少支架非對稱分段吊裝工藝在鋼結構拱橋施工中的應用

朱銘，吳艷

（1.江蘇華源電力工程有限公司，江蘇 靖江 214500；2.靖江市城市建設投資發展（集團）有限公司，江蘇 靖江 214500）

1 引言

鋼結構拱橋以其優美、輕盈的造型及較大的跨越能力，越來越多地應用在城市內河橋梁中，成為城市的一張靚麗名片。鋼結構拱橋常用現場安裝工藝有橋位拼裝、浮托頂推、浮吊整體吊裝等，但每種安裝工藝又有著各自的特點和適用條件。 如何根據現場環境條件，選擇最優安裝工藝，以達到技術可行、經濟合理的目標。 本文以在建蕪申線宗村大橋為工程背景，對少支架非對稱分段吊裝工藝進行研究。

2 工程概況

宗村大橋位于蕪申線江蘇省常州市溧陽城區段， 為90 m下承式鋼箱提籃拱橋，計算跨徑88 m，總重1 600 t。 主橋鉛直面內投影矢高17.6 m（斜平面內17.871 m），矢跨比1/5，拱軸線線型為二次拋物線。拱肋為提籃拱形式，拱肋向內傾10°。拱肋中心橫向距離在拱頂處距離為12.95 m，拱腳處中心距離為19.156 m（見圖1）。

圖1 宗村大橋現場吊裝圖

拱肋采用全焊鋼箱結構， 矩形截面， 共設兩片拱肋，高1.8 m， 寬1.565 m。 主橋系桿采用全焊平行四邊形截面，高2.25 m，寬1.565 m。

主橋主體結構除拱肋底板及系桿頂板板材采用Q345DZ25 鋼外，其余拱肋、系桿、橫梁板材均采用Q345qD鋼，主橋采用球形鋼支座，下部結構采用分離式鋼筋混凝土柱式橋墩，鉆孔灌注摩擦樁基礎。

蕪申運河船舶交通繁忙，因不能滿足日益增長的航運需求，目前由Ⅴ級航道（通航孔38 m 寬×5 m 高，實際運河寬50 m）單邊拓寬升級為Ⅲ級航道（通航孔60 m 寬×7 m 高，實際運河寬70 m），現場不具備設置水中墩及長時間封航的條件。

3 現場安裝方案的擬定

目前，國內上跨運河的主橋鋼結構現場安裝常用方式有：（1）河中打設支架，浮吊橋位吊裝；（2）浮托頂推；（3）浮吊整體吊裝。 第一種方式需侵占現有航道，對船只通行干擾較大；第二種方式需占用引橋場地進行主橋拼裝， 影響引橋正常施工工期，且該方案安全風險較高；第三種方式受內河浮吊起重能力及河道寬度限制，無法采用多臺浮吊抬吊的工藝（主橋鋼結構總重量達1 600 t，目前內河最大浮吊為610 t，航道改造后為70 m 寬，僅能滿足單臺610 t 浮吊轉體）[1]。

結合現場場地條件，通過對多方案進行技術經濟比較，并與航道管理部門充分溝通后， 決定宗村大橋主橋鋼結構采用少支架非對稱分段吊裝方案。 采用該方案優點為：（1）河中不打設支架，不影響航道船只正常通行；（2）大節段浮吊整體吊裝工藝成熟、風險可控，僅需臨時封閉航道；（3）不占用引橋施工區域，節約整體工期。

4 現場施工部署

本橋采用少支架非對稱分段吊裝方案， 即僅在南岸主墩與南岸駁岸之間、北岸老駁岸位置、北岸主墩位置搭設少量鋼管支架。 具體施工步驟如下。

第一步：將主橋系梁分為4 個吊裝區段，分別為南岸主墩段7.25 m（南岸主墩至南岸老駁岸邊）、運河上部段52.5 m（約360 t）、北岸陸上段23 m（現有北岸駁岸至北岸主墩段）、北岸拱腳段7.25 m。 安裝時首先安裝主墩拱腳段及北岸陸上段，水中區域橋面系（主系梁、中橫梁、小縱梁）在河道北岸場地上拼裝成整體后，采用單臺610 t 浮吊吊送至橋位位置定位。

第二步：安裝拱肋下部臨時支架及北岸陸地區域拱肋節段。

第三步：水中區域拱肋體系（約310 t）在拼裝場地上將其拼裝成整體，采用單臺610 t 浮吊將其安裝到位。

5 施工全過程結構分析

5.1 材料特性和強度值

主橋采用Q345qD 鋼，?800mm×8mm 鋼管立柱、?600mm×6 mm 鋼管立柱、[16b 槽鋼水平桿和斜桿、2 拼I56b 縱向分配梁、4 拼I56b 橫向分配梁等組成的格構鋼管支架，其材料均采用Q235 鋼[2]。 Q345、Q235 鋼材材料特性值見表1。

表1 Q345、Q235 鋼材材料特性

5.2 施工階段模擬

本文采用橋梁結構有限元專用分析軟件Midas Civil 2021進行拱橋吊裝施工全過程的結構分析。 拱肋、橫撐、橋面縱橫梁體系等均采用梁單元模擬[3]。橋位吊裝從拱腳、系梁、橋面縱橫梁體系、挑臂塊體直至拱肋吊裝就位。 圖2 為系梁、縱橫梁體系、挑臂塊體及拱腳安裝完成模型圖，圖3 為陸地區域拱肋吊裝完成模型圖，圖4 為水中區域拱肋吊裝完成模型圖。

圖2 CS1 施工階段（系梁、縱橫梁體系、挑臂塊體及拱腳安裝完成）

圖3 CS2 施工階段（陸地區域拱肋吊裝完成）

圖4 CS3 施工階段（水中區域拱肋吊裝完成）

5.3 計算結果及分析

主橋在各施工階段產生的最大豎向變形、抗彎強度、抗剪強度見表2[4]。 橋位支架在各施工階段產生的反力值、抗彎強度、抗剪強度、穩定強度見表3。

表2 主橋計算結果匯總

表3 橋位支架計算結果匯總

計算結果表明，拱肋及橋面系各構件在CS1～CS3 工況下的抗彎、抗剪強度、變形均滿足規范要求；橋位支架在CS1～CS3吊裝荷載作用下的各構件抗彎、抗剪強度、變形、長細比、構件屈曲穩定、結構整體穩定均滿足規范要求；拱肋拼裝支架在拱肋節段荷載作用下的各構件抗彎、抗剪強度、變形、長細比、構件屈曲穩定均滿足規范要求。

6 結語

目前， 國內外對鋼結構拱橋安裝已積累了許多成熟的經驗，形成了相關規范及文獻，然而少支架非對稱分段吊裝在國內尚處于探索階段。 本文結合蕪申線宗村大橋現場安裝方案，對少支架非對稱分段吊裝工藝進行了研究探討， 并運用有限元數值模擬方法對主橋結構及橋位支架的強度、剛度、穩定性進行計算分析， 以檢驗安裝工藝和臨時支架參數選取的合理性，同時也為類似鋼結構拱橋的安裝積累經驗。

通過數值模擬分析可知， 此橋采用少支架非對稱分段吊裝工藝在理論上是可行的，但由于采用非對稱安裝，如何在拱橋安裝過程中保證成橋線形成為此安裝工藝成敗的關鍵。 例如：橋面系主梁大節段作為簡支梁計算時（即兩端鉸接），其跨中下撓為9.2 mm，但作為連續梁計算時（即兩端剛接），其最大下撓為4.3 mm，實際施工采用碼板連接（即非剛性連接），橋面系主梁大節段在工廠加工制造時按照中間值6.5 mm 設置預拱度。 通過對成橋后線形進行觀測，全橋整體線型良好，達到設計對線型的要求。

然而， 鋼結構拱橋采用少支架非對稱分段吊裝工藝在實際施工中尚存在許多技術問題有待進一步研究， 如大節段拱肋拼裝精度控制技術、 大跨度鋼箱提籃拱施工線形監控量測技術、空間異形鋼結構定位拼接技術等。