羅強(qiáng)強(qiáng)

上海浦興路橋建設(shè)工程有限公司 上海 201210

隨著我國(guó)城市建設(shè)的高速發(fā)展和鋼箱梁拼裝、焊接及橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、施工等技術(shù)的日益成熟，鋼箱梁已被廣泛應(yīng)用于鐵路、公路的建設(shè)中。鋼箱梁自重輕、跨越能力大，且在制造廠內(nèi)預(yù)制，能夠?qū)崿F(xiàn)工程現(xiàn)場(chǎng)的快速安裝，因此，被廣泛用于線形復(fù)雜、跨徑大的跨線和城市立交工程中。

鋼箱梁制作、安裝等過程中產(chǎn)生的各種誤差，直接影響橋梁的安裝質(zhì)量，并且對(duì)后續(xù)使用過程中橋梁的線形觀賞性、受力均衡性以及橋梁的振動(dòng)、支座、自然伸縮性能等產(chǎn)生質(zhì)量和安全隱患。為避免問題的出現(xiàn)，一般僅在設(shè)計(jì)階段對(duì)鋼箱梁結(jié)構(gòu)模型中的伸縮縫、預(yù)拱度、剪力滯效應(yīng)等誤差進(jìn)行計(jì)算補(bǔ)償，但在實(shí)際施工中，除設(shè)計(jì)考慮范圍內(nèi)的誤差外，還需要對(duì)鋼箱梁二次優(yōu)化設(shè)計(jì)、制作、運(yùn)輸、安裝、自重以及溫度等各類因素引起的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。本文以上海滬南公路（康花路—上南路）道路改建工程3標(biāo)為背景，通過在安裝過程中的各個(gè)施工階段采用合理的施工工藝、流程以及方法來彌補(bǔ)鋼箱梁在施工階段產(chǎn)生的偏差，最終使鋼箱梁在成橋后滿足設(shè)計(jì)的線形要求。

1 工程背景

上海滬南公路（康花路—上南路）道路改建工程3標(biāo)段位于浦東新區(qū)滬南公路，起止樁號(hào)為K2＋529—K3＋237，本標(biāo)段主線全長(zhǎng)708 m，K2＋529—S20規(guī)劃紅線寬40 m，S20—K3＋237規(guī)劃紅線寬50 m，道路斷面形式為雙向6快2慢。

滬南公路跨線橋共十四跨，墩號(hào)25#—26#為27.5 m小箱梁，墩號(hào)26#—27#為50 m鋼混疊合梁，墩號(hào)27#—35#為8跨29 m小箱梁，墩號(hào)35#—39#為4跨連續(xù)鋼箱梁?？缇€橋面積總共12 250 m2。其中跨S20外環(huán)線鋼箱梁橋?qū)挾葹?7.5 m，跨S20外環(huán)線連續(xù)梁跨徑布置為（80.0＋120.0＋110.0＋80.5）m，梁高4.0～8.0 m。本鋼箱梁結(jié)構(gòu)形式為單箱四室等截面，兩側(cè)挑翼下部開口。

2 安裝過程中的補(bǔ)償措施

2.1 伸縮縫對(duì)溫度的補(bǔ)償

目前，橋梁伸縮縫的破壞成為高等級(jí)公路橋梁的一大病害，如：廣深高速公路通車僅幾個(gè)月，就開始更換維修所有橋梁的伸縮縫，極大地影響了該高速公路的正常使用；深圳市梅林—觀瀾高速公路通車不到1 a，伸縮縫就遭到不同程度的破壞，面臨著更換和維修的難題，其在安裝時(shí)預(yù)留的伸縮縫間隙不滿足橋梁有效伸縮的要求是主要原因。

在里程方向的伸縮，鋼箱梁要比混凝土橋梁更加敏感，因此在鋼箱梁安裝時(shí)，一定要確保預(yù)留的伸縮縫達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在安裝時(shí)，首先要清楚施工圖標(biāo)注的伸縮縫間隙的設(shè)計(jì)溫度，然后根據(jù)安裝現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際溫度計(jì)算出該溫度下鋼箱梁的實(shí)際伸縮縫間隙，并根據(jù)換算后的伸縮縫間隙進(jìn)行鋼箱梁的安裝。

溫度變化引起鋼箱梁伸縮量的計(jì)算方法為：根據(jù)橋梁的設(shè)計(jì)使用溫度范圍（橋梁建造地區(qū)的最低溫度及最高溫度，分別用Tmin、Tmax表示）及橋梁安裝時(shí)的溫度Tset，計(jì)算鋼梁的伸長(zhǎng)量和收縮量，最終確定伸縮縫的安裝寬度。鋼箱梁伸縮與溫度的關(guān)系見下列公式：

式中：ΔLt——溫度變化引起的伸縮量；

ΔL＋——溫度變化引起的伸長(zhǎng)量；

ΔL－——溫度變化引起的收縮量；

γ——鋼箱梁溫度膨脹系數(shù)，取12×10-6K-1；

L——橋梁長(zhǎng)度。

本工程中120 m跨徑鋼箱梁的設(shè)計(jì)伸縮縫為100 mm（溫度范圍為－10～45 ℃），在現(xiàn)場(chǎng)溫度為20 ℃時(shí)，安裝伸縮縫的預(yù)留長(zhǎng)度需要減去已經(jīng)存在的溫升伸長(zhǎng)量54 mm，實(shí)際伸縮縫安裝寬度僅需要45 mm即可。

2.2 焊接收縮的補(bǔ)償

在鋼箱梁安裝現(xiàn)場(chǎng)施焊過程中，焊縫的橫向收縮在整個(gè)橋梁安裝過程中具有累加效應(yīng)，因此在橋梁安裝定位前需考慮橫向?qū)雍缚p的施焊收縮量，通過對(duì)拼接縫間隙的調(diào)整來彌補(bǔ)焊縫的橫向收縮[1]。

焊縫的橫向收縮是指沿垂直于焊縫軸線方向尺寸的縮短，因此該收縮量將會(huì)影響橋梁在里程方向的安裝精度。在焊接過程中，影響焊縫橫向收縮的因素有很多，如材質(zhì)、板厚、坡口形式、裝配間隙、焊接工藝、環(huán)境溫度等。為估算焊接收縮量的大小，避免復(fù)雜的計(jì)算，在實(shí)際工作中，計(jì)算對(duì)接焊縫的橫向收縮量可用如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中：Δy——焊縫的橫向收縮量；

AH——焊縫的橫截面積；

δ——母材板厚；

b ——裝配間隙。

以往工程中大多采用增加焊接接頭對(duì)縫間隙的方法來補(bǔ)償焊接引起的收縮變形，裝配間隙必須滿足GB 50661—2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》中關(guān)于焊接接頭的裝配技術(shù)要求。

2.3 有效截面系數(shù)對(duì)剪力滯效應(yīng)的補(bǔ)償

箱型截面的梁在彎曲載荷作用下，由于翼緣板中平面剪應(yīng)變的作用，翼緣板中的正應(yīng)力將不再符合初等橋梁理論。初等梁彎曲理論是基于平面變形假定，則翼板剪應(yīng)力沿寬度方向是均勻分布的。但對(duì)翼緣板較寬的箱梁，由于翼緣板剪切變形橫向分布的非均勻性，導(dǎo)致梁彎曲時(shí)翼緣板遠(yuǎn)離腹板位置處的剪應(yīng)力滯后于接近腹板位置處的縱向位移，從而造成翼緣板彎曲縱向應(yīng)力沿其寬度方向不均勻的剪力滯后現(xiàn)象。

剪力滯效應(yīng)在設(shè)計(jì)過程中已經(jīng)充分考慮，在施工階段若采用懸臂法分段安裝，在施工階段分析時(shí)一定要將每一個(gè)分段截面的有效截面系數(shù)考慮進(jìn)去，確保節(jié)段施工過程中橋梁的力學(xué)性能滿足懸臂要求。在利用Midas Civil等分析軟件計(jì)算時(shí)，一定要對(duì)有效截面進(jìn)行計(jì)算[2]。

有效截面系數(shù)的規(guī)律：有效寬度系數(shù)基本上都是寬跨比的函數(shù)，而且都隨寬跨比的增大而減??；任一截面的翼緣板有效寬度系數(shù)總是小于箱室部分有效寬度系數(shù)。

需要特別強(qiáng)調(diào)的是，拉彎、壓彎構(gòu)件的彎曲應(yīng)力較大時(shí)，剪力滯效應(yīng)的影響較大，有效面積應(yīng)該考慮剪力滯的影響。針對(duì)受彎、壓構(gòu)件的受拉或受壓翼緣的剪力滯效應(yīng)的強(qiáng)度校核，可參照規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定及設(shè)計(jì)要求。

2.4 懸臂施工對(duì)橋梁預(yù)拱度的補(bǔ)償

鋼箱梁的懸臂施工是整個(gè)安裝過程中的難點(diǎn)，其施工質(zhì)量及對(duì)線形的預(yù)控制是橋梁安裝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

為了保證橋梁建成后，實(shí)際線形達(dá)到設(shè)計(jì)線形的要求，必須在設(shè)計(jì)、制作、施工等過程中充分考慮橋梁的預(yù)拱度。設(shè)計(jì)院給出的預(yù)拱度僅考慮一次落架以及二期恒載的作用；深化設(shè)計(jì)提供的預(yù)拱度僅僅考慮胎架制作完成下胎后的自重作用；現(xiàn)場(chǎng)采用支架法施工時(shí)可以不考慮增設(shè)施工預(yù)拱度，但若采用懸臂施工，則需考慮懸臂段的預(yù)拋高，以滿足卸載后的線形要求。因此在鋼箱梁加工之前，需要按照懸臂施工的方案重新計(jì)算制作預(yù)拱度。

本工程在鋼箱梁施工時(shí)，將懸臂施工段的預(yù)拱度與深化設(shè)計(jì)預(yù)拱度進(jìn)行疊加合并，統(tǒng)一放進(jìn)制作過程中，這樣就避免了現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，頂?shù)装迤纯p間隙出現(xiàn)三角縫，造成焊縫的拼接間隙過大。

2.4.1 “簡(jiǎn)支-拉桿”法懸臂段精調(diào)整工藝

鋼箱梁在懸臂安裝過程中由于懸臂段下方?jīng)]有支架，因此無法采用常規(guī)方法調(diào)整橋梁線形。針對(duì)懸臂施工特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了“簡(jiǎn)支-拉桿”法懸臂施工工藝。

“簡(jiǎn)支-拉桿”懸臂段精調(diào)整工藝如下：將懸臂段鋼箱梁頂、底板進(jìn)行加固；在鋼箱梁頂板上安裝拉桿座，在鋼箱梁底板上安裝支撐座，其中固定端支座為懸臂的L形，懸臂端為與底板平齊的方形；待浮吊將懸臂段吊裝至安裝工位后，將L形支座搭接在方形支座上，采用10.9級(jí)M32 mm高強(qiáng)雙頭螺桿將懸臂側(cè)梁段與固定側(cè)梁段通過拉桿座進(jìn)行拉結(jié)；通過調(diào)整雙頭螺桿的鎖緊長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)懸臂段線形的精確調(diào)整（圖1）。

圖1 懸臂段安裝工裝

2.4.2 懸臂施工線形控制

在懸臂施工過程中，隨著懸臂的不斷安裝，橋梁懸臂的豎向曲線呈動(dòng)態(tài)變化直至合龍段施工完畢。為確定每一個(gè)懸臂的安裝姿態(tài)，采用Midas Civil軟件對(duì)懸臂施工過程進(jìn)行有限元分析，精確計(jì)算每一段的安裝預(yù)拱度。計(jì)算方式為：制作預(yù)拱度＝懸臂施工中鋼梁自重變形＋二期恒載變形＋1/2活載。

2.5 合龍段安裝余量補(bǔ)償

為彌補(bǔ)在小節(jié)段安裝過程中產(chǎn)生的累計(jì)誤差，鋼箱梁合龍段需設(shè)置預(yù)留的切割余量，切割余量為0.05%～ 0.10%。在合龍段安裝前，需根據(jù)合龍溫度確定合龍段需要切割的長(zhǎng)度。吊裝一般選擇在氣溫較低時(shí)進(jìn)行，然后隨著氣溫的上升，在鋼結(jié)構(gòu)熱膨脹的原理下，合龍段同兩側(cè)間距會(huì)逐漸縮小，當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)尺寸時(shí)，安裝定位碼板，焊接鎖定，完成合龍安裝。

合龍段焊接順序要嚴(yán)格按照焊接方案執(zhí)行，總體原則是：兩側(cè)合龍口順次進(jìn)行焊接，每個(gè)合龍口先進(jìn)行底板焊接，其次進(jìn)行兩側(cè)腹板焊接，最后進(jìn)行頂面板的焊接。通過合理的焊接順序來控制、補(bǔ)償合龍段因收縮而產(chǎn)生的焊接應(yīng)力及焊接形變。

2.6 支座后裝對(duì)累計(jì)偏差的補(bǔ)償

橋梁施工的正常流程是：樁基礎(chǔ)施工→承臺(tái)擴(kuò)大基礎(chǔ)施工→立柱蓋梁施工→支座墊石澆筑→支座定位安裝→上部結(jié)構(gòu)安裝?，F(xiàn)代橋梁施工過程中預(yù)制構(gòu)件的占比越來越大，大部分城市立交都要求快速施工，地面以上均為預(yù)制結(jié)構(gòu)。所有的預(yù)制件在工廠加工以及現(xiàn)場(chǎng)安裝的過程中均存在不同程度的安裝偏差，尤其是大跨度的鋼箱梁，由于其跨度大，且在制作拼裝、焊接、運(yùn)輸以及內(nèi)部應(yīng)力的交互作用下，鋼箱梁在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)將會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形。最終在安裝上部結(jié)構(gòu)時(shí)，由于各工序偏差的累計(jì)疊加，導(dǎo)致橋面結(jié)構(gòu)不能與下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效連接，會(huì)出現(xiàn)支座角位移偏移、支座墊塊與蓋梁及鋼箱梁底部墊塊脫空等現(xiàn)象（圖2）。

圖2 支座與鋼梁出現(xiàn)脫空現(xiàn)象

為解決上述問題，通過采用支座后裝的方法來彌補(bǔ)上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的連接沖突問題，取得了很好的效果。

具體方法是：在安裝完成下部結(jié)構(gòu)后，進(jìn)行支座墊塊的澆筑，支座墊塊比設(shè)計(jì)標(biāo)高低3～5 cm，將支座臨時(shí)放置于設(shè)計(jì)坐標(biāo)處，并進(jìn)行粗定位；然后安裝鋼箱梁，在上部結(jié)構(gòu)安裝完成后，將支座托起與鋼梁底面貼緊，最后進(jìn)行模板支護(hù)，對(duì)支座進(jìn)行二次灌漿。需要特別注意的是，支座后裝法確保了橋梁的支座與鋼箱梁接觸密實(shí)，不會(huì)發(fā)生支座脫空現(xiàn)象，但在進(jìn)行支座的二次灌漿時(shí)，必須選擇比支座墊石高一個(gè)級(jí)別的無收縮微膨脹灌漿料進(jìn)行澆筑。

3 結(jié)語

上海滬南公路（康花路—上南路）道路改建工程3標(biāo)跨S20外環(huán)線鋼箱梁在安裝過程中的補(bǔ)償措施研究與應(yīng)用，已形成一套成熟的鋼箱梁制作、安裝誤差補(bǔ)償機(jī)制[3-7]。從完成的鋼箱梁安裝情況來看，綜合補(bǔ)償措施的應(yīng)用滿足本工程鋼箱梁的安裝需要，能夠適用于各類鋼箱梁的制作、安裝，有效解決了鋼箱梁制作、安裝過程中產(chǎn)生各類誤差的問題，大大提高了鋼箱梁現(xiàn)場(chǎng)安裝質(zhì)量和效率，有效延長(zhǎng)橋梁的使用壽命，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁的安裝具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，可為類似橋梁工程鋼箱梁的安裝施工提供參考。