浅谈城市高速跨线桥钢箱梁桥横向分块施工方法

浅谈城市高速跨线桥钢箱梁桥横向分块施工方法

李志勇

李志勇

东莞市虎门滨海大道建设项目有限公司523900

摘要：东莞市虎门镇滨海大道为虎门镇南北向干线城市主干道，是未来虎门城市经济、文化发展的重要轴线，道路景观与城市环境、自然景观为一体，并体现现代化的滨海城市形象、虎门标志性的景观大道。沿线与常虎高速公路新联支线、莞佛高速公路(虎门大桥)、广深沿江高速公路等多条高速公路及地方城市主干道相交,路线全长12.24KM。莞佛高速公路(虎门大桥)为广东最拥堵高速公路之一，2017年国庆长假上榜为全国最拥堵高速公路。上跨莞佛高速公路钢箱梁施工将成为了滨海大道总体工期目标的关键节点之一。为解决钢箱梁架设难题、加快施工进程，该桥钢箱梁采用纵向分段、横向分块施工方案，钢箱梁横向采用错位分割。为提高梁段的刚度并降低各梁段刚度的差异，提出剪刀撑加强方案，即在梁段的腹板与顶板开口处及缺失腹板处沿顺桥向增设剪刀撑。

关键词：续梁桥；钢箱梁；横向分块

1.桥梁介绍

本跨莞佛高速主线桥按照独立的左、右两幅桥进行设计；左幅全长500.88m，起点桩号为K5+431.664，终点桩号为K5+932.544；右幅全长411.88m，起点桩号为K5+491.212，终点桩号K5+903.092，两桥面宽度为等宽20.5m。其中在左幅第三联和右幅第三联均采用连续钢箱梁，第三联跨径布置为：39+56+39m，以主跨56m跨过莞佛高速公路。

钢箱梁主要受力构件采用Q345qC钢板，技术条件必须符合《碳素结构钢》GB/T700-2006规定技术要求；钢箱梁采用39+56+39m三跨等高度连续钢箱梁，梁高2.3m，为四箱单室结构，箱宽3.0m，单箱均在工厂预制，现场拼接各箱之间的顶板和箱间横梁。钢箱梁主梁顶板采用正交异性板体系，顶板采用16mm等厚钢板，中墩附近顶板加厚到20mm，顶板加劲肋分为两种，箱内采用U形闭口肋，板厚8mm，间隔300mm一道，悬臂处采用120*14mm钢板，间隔600mm一道；横隔板沿纵桥向间隔3.0～4.0m设置一道，采用16mm厚钢板，支座处加厚到24mm；外箱外侧翼缘标准宽度为1.55m，中箱两侧翼缘及外箱内侧翼级宽度均为0.9m。钢箱梁中墩采用墩梁固结体系，中墩采用4根φ1.2m、t=20mm的钢管混凝土墩柱，内灌C40无收缩混凝土并配筋。

为了尽量降低对莞佛高速公路的交通运营影响以及缩短施工工期，全桥钢箱梁架设顺序：先架设右幅由北至南，再架左幅由北至南。右幅纵向分为6个节段，横向为4个节段，单幅合共24个节段，横向连接系单元件为桥址单独吊装，右幅桥最大节段为3.2m*5.45m*29.1m，重约79T；右幅全桥重约1650T。

2.有限元模型

选择中跨76.4m梁段，采用有限元软件MI—DASCiVil建立其有限元模型，分别模拟钢箱梁吊装和安放到临时支座2个施工过程，如图3所示。模型中，钢箱梁采用四边形薄板单元模拟，吊索采用只受拉桁架单元模拟，吊索与钢箱梁的连接采用刚度较大的弹簧单元模拟。吊装过程中，在吊点处施加空间3个方向的固定约束；安放到临时支座过程中，在支点处施加竖直向上的位移约束。在钢箱梁施工阶段，应考虑结构自重的影响，并对跨中处的位移和应力进行分析，跨中处位移、应力测点布置如图1所示。

3.钢箱梁加工制作工艺

3.1制作工艺流程原材预处理→下料→零件加工→单元组件制作→箱梁段整体制作→中间漆涂层。

3.2原材预处理下料前需对原材进行除锈及防腐处理，采用抛丸除锈，车间底漆涂层防腐处理，涂层厚度不大于20μm。

3.3下料下料前根据制作线形采用AutoCAD进行三维结构放样，确定结构空间形状及定位关系。结构零部件的形状位置尺寸、扭曲面展开、测控点坐标都依据三维图确定。钢箱梁底板空间曲面通过CAD加载程序展开成平面下料的图形，板材的弯曲部位、曲率半径、弧长等尺寸参数，都可以在CAD图中表达出来，在通过计算机编程，将此信息输入数控切割机，先喷出定位喷粉线，再切割板材。具体做法及要求如下：

3.3.1箱梁以1：1的比例在计算机中放出各节点，放样时需考虑平面圆曲线、纵向竖曲线、预拱度及2%横坡，各部分的尺寸和样板应进行核对，并作为后续生产的依据。

3.3.2根据实践经验，放样时要加放余量、焊接收缩量及对接焊缝的位置。横向每道纵肋间距加放0.5mm，顶板加放9mm，底板加放8.5mm；每片小分段宽度方向加放15mm余量，长度方向加放30mm余量；在腹板小分段加放5mm反变形。

3.4零件加工

3.4.1加工设备选择①顶板、曲面底板圆弧边（曲面展开平面）、横隔板采用多头数控直条机下料；②腹板加劲肋、人孔镶边采用直条机下料或剪板机下料；③U形肋、曲面板采用直条机下料，外协加工成形；④支座垫板先做木模样品，设计认可后用机械加工成形。

3.4.2边缘加工①需要坡口的边缘采用半自动火焰切割、以机械打磨为主，手工打磨配合；②除去钢板的热影响区（一般为4～5mm）及钢板机械剪切时产生的硬化区（1～2mm）。

3.4.3拼板①根据排版图对钢板的材质、厚度、尺寸等核对；②吊运钢板至拼接场地，为防止钢板弯曲变形，必须使用专用吊具；③对钢板进行划线拼接，拼接长度方向加放30mm二次切割余量；④坡口面及坡口两侧20mm范围内必须打磨干净并保持干燥；⑤采用手工电弧焊定位焊，定位点焊长度不小于40mm，间隔500～600mm；⑥装配完成后，经检验合格后方可正式焊接；⑦钢板拼接主要采用CO2气保焊打底，埋弧焊填充盖面的拼接方法；⑧对拼接焊缝进行无损探伤检测。

4.横向分块施工分析

4.1有限元分析

采用剪刀撑加强方案后，各梁块在吊装和安放过程中跨中各测点的位移和应力分别如表1所示。

吊装和安放过程各梁块跨中位移参数表

(1)吊装过程中，3号梁块B5处的位移最大，为9.6mm；2号梁块跨中底板应力最大，为12MPa；3号梁块跨中左、右两侧(B5和B6)的位移差最大，为3.4mm。(2)安放到临时墩后，各梁块跨中处位移和应力均有显著增加；3号梁块B5处的位移最大，为79.7mm；1号梁块跨中底板应力最大，为48.6MPa；3号梁块跨中左、右两侧(B5和B6)位移差最大，为11.4mm；相邻梁块之间的焊接处位移差最大值仅为6.1mm，发生在中跨2号与3号梁块的焊接截面处(B4和B5)。有限元分析结果表明，采用剪刀撑加强方案后，中跨各梁块的变形和应力较为协调，满足后续横向焊接施工要求。说明采用剪刀撑加强方案后进行钢箱梁横向分块施工是可行的。

4.2实测应力分析

通过有限元计算分析可知，各梁块在施工过程中，跨中处顶、底板为最不利位置。因此，对该桥实际施工过程进行应力监测。实测应力测点同有限元分析的测点布置相同。在吊装和安放过程中，各梁块跨中顶、底板应力时程曲线分别如图2和图3所示。

由上图可知：跨中应力发生突增现象，发生在钢梁放置在临时墩的瞬间，其原因是梁块吊装与安放过程之间结构体系发生转变；吊装过程中，各梁块顶板受拉、底板受压，应力均为10MPa左右；安放到临时墩后，顶、底板受力状态发生转变，顶板受压、底板受拉，应力均为40MPa左右；应力实测值与理论值基本一致，而且应力未超出材料的设计强度值，整个施工过程是安全的。说明采用剪刀撑加强方案后能够满足钢箱梁横向分块施工控制要求。

结论

钢箱梁采用横向分块、纵向分段吊装的施工技术。针对钢箱梁分块后出现的结构变形和受力问题，提出在缺失腹板处及腹板与顶板开口位置沿桥纵向设置剪刀撑，并采用有限元计算及现场监测对剪刀撑加强方案进行分析。结果表明，采用剪刀撑加强方案后，中跨各梁块的变形和应力较为协调，满足后续横向焊接施工要求；结构应力处于安全范围。说明采用剪刀撑加强方案后钢箱梁进行横向分块施工是可行的。目前，跨京杭运河高架桥已建成通车，其剪刀撑加强方案在后续的跨瓜山立交桥及跨莫干山路高架桥的建设中得到应用。实践证明，该方案能有效减小钢箱梁横向拼接错台，降低吊装过程的自重应力，缩短施工周期，提高施工质量，在城市桥梁建设中具有推广价值。

参考文献:

[1]刘建辉，王涛，吴清，等.超大跨度城市钢箱梁高架桥安装施工工艺[J].钢结构，2012，27(4)：66—68.

[2]游励晖.市政工程桥梁设计要点研究[J].铁道工程学报，2013，30(3)：45—49.

[3]刘柱，周世清.大跨度钢箱梁架设施工的监理控制[J].世界桥梁，2011(5)：27—30.