特大桥钢箱梁节段拼装顶推施工关键技术
发布时间：2020-03-18
摘要：以湘潭昭华湘江大桥为工程背景，对基于顶推法施工的大型钢箱梁节段拼装关键技术进行了研究，着重介绍了桥梁成桥的线形确定和梁段定位的方法，包括胎架设计、梁段拼装线形计算，同时分析了梁段定位、梁段末端转角等合龙的影响因素，提出了控制钢箱梁拼装精度的措施，确保了钢箱梁的拼装质量。
关键词：悬索桥;钢箱梁拼装;顶推施工;成桥线形;梁段定位
1 工程概况湘潭昭华湘江大桥主桥为独塔自锚式悬索桥，四跨分别为44.76、168.00、228.00、44.68 m(图1)
主梁采用流线型扁平钢箱梁，梁高3.5 m，梁宽39.5 m (桥宽)。钢箱梁总长377 m，为便于制造和运输，共划分为37个梁段。根据其梁段长度、钢板厚度等，钢加劲梁分为钢混结合段以及A、B、C、D、E、F共7种类型，其中D 为标准梁段。钢箱梁厂内预制，节段运输至现场进行顶推安装。
2 主梁成桥线形与拼装线形
2.1 竖向线形确定
竖向线形根据纵坡、竖曲线设计表进行确定，根据主桥钢箱梁设计线形确定分段底板线形，圆弧段部分采用以折代曲方法确定梁段的成桥位置及坡度值，曲线段根据梁段顶板间隙值确定是否按照矩形截面制作(桥面板与断面垂直)，当顶板缝隙较大时，需要调整顶板长度、修正焊缝宽度。以昭华湘江大桥应用为例，曲线段顶板缝比底板缝最多宽3 mm，制作时按照矩形截面制作即可满足合龙要求，主桥钢箱梁底板0# ～28# 分段为斜直线，29# ～36# 分段为圆弧段。
2.2 平面线形确定
根据平面曲线交点坐标及曲线要素值确定平面线形，平面线形为直线、缓和曲线、圆曲线结合形式。位于曲线上的梁段同样根据以折代曲的方法确定每个梁段中心的相对成桥轴线的偏移值(图2)，偏移后使得上游侧顶底板及腹板的焊缝变宽，下游侧焊缝宽度变小甚至需要修割，当调整量较小时可以采用调整焊缝宽度的做法，当调整量较大时需要在制作阶段放样确定上下游的具体长度，按照断面与轴线不垂直做法进行制作。
2.3 梁段拼装线形
拼装线形计算基本思路是顶推完成后梁段起始点及末端分段终点在顶推线形上(图3)，根据设计线形算出下轮次合龙分段的纵向线形，从而计算出每轮次胎架线形。分段拼装线形根据顶推进程进行调整，对于曲线段分段(以折代曲)合龙纵向线形每轮次都不相同。分段线形斜率随顶推的推进不断增大，直至顶推完成后达到设计线形。以昭华湘江大桥14轮合龙线形计算应用为例，如表1所示，通过将梁段起始点与顶推完成梁段终点调整到顶推线形上，结合设计线形可得本轮次合龙线形。
3 梁段现场拼装
3.1 梁段拼装胎架设计
3.1.1 设计思路
在进行胎架设计时，顶推墩的布置已经基本确定，首先确定合龙基准点，再确定胎架布置，最后确定标高。顶标高基于顶推线形、主桥设计线形、分段拼装要求进行设计，通过将顶推线形斜线右端延伸到平台安装位置就是顶推的起始位置。通过线性插值确定临时墩理论标高及胎架标高。
3.1.2 胎架构造
胎架由路基箱、安装支架和支架模板构成，根据节段质量、路基箱结构面积确定路基箱承载力满足6 t/m2 ，现场平台场地硬化后承载力满足10 t/m2 ，在支架模板上放置铁板加四氟乙烯减摩板以方便分段的横桥向及纵桥向的精确定位，胎架布置横桥向根据顶推布置一致，纵桥向满足3个分段组装要求。
3.1.3 胎架的调整
胎架以标准分段底板为基准进行设计(图4)，对于非标准分段的安装胎架进行局部调整;从曲线分段合龙开始，分段按照圆弧线形进行下折调整，此时胎架模板需要根据下折情况进行修割，满足桥梁线形要求。为保证分段下折后仍能够通过所有胎架，顶推油缸位置需要垫设钢板，根据分段线形和顶推线形弦高差值，计算抄垫高度。
3.2 梁段末端转角因素的分析与控制
在钢箱梁的组拼过程中，钢箱梁无应力制造线形能否得以实现，其关键在于组拼过程是否为无应力或近似无应力状态。对于新拼装节段有胎架支撑的小节段，其近似可以认为是无应力状态。而已经顶推完成的梁段，由于焊接应力、重力、温度的影响，使得梁体处于复杂应力状态，合龙过程中需重点分析控制，减小并尽量补偿由其复杂应力所产生的转角因素的影响。
3.2.1 分段顶底板焊接收缩量
钢箱梁顶底板结构不同，顶板为球扁钢肋栓焊组合结构，底板为U肋焊接结构，结构形式不同，引起焊接收缩量的不同，将会引起末端梁段下挠，新梁段的定位出现偏差。焊接时收缩量的不同，可通过适当调整顶底板焊缝宽，底板可加大1～2 mm进行补偿。
3.2.2 梁段自重的作用
梁体在内场的制造状态为无应力状态，现场安装在焊接应力、重力作用下对合龙精度产生影响(图5)，L为两临时墩之间距离，L1为临时墩D1距梁体末端距离，H为梁段截面高度，在自重作用下，完成顶推后的梁体跨中下挠 ΔS，产生转角θ (逆时针转动为正)，末端转角与跨中转角近似相等，梁端顶板底板纵向位置将产生Δe的偏差，高程产生ΔH的偏差;Δe≈H×tan θ ，ΔH≈2L1×ΔS/L。两顶推临时墩之间距离L=40 m，D1距梁体末端距离L1=6 m，顶推完成梁体在自重作用下产生25 mm的下挠，由于梁体截面高度较大达到3.5 m，高程将产生偏差8 mm，顶底板里程将产生5 mm偏差，梁体下挠将会影响新梁段的定位及合龙缝的宽度。
由于顶推出去的梁段在自重作用下会使得梁体末端产生转动，对于自重作用影响的控制，一方面在临时墩之间设置支架，以减少梁体自重对末端转动的影响;另一方面可以通过调整胎架模板高度，使得顶推完成梁末段与下轮合龙分段相对坡度线形一致。为保证胎架线形与顶推基准线保持一致，同时减少胎架调整量，优先采用增设支架的方法。
3.2.3 温度的影响与控制
温度对横坡和纵坡都会产生影响。温度对横坡的影响表现为，当夏季日照强度高时，钢箱梁顶板温度能够达到 60 ℃，此时昼夜温差能够达到40 K，横坡高度差达到10～ 15 mm;对于已经顶推完成的梁段和新拼装梁段，其产生的影响也不相同，将产生顶板夹角;对纵向线形影响较大，引起梁段末端发生转动，梁体末端下挠达到10 mm，可见温度也是影响梁段定位的关键因素，梁体顶板与底板的温差使得钢箱梁纵向立面产生角位移及附加弯矩，因此合龙定位时间选择尤为重要。梁段焊接存在最佳焊接时机，但是要依据大量实测温度数据来确定梁段焊接时机是比较困难的。
因此在条件具备时，选择钢箱梁本体温度与设计温度相近，以及顶底板温差较小时进行合龙定位是比较现实的做法。
3.3 梁段定位
分段进场采用平板车直接落胎的方式进行初步定位，初定位精度达到中心偏位8 mm以内，精定位需考虑补偿量进行位置及线形控制。
3.3.1 梁段精确定位方法
分段精定位本着先高程后中心的原则，采用锚箱间距、高程控制为主，平面及竖向对合线控制为辅进行定位(图6)。具体通过测量前后3个分段纵隔板、腹板与横隔板硬档高程测量点的高程，换算斜率调整分段高程，满足立面纵向线形，然后测量锚箱间距L1、L2、分段中心偏位满足平面控制尺寸要求;纵向位置参照对合线，重点控制锚箱间距。
3.3.2 分段定位补偿量
1)焊接收缩量。焊接收缩量主要根据合龙缝与板厚确定，根据首段合龙实测值确定后续收缩量。
2)温度修正量，若厂内制造分段时没考虑温度影响，则在分段合龙时进行修正，现场安装每5个标准梁段通过焊缝做一次相应修正。根据钢材的线膨胀系数12×10-6 K-1 计算温度与5段标准梁段长度对应关系如表2所示(设计基准温度为20 ℃)，根据实测温度补偿的数值计算，在表中做线性插值换算对应实际温度下的长度。
3)弹性压缩量，由于自锚式悬索桥箱梁成桥状态下纵向受压，因此需考虑压缩量，本工程压缩量通过有限元分析计算，单个标准段为2 mm。
4)梁段定位时禁止梁段与下方胎架焊接，避免温度的变化造成胎架变形。
4 结语
1)梁段成桥线形根据以折代曲的方法确定，曲线段断面制作需根据放样焊缝宽度确定，以满足设计线形要求。
2)梁段拼装线形随顶推进程不断变化，需根据顶推基线确定每轮次的拼装线形。
3)拼装胎架的设计与过程调整满足了本工程合龙的要求。
4)拼装时需要考虑转角因素，并采用控制措施以减少对合龙线形的影响;需考虑焊接、温度、轴向压缩所产生的变形对分段定位尺寸的影响，并进行补偿。
特大桥钢箱梁节段拼装顶推施工关键技术相关期刊推荐：《施工技术》创刊于1958年，多年来，及时报道国家和住建部有关的施工技术政策，传播和交流国内外先进施工技术和经验，推动全行业的技术进步，使科研成果及时转化为生产力，使本刊成为反映我国施工学术和施工技术水平，促进建筑业改革，推动和加强施工技术交流与发展的一个重要园地，为繁荣建设事业做出贡献。
