地锚式悬索桥钢桁梁安装施工探析.pdf

交通世界TRANSPOWORLD收稿日期：2023-02-13作者简介：洪妤（1983），女，工程师，从事公路桥梁建设管理工作。地锚式悬索桥钢桁梁安装施工探析洪妤（赣州市公路发展中心兴国分中心，江西 兴国 342400）摘要：为研究悬索桥全焊接钢桁梁最优施工方案，以某双层钢桁梁地锚式悬索桥为例，首先分析了施工方案，包括加劲梁安装次序、钢桁梁安装及设备选型等，然后对缆载吊机抬吊安装其千吨级钢桁梁节段的施工过程展开了探讨。结果表明，加劲梁吊装施工中所采取的部分配重+临时连接方案，北侧岸滩区梁段荡移+滑移、墩顶无吊索区梁段荡移以及其余节段均通过缆索吊机垂直抬吊架设的工艺均对施工质量、工期控制及工效提升具有积极作用。关键词：地锚式；悬索桥；钢桁梁；施工控制中图分类号：U448.25文献标识码：B0 引言我国早期建设的钢桁梁桥杆件大多采用铆接结构，这种结构固结效果并不长久，容易引发结构变形甚至脱铆垮塌。随着栓焊钢桁梁结构的应用，国内修建的栓焊钢桁梁桥也逐渐增多，主要有芜湖长江大桥、九江长江大桥等。在此基础上演变而来的全焊接钢桁梁桥形式也开始出现。近年来，随着桥梁建设技术水平的快速提高，大跨度钢桁梁桥施工逐渐呈现出大节段工厂预制，现场整节吊装的趋势，这种安装技术与传统的现场杆件散拼安装相比，将大部分现场施工工序转移至工厂进行，桥上高空作业量大大减少，工期缩短，安全风险降低，施工质量也得以保证。基于此背景，本文以某双层钢桁梁地锚式悬索桥跨河桥梁工程为例，对其全焊接钢桁梁整节段工厂预制及现场整体吊装施工过程展开分析探讨，在提升钢桁梁施工质量及工效的同时，也为类似桥梁结构整节段吊装施工提供参考。1 工程概况某跨河大桥全长4.213 km，主桥为跨径1 700 m的双层钢桁梁地锚式悬索桥，并以华伦式钢桁架为主桁结构。主缆跨度为 456 m+1700 m+456 m，主跨矢跨比为19，边主跨比为0.275。全桥共设置2根主缆，每根主缆均包括270根索股，每根索股由91根抗拉强度1 960 MPa、直径6.2 mm的镀锌铝合金高强钢丝拧合而成。吊索和索夹骑跨式连接后与钢桁梁销接。该桥梁主梁为全焊接钢桁梁形式，矩形断面，桁架高度为9.6 m（见图1）。主跨和桥塔及辅助墩间锚跨均采用三角形桁架结构，节间长度为14.7 m。辅助墩和过渡墩之间锚跨尾端为N形桁架，节间长度为7.35 m。桁架杆件全部采用箱形截面，且按照全焊接整体式节点设计。上下层桥面全部为正交异性钢板和横纵梁组合；上下层主横梁按14.7 m的间距设置，2道主横梁间布置4道副横梁。全桥钢桁梁节段包括JJL1JJL4等4种类型，共有49个节段，且全部为工厂预制、全焊接节段，最大节段重量约为1 010 t。钢桥面板纵向加劲肋在工地通过高强螺栓连接，其余板件均采用焊接。各钢桁梁节段设计尺寸见表1。表1 各钢桁梁节段设计尺寸节段编号数量/件长度/m重量/tJJL144361 010JJL2216.8565JJL3126.5705JJL4226.5750上层桥面板上弦杆设计轴心小纵梁副横梁下层桥面板腹杆下弦杆设计轴心小纵梁小纵梁副横梁上弦杆设计轴心下弦杆设计轴心设计桥梁轴线腹杆小纵梁小纵梁2%2%2%2%23 04019 4009 600图1 标准节段横断面单位：mm113总653期2023年第23期（8月 中）2 施工方案2.1 加劲梁安装次序悬索桥加劲梁的安装安排在主缆施工及索夹、吊索安装结束后进行。加劲梁安装有两种次序，一是从桥塔开始逐段向跨中对称吊装；二是从跨中开始逐段向桥塔对称吊装。两种次序各有利弊，按照次序1吊装时索夹处主缆折角小，施工人员主要从桥塔处进出作业面；但合龙辅助措施复杂，吊装时主缆切线角比成桥时大，主缆与桥塔碰撞以及鞍座出口处主缆存在附加应力的可能性均较大，索夹抗滑安全系数低。按照次序2吊装合龙简单，且主缆切线角始终较小；主缆与桥塔膨胀以及鞍座出口处主缆出现附加应力的可能性均较小；大节段吊装工效高；但吊装时索夹处主缆折角大，会产生较大的附加应力，施工人员只能从猫道进出。结合该悬索桥钢桁梁结构及节段实际，按照次序2吊装时索夹处主缆折角最大为1.8，生成的附加应力及轴向应力分别达到375 MPa和200 MPa，两者叠加后并未超出成桥状态下743 MPa的最大应力。吊装施工期间主缆未与桥塔发生碰撞，鞍座处切线角均比成桥切线角小，主缆无弯折1。故该地锚式悬索桥加劲梁安装采用次序2，即从跨中开始逐段向桥塔对称吊装。2.2 钢桁梁安装钢桁梁安装方案的确定必须充分考虑加劲梁安装的结构形态、加劲梁线形及吊装连接等方面2。悬索桥加劲梁吊装前，结构实际线形较低并下凹；吊装结束后加劲梁线形高出成桥线形并上凸；完成桥面铺装及附属设施等二期恒载后，结构线形便与成桥状态趋于一致。成桥阶段，加劲梁吊装期间必然产生临时内力，成桥后该内力消失；一期恒载架设梁体阶段，加劲梁吊装时无施工内力产生，但成桥后会产生40 MPa的永久施工内力。为保证结构安全，按照成桥线形制造加劲梁。该地锚式悬索桥加劲梁吊装施工时，通过临时连接构件连接梁段，且为改善加劲梁及吊索受力，临时连接构件只承受剪力与轴力，不承受弯矩3。吊装时梁段间连接方式的比较见表2。由表2可知，该地锚式悬索桥加劲梁吊装时采用部分配重+临时连接的方式。表2 梁段间连接方式的比较连接方式技术优势技术劣势是否推荐适时永久焊接临时连接受力小；加劲梁焊接后受力好；不存在永久施工内力叠加实施难度大，费用高；焊接期间无法吊装加劲梁，造成运架梁设备闲置否等额配重临时连接受力小；不存在永久施工内力叠加配重量大；实施困难否加强临时连接不存在永久施工内力叠加临时连接受力大；实施困难否部分配重+临时连接临时连接受力小；配重量小；不存在永久施工内力叠加施工组织繁琐是2.3 设备选型对于水运条件较好的施工区域，应采用缆载吊机吊装加劲梁。具体而言，提出单台1 300 t缆载吊机直接吊装以及2台900 t缆载吊机抬吊两种方案，同时满足单台900 t缆载吊机荡移架设梁段的吊装要求。按照以上思路，该悬索桥共包括49个钢桁梁节段，其中有吊索节段和无吊索节段分别为47个和2个。整体从跨中开始逐段向桥塔对称架设；每吊装1个节段均应同时安装上弦临时连接件，并配载水袋注水压重，同时完成架设梁段下弦临时连接，确保桥塔墩四周架设合龙；最后从跨中开始逐段向两岸桥塔对称栓接加劲梁节段。3 关键施工技术3.1 主梁节段预制该悬索桥钢桁梁节段于工厂预制，49个节段在2组拼装胎架拼装。先进行桥塔处2个节段制造，再依次向主跨两侧对称匹配制造；在每个制造轮次同时拼装下一节段，节段出胎后补涂装。组拼过程应由下层向上层展开，逐段组装焊接。组装时以胎架支墩中线为基准，加强桥梁拱度、节段尺寸及相邻接口匹配精度控制。主梁节段中还包含桥面板、上下弦杆、拼接板、腹杆、临时杆件及匹配件等，故先拼装平面桁片，将匹配好的杆件运输至桁片平面拼装胎架展开平面拼装，并相应调整支墩位置；待完成平面桁片和桥面安装后再进行立体总拼。3.2 架梁施工3.2.1 缆载吊机准备在桥塔起始节段安装前必须在桥塔钢管柱墩旁设置托架，锚跨支架采用钢管排架体系，并在立柱顶增设箱形梁滑道。采用1 300 t缆载吊机，吊机出厂前在运梁船上组拼，运抵桥位处后分解为吊装单元，借助塔顶门架起吊系统并按照走行系统+负重梁组合体主桁梁+液压控制系统组合体吊具扁担梁连接的次序拼装。缆载吊机必须经走行系统升降，过索夹过程模拟，起重机吊重升降及100%、110%、125%额定荷载试验合格后才能出厂。待缆载吊机现场拼装及调试结束后，还应走行至指定位置并展开起重机升降、吊具升降、动载及静载等试验，合格后方可投入使用。使用缆载吊机安装墩旁起始加劲梁节段和直线段钢梁，并于墩旁托架处连成整体；其余加劲梁节段均通过浮吊起吊安装，滑移后对接拼装。标准段钢梁通过1 300 t缆载吊机吊装，该吊机为桁架结构，由顶升油缸、起升机构、走行机构、后锚固系统、导向装置、后端支顶装置等构成。额定起升高度为155 m；起重量为1 300 t。锚跨侧和主跨侧加劲114交通世界TRANSPOWORLD梁节段也通过桥面吊机吊装。梁段由运梁船运抵桥位处，通过架梁吊机提升至桥面，借助吊具可使吊点起升及转动；为方便加劲梁节段精准拼装对位，还应在吊具上加装纵向调整装置。3.2.2 架梁及荡移施工按照设计方案组合吊机后从跨中开始逐段向两岸桥塔向对称架梁，过程中严格遵照监控指令适时配载，直至合龙。通过1台900 t缆载吊机将两岸桥塔支墩顶JJL2节段荡移至墩旁支架顶安装，同时通过1台900 t缆载吊机将北侧岸滩处JJL4和1/2JJL1节段荡移并临时存梁于滑移栈桥指定位置。各梁段荡移施工的过程中主要以塔顶门架2台15 t卷扬机为水平牵引系统，系统配备637f32 mm、抗拉强度为1 960 MPa的钢丝绳；动滑车和定滑车均为4门100 t滑车组。各梁段荡移施工过程中的受力情况见表3。表中吊装重量主要包括施工荷载、梁段及吊具重量。表3 各梁段荡移施工过程中的受力情况节段编号吊装重量/t吊机拉力/t荡移水平牵引力/t荡移角度/1/2JJL1525536.4107.811.6JJL2604613.2106.510.1JJL4783536.3153.611.12通过在栈桥滑道梁顶面设置反力座、f15.2 mm钢绞线及千斤顶，将栈桥处梁段拽拉纵移就位；已架设梁段及墩顶梁段则借助千斤顶精调对位。3.2.3 梁段间连接该桥钢桁梁采用双层板桁组合结构，大节段全焊形式，标准节段上共设置4个吊索吊点，沿纵向梁段悬臂的吊点之间相差6.4 m，吊索索力差异及节段间接缝高差均较大。架梁时，将双向临时连接设置在节段间上弦，双向临时连接由销轴、锚箱、锚固座等部分组成。将锚箱销接待架设梁段，通过吊机调整梁段上弦后转动锚箱、安装销轴，即可完成上弦临时连接。下弦则设置由垫座、垫梁、牛腿等组成的单向临时连接。待完成全部钢桁梁吊装后展开正式连接，并从跨中开始向两岸桥塔对称进行。正式连接完成后应保持全桥外表面清洁，并涂刷面漆。3.3 边跨和主跨钢梁合龙合龙段由2部分组成：一是上弦杆、斜腹杆和上层桥面与支架同步安装；二是下层桥面和下弦杆单元件在工厂预制后，通过桥面吊机提升就位，并与标准段临时固定，再将预偏支架段向桥塔侧顶推，对接合龙。合龙焊接时，先焊接合龙口3和合龙口5焊缝；在夜间合龙口1、合龙口2和合龙口4焊头温度较为稳定时施焊；再焊接上层及下层桥面板；最后焊接上下层桥面板小纵梁和U形肋、纵梁嵌补段焊缝。3.4 特殊区域架梁考虑到该悬索桥南侧桥塔墩周围河床主要为平缓浅滩，标高较高，加劲梁节段无法通过运梁船运抵指定位置架设，必须在桥塔中跨侧设置98 m长的钢桁梁滑移栈桥，栈桥平面按照28 m的中心距设置2条滑移轨道；岸坡处为扩大基础，水中区域为钢管桩基础，并布设轨道梁、滑动面和滑座等。支架设置于两岸桥塔旁，在缆载吊机配合下，荡移架设墩顶无吊索梁段。将钢管桩、分配梁、连接系等组成的支架支承于承台上，并在顶面放置千斤顶和临时抄垫。3.5 焊接质量无损检测该悬索桥钢桁梁节段焊接结束后进行了断面杆件收缩量统计，测值为3.66.0 mm，这为后续梁段预制提供了预留量4，对主桥线形控制十分有利。施工期间通过加强质量管理及控制焊接工艺，对接焊缝质量得到较好控制。焊后超声波探伤无损检测结果显示，主桥对接焊缝验收合格率达到99%以上，返修后合格率为100%。4 结束语该悬索桥钢桁梁于2020年5月10日开始架设，同年11月30日主跨合龙，包括钢桁梁节段吊装、焊接以及斜拉索挂设张拉，吊机移动等在内的钢梁节段吊装施工周期约为6 d，与现场杆件散拼安装相比，工期大大节省。此外，因现场严格实施焊接工艺及质量管理等措施，钢桁梁节段施工质量控制良好，成桥后斜拉索索力均满足设计要求，线形顺畅，外形美观。该悬索桥钢桁梁采用千吨级整体节段吊装、全焊接施工工艺，为保证施工质量、提升工效所采取的设计及施工方案有效解决了大跨度悬索桥全焊结构钢桁梁安装施工技术难题，可为类似桥梁工程施工提供参考。参考文献：1 魏思斯，耿波，尚军年，等.两桁悬索加劲钢桁梁桥特殊节点缩尺模型静载试验研究J.桥梁建设，2022，52（5）：52-59.2 吴建民.山区特大跨径钢桁梁斜拉桥主梁施工架设技术J.工程建设与设计，2022（14）：169-171.3 任文辉，寇越，马彦阳，等.水苏沟特大桥钢桁架组合结构桥梁快速建造技术J.中国公路，2022（9）：102-103.4 吴玉柱，刘壮.大型全焊钢桁梁桥焊接顺序及变形控制J.金属加工（热加工），2017（10）：77-79.115