劉 杰 黃亞飛 張帥杰 黃 洲 高亞飛 李建立 鄭元?jiǎng)?/p>

（1.中國(guó)建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450003；2.鄭州大學(xué)水利與交通學(xué)院，河南 鄭州 450001）

0 引言

隨著橋梁施工技術(shù)的不斷發(fā)展，在跨越山谷、資源保護(hù)區(qū)等區(qū)域，轉(zhuǎn)體施工方法被廣泛應(yīng)用。橋梁轉(zhuǎn)體后合龍段施工時(shí)，常用的施工方法為掛籃施工或滿堂支架施工。掛籃施工方法的掛籃安裝周期較長(zhǎng)，且常規(guī)掛籃尺寸不適應(yīng)于管道橋跨中合龍施工，施工過程中對(duì)下方區(qū)域的安全有一定威脅，并污染環(huán)境，尤其是對(duì)跨南水北調(diào)干渠橋梁進(jìn)行施工時(shí)，如何對(duì)跨中合龍施工時(shí)產(chǎn)生的污水進(jìn)行收集與處理是亟須解決的技術(shù)問題。滿堂支架施工方法通常在地勢(shì)平坦、施工環(huán)境允許的條件下使用，不適應(yīng)于轉(zhuǎn)體橋梁施工工況。傳統(tǒng)吊架法則需要人工協(xié)助大型機(jī)械安裝，施工步驟復(fù)雜，且容易產(chǎn)生工程廢料，污染環(huán)境，不適合環(huán)保要求較高的施工區(qū)域［1-3］。

本研究結(jié)合實(shí)際工程需要，研發(fā)設(shè)計(jì)了一套跨南水北調(diào)干渠轉(zhuǎn)體橋梁中跨合龍吊架裝置及相應(yīng)施工方法，并建立有限元模型，對(duì)不同工況下吊架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行驗(yàn)算。研究表明吊架結(jié)構(gòu)各部分受力及變形均滿足規(guī)范要求，在實(shí)際施工過程中成功解決了跨水源保護(hù)地合龍施工的技術(shù)難題。

1 跨南水北調(diào)主干渠轉(zhuǎn)體施工跨中合龍吊架設(shè)計(jì)

1.1 工程背景

擬建工程為跨越南水北調(diào)中線總干渠的管線橋梁工程，管道橋設(shè)計(jì)中線與總干渠的交點(diǎn)樁號(hào)為Ⅳ123+503.100，交角為80°，橋梁全長(zhǎng)280 m?？缜蛄旱目鐝讲贾脼?5+130+75=280 m，橋梁全寬6 m，單幅設(shè)計(jì)，橋梁設(shè)計(jì)橫斷面為0.3 m（護(hù)欄+防拋網(wǎng)）+5.4 m（敷設(shè)管線及檢修道）+0.3 m（護(hù)欄+防拋網(wǎng)）=6 m，橋梁橫向設(shè)坡度為1%的雙向橫坡。主橋橋型布置如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)體橋主橋橋型布置（單位：m）

1.2 吊架體系布置及關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，針對(duì)現(xiàn)有轉(zhuǎn)體橋梁在轉(zhuǎn)體完成后常用的跨中合龍施工方案有以下幾種：①托架合龍［4-6］，在引橋橋墩上設(shè)置牛腿支架，通過搭設(shè)支架及對(duì)引橋橋墩另外一側(cè)實(shí)施配重，最后在施工平臺(tái)上澆筑現(xiàn)澆合龍段；②掛籃合龍［7-8］，在懸臂澆筑節(jié)段施工完成后，掛籃繼續(xù)前移至中跨合龍段位置，合龍段模板及部分現(xiàn)澆段模板直接搭設(shè)在掛籃上；③落地支架合龍［9-10］，在搭設(shè)的落地支架上澆筑現(xiàn)澆合龍段，完成中跨合龍；④吊架合龍［11］，在引橋橋墩上的蓋梁和懸臂端設(shè)置吊架，先在吊架上澆筑現(xiàn)澆段，然后在吊架上完成合龍段。針對(duì)以上幾種合龍方式進(jìn)行分析，同時(shí)根據(jù)實(shí)際工程中的施工經(jīng)驗(yàn)，不同合龍方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析見表1。

表1 不同合龍方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析

1.2.1 吊架體系布置。南水北調(diào)干渠屬于一級(jí)水源保護(hù)區(qū)，應(yīng)選擇在可移動(dòng)吊架下采用全封閉的防護(hù)方式來避免橋梁中跨合龍段施工過程中污染物落入水源保護(hù)地。吊架整體體系布置：在吊架底部設(shè)防護(hù)吊籃，確保整個(gè)吊架在渠上完成中跨合龍段鋼筋綁扎、模板安裝及混凝土的澆筑工藝，保證人員安全，防止吊架在移動(dòng)和施工時(shí)有雜物墜落。吊架主梁采用兩根126 mm×74 mm×5 mm 的工字鋼分別通過6根Φ25 mm精軋螺紋鋼懸吊在吊架底模下部的橫梁上，在126 mm×74 mm×5 mm 工字鋼上間隔1 m 焊接布置10#工字鋼，其上滿鋪焊接1 mm鋼板形成防護(hù)平臺(tái)，并在四周上翻20 cm形成盤狀，鋼板應(yīng)焊接密閉，并在岸邊進(jìn)行閉水試驗(yàn)，防止底模板破損后污染南水北調(diào)水源保護(hù)地的水質(zhì)。

1.2.2 吊架關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)。吊架主要由桁架系統(tǒng)、懸吊系統(tǒng)、防護(hù)系統(tǒng)、行走系統(tǒng)四部分組成。吊架結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示。桁架系統(tǒng)主要構(gòu)件由材料為雙拼32b工字鋼的上桁架和雙拼25b工字鋼的下桁架組成。桁架系統(tǒng)的上橫梁設(shè)置于合龍段上方，下橫梁設(shè)置于合龍段下方，上下橫梁通過螺紋鋼吊桿連接。該桁架系統(tǒng)采用預(yù)制拼裝的橫梁進(jìn)行固定，加強(qiáng)了吊架結(jié)構(gòu)的支撐穩(wěn)定性，且在施工過程中易于安裝和拆卸。將Φ25 mm 精軋螺紋鋼吊桿與重量為10 t 的倒鏈進(jìn)行連接，下桁架通過精軋螺紋鋼連接防護(hù)平臺(tái)，在吊架兩側(cè)及端部采用封閉式PVC板用方鋼管固定形成全封閉側(cè)防護(hù)，進(jìn)而構(gòu)成防護(hù)系統(tǒng)。防護(hù)系統(tǒng)底模采用16#工字鋼，縱梁間隔15 cm，模板采用3 mm 鋼板。集水池尺寸為400 mm× 400 mm×400 mm，水池內(nèi)設(shè)置水泵進(jìn)行抽水，利用鋼絲繩將卷?yè)P(yáng)機(jī)與上桁架連接，該防護(hù)系統(tǒng)在跨中合龍施工過程中可將產(chǎn)生的廢水、廢料收集，避免對(duì)橋梁下方的水源造成影響。上橫梁下側(cè)設(shè)置鋼輪，鋼輪下鋪筑鋼軌道，構(gòu)成動(dòng)力牽引系統(tǒng)，該動(dòng)力牽引系統(tǒng)可將橋梁轉(zhuǎn)體前安裝的吊架結(jié)構(gòu)移動(dòng)至跨中，避免在水源上方安裝吊架產(chǎn)生工程污染。在上橫梁處安裝重量為10 t 的倒鏈，用于吊裝提升下部結(jié)構(gòu)，進(jìn)而拼裝吊架，組成懸吊系統(tǒng)，該懸吊系統(tǒng)減少了施工過程中大型機(jī)械的使用。

圖2 吊架結(jié)構(gòu)示意

2 跨南水北調(diào)主干渠轉(zhuǎn)體施工跨中合龍吊架數(shù)值模擬分析

2.1 模型構(gòu)建

吊架模型結(jié)構(gòu)采用Midas Civil 軟件進(jìn)行建模計(jì)算?？紤]到吊架下部支撐桿件一般同時(shí)承受彎矩、軸力及剪力作用，因此吊架主體結(jié)構(gòu)模擬全部用梁?jiǎn)卧M(jìn)行構(gòu)建［12-13］。吊架有限元模型如圖3所示。

圖3 吊架有限元模型

2.2 材料特性分析

吊架上部結(jié)構(gòu)選用雙拼32b 工字鋼，下部選用雙拼25b工字鋼，材料均為Q235鋼，吊桿采用Φ25 mm螺紋鋼。Q235鋼的密度為7 850 kg∕m3，彈性模量為2.07×1011Pa，泊松比為0.3。

2.3 荷載確定及施加

假設(shè)吊架僅承擔(dān)墩頂區(qū)域以外的0 號(hào)塊自重，托架所受荷載明細(xì)見表2。各種材料的容許軸向（拉、壓）應(yīng)力的選定，均以屈服強(qiáng)度為依據(jù)，即以屈服強(qiáng)度除以某一安全系數(shù)K。根據(jù)相關(guān)規(guī)范［14］，材料系數(shù)以屈服強(qiáng)度為基準(zhǔn)時(shí)取1.25，荷載系數(shù)綜合考慮恒載和活載的變異性（超載），其中恒載系數(shù)取1.1～1.5，活載系數(shù)取1.4，二者綜合取值為1.35。工作條件系數(shù)一般取1，基于上述材料系數(shù)和荷載系數(shù)的取值，基準(zhǔn)安全系數(shù)Ka=1.25×1.35×1≈1.7，綜上取吊架體系各部件的安全系數(shù)K為1.7，具體見式（1）。

表2 荷載明細(xì)

式中：fyk為鋼材屈服點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)值；K1為荷載系數(shù)；K2為材料系數(shù)；Ka為基準(zhǔn)安全系數(shù)；Kb為調(diào)整系數(shù)；K為安全系數(shù)。

2.4 結(jié)構(gòu)受力分析

在Midas Civil 有限元分析軟件中提取逐級(jí)荷載預(yù)壓過程中吊架螺紋吊桿和下部支撐結(jié)構(gòu)截面上下緣應(yīng)力，如圖4 所示。由跨中合龍段吊架的數(shù)值模型受力分析結(jié)果可得出合龍吊架受力分布狀況，見表3。由表3 可知，合龍吊架吊桿最大應(yīng)力為36.75 MPa。由規(guī)范可知［14］，Φ25 mm 精軋螺紋筋許用應(yīng)力為270 MPa，其余構(gòu)件材料選用為Q235，其許用應(yīng)力為170 MPa；而計(jì)算組合最大應(yīng)力為40.56 MPa，符合規(guī)范要求。

表3 合龍吊架受力分布狀況

圖4 吊架逐級(jí)荷載受力分析

2.5 結(jié)構(gòu)變形分析

在Midas Civil 有限元分析軟件中提取逐級(jí)荷載預(yù)壓過程中吊架螺紋吊桿和下部支撐結(jié)構(gòu)截面變形分布狀況，如圖5 所示。通過中跨合龍吊架的變形模擬分析得出合龍吊架變形分布狀況，見表4。由表4 可知合龍吊架最大位移為13.48 mm。根據(jù)規(guī)范要求［14］，各桿件需要滿足以下主要力學(xué)指標(biāo)：桿件強(qiáng)度的安全系數(shù)大于1.2；梁系結(jié)構(gòu)的撓度小于1∕400；錨固系統(tǒng)的安全系數(shù)大于2。由分析結(jié)果可知，合龍吊架下部支撐結(jié)構(gòu)最大變形（包括吊桿變形的總和）小于20 mm，合龍吊架結(jié)構(gòu)變形符合規(guī)范要求。

表4 合龍吊架變形分布狀況

圖5 吊架逐級(jí)荷載位移分析

3 跨南水北調(diào)主干渠轉(zhuǎn)體施工跨中合龍吊架施工方法

3.1 吊架施工方法

跨南水北調(diào)主干渠轉(zhuǎn)體橋中跨合龍段采用吊架法施工。主要施工方法步驟如下：①吊架在南水北調(diào)南岸安裝，滑移至橋梁跨中合龍段，精確測(cè)量后鎖定裝置；②由橋墩側(cè)向跨中鋪筑軌道，在距墩中心10 m 處將桁架系統(tǒng)用起重機(jī)整體吊起安裝到軌道上，通過上橫梁四角上的懸吊系統(tǒng)將防護(hù)系統(tǒng)整體吊起；③將防護(hù)系統(tǒng)的底部模板臨時(shí)固定在上橫梁下，將吊籃整體提升到底板底部1 m 處，然后利用牽引系統(tǒng)將裝置移至跨中，用地錨將上橫梁錨定；④通過懸吊系統(tǒng)將下桁架整體提升至梁底并進(jìn)行臨時(shí)鎖定，擰緊吊桿螺釘；⑤工人進(jìn)入中跨合龍段的吊架，將側(cè)模安裝就位，并對(duì)拉牢固。吊架結(jié)構(gòu)的安裝過程如圖6所示。

圖6 吊架結(jié)構(gòu)安裝過程

為使吊架滿足設(shè)計(jì)要求，并消除非彈性變形產(chǎn)生的影響，需對(duì)吊架系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓加載順序?yàn)?0%、60%、80%、100%、120%荷載［7］，各級(jí)加載后進(jìn)行標(biāo)高測(cè)量，加至荷載1.2 倍待24 h 后再測(cè)量標(biāo)高，并測(cè)定各工況下吊架的應(yīng)力值和形變量。

3.2 吊架施工法的優(yōu)勢(shì)

此吊架施工法的主要優(yōu)勢(shì)如下。①吊架結(jié)構(gòu)采用動(dòng)力牽引的方式，克服了掛籃施工走行慢、用時(shí)長(zhǎng)的不足。同時(shí)，可在轉(zhuǎn)體前將吊架移至跨中，極大降低了施工難度，確保了施工安全。②轉(zhuǎn)體前即可進(jìn)行欄桿等附屬設(shè)施的施工，避免了傳統(tǒng)掛籃施工在合龍后才能進(jìn)行橋面附屬施工的弊端，極大縮短了工期，提高了施工效率。③施工時(shí)可將廢水、廢料收集，避免污染橋梁下方的水源保護(hù)區(qū)。

4 結(jié)論

本文以某跨南水北調(diào)總干渠橋梁為例，針對(duì)橋梁跨中合龍段的施工吊架設(shè)計(jì)及施工方法開展了一系列研究，得出以下結(jié)論。

①針對(duì)跨南水北調(diào)總干渠保護(hù)區(qū)的特殊性與環(huán)保要求，提出一種適用于轉(zhuǎn)體橋跨中合龍的吊架裝置，并對(duì)其體系布置進(jìn)行詳細(xì)研究。

②運(yùn)用有限元軟件對(duì)吊架進(jìn)行了逐級(jí)預(yù)壓驗(yàn)算，結(jié)果表明：吊架結(jié)構(gòu)的組合最大應(yīng)力為40.56 MPa，吊桿的最大應(yīng)力為36.75 MPa，均滿足規(guī)范要求；吊架最大位移為13.48 mm，吊架下部支撐結(jié)構(gòu)最大變形（包括吊桿變形的總和）小于20 mm，結(jié)構(gòu)變形也滿足規(guī)范要求。

③本研究提出的跨中合龍吊架施工方法，既可降低施工難度，又可縮短工期，安全且環(huán)保，解決了跨南水北調(diào)轉(zhuǎn)體橋跨中合龍施工難題。