钢箱连续梁桥大节段吊装施工设计计算分析

林 桢 楷

(广东省公路勘察规划设计院股份有限公司，广东 广州 510640)

钢箱连续梁桥大节段吊装施工设计计算分析

林 桢 楷

(广东省公路勘察规划设计院股份有限公司，广东 广州 510640)

以在建佛陈大桥为工程背景，从大节段吊装施工阶段主梁受力、变形情况，成桥状态下主梁关键部位上下缘应力大小、成桥位移，钢箱梁制造线形计算等几方面内容与常规小节段悬拼施工进行对比分析，从设计计算方面论证了钢箱连续梁桥中跨大节段整体吊装施工方案的可行性，分析结论对同类桥型设计具有一定参考意义。

钢箱连续梁，大节段吊装，施工方案，设计

在钢箱梁桥施工中借助桥面吊机进行小节段悬臂拼装已具备成熟经验，该法对吊装设备要求较低且施工过程梁段坐标具有可调性。但不同于斜拉桥、悬索桥等桥型在施工过程中可以通过拉索的张拉力对梁段标高进行主动调整，钢箱连续梁桥节段标高一旦出现误差很难在后续施工中进行调整，线形控制难度较大。近年来，随着吊装机械设备的发展，大节段整体吊装的施工方法得到越来越多的应用。相比小节段悬臂拼装，该方法能大幅度缩短工期、降低施工风险，梁段在工厂内拼装为大节段更有利于焊缝质量的保证[1]，同时也大大降低了主梁线形控制难度。

在大跨度钢箱连续梁桥施工中，大节段整体吊装施工方法使用较少，可借鉴工程经验有限。在对该工法下主梁关键部位上下缘应力、变形及钢箱梁制造线形等内容进行计算分析表明，佛陈大桥大节段整体吊装施工方法主梁结构安全、施工过程中线形控制难度较小，设计方案具有可实施性及安全性。

1 工程概况及建模说明

1)工程概况。在建佛陈大桥为58.51 m+112.8 m+58.51 m=229.82 m三跨钢箱连续梁桥，单幅桥宽15.75 m。主梁采用变截面箱梁，主墩墩顶钢箱梁梁高5 m，墩顶等高梁段两侧15.4 m区段梁高从5 m按二次抛物线渐变至2.8 m，其余区段梁高为2.8 m。全桥共计25个设计梁段。该桥施工工艺为边跨及墩顶梁段采用支架施工，中跨施工在南北岸MS1节段采用浮吊吊装到位后，MS2～MS6～MS2在工厂合并为一个长82.8 m的大节段运输到桥位，采用桥面提升架整体提升吊装完成“中跨合龙”的施工方法。

2)建模说明。使用Midas Civil建立梁单元空间有限元施工阶段模型(见图1)，按照设计梁段划分单元，全桥共划分为380个单元，437个节点。主梁与桥墩间采用“弹性连接”并按照支座参数计算出各自由度方向刚度值以模拟支座作用，下部结构桩基底部固结，桩侧采用土弹簧模拟桩土作用。

2 设计验算结果分析

2.1 大节段起吊阶段验算结果

佛陈大桥中跨大节段吊装长度为82.8 m，其起吊状态相当于一个82.8 m的简支梁，因此设计时应对该阶段大节段主梁上下缘应力进行验算。主梁上下缘应力如图2，图3所示，从图中可以看出：起吊阶段主梁上缘跨中最大压应力为4.29 MPa，下缘跨中最大拉应力为80.7 MPa，均小于Q345qc的设计容许应力值。

大节段整体吊装时，在自重作用下就发生变形，这是与常规小节段悬拼施工的最大差别。该阶段大节段变形情况见图4。

从图4中可知，大节段吊装时仅在自重作用下跨中就发生16.9 cm的下挠变形。大节段在吊装时无法设置预抛高来抵消施工过程中的变形，这就要求其在工厂制造的过程中，将施工预拱度通过制造线形的方式预先考虑。

2.2 大节段施工成桥阶段验算

桥梁结构成桥内力状态是一个随着施工阶段不断变化的过程。换言之，成桥阶段主梁的应力大小在很大程度上和施工方法是相关的。验算大节段施工方法成桥阶段主梁应力情况，从图5，图6可以看出，成桥阶段主梁最大压应力出现在墩顶截面下缘，为45.7 MPa，最大拉应力出现在主梁跨中截面下缘，为102.3 MPa。主梁应力水平处于安全范围内。这说明了佛陈大桥大节段施工方法能保证结构受力安全，为施工实施提供理论依据。

将大节段成桥阶段应力大小与常规小节段拼装施工成桥应力大小进行对比，如表1所示。

表1 两种施工方法主梁关键部位应力对比表(拉应力为正)

从表1可以看出：采用大节段整体吊装施工能减小主梁上缘的应力水平，但减小的幅度有限；而大节段施工会大大增大主梁跨中截面下缘的拉应力水平，比采用小节段悬拼施工应力增加约8.3倍。可见，对常用大节段整体吊装施工桥梁，应对主梁下缘应力进行详细验算，当节段长度超过一定范围，该施工方法可能造成结构应力水平超出安全范围而不适合采用。

将两种施工方法主梁中跨在成桥阶段的累计变形值进行对比，绘制出对比曲线图如图7所示。从图7可以看出两种施工方法中跨主梁变形规律不同，最大变形值点出现的位置也不同，但对大节段整体吊装而言，主梁最大变形值出现在跨中为22.6 cm，比小节段悬拼最大变形值25.6 cm减小约11.7%。

2.3 大节段施工制造线形计算

施工过程中主梁的累计变形可以通过设置预拱度的方式来消除，而大节段整体吊装施工无法像小节段悬拼那样通过在施工拼装过程中设置节段预抛高来实现。大节段的预拱度只能在工厂中通过制造线形的方式在制造拼装就考虑进去，且出厂后具有不可调整性。大节段吊装施工钢箱梁制造线形计算原理和常规小节段悬拼钢箱梁制造线形计算原理有所差异。对于常规悬拼施工，钢箱梁制造线形是为了保证悬拼梁段设置预拱度后，梁段之间顶底板焊缝宽度始终处于合理的范围内而考虑的，简单的说，小节段施工的制造线形是梁段之间拼装时无应力夹角的间接反映，制造线形和施工预拱度是两个不同的概念[2]。而大节段悬拼施工由于施工过程中无法设置预拱度，所以只能在工厂提前将预拱度在制造时予以考虑，因此在计算时只需要计算出预拱度(包括施工预拱度和成桥预拱度值)并拟合成一条光滑的曲线即可，制造线形实质上就是预拱度。两种不同施工方法中跨钢箱梁制造线形计算结果如表2所示。从图8可以看出，两种施工方法制造线形是两条变形规律不同的曲线，小节段施工制造线形是梁段间夹角的间接反映。在这里小节段拼装夹角体现为顶板对齐底板开口的形式，因此其对应制造线形为开口向上的曲线。大节段吊装施工制造线形是一条与设计线形规律类似的光滑曲线。

表2 两种施工方法钢箱梁制造线形计算结果对比表(1/2中跨) m

3 结语

1)大节段吊装施工方法随着节段长度的增加会大大增加成桥阶段主梁下缘应力水平，设计计算应进行详细验算，避免因吊装长度过长而造成结构应力水平超过安全范围；

2)大节段吊装施工有利于降低施工线形控制难度、保证梁段间焊缝质量，对工期较紧的项目而言能大幅度缩短工期。

[1] 张永涛，周仁忠，高纪兵.崇启大桥大节段整体吊装技术研究[J].公路，2011(10)：82-89.

[2] 吴 霞.谈某桥梁吊装施工技术[J].山西建筑，2013，39(36)：208-209.

[3] 孙立山.大跨度混合梁斜拉桥几何控制计算方法[D].成都：西南交通大学硕士论文,2007:21-26.

Calculation analysis on large-section hoisting construction design of steel-box continuous beam

LIN Zhen-kai

(Guangdong Highway Survey & Planning Institute Co., Ltd, Guangzhou 510640, China)

Taking in-building Fochen bridge as the engineering background, the article compares major beam stress and deformation conditions at large-section hoisting stage, upper-lower beam stress, completed bridge displacement and steel-box-girder linear calculation to conventional small-section cantilever construction, and discusses the feasibility of large-section hosting construction scheme of steel-box-beam bridge from aspects of design and computation. Thus, the analysis conclusions will have certain referring meaning for similar bridge design.

steel-box continuous beam, large-section hoisting, construction scheme, design

1009-6825(2014)18-0220-02

2014-04-11

林桢楷(1986- )，男，助理工程师

U448.215

A