王德懷, 王琦,2, 張玉奇

(1.中交第二航務工程局有限公司， 湖北 武漢 430040; 2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室)

1 概述

濟南鳳凰路黃河大橋主橋為三塔自錨式懸索橋，北側(cè)跨黃河大堤引橋采用(154+245+154) m變截面連續(xù)鋼混組合梁橋型方案(圖1)，主梁采用正交異性橋面板組合梁，梁高按二次拋物線變化，橫向為線性變化，最大主梁寬度為61.7 m，施工難度大。

圖1 濟南鳳凰路黃河大橋北側(cè)跨大提引橋總體布置圖(單位：m)

主梁為閉口鋼箱梁，梁高4.8～10.0 m，寬度為54～61.7 m，單箱四室，由兩個中心箱室、挑臂箱室組成，其中挑臂尺寸保持不變。橫向板件包括空腹式橫隔板、端橫梁橫隔板和中橫梁橫隔板，全橋共計142個橫隔板，空腹式橫隔板標準間距為4 m，見圖2。全橋范圍設(shè)置8 cm等厚度橋面板，為避免鋼橋面板在疲勞荷載作用下的疲勞開裂問題，減輕恒載自重，在車行道及漸變范圍內(nèi)設(shè)置UHPC混凝土橋面板。為減薄中支點鋼梁底板厚度，在中支點邊跨側(cè)40.5 m，中跨側(cè)32.5 m范圍內(nèi)采用鋼梁底板與混凝土結(jié)合方案，即通過在鋼梁底板上澆筑混凝土，采用C50低收縮混凝土，厚度為0.35～1.20 m，協(xié)助鋼梁底板共同承擔荷載作用。

圖2 典型斷面圖(單位：mm)

跨堤橋與黃河大堤斜交，受到大堤坡腳的影響，支架搭設(shè)難度大，節(jié)段重量大且橋位處存在5～8 m的三級落差，受地形限制，大型起重設(shè)備駐位困難，節(jié)段吊裝與運輸難度極大。該文提出3種施工方案，通過有限元軟件開展連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析和變化規(guī)律研究，從適用性、經(jīng)濟性和安全性等方面對3種方案進行綜合比選。

2 施工方案比選

依據(jù)設(shè)計文件結(jié)合現(xiàn)場實際提出3種施工方案，梁段編號SZ表示南側(cè)跨中，NZ表示北側(cè)跨中，SB表示南側(cè)邊跨，NB表示北側(cè)邊跨，臨時支架采用擴大基礎(chǔ)，臨時墩采用樁基礎(chǔ)。

(1) 方案1：少支架橋位散拼方案。利用履帶吊逐塊吊裝板單元，焊接成節(jié)段，利用橋面吊機對稱拼裝兩側(cè)挑臂，在合適的溫度條件下施工中跨合龍段，澆筑中墩支點處鋼梁底板結(jié)合混凝土，拆除臨時支架，保留SB8、NB8、SZ6、NZ6梁段下4個臨時墩，分塊現(xiàn)澆部分橋面板，拆除臨時支墩，澆筑剩余橋面板，完成施工，具體施工方案見圖3、4。

圖3 少支架橋位散拼

圖4 保留4個臨時支墩

(2) 方案2：橋面吊機對稱懸拼方案。在堤內(nèi)變跨區(qū)存梁，利用橋面吊機對稱懸拼堤外側(cè)T構(gòu)，SB11#～SB13#與NB11#～NB13#利用支架散拼施工、邊跨合龍，在合適的溫度下鎖定中跨合龍段，澆筑中墩支點處鋼梁底板結(jié)合混凝土，拆除臨時墩及散拼支架，從跨中和邊跨梁端分別向中墩澆筑剩余混凝土橋面板，見圖5。

圖5 橋面吊機對稱懸拼

(3) 方案3：支架周轉(zhuǎn)橋位散拼方案。搭設(shè)北側(cè)堤外T構(gòu)少支點支架并安裝拼裝胎架，利用履帶吊吊裝板單元至拼裝胎架，中間箱體拼裝完畢后利用橋面吊機吊裝兩側(cè)挑臂，挑臂安裝滯后一個節(jié)段，北側(cè)T構(gòu)完成施工以后拆除臨時墩轉(zhuǎn)移至南側(cè)T構(gòu)完成南側(cè)T構(gòu)施工，澆筑中墩支點處鋼梁底板結(jié)合混凝土，選擇合適溫度進行中跨合龍，拆除臨時支架，保留SB8、NB8、SZ6、NZ6節(jié)段下4個臨時墩，分塊現(xiàn)澆部分橋面板，拆除臨時支墩，澆筑剩余橋面板，完成施工，見圖6。

圖6 支架周轉(zhuǎn)橋位散拼

3 有限元分析

3.1 材料參數(shù)

鋼梁主體結(jié)構(gòu)采用Q345qE和Q420qE。挑梁和斜底板采用Q345qE材料，NB6～NB12梁段與SB6～SB12梁段為Q345qE材料,其余梁段為Q420qE材料，依據(jù)GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》鋼材力學性能指標見表1。

表1 鋼材力學性能指標

3.2 有限元模型計算

采用Midas/Civil有限元軟件建立北側(cè)跨大堤引橋的梁單元模型，主跨245 m，橋面最大寬度為61.7 m，豎向為二次曲面變化，橫向為線性變化，模型分為中間箱體和兩側(cè)挑臂，均采用梁單元模擬，有限元模型見圖7～12。

圖7 整體模型

圖8 合龍前永久支座邊界條件

圖9 合龍前臨時支架邊界條件

圖10 合龍后永久支座邊界條件

圖11 合龍后臨時墩邊界條件

圖12 對稱懸拼方案有限元計算(單位：m)

少支架橋位散拼與支架周轉(zhuǎn)橋位散拼方案在受力計算上基本相同，方案區(qū)別點在于支架的拆除時機，對結(jié)構(gòu)受力體系沒有影響。以支架周轉(zhuǎn)橋位散拼方案為例，橋梁永久支座采用一般支撐模擬，臨時支架采用僅受壓節(jié)點彈性支撐模擬，橋面板以均布荷載施加。

橋面吊機對稱懸拼方案永久支座及臨時墩均采用一般支撐模擬，單個橋面吊機采用250 t節(jié)點荷載模擬。

3.3 線形控制

大跨連續(xù)鋼混組合梁高精度的線形控制是橋梁達到理想設(shè)計線形的基礎(chǔ)。跨大堤引橋鋼結(jié)構(gòu)總重量接近2.3萬t，橋位處存在5～8 m的三級落差，豎向為二次拋物線變化，橫向為線性變化，橋面縱坡包括1%、2.45%線形坡度及120 m半徑為8 300 m的圓曲線，連續(xù)梁跨度大且剛度相對小從而主梁預拱度大，線形施工控制難度大。

(1) 少支架橋位散拼與支架周轉(zhuǎn)橋位散拼方案主梁控制預拱度相同，中跨最大預拱度為1 026 mm，邊跨最大預拱度為183 mm，板單元按照制造預拱度拼接成梁段，通過200 t三向千斤頂調(diào)位，選擇合適的溫度條件下焊接碼板，施作環(huán)縫。

(2) 橋面吊機對稱懸拼施工時，梁段重量大，懸臂狀態(tài)預拱度控制難度相對較大，需要通過增加臨時支撐等措施協(xié)助控制，中跨跨中最大預拱度為1 059 mm，邊跨最大預拱度為208 mm，橋面吊機懸拼部分梁段通過增加預拱度消除懸臂施工過程中豎向變形的影響。橋面吊機吊裝就位后，選擇合適的溫度條件焊接碼板和環(huán)縫。

3種方案在臨時墩位置處的預拱度值相同，從成橋線形的角度考慮，3種方案均能滿足設(shè)計要求，主梁預拱度見圖13。

圖13 主梁預拱度

3.4 應力對比分析

采用有限元方法計算3種不同施工方案、不同施工工序主梁的最大應力及最小應力，結(jié)果如表2、圖14、15所示。

表2 施工過程中主梁應力值

圖14 對稱懸拼施工應力包絡(luò)圖(單位：MPa)

圖15 橋位散拼方案應力包絡(luò)圖(單位：MPa)

由表2、圖14、15可知：

(1) 少支架板單元橋位散拼方案中，臨時支架拆除之前橋梁主梁均處于無應力施工狀態(tài)，能有效保證施工質(zhì)量，拆除臨時支架后僅保留4個臨時支墩，跨中主梁上緣承受最大壓應力為67.90 MPa，主梁下緣承受的最大拉應力為127.12 MPa。

(2) 橋面吊機對稱懸拼方案中，施工過程中，PF33墩柱上緣承受最大拉應力為91.63 MPa，下緣承受最大壓應力為175.07 MPa，均小于材料的允許應力值。但是鋼結(jié)構(gòu)一般要求無應力焊接工藝，有應力焊接對鋼結(jié)構(gòu)的抗拉壓、疲勞等材料性能產(chǎn)生較大影響，橋面吊機對稱懸拼方案雖然能夠滿足施工階段應力要求，但有應力焊接對橋梁使用壽命產(chǎn)生較大影響。

(3) 支架周轉(zhuǎn)橋位散拼方案與少支架橋位散拼方案不同之處在于：方案3為北側(cè)T構(gòu)完成后將部分臨時支架轉(zhuǎn)移至南側(cè)周轉(zhuǎn)使用，北側(cè)主梁合龍口位置下設(shè)置臨時支架，能夠保證中跨梁段合龍時主梁的無應力焊接狀態(tài)，合龍前PF33墩柱支點頂板最大拉應力為23.49 MPa，底板最大壓應力為30.71 MPa，臨時支架拆除后4個臨時支墩的受力與方案1相同。

從結(jié)構(gòu)受力考慮，3個方案均能滿足施工階段的受力要求，但是方案2中有應力焊接工藝對材料性能產(chǎn)生一定的不利影響，方案1和方案3能夠滿足無應力焊接工藝要求。

3.5 綜合方案比選

3種方案施工過程中的主要投入和方案的優(yōu)缺點比較見表3。

表3 綜合方案比選

綜合考慮主梁線形控制、結(jié)構(gòu)應力、主要投入以及施工過程的優(yōu)劣因素，進行對比分析得到：方案1與方案3在主梁線形控制方面具有明顯優(yōu)勢，方案2線形控制相對困難；3個方案施工過程中主梁應力均能滿足規(guī)范要求，但是方案2不能滿足鋼結(jié)構(gòu)無應力焊接的要求；方案1需要投入9 500 t臨時支架，無需增加新的拼裝場地，平行作業(yè)面多可以縮短工期，方案2需要投入1 600 t臨時支架，裝配化程度較高，但是需要增加現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)拼裝場地，方案3需要5 500 t臨時支架，無需增加拼裝場地，但是作業(yè)面減少，工期延長，由于跨大堤引橋施工不在關(guān)鍵線路上，工期的延長對整個標段的施工沒有影響。

綜上所述，支架周轉(zhuǎn)橋位散拼方案相較于方案1節(jié)省支架4 000 t，具有良好的經(jīng)濟效益，相較于方案2能夠滿足鋼結(jié)構(gòu)無應力施工的要求，因此該橋選用支架周轉(zhuǎn)橋位散拼方案。

4 結(jié)語

濟南鳳凰路黃河大橋北側(cè)跨黃河大堤引橋采用(154+245+154)m變截面連續(xù)鋼混組合梁橋型方案，主梁縱橫向截面變化，施工難度極大，提出了3種施工方案：少支架橋位散拼；橋面吊機對稱懸拼；支架周轉(zhuǎn)橋位散拼。綜合考慮主梁線形控制、結(jié)構(gòu)應力、主要投入以及施工過程的優(yōu)劣因素，最終選定支架周轉(zhuǎn)橋位散拼方案，能夠有效地保證施工的安全性，節(jié)省支架近4 000 t，具有良好的經(jīng)濟效益。關(guān)于有應力梁段焊接問題適用于所有鋼結(jié)構(gòu)焊接施工，懸臂狀態(tài)需要保證無應力焊接的施工工藝，有應力焊接對鋼結(jié)構(gòu)橋梁的使用壽命產(chǎn)生較大影響，類似項目要重點關(guān)注。