钢箱梁上跨既有高速公路施工技术要点研究.pdf

63交通科技与管理工程技术0引言随着高速公路网络的不断完善，越来越多的桥梁施工需上跨高速公路，在很大程度上提高了施工难度。近年来，钢箱梁桥因具有重量强、强度大、承载能力高等优势，在公路桥梁中的应用日益广泛。如果钢箱梁桥施工质量控制不当，会给桥梁运营带来巨大的安全隐患。目前，钢箱梁施工常用方法有分段顶推法、悬臂拼装法、分段吊装法等，其中分段吊装法的施工优势最大1。因此，该文主要针对分段吊装法来研究钢箱梁上跨既有高速公路施工技术要点。1钢箱梁上跨既有高速公路施工方案比选1.1工程概况1.1.1建设标准泉南高速公路改扩建新增清流县桐坑互通及连接线项目位于三明市清流县温郊乡桐坑村，属于省、市重点建设项目。该项目包括互通立交工程、连接线工程，其中桐坑互通采用“A 形单喇叭”方案，A 匝道 2 号桥和桐坑大桥均上跨泉南高速公路。互通区主线设计速度为100 km/h，建设标准为高速公路，双向四车道；互通区内的 5 条匝道总长度为 2.2 km，设计速度为 40 km/h，建设标准为二级公路，路基宽度 919.5 m 不等；连接线工程全长 5.7 km，设计速度为 40 km/h，建设标准为二级公路，双向两车道，路基宽度为 8.5 m。1.1.2钢箱梁桥设计参数桐坑互通 A 匝道 2 号桥起讫桩号为 AK0+527.500AK0+598.000，桥长为 70.5 m，上部结构为 156 m 单箱三室简支钢箱梁桥，梁高 2.63 m，桥面宽 16.5 m。桥台采用桩基 U 台，桥台处设置 D-80 伸缩缝、L=8 m 搭板，基础采用矩形承台接灌注桩基础。桐坑大桥起讫桩号为 K1+239.575K1+299.575，桥长为 60 m，上部结构为 150 m 简支钢箱梁桥，梁高为 2.43 m，宽 9.5 m，桥台采用桩基 U 台，基础采用矩形承台接灌注桩基础。钢箱梁桥的具体设计参数见表 1。收稿日期：2023-10-13作者简介：李丹（1983）,男,本科,工程师,从事路桥施工与监理工作。表 1钢箱梁桥设计参数钢箱梁位置设计参数加劲肋顶板板厚有18 mm（跨中22 m范围）、16 mm（其他梁段）两种。桥面顶板加劲肋为 T 形肋，间距 300 mm，局部位置根据构造要求采用板肋。底板板厚有18 mm（跨中28 m范围）、16 mm（其他梁段）两种。底板加劲肋为 T 形，间距 400 mm，腹板采用板肋加劲。横隔板横隔板有普通横隔板（16 mm）和墩支座处横隔板（24 mm）两种，标准间距为 3 m。钢箱梁上跨既有高速公路施工技术要点研究李丹（三明市路桥集团永达工程咨询有限公司,福建 三明 365000）摘要为了提高上跨既有高速公路的钢箱梁施工质量，文章以泉南高速公路改扩建新增清流县桐坑互通及连接线项目为研究对象，经过施工方案对比，选择了临时支撑分段吊装方案。随后，从钢箱梁节段划分、加工、预拼装、涂装、运输、吊装等环节阐述了施工要点。最后，利用 Midas Civil 软件建立临时支架的计算模型，分析了其在不同工况下的应力和变形，并分析了临时支架的施工和拆除要点，研究成果可为类似钢箱梁项目施工提供理论指导。关键词钢箱梁；上跨高速公路；施工要点；工程案例；计算模型中图分类号U445.46文献标识码A文章编号2096-8949（2023）23-0063-041.1.3钢箱梁桥建设条件项目所在区域的地貌单元主要有剥蚀丘陵及山间冲洪积沟谷地貌，整体地势北低南高，即路线起点低，沿着路线前进方向逐渐抬升，在路线终点达到最高。项目所在区域属亚热带季风气候，四季分明，年降雨量大，年均降水量为 1 771.3 mm，主要集中在 46 月。同时，沿线水系较发达，雨季水位暴涨，山洪多发。1.2施工方案比选由于钢箱梁桥上跨高速公路，施工难度大、施工工艺复杂，结合实际情况，该文比选了架桥机逐跨安装、顶推、临时支撑分段吊装等方案，具体见表 22。经对比，拟选择施工费用低、施工工期短、对交通干扰小的分段吊装方案来施工钢箱梁桥，关键施工步骤2023 年第 4 卷第 23 期64交通科技与管理工程技术如下3：钢箱梁分成若干节段后，其体积减小，吊装重量少，故将钢箱梁横向分块、纵向分节后加工构件；预拼装无误后按节段运输至现场进行总拼吊装，吊装工艺如图 1 所示；在上跨高速公路上设置临时支撑，分阶段拼装钢箱梁阶段；施工结束后，及时拆除临时支撑。图 1钢箱梁桥吊装工艺示意图2钢箱梁桥施工要点分析2.1钢箱梁桥节段划分2.1.1节段划分原则结合相关研究成果，钢箱梁节段划分应坚持以下原则4：受力简单。钢箱梁节段划分应选在剪切力、弯矩较小的位置；尺寸合理。钢箱梁节段尺寸划分应合理，不宜过大或过小。如果节段过小会增加现场施工工作量和施工难度，节段过大会增加运输难度，对沿线道路的损伤严重；焊接简单。减小钢箱梁的焊接难度，钢箱梁划分应横向+纵向相结合。2.1.2节段划分结果根据 A 匝道 2 号桥和桐坑大桥钢箱梁的实际宽度及实际运输条件，将钢箱梁在横断面上分为 3 段、纵向分为 4 段，即每个钢箱梁均划分为 12 段，编号均为L1L12，如图 2 所示。钢箱梁桥节段划分完成后，统计了各个节段的尺寸和重量。A 匝道 2 号桥所有节段的高度均为 2.63 m；节段 L1、L4、L7、L10 的宽度均为 4.9 m，节段 L2、L3、L5、L6、L8、L9、L11、L12 的宽度均为 5.8 m；节段 L1、L2、L3 的长度为 15.66 m，节段 L4、L5、L6 的长度为 14 m，节段 L7、L8、L9 的长度为 13 m，节段L10、L11、L12 的长度为 13.16 m。桐坑大桥的节段 L1、L4、L7、L10 高度为 2.6 m，宽度为 5.8 m；节段 L2、L3、L5、L6、L8、L9、L11、L12 的高度为 0.516 m，宽度为 1.85 m；节段 L1、L2、L3 的长度为 13.66 m，节段 L4、L5、L6 的长度为 14 m，节段 L7、L8、L9 的长度为 12.039 m，节段 L10、L11、L12 的长度为 10.223 m。图 2钢箱梁桥节段编号示意图2.2钢箱梁构件加工和节段预拼装2.2.1构件加工钢箱梁桥所有构件都应在加工厂加工，钢板下料时钢板不能有裂纹、破损等缺陷，且板件要保持平直、光滑。否则，应磨去钢板边缘的飞刺、挂渣等5。此外，坡口应采用自动或半自动切割方式，严禁手工切割，切口尺寸和允许偏差应满足现行规范要求。2.2.2节段初拼装构件加工完成后要结合相关图纸详细核对零件编号、外形尺寸、坡口方向等信息，核对无误后按底板 横隔板 腹板 顶板 悬挑构件顺序将板件组成梁段6。出厂前要对相邻节段在胎架上预拼装，胎架长度应大于 5 个梁节段长度。拼装前要彻底清除待焊区域 50 mm 内的铁锈、氧化铁皮、水分、油污等有害物，使构件表面显露出金属光泽。2.3钢箱梁节段涂装2.3.1涂装要求钢箱梁结构涂装前要除锈，除锈等级取 Sa3.0 级，且除锈 48 h 内完成涂装工作。由公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件（JT/T 7222023）可知，钢箱梁各部位所处环境不同，涂装方案也不同，具体涂装要求如下：对于直接暴露于大气中的钢箱梁外表面，涂装耐久性 20年；桥面板表面的涂装层要有良好的附着力，需工地焊接的焊缝两侧各 5 cm 范围内不必在工厂涂装，现场施工后再涂装。表 2钢箱梁桥施工方案比选施工方案材料用量设备需求施工作业量施工工期施工费用交通干扰架桥机逐跨安装多大大长高小顶推少大大长高大临时支撑分段吊装多小小短低小65交通科技与管理工程技术2.3.2涂装方案基于上述要求，总结了 A 匝道 2 号桥和桐坑大桥梁体各个部位的涂装方案，见表 37。表 3钢箱梁涂装方案涂装位置涂层涂装体系膜厚/m干膜总厚/m钢箱梁外表面钢板处理表面净化处理（无油、干燥）二次表面喷砂（Sa2.5 级）无机硅酸锌车间底漆20底涂层环氧富锌底漆230260中间涂层环氧（厚浆）漆250面涂层丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆250焊缝修补同上要求桥面板钢板处理二次表面喷砂（Sa2.5 级）无机硅酸锌车间底漆20底涂层无机富锌底漆250100车间进行涂装施工时，梁段应预留一部分不做涂装，以免影响现场焊接。现场焊接完成后，该部分应重新修磨、除锈，并按上述方案进行涂装。2.4钢箱梁节段运输钢箱梁节段宜采用公路运输方案，在运输前要勘察运输线路，确保路线可通行性好，并向交通运输管理部门报批。为了保证运输安全，防止钢箱梁节段在急转弯、上下坡等段失稳，节段堆放不超过两层，垫板设置在同一水平面上（支点受力更均匀），采用“顺八”字和“逆八”字将节段捆扎牢固。钢箱梁节段运输应选在夜间或清晨交通量小的路段，以减少对正常交通的影响，且运输时车辆匀速前进，车速控制在 2025 km/h。此外，在夜间运输钢箱梁时，运输车辆需悬挂警示灯，设备四周需粘贴反光膜，从而提示其他夜行车辆，防止发生安全事故。2.5钢箱梁节段吊装2.5.1吊装机械为了保证钢箱梁节段的吊装质量，吊装机械选择时应坚持以下原则：安全性原则。选用的吊装机械的吊装能力要有一定安全系数，严禁用起重能力小的起重机超负荷吊装重量大的构件；经济性原则。吊装机械的安全系数不宜过大，不宜使用台班费机械，以更好地控制施工成本；便捷性原则。技术人员应结合施工现场情况确定吊车位置、起吊最大高度、回转半径等，优先采用单机吊装方案。经比选，A 匝道 2 号桥和桐坑大桥的节段均采用“1台 350 t 汽车吊+1 台 2550 t 汽车吊”的吊装方案，臂长31 m，吊车半径分别为 14 m、16 m，额定起吊重量分别为 68 t、78 t。考虑 1.25 倍动载系数后，吊装机械的吊装能力均能满足施工要求。2.5.2吊耳和钢丝绳验算钢箱梁节段吊装时，建议将吊耳焊于钢箱梁顶面并增设加劲板。吊耳要有足够的承载力，其安全性验算可从抗剪强度和抗拉强度两方面开展，见式（1）和式（2）8：1ysfNA（1）2vsfNA（2）式中，N1、N2 吊耳所受的拉力和剪切力（kN）；As吊耳受力截面积（m2）；fy、fv吊耳的抗剪强度和抗拉强度（MPa）；安全系数。钢丝绳主要承受拉应力，只验算抗拉强度即可，见式（3）：3ggfNA（3）式中，N3 钢丝绳所受拉力（kN）；Ag 钢丝绳总截面积（m2）；fg 钢丝绳抗拉强度（MPa）。2.5.3吊装要求A 匝道 2 号桥和桐坑大桥钢箱梁吊装时先吊中间、再吊内侧、最后吊外侧，具体吊装为 L1L2L3L4L5L6L7L8L9L10L11L12。钢箱梁段起吊时，应在整体梁段离车板 50100 mm时停车，检查梁块的平稳度是否符合组装要求，并观察承压地面是否有下沉迹象，各条钢丝绳受力是否均衡，是否能满足载荷的要求。在确认无安全隐患后才能正式起吊。梁段吊装要安排专职人员指挥，且信号明确清晰，梁段提升或下降过程要保持匀速，严禁急刹车，吊臂旋转，变幅时应缓慢起步。为了控制钢箱梁标高、线形等，吊装前宜在临时支架横梁上增设挡块。钢箱梁定位完成后，应及时将钢箱梁与支座临时焊接固定，箱梁两侧使用方木作为顶撑，顶撑角度与水平面夹角宜取 7075。同时，为了避免焊接应力过大，导致钢箱梁结构破坏，应按下述顺序焊接箱梁节段：腹板的立对接焊缝 底板的平对接焊缝 顶板的平对接焊缝 对接焊缝探伤合格后，焊接纵肋。2.6临时支架2.6.1临时支架安装钢箱梁安装时需在泉南高速上搭设临时支架，临时支架的立柱采用 9630mm 的钢管柱，平联为 225a，钢管柱顶部采用 720 mm720 mm14 mm 桩帽结构，并设置反光标志。由于 A 匝道 2 号桥的 1 号支架和 2 号支架距离分段边线较远，在钢箱梁挑臂分段底板处增设了一个临时斜撑。在地面上将钢管柱同平联斜撑焊接完成后，采用 25 t汽车吊整体吊装安装，并在安装时动态监测其平面位置和垂直度。钢管桩接高时的顶标高应保持一致，否则应在桩顶设置钢垫块、薄钢板等调整顶标高。此外，钢箱梁桥施工前要对临时支架进行预压，防止地基土出现过大的明显不均匀沉降，影响施工安全。如果临时支架施工期间突遇大风、暴雨、起雾等恶66交通科技与管理工程技术劣天气，临时处理完毕后迅速撤离施工现场，并电话通知监控分中心，加强施工预警，增派安全巡逻人员和交通疏通人员9。2.6.2临时支架验算该文利用迈达斯软件内置的梁单元建立临时支架的计算模型，如图 3 所示，分析了其在不同工况下的应力和变形。图 3临时支架计算模型示意图计算临时支架应力和变形的荷载组合取“结构自重荷载+活载（人员、施工机械等重量）+风荷载”，并考虑 1.2 倍的安全系数。同时，临时支架采用 Q235 钢材，其计算参数取值如下：弹性模量取 210 GPa、剪切模量取 81 GPa、泊松比取 0.3、抗拉强度取 205 MPa、抗弯强度取 205 MPa、抗剪强度取 120 MPa、屈服应力取235 MPa、热膨胀系数取 0.000 012。临时支架的应力和变形计算结果如图 4 所示。图 4临时支架应力和变形计算结果示意图图 4 计算结果表明，单侧箱体吊装后、双侧箱体吊装后所对应的临时支架最大应力分别为 135.8 MPa、149.6 MPa，均小于 Q235 钢材的容许应力（205 MPa）；最大变形分别为 9.8 mm、12.6 mm，均满足设计要求值，这说明临时支架的布置方案是合理可行的。2.6.3临时支架拆除支架拆除前要清理干净临时支架上的材料，并设置警戒标志。随后，利用千斤顶将钢箱梁脱空，按“后装先拆，先装后拆”的顺序拆除临时支架，即临时支架的拆除顺序与安装顺序相反。由于临时支架拆除存在风险，需对施工人员开展专门培训，确保其了解拆除原则、拆除步骤等。拆除期间，应安排专职安全人员监督，严禁施工人员高空抛掷，长立杆、斜杆等拆除应至少两人配合作业，且不宜中途换人。同时，宜安排货车在拆除作业面旁等待，尽量做到“随拆、随装、随运”，避免影响正常交通。对于拆卸后的钢管柱，应重复利用，以降低施工造价。3结论该文以泉南高速公路改扩建新增清流县桐坑互通及连接线项目为研究对象，主要研究了上跨既有高速公路钢箱梁的施工要点，得到了以下几个结论：上跨高速公路的钢箱梁施工难度大，宜选择施工费用低、施工工期短、对交通干扰小的分段吊装方案；钢箱梁节段划分应选在剪切力、弯矩较小的位置，尺寸不宜过大或过小，且横向、纵向划分相结合；钢箱梁节段加工后要涂装外表面和桥面板来防锈，经预拼装无误后才能运输至施工现场；钢箱梁节段吊装前要从抗拉强度、抗剪强度等方面验算吊耳和钢丝绳，吊装时先吊中间、再吊内侧、最后吊外侧；临时支架安装前可用有限元软件验算其应力和变形，且拆卸时严格遵循“后装先拆，先装后拆”的原则。参考文献1 单志伟.钢箱梁安装技术在上跨既有公路桥梁段工程中的应用 J.工程机械与维修,2023(4):138-140.2 刘燕波.上跨高速公路大吨位钢箱梁施工技术分析 J.江西建材,2023(5):235-237.3 张志军,侯晶波,王强.公路工程钢箱梁吊装上跨既有高速公路施工安全管控要点 J.建筑安全,2023(2):4-7.4 何平.钢箱梁上跨既有高速公路安装技术要点分析 J.西部交通科技,2023(1):159-161.5 李宣霈.大跨径桥梁变截面钢箱梁上跨运营高速公路施工技术 J.中国高新科技,2022(24):75-76+124.6 严弘志,唐晨语.大跨度钢箱梁上跨高速公路分段吊装施工工艺研究 以天府农博园美丽乡村示范长廊项目为例 J.工程技术研究,2022(20):80-82.7 李佶桐.上跨既有高速公路桥梁段的钢箱梁施工技术J.四川建材,2022(2):127-128+130.8 马富山.狭窄空间上跨既有公路匝道钢箱梁吊装施工技术 J.交通世界,2021(19):115-117.9 林志斌,王稀田,杨元林,等.宜昭高速公路钢箱梁上跨运营线高速公路施工技术 J.云南水力发电,2021(4):132-138.