大跨度人行天橋鋼箱梁兩節段拼裝技術

高 曼

(廣東冠粵路橋有限公司, 廣東 廣州 511450)

0 引言

人行天橋一般建造在交通量大、往來行人密集的地段。人行天橋只允許行人通過,用于避免車流和人流平面交叉的沖突,確保行人安全地穿越道路,保障交通的順暢,減少交通事故的發生。人行天橋按結構區分,通?？煞譃閼覓焓浇Y構、承托式結構和混合式結構等[1-3]。承托式結構的過街人行天橋將承重的主梁直接架設在橋墩上,主梁上供行人通過,兩側設置欄桿,因該類橋梁作為城市景觀的功能較好,因而采用數量較多。鋼箱梁作為人行天橋的主體結構,具有抗拉強度高、結構重量輕、施工快捷方便等優點[4-6]。

傳統的鋼箱梁安裝方法采用分段在工廠加工,運至橋下吊裝位置,利用臨時支墩進行拼裝[7-8]。由于我國現階段城市道路更新升級較快,不可避免地會出現公共資源被交叉占用的問題,項目受到各種外部因素的影響也會比較突出,以至于傳統方法已難以滿足現階段施工的要求。

新新公路原設計人行天橋鋼箱梁的施工方案為分5節段梁在工廠加工后運至人行天橋下吊裝位置利用臨時支墩吊裝拼接。為了加快施工進度,縮短鋼箱梁工地拼接時間和施工臨時占道時間,同時減少工地焊縫的數量,可采取減少鋼箱梁拼接節段梁數量的方法。在同等條件下,通過對比分析鋼箱梁分不同數量節段拼接施工時的情況如表1所示。由表1可見,在采用大噸位起重設備、保證吊裝安全的情況下,鋼箱梁兩節段拼接方案為此復雜環境下施工的最優方案。該方案經過設計單位反復驗證,最終被認定是可行的。

表1 不同數量節段梁施工情況分析

本文以新新公路人行天橋為例,介紹了鋼箱梁由原設計方案5節段梁在工廠加工后運至現場利用臨時支架吊裝拼接的方案,優化為兩節段梁在工廠加工,拼接口設置臺階斷面,利用胎架設置預拱度,然后運至現場拼裝焊接的方案。

1 工程概況

新新公路(廣園快速路至葉嶺村段)改造工程位于廣州市增城區南部,路線總體走向為由南向北。起點位于廣園快速路向北200 m,為城軌并入新新大道處;終點為城軌與新新大道分離處。全長10.486 km。原公路為混凝土路面,采用二級公路設計標準,設計行車速度50 km/h。改擴建后的新新公路道路等級為一級公路,兼顧城市主干道的功能。

本項目新建5座人行天橋。5座人行天橋主梁跨度均為2×24.8m,橋面凈寬均為3m。根據人行天橋位置的實際地形及周邊環境,天橋采用“工”型布置。人行天橋主跨采用兩孔連續鋼箱梁結構,箱梁高1.2m。梯道采用普通鋼筋砼連續實心板梁結構。主橋墩采用變截面板墩的結構形式,基礎為承臺接雙柱結構,梯道墩采用單柱結構形式。主梁采用預制拼接吊裝施工,減少對現有道路交通的影響。人行天橋的三維模型如圖1所示。

圖1 人行天橋三維模型

原設計人行天橋鋼箱梁施工方案分5節段在工廠進行加工制作,運至橋下吊裝位置,利用臨時支墩吊裝焊接拼裝,如圖2所示。

圖2 人行天橋5節段拼接及臨時支墩設置

2 兩節段結構內力計算

2.1 模型的建立

該人行天橋主梁為兩跨連續鋼箱梁簡支橋。根據簡支橋的結構受力特點,該橋理論計算可簡化為兩端簡支中間連續受力結構模型。結構靜力采用橋梁有限元軟件MIDAS/CIVIL進行分析,全橋有限元模型共分為51個節點、50個單元。有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

2.2 荷載組合計算

在荷載輸入建模過程中,靜力荷載考慮了鋼箱梁整體自重103.3t,設計人群荷載為4.0kPa。為確定兩節段鋼箱梁拼接縫的位置,需對兩跨連續鋼箱梁的內力進行計算。通過計算,由圖4可知剪力的最大值在中央墩位置,剪力最大值為502.2 kN;由圖5可知彎矩的最大值也在中央墩位置,彎矩最大值為2 378.3kN·m。

圖4 人行天橋鋼箱梁剪力分布

圖5 人行天橋鋼箱梁彎矩分布

鋼箱梁兩節段拼接縫需錯開剪力最大的斷面位置,同時考慮到大件運輸的長度極限,拼接縫位置選擇在中央墩中線偏外1.25m。拼接縫采用“L”型臺階斷面形式,如圖6所示。較長節段梁的拼接口設置成向上的正臺階,較短的節段梁拼接口設置成向下的倒臺階,這樣較長節段梁因先安裝在兩個墩柱上已經處于穩定狀態,向上的正臺階拼接口可以起到承托較短節段梁的作用,分擔了接口焊縫剪力作用,保證了接口焊縫的受力要求。

圖6 人行天橋鋼箱梁臺階斷面拼接縫

2.3 預拱度計算

主梁為兩跨連續鋼箱梁,橋寬3.5m,梁高1.2m。根據設計要求需設置預拱度,預拱度以各跨跨中為原點按圓曲線變化。根據計算結果,由圖7可知鋼箱梁的最大變形量為0.004m,同時可得出人行天橋主橋鋼箱梁的縱向預拱度值(表2)。

表2 鋼箱梁縱向預拱度

圖7 鋼箱梁縱向撓度分布

3 施工工序

3.1 鋼箱梁工廠加工

(1)鋼箱梁分兩節段在工廠進行加工。由于鋼箱梁的工地連接采用臺階式斷面焊口焊接,工廠加工的兩段采用標準化長度,通過調整張口大小來達到設計線型,臨時吊點等預埋件與鋼箱梁一起制造。

(2)鋼箱梁各段在胎架上進行制造。胎架根據計算出來的參數設置預拱度,制作好的兩段進行試拼裝,確保試拼合格。

(3)鋼箱梁各構件焊接坡口的形狀、精度嚴格按照相關規范標準執行。

(4)所有焊縫均采用CO2氣體保護焊。焊縫在施焊前做好焊接工藝評定試驗,確定焊接的方法、材料、步驟和工藝參數等。

(5)工廠加工的鋼箱梁焊縫經過無損檢測,檢驗要求及數量均滿足《公路橋涵施工技術規范》(JTG F50-2011)的規定。

3.2 支座及臨時支墩的安裝

人行天橋主梁采用盆式橡膠支座(GPZ(Ⅱ)支座),支座承載力均為2 000 kN。橋墩墩頂墊石采用C40混凝土加鋼筋網澆筑而成。墊石施工主要控制頂面高程和平整度,確保鋼箱梁安裝的精度,同時在墊石上預留有固定盆式橡膠支座的螺栓孔,待鋼箱梁安裝就位后,螺栓孔的縫隙采用環氧砂漿填充。

臨時支架采用鋼筋混凝土基礎,長3.7m、寬2.5m、高0.5m,采用C30普通混凝土澆筑。在支架立柱位置預埋鋼板。臨時支墩由6根φ280mm的鋼管立柱和20a的槽鋼斜撐組成。橫橋向鋼管間距為2.7m,順橋向鋼管間距為1.5m。分配梁均為雙拼25的工字鋼,調節塊采用20a的工字鋼。臨時支墩及兩節段拼裝如圖8與圖9所示。

圖8 人行天橋臨時支墩

圖9 人行天橋兩節段拼裝

3.3 鋼箱梁的運輸

由于最長梁段為29m,采用30m長平板車運輸。30m長平板車所需轉彎半徑為24m,廠家委托有資質的運輸單位對運輸線路反復調研并實地考察后,最終確認從佛山生產基地至廣州增城項目施工現場道路寬度和沿線的路橋、路燈、電線電纜等的高度、寬度可滿足本次梁段運輸單元的最大限度要求。同時能夠保證快捷、方便、及時地將所需梁段運輸至施工現場,并保證梁段在運輸途中的安全和完整。運輸梁段采取的加固措施如圖10所示。

圖10 鋼箱梁運輸的加固措施

運輸單位提前將相關的運輸資料和手續上報路政部門及交警批準后方可上路運輸。大件運輸過程中,在必要的情況下可向交管部門申請開道引行,確保運輸道路暢通。由于選擇的運輸路線車流量較大,為了保證其運輸不影響佛山市和廣州市的交通,鋼箱梁選擇在晚上22:00后運輸。

3.4 鋼箱梁的吊裝

人行天橋較長的節段重52.1t、較短的節段重51.2t。選用QY220H汽車吊,配重55t,吊裝半徑10m,起鉤半徑9m,吊臂長度為18.3m,此時額定吊重為69t?？紤]到吊具2t,69×0.8=58.6t>52.1t+2t=54.1t,滿足吊裝需求。吊裝前做好支座安裝及測量的準備工作,通過測量放樣,標明臨時支架的安裝位置。吊機根據吊裝計劃時間,提前進場組裝、試車,并事先確定好吊車站的位置,同時設置好支腿下的鋼墊板?，F場管理人員分工合作,所需的設備材料也提前準備到位?，F場吊裝過程如圖11所示。

圖11 鋼箱梁梁段吊裝

鋼箱梁臨時連接方法:首先連接吊裝節段頂板與已安裝節段頂板的臨時連接件,接著強迫連接底板的臨時連接件,最后連接兩側腹板的臨時連接件,并初調箱梁的接縫間隙。由鉚工對接縫間隙進行精確調整,達到設計標準要求后,焊接馬板保持既定位置再焊接。因部分吊裝節段的鋼箱梁位于支座處,因此安裝時對相應節段的鋼箱梁在節段空中組拼時在長度方向預留50～100mm的余量,以便現場調節。進行支座位置校準,以確保鋼箱梁尺寸及位置與實際橋墩支座中心尺寸空間位置一致。兩支墩之間的鋼箱梁焊接完成并經檢驗合格后,拆除臨時支墩。

3.5 人行天橋雨棚及梯道的施工

雨棚的安裝在主梁節段制作時安裝預定位置埋入預埋立柱,安裝采用單機進行吊裝。安裝時調整好雨棚立柱的標高、坐標及垂直度,校正準確后固定、焊接,保證外觀質量。同時,梯道可開始進行搭設鋼管支架及底模安裝。梯道底模安裝完成后需對支架進行預壓,預壓合格后再安裝梯道鋼筋,最后澆筑梯道混凝土。雨棚吊裝及完工后的現場情況如圖12與圖13所示。

圖12 天橋雨棚吊裝

圖13 完工后的人行天橋

3.6 交通疏解方案

吊裝時間盡量安排在車流量較少的時間段。經現場調查,晚上20:00后車流量不大。由于鋼箱梁在計劃現場吊裝前一天晚上22:00后才能運輸至施工現場,所以裝載梁段的平板車只能停在施工現場附近3km外比較寬敞的香山大道路邊,等待次日晚上20:00,在節段鋼箱梁運輸至現場的前提下,利用車流量少的時間段進行吊裝?？紤]到左、右幅梁段吊裝,吊車均需要占道,為了施工安全和減少社會影響,吊裝作業分兩階段進行交通管制。

(1)第一階段:封閉左幅車道作為吊車和運梁車的作業區域。開放右幅車道,用安全設施分隔成雙向通行車道,安排交通疏導員指揮疏導交通。第一階段主要是安裝較長的梁段,采用1臺220t吊車安裝。吊車與運輸車輛順路安放,吊車吊起鋼箱梁節段后,運輸車即可開走,吊車吊裝節段鋼箱梁就位。

(2)第二階段:封閉右幅車道作為吊車和運梁車的作業區域。開放左幅車道,用安全設施分隔成雙向通行車道,安排交通疏導員指揮疏導交通。第二階段主要是安裝較短的梁段,需要與已安裝的較長梁段進行拼裝焊接,所以對梁段的對接和焊接需要的時間比較長,同時這一階段也是鋼箱梁拼接線型控制和焊縫質量控制的關鍵。待較短梁段與較長梁段拼接完成后,方可拆除臨時支架,作業機械撤離施工現場,開放右幅車道,恢復通行。

4 結語

新新公路人行天橋在受到施工過程中必須保證社會車輛通行以及工期壓力較大的客觀條件下,通過將人行天橋原設計5節段梁現場拼接方案優化為2節段梁在工廠加工,拼接口做成臺階斷面,并在工廠利用胎架設置預拱度,然后運至施工現場進行拼裝的方案。該方案加快了人行天橋的施工進度,減少了工地焊縫的數量,降低了鋼箱梁焊接受外界不利因素的影響,縮短了主梁安裝占道施工的時間,減少了交通安全隱患因素。新新公路首座人行天橋主梁的施工方案取得了預期效果,該公路其他4座人行天橋的主梁也都借鑒該施工方案。新新公路改擴建工程施工已完成,建成的5座人行天橋已開放給行人通行。