shí)整體模型中各接口間的情況為實(shí)體預(yù)裝的實(shí)際情況。通過信息化預(yù)拼裝微調(diào)后續(xù)構(gòu)件的模型，確保構(gòu)件制作精度及接口部位間隙符合規(guī)范要求。

3.2.2 橋體預(yù)拱度值確定

為確保主橋線形符合設(shè)計(jì)要求，必須在深化時(shí)考慮預(yù)拱度[6]，由于主橋分段及構(gòu)件自重大、安裝過程復(fù)雜等原因，需考慮加工、安裝過程中各種荷載對(duì)成橋線形的影響。主橋預(yù)拱度除考慮設(shè)計(jì)預(yù)拱度外，還需考慮加工預(yù)拱度及安裝預(yù)拱度。

圖5 車行橋鋼桁梁預(yù)拱度

加工預(yù)拱度考慮胎架沉降、板與胎架的不貼合情況、焊接變形。按照經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估值，約為1/2000×分段長(zhǎng)度。

安裝預(yù)拱度考慮安裝時(shí)構(gòu)件自重造成的撓度影響以及支撐架造成的不可調(diào)沉降等。支撐架沉降根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2018）5.5.14確定。

計(jì)算車行橋及東西輔橋主桁上下弦預(yù)拱度如圖6所示。

圖6 輔橋鋼桁梁預(yù)拱度

3.2.3 施工過程中的線形控制

在臨時(shí)支撐架分配梁上設(shè)置調(diào)節(jié)短柱，安裝后利用全站儀對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行復(fù)測(cè)，通過調(diào)節(jié)短柱和千斤頂調(diào)整序坐標(biāo)偏差，校正合格后方可進(jìn)行焊接。

3.3 主橋施工技術(shù)

主墩網(wǎng)狀鋼支腿采用龍門吊并結(jié)合支架法架設(shè)，主橋鋼桁梁采用大節(jié)段支架法拼裝。現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)臨時(shí)支撐架，通過汽車運(yùn)輸?shù)募庸す?jié)段在現(xiàn)場(chǎng)拼裝胎架，并在拼裝成大節(jié)段后通過龍門吊吊裝到位。主墩網(wǎng)狀鋼支腿采用龍門吊并結(jié)合支架法架設(shè)。

3.3.1 網(wǎng)狀鋼支腿施工

承臺(tái)施工時(shí)設(shè)置預(yù)埋件，待承臺(tái)澆筑完成后，在承臺(tái)上設(shè)置HW300×300型鋼斜撐用于支撐網(wǎng)狀鋼支腿。網(wǎng)狀鋼支腿安裝時(shí)先采用碼板與鋼混承臺(tái)牛腿連接，并使用千斤頂進(jìn)行定位調(diào)整。待測(cè)量定位完成，網(wǎng)狀鋼支腿之間采用橫梁及斜撐進(jìn)行連接，連接完成后卸載千斤頂并焊接鋼支腿。

圖7 網(wǎng)狀鋼支腿施工

3.3.2 鋼桁梁施工

3.3.2.1 確定鋼桁梁分段

①工廠加工分段

工廠加工分段考慮便于運(yùn)輸及避開應(yīng)力高峰區(qū)的原則，主橋加工分段采用構(gòu)件的長(zhǎng)度不超過16m、寬度不超過3m，盡量避開跨中的1/3 跨長(zhǎng)的方式分段。

②吊裝分段

吊裝分段考慮現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件堆放區(qū)域的大小、單片桁架的構(gòu)造、臨時(shí)支撐架搭設(shè)位置、現(xiàn)場(chǎng)兩臺(tái)80t 龍門吊的額定吊重及工廠加工分段。

3.3.2.2 現(xiàn)場(chǎng)安裝

主橋鋼桁梁施工通過工廠加工節(jié)段運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)拼裝后，采用兩臺(tái)龍門吊進(jìn)行分段安裝。根據(jù)鋼桁梁分段位置，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置28 個(gè)臨時(shí)支撐架。主橋鋼桁梁在拼裝場(chǎng)地拼裝完成后，采用龍門吊進(jìn)行分段吊裝至臨時(shí)支撐架上，完成合攏段施工后卸載支撐架進(jìn)行受力體系轉(zhuǎn)換。車行橋跨中段ZC-10 及東西輔橋跨中段ZF-11 采用2 臺(tái)龍門吊雙機(jī)抬吊，其余采用1臺(tái)龍門吊單機(jī)吊裝。

主橋鋼桁梁施工順序是先進(jìn)行6#墩～7#墩及8#墩～9#墩構(gòu)件吊裝，再進(jìn)行跨中段構(gòu)件吊裝，最后進(jìn)行合攏段構(gòu)件吊裝。6#墩～7#墩、8#墩～9#墩的吊裝順序?yàn)榫W(wǎng)狀鋼支腿墩處的下弦桿吊裝→下弦桿之間的平聯(lián)安裝→上弦桿及腹桿組合構(gòu)件安裝→往東西方向?qū)ΨQ吊裝其余桁架構(gòu)件。合攏段及中間段的吊裝順序?yàn)橄劝惭b單榀桁架，后安裝之間的平聯(lián)。

圖10 支撐架平面布置圖

圖11 合攏段龍門吊雙機(jī)抬吊安裝

3.3.3 施工過程分析

3.3.3.1 主橋鋼桁梁安裝過程分析

運(yùn)用MIDAS/Civil 有限元計(jì)算軟件建立主橋模型，對(duì)主橋安裝過程中6 個(gè)工況進(jìn)行模擬分析。安裝過程如下：

圖12 現(xiàn)場(chǎng)施工圖

①安裝車行橋MQ7 墩南側(cè)三節(jié)點(diǎn)的下弦桿以及平聯(lián)；

②安裝車行橋MQ7 墩南側(cè)三節(jié)點(diǎn)的上弦桿以及橋面板；

③安裝車行橋MQ7 墩位北側(cè)三節(jié)點(diǎn)的桁架及橋面板；

④安裝輔橋MQ7 墩桁架及平聯(lián)和MQ8墩桁架和橋面板；

⑤安裝中間段南側(cè)鋼桁梁；

⑥安裝中間段鋼桁梁；

⑦安裝合攏段鋼桁梁；

⑧安裝剩余結(jié)構(gòu)。

圖13 主橋有限元模型

通過計(jì)算分析可知，采用該施工方案，主橋最不利工況為工況⑥，在最不利工況下主橋鋼桁梁最大位移為14.257mm，小于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中要求的安全范圍；最大應(yīng)力為90.5N/mm2，小于Q345qD 鋼材的彎曲容許應(yīng)力。

3.3.3.2 主橋支撐架計(jì)算

本工程主橋鋼桁梁分段處共設(shè)置28 個(gè)臨時(shí)支撐架，支撐架立柱采用圓管630×10，采用雙排柱支撐形式，高度根據(jù)橋底標(biāo)高調(diào)整，ZCJ-A 及ZCJ-C，原鉆孔平臺(tái)的樁不拆除，用作支撐架的樁。

運(yùn)用3D3Sv14.0 軟件對(duì)支撐架進(jìn)行建模計(jì)算。恒荷載采用軟件自動(dòng)計(jì)算的支撐架自重，活荷載按最不利位置計(jì)算的上部鋼桁梁及橋面板重量、水平方向0.1 倍動(dòng)力荷載、水平方向的水流力。荷載組合為1.3 恒荷載+1.5 活荷載、1.35 恒荷載+0.7 活荷載。通過計(jì)算得到所有支撐架最大應(yīng)力比、最大位移均滿足要求。

3.3.4 卸載過程分析

主橋結(jié)構(gòu)安裝完成后進(jìn)行支撐架卸載，完成受力體系轉(zhuǎn)換，需對(duì)卸載點(diǎn)的支撐反力、位移變化和結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力變化進(jìn)行計(jì)算分析，確保主橋結(jié)構(gòu)及支撐架的可靠性。

圖14 最不利工況計(jì)算結(jié)果圖

圖15 支撐架模型

3.3.4.1 主橋鋼桁梁卸載過程分析

主橋采用的卸載順序：①卸載12#、13#支撐→②逐步向兩側(cè)卸載，卸載11#、14#支撐架→③卸載10#、15#支撐架→④卸載7#、8#、9#支撐架和16#、17#、18#支撐架→⑤卸載1#、2#、3#支撐架和22#、23#、24#支撐架→⑥卸載10～16#、19～21#支撐架，以及ZCJA～ZCJ-D。

運(yùn)用MIDAS/Civil 有限元計(jì)算軟件對(duì)6 個(gè)卸載工況下的主橋進(jìn)行施工模擬分析。通過計(jì)算分析可知，采用該卸載方案，主橋最不利工況為工況⑤卸載支撐架1#～3#、22#～24#階段，在最不利工況下主橋鋼桁梁最大位移為59.420mm，最大應(yīng)力為57.280N/mm2，符合規(guī)范要求。

圖16 最不利工況計(jì)算結(jié)果圖

3.3.4.2 主橋支撐架計(jì)算

通過對(duì)主橋支撐架卸載過程的模擬分析，提取最不利（11#、14#支撐架卸載完時(shí)，10#、15#支撐架的支座反力）支座反力，可知輔橋最大支座反力為629kN，車行橋最大支座反力為1126kN。采用3D3Sv14.0 軟件對(duì)支撐架進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析總結(jié)了云碧峰大橋項(xiàng)目主橋施工關(guān)鍵技術(shù)。項(xiàng)目通過對(duì)曲線平行四邊形斷面桿件采用倒裝法組拼焊接；采用信息化預(yù)拼裝、支撐架上設(shè)調(diào)節(jié)短柱、增加加工和安裝預(yù)拱度的方式進(jìn)行線形控制；采用型鋼斜撐支架法安裝網(wǎng)狀鋼支腿，同時(shí)根據(jù)實(shí)際條件對(duì)鋼桁梁優(yōu)化加工、吊裝分段，確定施工方法、施工順序，并對(duì)主橋施工過程和卸載過程進(jìn)行有限元分析，確保施工技術(shù)的可行性。本項(xiàng)目成果克服曲線空間變高鋼桁結(jié)構(gòu)、平行四邊形斷面桿件的加工制作、安裝困難，網(wǎng)狀鋼支腿施工以及橋梁線形控制難等問題，為后續(xù)類似項(xiàng)目提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。