跨江大桥主桥加劲梁架设施工问题探析.pdf

总656期2023年第26期（9月 中）收稿日期：2023-02-16作者简介：付美江（1984），男，工程师，从事公路桥梁建设管理工作。跨江大桥主桥加劲梁架设施工问题探析付美江（宜春市公路事业发展中心樟树分中心，江西 樟树 331200）摘要：为探索万吨级加劲梁节段吊装施工最优方案，以某主桥为三塔四跨悬索桥的跨江大桥为例，结合工程实际，提出应用4台液压提升缆载吊机展开主桥加劲梁架设施工的方案。主桥静动力特性模拟结果显示，加劲梁结构具备较好的静风稳定性和气动稳定性；进而对包括中跨及边跨节段双机抬吊、特殊节段荡移吊装、合龙段施工、节段间连接及配重等在内的主桥加劲梁架设施工技术要点展开分析，可为同类施工提供参考。关键词：跨江大桥；加劲梁；架设施工；缆索吊机；荡移法中图分类号：U445.4文献标识码：B0 引言当前，国内自锚式悬索桥加劲梁主要采用钢结构形式，钢筋混凝土结合的加劲梁应用较少。该类型加劲梁自重大，必须在完成加劲梁和桥塔施工后，才能吊装主缆，安装吊索，临时支架搭设量大。此外，钢筋混凝土结合加劲梁施工对支架系统要求较高，支架系统除应考虑加劲梁结构自重及水中结构安全外，还要为河道通航安全提供保证。混凝土一次性浇筑工程量大，温控防裂难度大。鉴于此，本文将对传统施工方式进行优化，提出在全桥配置4台缆载吊机，无吊索区梁段通过单台吊机荡移架设，有吊索区梁段通过2台缆载吊机抬吊架设的施工方案，以期在有效解决以上技术难题的同时，提高缆索吊机使用工效。1 工程概况某跨江桥梁主桥为悬索桥，边跨采用全吊索结构，上部为钢筋混凝土结合加劲梁形式，包括钢梁和混凝土桥面板两部分，梁高3.0 m，标准节段长15.0 m。全桥共设置 2根主缆，横向间距为 28 m，单根主缆直径为 107.5 cm，由 271 根索股构成；吊索为抗拉强度为1 960 MPa、直径f84 mm的镀锌钢丝绳拧结体系，与加劲梁销接。钢梁纵向按31.2 m中心距设置2片主梁，横向按 3.0 m 间隔设置横梁。钢梁节段布设长宽厚为15.2 m2.5 m0.2 m的预制混凝土桥面板10块。主桥最大加劲梁节段吊装重量达1010t，存在较大的架设施工难度。2 施工方案按照悬索桥设计理论，通过缆载吊机吊装加劲梁时，如果采用常规对称架设施工，需在单个中跨和单个边跨分别布置 2台和 1台缆载吊机，总共需要 6台。其中，中跨吊机每台吊装28个梁段，边跨吊机每台吊装14个梁段，则边跨吊机使用率低。为此，技术人员提出全桥仅配置2台缆载吊机的提升架设方案，同时配备大型扁担梁，按照这种方案，单台缆载吊机额定起重量达到1 300 t，安全风险非常高。经过进一步优化和论证，全桥共配置900 t液压提升缆载吊机4台，无吊索区梁段通过单台吊机荡移架设，有吊索区梁段则通过2台缆载吊机抬吊架设。具体而言，单个跨中实施不对称吊装，也就是在2个跨中分别布置2台缆载吊机，于每个中跨处对3/4梁段实施吊装；再从中跨倒用1台吊机至边跨，通过中跨和边跨缆载吊机的配合对剩余梁段实施吊装。以上吊装过程有限元模拟结果显示，优化后的方案能提升结构抗风稳定性，并简化加劲梁节段接缝连接，边跨加劲梁受力影响减弱，主缆区线形更加平顺。在吊装中跨加劲梁前，必须通过水路和陆路将钢梁、桥面板运抵桥址码头，再通过50 t码头吊机逐块吊装桥面板至钢梁上临时固定；此后，借助缆载吊机展开梁段吊装，其间逐步顶推索鞍复位，直至合龙；最后浇筑桥面湿接缝，确保钢梁和桥面板整体受力。边跨加劲梁吊装前，陆路运输钢梁件至边跨原位，借助160 t履带吊拼装为节段，吊装并与钢梁组拼为整体，最后使用缆载吊机整体吊装。通过荡移法架设中塔、边塔下横梁顶无吊索梁段。在吊装及架设加劲梁期间，必须根据吊装施工次序调整航道布置，确保双向航道始终满足200m的净宽要求。3 主桥静动力特性模拟3.1 有限元模型应用BNLAS非线性分析程序构建该跨河大桥主桥140交通世界TRANSPOWORLD空间杆系模型1。桥塔、桥面板、横梁、主桁等均离散成板单元和空间梁单元，吊索及主缆则通过索单元模拟。按照主桥加劲梁结构自重确定计算恒载，其中，主梁、主缆自重分别取 398 kN/m、122 kN/m。行车荷载等级为公路-级，加载车道横向折减系数、纵向折减系数、偏载系数分别取 0.55、0.93 和 1.05。桥梁钢构件整体温升和温降分别为29 和41，混凝土构件整体温升和温降分别为20 和30。拟定出6种分析工况，见表1。表1 主桥静动力特性模拟分析工况（不同荷载情况）工况1恒载工况2恒载+活载工况3恒载+活载+温度工况4恒载+活载+温度+有车纵向风荷载工况5恒载+活载+温度+有车横向风荷载工况6恒载+活载+温度+极限横向风荷载3.2 结果分析根据静力特性模拟结果，主桥主缆在不同工况下最大轴力分别为500 253 kN、552 741 kN、650 187 kN、64 4361 kN、644 361 kN、644 361 kN。在工况1和工况2下主缆最大轴力比为0.910，表明恒载与活载作用效应比约达到91；加劲梁竖向挠跨比和横向挠跨比均小于规范值，说明桥梁刚度及行车舒适性较好。考虑到悬索桥属于柔性结构，重力刚度对结构刚度影响大，但因结构自重占比大，桥梁静力特性良好。主桥成桥状态结构动力特性模拟结果见表2。由表2可知，主梁1阶对称扭转振型基频为0.281 9 Hz，据此得到该桥梁颤振稳定指数。根据公路桥梁抗风设计规范（JTG/T 3360012018）对颤振稳定性检验等级的规定，必须借助节段及全桥模型试验展开主梁颤振稳定性检验2。表2 主桥成桥状态结构动力特性模拟结果阶次频率/Hz振型10.042 1主梁1阶对称横向弯曲20.072 0主梁1阶反对称竖向弯曲+纵向无约束30.091 2主梁1阶反对称横向弯曲50.118 6主梁1阶对称竖向弯曲150.281 9主梁1阶对称扭转230.434 0主梁1阶反对称扭转在阻尼比分别取0.37%和0.52%的情况下检验成桥颤振性能，试验风攻角分别取3、0 和-3，其中风攻角 3 的节段模型颤振试验结果见表 3。根据表 3 可知，单自由度扭转颤振对系统阻尼比较为敏感，阻尼比从0.37%增大至0.52%，颤振临界风速增幅较大；两种阻尼比下，主梁均表现出无明显发散点的软颤振，随风速增大，振幅相应增加，必须采取颤振抑制措施。表3 风攻角3 的节段模型颤振试验结果单位：风速/（m/s）阻尼比（%）0.370.52250.06300.140.06351.010.07401.620.83452.191.41502.421.60为抑制无明显发散点的软颤振，可以将上层桥面外侧挑臂增宽至90 cm。根据均匀流模拟结果，挑臂增宽后主梁表现出明显颤振，形态仍为软颤振；风攻角取3 时主桥颤振临界风速明显超出桥梁颤振风速检测值。拟定风速下主桥加劲梁无扭转发散失稳迹象；设计风速范围内也无明显涡激振动出现。由此判定该大桥主桥加劲梁具备较好的静风稳定性和气动稳定性。4 关键施工技术4.1 梁段双机抬吊该大桥加劲梁标准梁段重达1 010 t，纵向长36 m，在有吊索区梁段双机抬吊架设过程中，通过四点抬吊、三点平衡的同步控制技术，保证缆载吊机均衡受力，避免出现斜吊现象。900 t液压提升缆载吊机包括主桁梁、行走系统、提升系统、吊具系统等部分，在工作面及拼装吊机的制约下，各塔柱侧2台缆载吊机必须依次拼装。4.1.1 吊装阶段为提升缆载吊机利用率，加快施工进度，该桥梁未按常规从桥跨中心开始依次向两侧对称架设，而是从跨中偏南岸第3梁段开始分两阶段施工。第一阶段：将2#和3#缆载吊机拼装好后由塔顶走行至跨中，组合试吊，再从桥跨中心偏南岸第3梁段开始按照1个作业面从南岸向北岸依次架设跨中区7个梁段；第二阶段：在第一阶段架梁的同时，于塔柱顶同步拼装2台缆载吊机，并走行至跨中，与前 2 台缆载吊机组成 2 个作业面，从跨中开始依次向桥塔侧对称架设剩余梁段；最后于塔柱两侧合龙。4.1.2 中跨节段安装中跨加劲梁吊装时，先将桥面板放置在钢梁上，钢梁与桥面板不结合，待钢梁吊装后再浇筑桥面湿接缝，实现桥面结合。将钢梁由水路运输至桥址处，停靠在码头，通过码头吊机逐块吊装至钢梁。为防止钢梁上混凝土桥面板滑落，必须按照5.0 m间隔焊接相邻桥面板的环形钢筋，同时增设竖向钢板，与钢梁牢固焊接；运梁船将钢梁运抵待架设位置，通过缆载吊机吊装；吊装后应通过逐段铰接法连接梁段，保证其抗风稳定性能；待吊装完全桥钢梁后，先栓后焊梁段并浇筑湿接缝。4.1.3 边跨节段安装与中跨节段“先吊装，后结合”的安装工艺不同，141总656期2023年第26期（9月 中）边跨节段按照“先结合，后吊装”的工艺施工，即将钢梁单元运输到场，通过履带吊机现场散拼。根据施工质量控制要求，现场散拼台座必须按照高低支架设置，大部分设置在地面，仅大堤坡脚和跨越防洪墙处设置支架。完成现场散拼后，吊装混凝土桥面板，并绑扎湿接缝钢筋、浇筑湿接缝混凝土。最后通过缆载吊机将钢梁和中跨加劲梁共同提升吊装就位3。4.2 特殊节段吊装边跨下横梁两侧的加劲梁无吊索，下横梁与承台的距离大，如果架设落地式墩旁托架，则钢结构使用量较大。为此，项目组提出悬索桥加劲梁对拉式墩旁托架形式。中塔下横梁和两侧加劲梁处也无吊索，但中塔塔柱结构特殊，下横梁宽度足够，在下横梁顶直接架设钢支撑的方案切实可行。下横梁顶无吊索梁段采用荡移法施工，先借助缆载吊机起吊至设计高度，再借助架设于桥面的卷扬机施加水平牵引力，提拉节段至下横梁顶，准确落梁。此外，因受施工场地限制，大桥南岸边跨135#梁段也必须采用荡移法吊装。根据主桥静动力计算结果，在常规荡移施工过程中，加劲梁自重引起的水平力达 1 090 kN。为保证施工过程顺利进行，必须将 2台10 t卷扬机和60 t滑车组设置在边塔桥面人洞位置。这种设置较为复杂，且施工风险高，经研究和论证后改用无水平牵引力的荡移技术。操作程序具体为：待缆载吊机走行至下一吊索处，垂直提升 135#梁段，直至与其所对应的梁段吊索锚头相连；缓慢放松135#梁段，使缆载吊机受力转移至135#梁段所对应的梁段吊索，直至该吊索处于竖直状态，结束荡移施工。4.3 合龙段施工采用预偏法安装合龙段。受围堰的影响该跨江大桥主桥南岸合龙段为临近2#塔的第3梁段，北岸合龙段为临近1#塔的第2梁段。在无吊索梁段荡移法安装的同时，通过2台卷扬机将以上两个待合龙梁段预先牵拉至引桥向50 cm，为合龙口梁段垂直提升创造条件；待合龙口间距达到设计要求后，通过2台缆载吊机将南岸临近2#塔的第3梁段垂直提升至设计标高，解除水平牵拉；借助穿心千斤顶将预偏梁段拖拉归位，并与合龙段连接。4.4 节段间连接及配重该自锚式悬索桥主桥加劲梁施工期间线形变化较大，竖向线形表现为下凹、水平、上凸的变化趋势。为保证结构受力安全，加劲梁架设施工期间应实施节段间临时连接和部分配重。上弦杆临时连接采用销轴、锚箱和耳板组合结构，结构装置由工厂预制。根据主桥加劲梁架设施工期间静动力特性计算结果，架设完各节段后，吊索受力状态下待架设梁段与已架设梁段间均存在一定高差，必须将待架设梁段上弦高差调整就位，方可销接。具体而言，上弦杆竖向高差、纵向偏位、横向偏位分别通过缆载吊机、手拉葫芦及螺旋千斤顶进行调整。下弦杆采用牛腿、垫座、垫梁等组成的单向支撑临时连接，根据静动力特性计算结果，在中跨、边跨节段架设后，借助螺旋千斤顶将下弦杆临时连接位置调整至设计位，再使用螺栓固结。为控制加劲梁所承受的二期恒载附加应力，应在已架设好的梁段下层桥面使用水袋压重，重量为二期恒载的65%，即11 000 t。随着梁段架设施工进度同步加载压重水袋，待全桥梁段架设且焊接完成后，再将水袋拆除，展开沥青铺装、栏杆安装等后续辅助施工4。4.5 施工期间航道维护该大桥主桥架设周期约3个月，经与海事部门协商讨论，在主桥加劲梁吊装期间，不考虑施工水域，必须预留至少200 m的双向通航净宽。为此，在跨中区域主桥加劲梁段架设初期应保持北岸主航道不变，并随梁段架设逐渐压缩航道。待跨中主桥加劲梁段架设完成，将主航道调整至江中间，相应的通航宽度为284 m。此后航道宽度增大，可保证通航宽度。5 结束语综上所述，该跨江大桥主桥上部钢筋混凝土结合加劲梁架设施工期间，通过施工方案优化设计，使用了900 t液压提升式缆载吊机及两节段不对称架梁、水袋压重、预偏合龙等技术。该桥梁首片加劲梁架设于2020年10月20日开始，全桥加劲梁架设任务于同年12月4日全部完成，用时44 d，施工工期得以节省，施工步骤也相应简化，缆载吊机全部得到充分利用，为大吨位液压提升缆载吊机在万吨级节段梁吊装中的应用提供了实践经验。参考文献：1 杨博，郭瑞，张伟.山区大跨径悬索桥加劲梁安装方案比选J.公路，2022，67（3）：118-123.2 姜洪伟.大跨径悬索桥加劲梁加工制造与拼装技术研究J.内蒙古公路与运输，2022（1）：19-23.3 杨宇辉.大跨度悬索桥加劲梁缆索吊系统技术及实际应用J.智能城市，2021，7（16）：153-154.4 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