鋼箱拱橋復合支架原位拼裝施工關鍵技術研究

胡立楷 蔣昌盛 張坤球

摘要：文章以大風江大橋建設為例，對鋼箱拱橋復合支架原位拼裝施工關鍵技術進行了研究。總結了鋼箱拱橋復合支架原位拼裝施工特點及控制重點，對施工中臨時支撐體系的應力及位移進行有限元分析計算，并對拱肋、鋼格構梁安裝線形控制給出合理的建議，可為同類型橋梁的安裝提供借鑒。

關鍵詞：鋼箱拱；復合支架；原位拼裝；線形控制

中圖分類號：U448.22? ? 文獻標識碼：A

文意編號：1673-4874（2024）04-0165-03

0 引言

隨著我國經濟建設的發展，鋼結構加工與制造技術不斷進步，鋼箱拱橋利用自身受力性能合理、穩定性高且跨度越大越節省鋼材的優勢，正處在高速發展狀態。對于鋼箱拱橋，當前常見的施工方法有頂推施工法、纜索吊裝法及原位拼裝法等［1-2］。在中小跨徑的拱橋施工中，原位拼裝法施工有著無須大型吊裝設備、橫斜撐安裝便捷、拱軸線形容易控制等優勢，且其施工占地少，對舊有道路影響小，在改擴建工程中有著較大的優勢。本文結合大風江大橋建設工程，對鋼箱拱橋復合支架原位拼裝施工關鍵技術進行研究，以確保橋梁施工質量。

1 工程概況

1.1 工程簡介

大風江大橋是蘭州至海口高速公路廣西欽州至北海段改擴建工程上的主線橋梁，該橋位于欽州市高塘村境內，在河道彎曲處跨越大風江。橋梁跨徑為20 m+120 m+20 m，主橋為下承式鋼箱系桿拱，凈跨徑120 m，凈矢高27 m，凈矢跨比為1/4.44。拱軸線采用二次拋物線，拱肋橫向中心間距為25.10 m，主拱由鋼箱拱肋、橫撐組成，拱肋為等截面鋼箱拱，截面高度2.5 m，寬度1.8 m。橋面系為鋼-混組合結構，主墩為實體墩、承臺+樁基礎的形式，全橋用鋼量約為2 130 t，臨時結構用鋼量約2 400 t。

1.2 原位拼裝施工法的提出

該項目為高速公路改擴建施工，新建橋梁橋面距舊橋橋面僅12.6 m，為降低施工對高速公路通行的影響，實現無感化施工，保證通行安全，最終選取原位拼裝法，通過先梁后拱［3］的模式進行大風江大橋的施工。

1.3 復合支架體系的提出

現場搭設水上鋼平臺作為施工平臺，在平臺上依次進行鋼格構梁及拱肋安裝的施工。

為保證作業安全，提高施工精度，項目根據橋梁結構形式設計了一套復合支架體系，作為結構施工中的臨時支撐。該復合支架體系由支撐拱肋的胎架、支撐鋼格構梁的支墩及支撐整體上部結構的水上鋼平臺三部分組成，并通過三個臨時結構的協同受力保證拱橋施工中的整體穩定性，確保施工安全。

2 施工技術參數

2.1 拱肋胎架

胎架主要承受主拱肋、橫撐、自重、風荷載及溫度荷載作用。根據高速公路運輸要求及安裝情況將拱肋分為9段，在對應拱肋連接處安裝拱肋胎架，共安裝16組胎架。

胎架兩側呈對稱布置，胎架中軸線離拱腳中心的水平距離分別為10.77 m、26.96 m、40.56 m、53.60 m，上游側胎架中軸線的高度分別為9.71 m、19.55 m、25.31 m、27.80 m。橋梁拱肋沿橋寬中心線對稱布置，兩拱肋軸線的水平距離為26.1 m。拱肋橫撐共5節，每一節自重均為40.98 t。拱肋共9節，從南寧側到北海側單片拱肋重量依次為47.37 t、49.24 t、36.62 t、35.89 t，合龍處單片拱肋重28.44 t。

考慮胎架立柱由377 mm×10 mm鋼管組成，鋼管橫撐由76 mm×5 mm鋼管組成，底座為HW 400 mm×400 mm×13/21 mm型鋼，標準節間由螺栓連接，現場布置如圖1所示。

2.2 鋼格構梁支墩

為便于運輸及安裝，鋼格構梁分為13.6 m、18.75 m兩段，為保證施工質量，降低自重對結構變形的影響，將結構簡化為雙懸臂簡支梁計算，受均布荷載，最合理的位置是使支點處負彎矩與跨中正彎矩絕對值相等，即取2∶6∶2安裝每段鋼格構梁下支墩，考慮支墩由377 mm×10 mm鋼管組成，并沿縱橋向將端頭處相鄰支墩由76 mm×5 mm鋼管連接，增強穩定性。

2.3 水上鋼平臺

水上鋼平臺作為全橋施工過程中主要受力部位，除應考慮橋面各部件自重荷載及移動荷載外，還要對洪水有一定的抵抗能力，確保足夠的安全系數。鋼平臺全長117 m、寬36 m，其橫、縱斷面布置圖如圖2所示。

3 原位拼裝施工分析與控制

3.1 原位拼裝施工控制要點

3.1.1 臨時結構穩定性控制

臨時支架體系中，拱肋胎架除考慮拱肋安裝過程中，溫度、風荷載、自重荷載等作用下的桿件應力及位移外，還應重點控制其各部件局部及整體的穩定性；鋼格構梁支墩通過相鄰部件連接增強其穩定性；重點控制水上鋼平臺的局部穩定性及施工荷載、水流荷載作用下結構的整體穩定性。

3.1.2 鋼格構梁線形調整

由于鋼結構加工廠位于橋體南寧岸方向，為提高施工效率，現場采用同一根鋼格構梁分兩段依次運輸到現場，通過2臺50 t吊車，依次從由北海岸往南寧岸倒退安裝的方式，使全橋梁體完成臨時粗定位。通過三維千斤頂從兩端向中間對梁體進行精調，并進行實時測量監控，待梁體線形滿足設計要求后按照“兩岸向跨中同步焊接”的原則進行施工。全橋部分鋼格構梁平面坐標監測結果如表1所示。

鋼格構梁安裝完成后，以14對吊桿為測點對主梁線形進行復核，偏差均在±5 mm以內，滿足規范要求。

3.1.3 拱肋線形調整

拱肋安裝中，線形控制尤為重要，為使成拱后盡量達到合理拱軸線，需對其線形進行較精確的控制［4］。拱肋胎架安裝完成并驗收合格后，采用2臺160T汽車吊按照“左右對稱，由拱腳至跨中”的順序分段安裝拱肋至合龍。以限位側向擋板或前一節段底部、側向匹配件為參考導向，配合測控點測量，進行節段就位，每節段拱肋出廠時在其頂板上四角沖有控制點，安裝時依據理論計算的四點空間坐標通過測量機器人對四個沖點進行空間定位，提高控制精度。在現場安裝過程中借助場內拼裝時預設匹配件將拱肋節段后端與前一節段的上口對齊進行粗定位。采用一種鋼棒作為承壓件，上下結構以弧形卡扣對接，用液壓千斤頂對結構進行調節，通過結構前后左右滑動及繞銷軸轉動，對拱肋進行精確調整，精調裝置如圖3所示，下游側拱肋高程監控結果如表2所示。

對拱肋安裝進行實時監控，通過該施工工藝及新裝置的使用，將拱肋安裝偏差控制在1 cm以內，且合龍偏差為4.9 mm，保證了施工精度。

3.2 原位拼裝施工模擬

3.2.1 施工模擬

通過Midas Civil軟件建立有限元模型，全橋模型由拱肋、胎架、鋼格構梁、支墩及水上鋼平臺五部分組合而成，采用桁架單元對各構件進行模擬，結構共97 205個節點、157 019個單元。鋼管樁底部深入覆蓋層，邊界條件設為固接；水上鋼平臺單元間由下至上均采用僅受壓彈性連接；鋼格構梁支墩與水上鋼平臺面板及分配梁焊接固定，結構間采用剛性連接；鋼格構梁安放在支墩上，結構間采用僅受壓彈性連接；拱肋胎架與鋼格構梁通過型鋼及卡扣近似固接，結構間采用彈性連接的剛性連接形式；拱肋僅安放在胎架上，結構間采用僅受壓彈性連接。有限元模型示意圖如圖4所示。

3.2.2 全過程分析

對拱肋胎架進行全過程分析，按1.2自重+0.8溫度荷載+0.75風載進行荷載組合。

溫度荷載取值為：起始溫度為20 ℃，溫度變化為±20 ℃，即驗算0 ℃、20 ℃和40 ℃三種溫度荷載。

風荷載取值為：依據《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T 3360-01-2018）附表A.3及《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012），以6級風荷載作為正常使用狀態下風荷載，以百年一遇風荷載作為承載能力極限狀態下風荷載。

拱肋胎架計算結果匯總如表3所示。

計算結果顯示，拱肋安裝過程中，結構最大應力及最小特征值均發生在安裝4#拱肋階段，均滿足規范要求。

分別以5段拱肋安裝過程中，兩臺汽車吊就位后、拱肋起吊未完成安裝就位前，單臺吊車就位、拱肋節段運輸為最不利工況進行分析，計算不同工況下水上鋼平臺下橫梁、貝雷梁、分配梁及橋面板的正應力、剪應力、變形情況，并按最大水流流速V=4 m/s計算洪峰來臨時結構的承載力、穩定性與抗傾覆能力。

最終確定安裝4#拱肋時，單臺吊車就位、拱肋節段運輸階段的構件處于最不利工況，計算結果如表4所示。

由表4可知，在最不利工況下，各構件正應力、剪應力及變形均滿足規范要求。

鋼管樁采用529 mm×10 mm鋼管，許用應力為170 MPa，其最大反力P=466.39 kN。對單根鋼管樁進行安全性分析，其最小工作安全系數n/nw=1.45。

根據荷載反力及地質情況，確定鋼管樁長度，取最不利自由長度為18.12 m進行結構整體穩定性分析，在鋼管樁全部浸沒的情況下，MA（平衡）/MA（傾覆）=4.3，結構滿足規范要求。

4 結語

本文探討了鋼箱拱橋復合支架原位拼裝結構的施工關鍵技術。在該橋施工中，重點關注兩方面的控制：臨時結構設計及施工、鋼格構梁及拱肋線形調整。其中拱肋胎架、鋼格構梁支墩及水上鋼平臺既起到了臨時支撐作用，同時也為鋼結構安裝提供足夠的工作平臺。

為保證復合支架體系具備足夠的強度、剛度、穩定性，應充分考慮施工時的最不利荷載形式以確定結構的布置形式，并建立有限元模型進行驗算，對局部可優化處提前進行規劃設計，確保設計合理且施工便捷后方可進行施工。施工過程中應進行實時監控，確保全過程處于安全可控、安裝精度高的狀態下。

本文所述復合支架原位拼裝法能滿足鋼箱拱橋施工要求，可為同類型橋梁安裝提供思路。

參考文獻

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［7］GB 50755-2012，鋼結構工程施工規范［S］.

［8］JTG/T 3360-01-2018，公路橋梁抗風設計規范［S］.

作者簡介：胡立楷（1993—），工程師，主要從事道路與橋梁工程工作。