大跨度超宽桥面无背索斜拉桥钢箱梁施工技术李晓倩张询王显鹤摘

大跨度超宽桥面无背索斜拉桥钢箱梁施工技术李晓倩张询王显鹤摘要本文结合亚洲第一宽双索面无背索斜拉桥---郑州贾鲁河大桥（跨度为30+120+40m，宽度为55m）施工实践经验，总结了超宽桥面无背索斜拉桥钢箱梁制造、安装施工技术，为公司乃至国内同类桥钢箱梁施工提供借鉴。关键词超宽桥面斜拉桥钢箱梁施工技术1引言无背索斜拉桥是近年来逐步发展的一种新桥型，其以良好的力学性能、优美的景观，为桥梁建设中最有竞争力的桥型之一。世界上第一座大跨度无背索斜拉桥是西班牙的Alamillo桥，跨度200m，建成于1992年，此桥型新颖美观，在艺术上堪称杰作。目前国内建成的无背索斜拉桥有长沙洪山大桥、长春轻轨伊通河斜拉桥、哈尔滨太阳岛斜拉桥、白鹭大桥等等。无背索斜拉桥桥塔仅有单侧索，为确保主塔处于良好的受力状态，塔身一般都设计成倾斜的，塔身后倾的巨大重力需通过主梁来平衡。郑州市贾鲁河大桥为双索面无背索斜拉桥，其中中跨跨中100m为钢箱梁，桥梁宽为55米，其超宽桥面堪为亚洲之最，本桥结构复杂，施工难度大，本文主要介绍主梁中钢箱梁施工技术，为今后超宽桥面无背索斜拉桥钢梁施工提供借鉴。2工程概况郑州贾鲁河大桥主桥为（30+120+40）m无背索斜拉桥，桥梁全宽55m，主塔为预应力混凝土斜塔，上塔柱高60m，向后倾斜30°，斜拉索水平倾角24°，全桥共计18根，纵向间距10m，主梁采用钢混纵向组合结构，纵向布置为30+120+40m，其中中跨跨中100m为钢梁，钢梁与混凝土梁结合处设钢混结合过渡GA段，与钢混段连接的节段为GB、GD段，其余节段均为标准段GC，共11个节段。钢梁为主纵梁、小纵梁、中横梁、小横梁、正交异性钢桥面板及大悬挑组成的钢构架。钢梁断面图如图1所示。3钢箱梁施工方案3.1钢箱梁制作方案根据现场安装条件、设计图纸及相关规范要求，本工程钢箱梁纵、横向进行分段，在车间内进行板单元制作，在预拼装场地内进行预拼装，预拼装时将板单元组焊成运输块体，块体采用陆运至安装现场。图1钢梁断面图3.1.1板单元制作顶板单元、底板单元、横隔板单元、腹板单元、横联单元、锚箱单元、挑臂单元等均在专用的工装设备上完成组焊。3.1.2节段制作板单元制作完成后，在设置了桥梁竖向线形的整体组装胎架上按轮次进行节段的整体组装焊接及预拼装，采用多节段连续匹配组装、焊接和预拼装同时完成的方案。在节段制作中，按照“纵梁锚箱底板单元→两侧底板单元→纵梁两侧箱体隔板→腹板单元→锚箱块体初定位→两侧箱体隔板→两侧箱体腹板→横梁单元→组焊中间顶板→组焊两侧顶板→组焊挑臂块体1→组焊挑臂块体2”的顺序，实现立体阶梯形推进方式逐段组装与焊接。组装时，重点控制桥梁的线形、钢梁几何形状和尺寸精度、锚点的位置精度，相邻接口的精确匹配等。3.2钢箱梁安装方案3.2.1工程整体施工过程从工期、安全、费用、施工条件等多方面综合考虑，本桥采用塔梁同步施工方法，即是将钢箱梁的施工和索塔的浇筑同步进行，完成对应节段的钢箱梁和索塔后，即张拉此段斜拉索，再施工下段钢箱梁和索塔。整体施工步序如图2所示。塔柱施工：上一节段塔柱等强度时间模板爬升、固定处理钢筋绑扎、预应力施工浇筑等强度时间钢箱梁施工：支架安装钢箱梁吊装焊接无损检测验收斜拉索施工：斜拉索挂索张拉下一节段施工图2工程整体施工步序3.2.2钢箱梁吊装方案钢箱梁节段块体在制作完成后陆运至安装现场，在现场进行预拼装后进行吊装。本工程钢箱梁采用“胎架支撑原位拼装工艺”进行安装，即在钢箱梁下方设置临时支撑胎架，边纵梁钢悬臂主纵梁桥面板横梁小纵梁在临时支撑体系上原位安装所有构件以达到初始位形。根据本工程的制作分段、结构形式及现场吊装环境情况，桥下采用2台200t汽车吊进行吊装，吊装顺序如图3和图4。KT4ZKT1Z(合拢段)KT2ZKT3ZKT5ZTBKT1ZTBKT1ZKT4YKT1YKT2YKT3YKT5YTBKT1YTBKT1Y13245542316767图3钢箱梁施工横向安装顺序图4钢箱梁施工纵向安装顺序4主要施工技术4.1支撑胎架4.1.1支撑胎架形式本工程钢箱梁采用胎架支撑原位拼装，GA2～GC5支架高度约9.5m，GA1～GC4段支架高约12m。均采用6m、4m标准段支架，在现场根据实际高度再临时进行加高，加高支架部分与原有标准段支架结构形式一致，加高部分与原有支架顶部的钢板进行焊接。根据各支承段的受力特点，综合考虑现场的支承环境，支架立置在钢箱梁横向分段处，主肢采用Φ325X10钢管，横断面以及侧面的连接均采用Φ89X4的钢管，连接时采用焊接形式，承重梁为2H400×200×8×13钢焊接而成，顶部设置φ200×10调节钢管。6m标准段支架如图5所示。4.1.2支撑胎架制作支架制作时，严格按照图纸加工，支架材质为Q235B，法兰盘为Q345B，节点板与钢管立柱采用6mm双面角焊缝，除立杆外其他杆件采用螺栓连接，加劲板倒角距离为20mm。支架的单节制作高度为6m，支架节与节之间通过法兰盘、螺栓连接。4.1.3支撑胎架安装临时支架安装前，对实地进行考察和测量，对安装基础不符合要求的，进行平整、硬化或加铺钢板，根据桥梁中心线、支架轴线和节段的划分，用经纬仪或全站仪确定临时支架的纵横坐标及标高。图56m标准段支架图为确保支架稳定，在支架主肢底端加焊一块700*700*20的钢板，四周采用M16×120mm膨胀螺栓与路面基础固结。据计算分析可知，单个主肢最大受力为FZ=548.6kN，施加给扩大基础的压强为P=548.6kN/(0.7×0.7)=1.12MPa。钢箱梁节段安装完成后，选择部分支架设置沉降观测点，用来对整个支架的沉降状况及稳定性进行观测。临时支架调节采用调节段与千斤顶进行，主要用于钢箱梁吊装时调节钢箱梁标高和安装结束后进行钢箱梁整体卸载。支架采用汽车吊吊装，通过预埋螺杆与揽风绳进行支架临时固定，临时固定后，采用两台经纬仪或者全站仪进行垂直度校正，采用全站仪进行支架顶部标高测量。4.1.4支撑胎架受力计算4.1.4.1荷载取值与边界条件荷载主要考虑上部块体的自重与临时支撑的自重，选取1.35的荷载增大系数进行计算分析。临时墩为钢管立柱，柱脚为固定支座（约束Ux、Uy、Uz）。4.1.4.2有限元结果分析对原结构进行简化，建立有限元计算模型，拼接过程只考虑自重效应，荷载安全系数取1.35，计算结果如图6所示。根据计算，结构的X方向最大变形DX为±2.27mm，Y方向最大变形DY为±0.31mm，Z方向最大变形DZ为-4.22mm；则按照《钢结构设计规范》GB50017-2003，结构的变形满足要求。结构的最大应力约为-144.44MPa，位于顶部分配梁的跨中位置，小于杆件的设计应力310MPa，因此应力满足要求。4.2地基处理根据勘测资料以及现场实地考察，施工现场地势高低不平，土质松软，地处淤泥地，给本工程钢箱梁运输、支架原位拼装带来了极大的不便，因此支架基础、吊装作业区均需进行地基处理。X-方向位移图（DX）组合应力图（最大值）图6支架受力变形分析图4.2.1地基处理要求4.2.1.1由模型计算可得支架单管对混凝土基础压力548.6kN，单个扩大基础受力1969.2kN，底部基础受力P=（F+G）/S=(1969.2+2.5×16×0.3×10)/16=130.575kPa.基础底部压实承载能力应不小于200kPa，基础需做地基承载力试验；4.2.1.2GA、GD、GC5～GC7处支架位置采用扩大基础4m×4m，扩大基础区域采用8%水泥土换填1.5m；支架周围其余区域硬化5cm混凝土，桥梁两侧设置排水沟，防止雨水或者养护水浸泡支架基础；4.2.1.3GB～GC4节段支架位于贾鲁河河道内，该区域汛期过水，且局部存在地质硬层，为提高基础稳定性，支架基础采用混凝土灌注桩基础，混凝土桩规格Φ800，桩深约14m，顶部设埋板与支架焊接，埋板尺寸P700mm×20mm，埋板底部设置2根Φ25的锚筋，浇筑在灌注桩内，混凝土桩基础应进行试桩，试桩根数1根。支架与灌注桩连接如图9所示。混凝土灌注桩浇筑时预留500mm高度进行二次浇筑，钢筋笼顶部放置一个埋件板，下部锚筋与钢筋笼绑扎点焊，与埋板焊接固定，然后进行二次浇筑，浇筑高度与埋板齐平。安装支架时支腿底部钢板与预埋板焊接固定。根据桩顶反力及施工现场地质情况，经计算，本工程GB～GC4段混凝土桩需贯入地下有效桩长12m（实际按14.3m），承载能力满足GB～GC4支架单管对基础的压力要求。4.2.1.4汽车吊作业区域压实后，铺50cm碎石，整平。地基处理后上表面与地表面齐平。钢箱梁吊装作业地基换填处理及扩大基础如图7所示。图7支架扩大基础及换填处理布置图4.2.2基础强度复核4.2.2.1基础复核计算（1）GA、GB、GC、GD段支腿最大受力548.6kN，底部垫板70cm×70cm，条基支腿处受力σ1=548.6/70×70=1.19MPa＜30MPa，扩大基础能满足支腿承载要求。（2）GA、GB、GC、GD段单个支架最大柱底合力为支架二处，条基最大受力1969.2kN，扩大基础底部受力σ2=（F+G）/S=(1969.2+2.5×16×0.3×10)/16=130.575kPa.基础底部压实承载能力应不小于200kPa，基础需做地基承载力试验（经实验，基础承载能力大于200kPa，满足要求）。4.2.2.2吊车站位地基承载计算汽车吊站位区域，压实后铺50cm碎砖，经计算抗压σ＞300kPa。200t汽车吊自重71t，配重69t，最大吊重约40t。支腿下设路基板，路基板尺寸2m×2m，吊装时对地面压力P=(71+69+40)×1.4/4×4=15.75t/m2=157.5kPa。所以，吊装区域场地基础可以满足200t汽车吊吊装要求。5钢箱梁施工控制对于斜拉桥，在主梁节段施工过程中，一般需要实行“双控”，即主梁标高控制和斜拉索索力控制，为了保证斜拉桥的施工质量，使斜拉桥实际状态与设计状态相符合，节段施工末状态的主梁标高与斜拉索索力与理想值之间的误差应控制在可接受范围内。由于本文篇幅有限，不再对主梁标高和斜拉索索力控制进行分析研究。钢箱梁安装完毕拉索张拉完成后对整桥进行线形观测，在端梁处桥中心线设置标高控制测站点，然后逐步测量每一节段钢箱梁桥面高程，根据高程差计算出钢箱梁拱度，与设计拱度进行比对，对比图如图8所示，实际拱度符合设计要求。图8钢箱梁设计拱度与实测拱度对比图6结语本文以郑州市贾鲁河大桥工程为背景，对大跨度超宽桥面无背索斜拉桥钢箱梁施工技术做了总结，最终张拉完毕后，对钢箱梁的线形和预拱度观测，观测结果都能符合设计要求，说明此钢箱梁施工技术可以应用于大跨度超宽桥面无背索斜拉桥，为公司乃至国内超宽桥面斜拉桥钢箱梁施工提供借鉴。设计拱度