钢箱梁桥滑梁体系设计与施工关键技术

钢箱梁桥滑梁体系设计与施工关键技术

潘相辉

(中铁上海工程局集团第七工程有限公司，西安，710000)

摘要 为研究正交异性钢箱梁在大跨度河流上滑移体系的设计，提出关键施工方案。本文以临汾市汾河一路跨汾河大桥工程为研究背景，综合现场实际情况，首先对钢箱梁的滑梁体系进行设计；其次通过Midas civil软件建立钢箱梁三维有限元模型，模拟不同工况下钢箱梁整体的滑移情况，验证不同施工工况下滑梁体系设计的可行性，同时，运用Midas FEA软件建立钢箱梁实体模型，分析滑靴对钢箱梁的影响；最终确定钢箱梁滑移施工的关键技术。得到如下结论：通过对箱梁滑移施工过程四种不利工况进行检算，结果表明钢箱梁滑移时组合应力及剪应力最大值均发生在轨道梁上，最不利工况下，结构的强度、刚度和稳定性满足要求；对箱梁滑移施工过程最不利工况下钢箱梁及滑靴进行验算，钢箱梁局部承压及滑靴的强度满足要求；滑移支架法广泛运用于钢箱梁牵引滑梁施工中，本工程采用的支架牵引滑梁拼装施工工艺，提高了施工质量，增加了经济效益，减少了工期，为今后类似环境下的钢箱梁施工提供了参考依据。

关键词  滑移轨道；数值模拟；滑移施工；钢箱梁滑移；

中图法分类号  U448；     文献标志码  A

Key technologies for design and construction of steel box beam bridge skid beam system

Pan Xianghui

（The Seventh Engineering Corporation Of Crec Shanghai Group, Xi ' an, 710000）

[Abstract] In order to study the design of orthogonal steel box beams on a large span river, a key construction plan is proposed. This article takes the background of the Fenhe Bridge project across the Fenhe Bridge in Linfen City. In the actual situation of the scene, the sliding beam system of the steel box beam is first designed. In the case of the overall slip of the steel box beam to verify the feasibility of the design of the beam system with different construction conditions. At the same time, the MIDAS Fea software is used to establish the steel box beam physical model to analyze the effect of skate boots on the steel box beam; finally determine the steel of steel; finally determine the steel of steel; eventually determine the steel Key technologies for the smooth construction of the box beam. The following conclusions are obtained: the four unfavorable operating conditions of the box beam sliding construction process are calculated. As a result, the maximum value of the combined stress and shear stress when the steel box beam is slid. The intensity, stiffness and stability meet the requirements;Under the most unfavorable conditions of the box beam sliding construction process, the steel box beams and slippery boots are calculated, and the strength of the local pressure and the intensity of the steel box beams and the intensity of skating boots is widely used in the construction of steel box beam traction beam construction The supporting skid beam assembly and construction technology adopted by this project has improved construction quality, increased economic benefits, reduced construction period, and provided a reference for the construction of steel box beams in similar environments in the future.

[Key words]  Sliding track; numerical simulation; sliding construction; steel box girder sliding;

0 引言

桥梁工程在施工环境复杂、重要的开发建设节点工程中常常担任着主导地位。近年来，随着我国城市建设及发展的进一步需要，桥梁的建设不仅仅局限于满足道路通行，城市景观桥梁的大量涌现，使得桥梁工程跨度越来越大、建设难度越来。因此，诸如大跨钢箱梁系杆拱桥、宽箱空间扭转索面斜拉桥等钢箱梁桥映入人们眼帘[1]。

时至今日钢箱梁的施工任然存在诸多难题，现阶段钢箱梁施工通常采用工厂预制后，沿纵横桥向分片，再进行吊装到所要求的位置，逐个拼接成整体的施工工艺[2]。然而实际施工中钢箱梁的吊装往往受现场实际施工环境的限制。钢箱梁段往往无法采用大型起重设备架设，而使用牵引滑梁安装施工工艺正好解决了此类问题[3]。

目前针对钢箱梁滑移施工的研究，多为针对钢箱梁滑移整体施工工艺的研究并未对单一箱梁截面不同滑移工况及箱梁滑移时结构细部分析进行研究[4,5]。因此，本文以临汾市汾河一路跨汾河大桥工程为研究背景，综合现场实际情况，对钢箱梁的滑梁设计与施工关键技术进行研究，同时通过Midas civil软件建立钢箱梁三维有限元模型，模拟不同工况下钢箱梁整体的滑移情况，运用Midas FEA软件建立钢箱梁实体模型，分析不同滑移工况对钢箱梁的影响。提出远程吊装，纵横多向牵引滑梁的施工工艺。

1 工程概况

临汾市河汾一路为快速中环北段线位，为河西新城~老城区北部~东城快速连通，能促进河西新城、城区北部的开发建设，提升沿线土地价值。临汾市汾河一路跨汾河大桥工程项目主桥采用下承式拱桥，跨径布置为100+140+80m，主桥总长320m。其中大拱矢高70m，中拱矢高50m，小拱矢高40m，矢跨比均为1:2。桥梁宽度40m，梁高4.5m，吊索间距6m。

钢箱梁结构主梁采用正交异性桥面板钢箱梁，为单箱三室，道路中心线处梁高4.5m，顶、底全宽均为40m，箱梁外侧设置6.2m悬臂，顶面为双向1.5%横坡，底面无横坡。钢箱梁最大板厚30mm，主要材质采用Q345qD，少量采用Q420qE，桥面钢梁部分工程量9015吨。钢箱梁安装采用分块滑移施工工艺，分块最大重量为418t，属于重量1000kN及以上的大型结构平移施工工艺。

钢箱梁三维示意图

2 滑移体系设计

2.1钢箱梁分段及板单元划分

钢箱梁顺桥向分为26个节段，节段宽40m、高4.5m、最长13.7m（标准节段长12m），单节段最重418t，钢箱梁施工就位后其下表面距离常水位11.7～13.1m。梁段具体划分如图4.1-1所示。

钢箱梁分段划分

每个节段横桥向又细分成数个板单元，并以板单元的形式发至现场，具体划分如图4.1-2所示。顶/底/腹板单元最长13.7m、最宽3.54m、最高0.85m、最重14.5t；横隔板单元最长10.78、最宽4.5m、最高0.3m、最重6.5t。钢箱梁分段在拼装平台上采用2台150t履带吊进行组拼，施工通道设在钢箱梁两侧。

2.2钢箱梁滑移体系

（1）滑移支撑体系构成

钢箱梁滑移支撑体系主要由滑移支架、滑移轨道梁、滑移轨道、滑靴、液压爬行器（油泵）、竖向调节油缸等构成，如下图所示。

滑移支架构造示意图

（2）滑移支架、轨道梁及轨道

根据计算分析，每个滑移单元设置两组滑移轨道，单条滑移轨道长316.1米, 两组轨道中心距为27.58米。滑移支架采用钢管桩的形式，顺桥向标准间距为9米（共126根），横向间距为（2+25.58+2）m，桩顶设端头封板，桩顶分配梁与端头封板间焊接，然后在分配梁上面设置滑移轨道梁，轨道梁与分配梁间通过焊接连接。钢箱梁与滑靴之间需加垫垫块，为减少加垫高度，轨道梁布置时按近似钢箱梁的起拱线型进行设置，对应的各分配梁的顶标高将根据监控线型进行设置。

滑移支架横侧视图

滑移支架纵断面图

滑移支架横断面图

滑移支架总体纵断面图

滑移支撑体系构造及选材如下：

滑移支架采用D609×10的钢管桩，桩顶横置2HN700×300×13×24的双拼分配梁，材质为Q235B，轨道梁即落在此分配梁之上。

轨道梁采用2HN900×300×16×28的双拼H型钢,材质为Q345B。滑移轨道采用43kg/m级钢轨，轨道沿轨道梁长度方向铺设，并通过轨道压板（PL16×42×92）进行固定，沿长度方向每0.5米设置一道压板，轨道安装固定示意如下：

（3）滑靴布置

滑靴为钢箱梁滑移单元的承重转换支座，通过滑靴与滑移轨道之间进行滑动。每个滑移单元上设置4个滑靴，滑靴位置布设在钢箱梁外腹板与横隔板T字交叉处，滑靴上表面与钢箱梁底板间的净空高度大于油缸高度时需在油缸下方加设支墩或钢垫板。滑靴采用Q235B钢板制作而成。

3 滑梁结构验算

3. 1 滑移荷载

钢箱梁顺桥向分为26个节段，钢箱梁段采用双滑道顶推滑移。滑移过程中滑移支架承受的计算荷载有：

（1）拼装支架自重；

（2）竖向力L1：即钢梁及钢拱分段重量，将各分段重量加载至轨道梁上。

（3）风荷载w：山西省临汾市，风压取0.25kN/m2。风荷载体型系数取1.3，风压高度变化系数取1.42，钢箱梁横断面面积为4.5m×6m，支撑所受横向荷载为w=1.0×0.25×1.3×1.42×4.5×6=12.5kN。

（4）滑移荷载L2：水平滑移时产生的滑移荷载为0.2倍的自重，L2=104t×0.2=20.8t

荷载组合为：

工况一（应力计算）：1.3支架自重+1.5竖向力+1.5风荷载+1.5滑移荷载

工况二（位移计算）：1.0支架自重+1.0竖向力+1.0风荷载+1.0滑移荷载

3. 2 滑道支架工况分析

考虑现场实际的施工工期及施工操作难度等影响因素的综合作用，对箱梁滑移施工过程进行检算，主要检算过程模拟四种不利工况，分别为：

（1）工况1：采用整体模型模拟一片最重梁段滑移到位，检算下部支撑体系应力及位移，需同时考虑钢箱梁带翼缘板滑移及仅安装单侧翼缘板的情况；

（2）工况2：采用整体模型模拟首5片梁滑至到位（ZQ1位置），检算钢箱梁及下部支撑体系应力和位移，需考虑钢箱梁仅安装单侧翼缘板的情况；

（3）工况3：采用整体模型模拟主梁滑移施工完成，进行梁上拼拱，检算下部支撑体系及钢箱梁应力和位移，并采用局部模型对此工况下钢箱梁及滑靴位置处的局部应力进行检算。

（4）工况4：主梁滑移施工完成，进行梁上拼拱(均采用260t履带吊进行吊装)检算钢箱梁及支架的应力、位移及钢管桩的反力。

四种工况初始状态均为支架已就位，钢箱梁未进行滑移，工况1时模型不含钢箱梁，最重梁段作为移动荷载加载到轨道梁上；工况2及工况3均对钢箱梁进行了模拟，工况2模型荷载仅为自重，工况3模型荷载为结构自重+梁上拼拱时拱段重量。工况4模型荷载为结构自重+梁上拼拱时拱段重量+80t汽车吊的重量。四种工况主要检算内容均为钢箱梁及支架应力和位移。

3. 3滑道支架验算

运用midas civil 2022建立三维有限元模型，如图所示。

将各工况下模型的强度刚度数值列于表；

表1 滑移支架验算结果

已知下部滑移支架采用Q235钢材，支架上用于滑移的轨道梁材料为Q355，2HN900*300*16*28型钢钢材，按照《桥梁用结构钢》GB/T714-2015的要求，Q235b：抗拉、抗压和抗弯强度设计值fd=190Mpa，抗剪强度设计值fvd=110Mpa；Q345qD：抗拉、抗压和抗弯强度设计值fd=305Mpa，抗剪强度设计值fvd=160Mpa剪切应力设计值为160Mpa。分析四种工况，钢箱梁滑移时组合应力及剪应力最大值均发生在轨道梁上，各工况应力最大值均位于第三工况下，此时组合应力为最大值为123.8Mpa，发生在轨道梁上，支架最大应力为100.1Mpa，钢箱梁最大应力为16.4Mpa，均满足规范要求；同时剪切应力最大值为140.1Mpa，发生在轨道梁上，小于160Mpa满足规范要求。支架最大剪切应力为68.8Mpa，钢箱梁最大剪切应力为16.7Mpa，均满足规范要求。

3. 4钢箱梁滑移局部应力验算

利用MIDAS FEA NX建立钢拱拼装处钢箱梁节段计算模型，检算梁上拼拱最不利工况下箱梁局部应力。节段模型采用板单元，节段长度为12m。拼装荷载通过等效均布荷载的形式施加于钢箱梁表面，如下图所示。

3.4.1计算荷载及组合

按承载能力极限状态计算时，公路桥涵设计规范中对结构荷载作用分项系数取值无规定，参考铁路桥涵设计规范（极限状态法）取值，钢结构自重取1.1，施工荷载取1.15。钢拱节段在钢箱梁上拼装时的等效均布荷载分别为12.99kN/m2、10.78kN/m2、13.22kN/m2。计算按照以下两种工况分别计算：

工况一（应力计算）：1.1钢箱梁自重+1.15拼装荷载

工况二（位移计算）：1.0钢箱梁自重+1.0拼装荷载

3.4.2边界条件

根据钢箱梁底滑靴的布置方式，对钢箱梁底部相应位置施加多节点铰接约束（未考虑滑靴位置处局部加强），如下图所示：

3.4.3计算结果

计算结果如下图所示。

钢箱梁位移云图（单位：mm）

钢箱梁Von Mises应力云图（单位：MPa）

钢箱梁最大局部位移5.6 mm，最大局部应力为259.6Mpa<305MPa，且为局部应力集中，满足《钢结构设计标准（含条文说明）GB 50017-2017》 规范要求。

3. 5滑靴结构局部应力验算

根据设计图几何尺寸和截面尺寸，利用有限元软件Midas FEA NX，建立结构模型，结构计算模型如图所示。

结构模型

3.5.1模型荷载和约束

滑靴受到最大压力标准值为1481kN，滑靴耳板受到的顶推力取支反力的20％即297kN，施加在耳板位置处。加载考虑1.15荷载分项系数，压力设计值为1704kN，耳板顶推力设计值为342kN。对滑靴与轨道接触位置处进行约束。边界条件如下图所示:

荷载及边界条件

3.5.2计算结果

按照上述模型荷载及边界条件进行计算，结构的应力分布如图所示：

结构应力云图（MPa）

结构变形情况如下所示：

结构位移云图（mm）

由上述计算可知，最大应力为224.1MPa，结构最大变形为0.38mm，结构的强度和刚度均满足钢结构设计标准（含条文说明）GB 50017-2017》 规范要求。

4.钢箱梁滑移施工

4.1.滑靴布置

滑靴为钢箱梁滑移单元的承重转换支座，在轨道上方均匀涂抹黄油，通过滑靴与滑移轨道之间进行滑动，滑移最大摩擦力按照0.2倍的自重计算。每个滑移单元上设置4个滑靴，单侧两个滑靴顺桥向的间距为9m，且根据滑移单元重心对称布置，滑靴位置优先设在钢箱梁边腹板与横隔板十字交叉处，滑靴上表面与钢箱梁底板间的净空高度大于油缸高度时需在油缸下方加设支墩或钢垫板。

由于每节段钢箱梁长度均不相等，因此布置滑靴时需要充分考虑到钢箱梁的纵向和横向的不均匀变形，在滑靴上方的腹板外侧设置临时加劲板。

4.2液压同步滑移系统

“液压同步滑移技术”采用液压爬行器作为滑移驱动设备。液压爬行器为组合式结构，一端以楔型夹块与滑移轨道连接，另一端以铰接点形式与滑移胎架或构件连接，中间利用液压油缸驱动爬行。

4.3分级加载滑移

滑移采用液压同步滑移系统、分级加载滑移的方法，使钢箱梁逐步缓慢脱离拼装胎架，观察梁体和滑移系统的运转情况，待系统检测无误后开始正式滑移。经计算，确定液压爬行器所需的伸缸压力（考虑压力损失）和缩缸压力。

开始滑移时，液压爬行器伸缸压力逐渐上调，依次为所需压力的20%，40%，在一切都正常的情况下，可继续加载到60%，80%，90%，100%。

4.4正式滑移

在液压滑移过程中，注意观测设备系统的压力、荷载变化情况等，并认真做好记录工作。

根据设计滑移荷载预先设定好泵源压力值，由此控制爬行器最大输出推力，保证整个滑移设施的安全。

滑移钢箱梁水平方向基本无横向水平力，且滑移工况下胎架受力计算为安全，钢箱梁对应轨道位置设横向挡块，整个滑移过程是安全可靠的。

滑移过程中应密切注意滑移轨道、液压爬行器、液压泵源系统、计算机同步控制系统、传感检测系统等的工作状态。

现场无线对讲机在使用前，必须向工程指挥部申报，明确回复后方可作用。通讯工具专人保管，确保信号畅通。

5.结论

本文以临汾市汾河一路跨汾河大桥工程为研究背景，研究钢箱梁桥滑梁体系设计及施工关键技术，得到如下结论：

（1）对滑移支撑体系的结构进行设计，结构拼装简便，安全性能高；

（2）通过对箱梁滑移施工过程四种不利工况进行检算，结果表明钢箱梁滑移时组合应力及剪应力最大值均发生在轨道梁上，最不利工况下，结构的强度、刚度和稳定性满足要求；

（3）通过对箱梁滑移施工过程最不利工况下钢箱梁及滑靴进行验算，钢箱梁局部承压及滑靴的强度满足要求

（4）滑移支架法广泛运用于钢箱梁牵引滑梁施工中，本工程采用的支架牵引滑梁拼装施工工艺，提高了施工质量，增加了经济效益，减少了工期，为今后类似环境下的钢箱梁施工提供了参考依据。

参考文献

[1]万成福.复杂水域三跨变截面钢箱梁顶推滑移技术研究[J].铁道建筑技术,2023(07):115-118+149.

[2]张玉涛.跨河大桥主线钢箱梁双向滑移施工问题探讨[J].中国水运, 2022(08): 62-65.

[3]樊晓锋,冀诚,魏敏等.钢箱梁滑移施工期支撑体系受力特性分析[J]. 建筑施工, 2021, 43(07): 1284-1286.

[4]孙永乐.滑移技术在钢箱梁施工中的应用[J].建筑技术开发, 2020, 47(08): 108-109.

[5]罗水勇.钢箱梁支架法滑移施工技术的应用与分析[J]. 广东公路交通, 2019, 45(04): 149-151+156.