周 映 陳慧娜 許英英 徐閩濤 詹 瀟

浙江中天恒筑鋼構有限公司 浙江 杭州 310008

鋼結構橋梁因其自重輕、強度高、環(huán)境友好、施工周期短等優(yōu)點被越來越多地運用于實際工程之中。相較于普通鋼箱橋依靠自身箱體承力，鋼桁梁橋的主桁架為其主受力構件，可根據(jù)所需跨度調(diào)整桁架高度，從而確保鋼桁梁橋具有更大的剛度及跨越能力，但鋼桁梁橋的現(xiàn)場施工仍受制于場地條件、施工組織以及交通管制等因素。為此，本文介紹了某鋼桁梁橋分段滑移、懸臂安裝組合施工方法的關鍵點，可為今后類似項目的施工提供借鑒[1-6]。

1 工程概況

1.1 工程概況

某運河大橋上跨運河，運河為Ⅴ級航道，通航凈空45 m×5 m，同時東西兩側(cè)均上跨主要道路。運河大橋主橋采用（42.5＋80.0＋42.5） m三跨連續(xù)鋼桁梁橋，正交異性鋼橋面，引橋為裝配式部分預應力混凝土箱梁；下部結構為柱式墩、墻式臺，鉆孔灌注樁基礎。全橋跨徑組成為（3×25.0）＋（42.5＋80.0＋42.5）＋（3×25.0） m，總長323.16 m（圖1）。

圖1 上跨運河的連續(xù)鋼桁梁橋效果圖

1.2 鋼結構概況

鋼桁梁橋沿縱向設2片主桁架，主桁中心距24.5 m。2片主桁之間設車行道鋼箱梁。主桁采用變高三角形桁式，共19個節(jié)間。上、下弦桿為焊接箱形截面，腹桿為焊接H形截面。節(jié)段間對接處下弦桿上翼緣板采用焊接，腹板、下翼緣板上弦桿、腹桿均采用栓接。車行道鋼箱梁橋面采用正交異性板，頂板厚16 mm，底板除邊跨壓重段板厚為24 mm外，其余均為14 mm。頂?shù)装迳显OU形縱向加勁肋，局部采用板肋加勁。鋼箱梁設2道縱腹板，腹板厚14 mm。每約3 m設1道橫隔板，橫隔板靠近主桁處厚16 mm、中間厚14 mm，壓重區(qū)域橫隔板厚20 mm（圖2）。

圖2 鋼桁梁橋縱向剖面示意

2 施工重難點及方案選擇

2.1 施工重難點

2.1.1 線形控制難度高

本工程節(jié)段間主桁架對接處下弦桿腹板、下翼緣板、上弦桿、腹桿、箱梁縱向腹板、翼緣、頂板縱肋采用均為栓接，施工精度要求高。而線形控制分縱向、橫向和豎向線形（即三維空間）控制，控制因素復雜，涉及安裝方法、安裝順序、安裝溫度、焊接工藝等方面，需綜合考慮現(xiàn)場施工條件選擇施工工藝。

2.1.2 封航封道限制

鋼桁梁橋上跨運河為Ⅴ級航道，航道運輸繁忙，施工期間通航凈空要求為45 m×5 m，施工過程中不得設置支架影響通航，且不得長時間占用河道。鋼桁梁橋上跨兩側(cè)道路均為沿運河設置的交通主干道，施工過程中需保證交通順暢，不得長時間封道施工。如何選擇相應施工方案是本工程的一大難點。

2.1.3 管線數(shù)量多，施工困難

運河兩側(cè)沿交通主干道的管線眾多，涉及高壓電線、電力通信、雨污水等管線，現(xiàn)場施工限制多，如何減少管線遷移、加固工作量，方便施工是本工程另一難點。

2.2 施工方案比選

本工程施工精度要求高，封航封道限制多，現(xiàn)場管線分布廣。如何選擇施工方案在滿足現(xiàn)場條件的同時，兼顧安全、質(zhì)量、進度、經(jīng)濟性要求，顯得尤為重要。為此，對3種施工方案進行了比選。

2.2.1 自行式吊機安裝方案

優(yōu)點：技術成熟，安全性高，設備易租賃；方便靈活，工作效率高，轉(zhuǎn)場快。

缺點：施工便道受力要求高，措施量大，經(jīng)濟差；運河內(nèi)搭設臨時措施影響船舶通航；對線路管道影響大。

2.2.2 龍門吊安裝方案

優(yōu)點：技術成熟，安全性高，設備易租賃；縱向覆蓋范圍大，起重量大。

缺點：臨時措施量大，經(jīng)濟差；運河內(nèi)搭設臨時措施影響船舶通航；橫向覆蓋范圍小，兩端需設臨時大型堆場，影響施工組織；對線路管道影響大。

2.2.3 懸索吊安裝方案

優(yōu)點：對線路管道影響?。豢v向覆蓋范圍大，起重量大；不影響河內(nèi)通航、陸上交通。

缺點：橫向覆蓋范圍小，兩端需設大型臨時堆場，影響施工組織；臨時索塔和纜索系統(tǒng)設計及施工要求高。

2.2.4 最終施工方案選擇綜合上述施工重難點以及各個施工方案的優(yōu)缺點，最終采用邊跨構件滑移安裝，中跨構件無支架懸臂拼裝，跨中合龍的施工方式。

3 施工方案設計

3.1 總體施工思路

在主橋E0—E6及E0'—E6'節(jié)段下方布設臨時支架并設置通長滑移軌道梁，運河中不設支架以確保通航要求。采用1臺200 t起重船由兩端邊跨向中跨對稱架設、中跨合龍的方法安裝。其中，兩側(cè)邊跨及中跨E5E6、E5'E6'段鋼箱梁及下弦桿由200 t起重船分段起吊至臨時支架進行拼裝，然后通過滑移機器人滑移至設計位置，其余中跨鋼箱梁使用200 t起重船進行懸臂安裝。挑梁、主桁架腹桿及上弦桿等緊跟橋面構件，采用100 t汽車吊安裝。具體方案如下：

第1步：200 t起重船吊裝E0E1、E0'E1'、E1E2、E1'E2'鋼梁至拼裝支架后，采用滑移機器人滑移至設計位置，配合100 t汽車吊吊裝對應主桁腹桿及上弦桿。

第2步：按以上步驟施工到E4E5、E4'E5'節(jié)段后落梁。

第3步：安裝E5E6、E5'E6'鋼梁節(jié)段。

第4步：懸臂安裝E5E6—E8E9、E5'E6'—E8'E9'鋼梁節(jié)段，E9E9'跨中合龍。

第5步：線形調(diào)整及支座安裝后，卸載成形。

3.2 滑移機器人研發(fā)

邊跨施工時，采用200 t起重船將橫向分段的鋼箱梁構件吊裝至臨時支架拼裝形成整體后，使用設備將鋼箱梁向上頂離臨時支架，滑移至設計位置后進行精準落梁，而傳統(tǒng)液壓頂推滑移設備無法滿足鋼箱梁滑移前的頂升作業(yè)以及鋼箱梁就位后的落梁精確度要求。最終自主研發(fā)滑移機器人（圖3）作為滑移設備進行滑移施工，該滑移機器人內(nèi)置走行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)的控制器分別集成至一個總控制器進行集成控制，使得滑移機器人可以同步啟停。同時，每臺滑移機器人配備相應的分控制器以實現(xiàn)單獨啟停，以確保在滑移過程中進行單點調(diào)節(jié)，消除滑移誤差產(chǎn)生的影響。液壓系統(tǒng)控制三維千斤頂3個方向的移動，從而對擬運輸構件進行3個方向的位移調(diào)節(jié)，使得被移動構件在運送過程中如遇到主體結構尺寸偏差或構件偏位等情況時，可實現(xiàn)構件的空中頂升、尺寸微調(diào)和主體平移，避免構件與主體結構或臨時障礙物發(fā)生碰撞等。車架上設置帶自鎖穩(wěn)定的分配梁結構，可與頂升設備配套使用，防止構件受重心偏差或偶然沖擊時發(fā)生傾覆掉落等安全問題，從而確保項目的順利實施及安全作業(yè)。

圖3 滑移機器人

3.3 落梁施工技術

待E4E5、E4'E5'鋼梁節(jié)段滑移就位，安裝上弦桿A4A5、A4'A5'及對應的腹桿和兩側(cè)挑臂后，需將已完成的邊跨結構落至設計標高以上200 mm左右，以保證施工安全以及后期鋼梁無應力合龍。具體施工方案如下：

第1步：對鋼箱梁桁梁節(jié)點位置處內(nèi)側(cè)，進行臨時支撐施工。

第2步：拆除永久支墩處滑移軌道梁，并布置墊座及落梁千斤頂。

第3步：拆除臨時支撐短柱及滑移軌道后，通過千斤頂與墊座相互受力轉(zhuǎn)換，落梁至設計位置以上200 mm左右，永久支座提前布置，并在邊上設置臨時支座，臨時支座下鋪設聚四氟乙烯板以釋放水平位移。

第4步：重新對鋼桁梁節(jié)點處進行支撐。

3.4 懸臂安裝技術

本工程中跨構件采用懸臂安裝的施工工藝，鋼箱梁安裝時在自重作用下往下?lián)锨?，故結構的縱向預拱需通過匹配件以及焊接碼板的措施反向人為抬高來實現(xiàn)。由于邊跨結構安裝完畢后進行了落梁施工且又對鋼桁梁節(jié)點處重新進行支撐，此時可將邊跨結構視為滿堂支架支撐，其余中跨懸臂安裝的構件只需通過施工模擬分析確定每個主桁架節(jié)點處的撓度后，反向抬升至設計線形即可。

具體分析結果為：安裝E6E7、E6'E7'時，E7/E7'節(jié)點下弦桿位置下?lián)现禐?2 mm左右，故E7/E7'節(jié)點抬高量為12 mm；安裝E7E8、E7'E8'時，E8/E8'節(jié)點下弦桿位置下?lián)现禐?2 mm左右，故E8/E8'節(jié)點抬高量為12 mm；安裝E8E9、E8'E9'時，E9/E9'節(jié)點下弦桿位置下?lián)现禐?9 mm左右，故E9/E9'節(jié)點抬高量為19 mm。

3.5 跨中合龍技術

本橋鋼梁的合龍施工順序為先合龍鋼箱梁及下弦桿，然后合龍上弦桿和腹桿，最后合龍?zhí)舯邸?/p>

鋼箱梁合龍段E9E9'在加工制造前，與東西兩岸E8E9、E8'E9'節(jié)段進行實測匹配制造，確保合龍段E9E9'節(jié)段與東西兩岸E8E9、E8'E9'節(jié)段環(huán)向接口匹配并采用負公差進行加工。具體合龍段的吊裝施工步驟如下：

第1步：在中墩墩頂提前各布置2臺500 t落梁千斤頂。第2步：運輸船及起重船到達指定水域拋錨定位。

第3步：起重船垂直起吊合龍梁段，當合龍段頂?shù)陀谝训跹b梁段底10～20 cm的位置時，暫停提升。

第4步：觀察合龍段與端口的錯位情況，通過邊墩處落梁千斤頂微調(diào)落頂來調(diào)整鋼梁線形，指揮200 t浮吊緩緩調(diào)整鋼梁位置，待合龍段位置與合龍口兩端鋼梁無干擾阻礙時，緩緩提升合龍段進行合龍。

第5步：利用汽車吊站于橋面進行上弦桿、腹桿及挑臂合龍。

第6步：復核全橋線形、鋼梁焊接和高強螺栓施工，確認鋼梁荷載全部落于永久支座上，安裝支座螺栓后進行支座灌漿，完成體系轉(zhuǎn)換。

4 施工模擬分析

由于施工過程是一個動態(tài)累積、非線性的成形過程，施工各階段的構件應力、支座反力、結構變形等方面與原設計一次成形的結果存在一定差異。為保證過程施工安全，保證結構安全富余度不因施工而降低，有必要對結構進行施工過程模擬分析。

4.1 有限元模型

采用Midas軟件建立計算模型，鋼橋上下弦桿、腹桿均采用梁單元，橋面段以及托架橫梁采用梁單元，上下面板采用板單元建立模型，滑座支撐于下弦桿節(jié)點位置，荷載情況主要是鋼橋結構自重。

使用生死單元法進行施工階段模擬，有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型

1）邊界條件：施工過程中，臨時支撐以及永久柱墩處放水平方向位移，但為保證模型在計算時收斂，水平方向添加剛度較小的彈簧約束；完成體系轉(zhuǎn)換時，按設計圖紙設置邊界條件。

2）荷載條件：結構自重根據(jù)深化模型，自重系數(shù)取值為1.1；忽略施工過程中施工荷載以及水平荷載的影響。

4.2 施工模擬步驟

本次施工模擬步驟根據(jù)施工方案以及現(xiàn)場實際情況共分10個施工階段（因為對稱施工，僅模擬其中一側(cè)的施工情況）：安裝E0E1、E1E2橋面節(jié)段及上部結構→安裝E2E3橋面節(jié)段及上部結構→安裝E3E4橋面節(jié)段及上部結構→安裝E4E5橋面節(jié)段及上部結構→落梁，拆除部分臨時支架及拖拉設備→安裝E5E6橋面節(jié)段及上部結構→安裝E6E7橋面節(jié)段及上部結構→安裝E7E8橋面節(jié)段及上部結構→安裝E8E9橋面節(jié)段及上部結構→安裝E9E9'橋面節(jié)段及上部結構，完成體系轉(zhuǎn)化。

4.3 結果分析

4.3.1 施工各階段臨時支撐反力值分析

由分析可知，支座反力在施工過程中的最大值出現(xiàn)在E9E9'橋面節(jié)段合龍階段，大小為1 165 t，遠小于設計要求的2 200 t，故能保證施工過程中結構安全；施工過程中支座反力未出現(xiàn)負值，即未出現(xiàn)向上拔力，可保證橋面施工中不產(chǎn)生傾覆。

4.3.2 施工各階段構件應力分析

由分析結果可知，從安裝E0E1、E1E2橋面節(jié)段及上部結構到落梁并拆除部分臨時支架及拖拉設備，構件應力先逐漸增大而后逐漸減小且均處于較低應力水平；安裝E5E6橋面節(jié)段及上部結構時，中墩附近構件應力增大；施工過程中構件最大應力為165 MPa，小于設計要求，故能保證施工過程中結構安全。

合龍后結構體系向設計狀態(tài)轉(zhuǎn)化，構件最大應力穩(wěn)定于157 MPa。

4.3.3 施工各階段結構最大撓度分析

由分析結構可知，施工至落梁并拆除部分臨時支架及拖拉設備時，鋼梁支撐狀態(tài)由滿堂支撐變換為簡支支撐，結構變形加大；安裝E5E6橋面節(jié)段及上部結構和安裝E6E7橋面節(jié)段及上部結構階段，由于懸臂安裝，邊跨跨中撓度變小；合龍后結構體系向設計狀態(tài)轉(zhuǎn)化，中跨跨中結構最大變形為47 mm。

5 結語

本文結合鋼結構橋梁實際施工，剖析了該工程施工的重難點，分析了各個施工方案的優(yōu)缺點，并對實際采用的方案進行了針對性闡述。所總結的經(jīng)驗可為今后類似工程提供參考。