钢箱梁大跨度悬臂跨越既有交通线施工技术研究与应用

张学进

上海建工集团股份有限公司总承包部 上海 200080

城市快速路网建设已被国内外许多城市证实为缓解城市交通拥堵的有效途径之一。特别是，高架快速路以其交通容量高、占地少、交通转换效率高、路网及周边沟通方便、经济性好等特点成为城市快速路建设形式的首选[1]。然而，现阶段城市高架桥梁地处城市核心区，施工面临管网密集、交通繁忙、施工空间狭小、邻近建（构）筑物众多等实际问题，导致其对城市正常交通影响较大及所处的位置备受瞩目。悬臂拼装施工因其具有适合多跨梁施工的特点而越来越成为中心城区大跨度桥梁施工的首选，特别是桥梁跨度越大，悬臂拼装的技术可行性和经济性越明 显[2]。本文结合上海市北虹路立交工程跨越中环线、苏州河施工难点，针对施工期间需要保障城市骨架路中环线和苏州河6级航道正常运行的需求，在传统悬臂拼装技术的基础上再创新，提出了钢箱梁大跨度悬臂拼装施工成套技术，有效地解决了跨越施工对既有城市快速路或航道的影响，保证了施工安全并缩短了施工工期[3-5]。

1 工程概况

上海北虹路立交工程，地处上海市中心城区，沿线民居密集、交通繁忙，施工敏感点多、技术难度大、风险高。工程包括2条主线高架、7条匝道和1条人非桥。其中，主线N、主线S、匝道EE共4次跨越中环线，上部结构均为钢箱梁，梁高1.8～3.5 m，跨中环线主跨长度45.006～ 65.000 m，具体涉及主线NK3—NK5、SK5—SK6，匝道EE5—EE7、EE16—EE19，平面示意如图1所示，具体情况见表1；主线N、主线S、匝道EN、匝道NE及人非桥FEI共5次跨越苏州河，上部结构均为钢箱梁，梁高1.8～7.0 m，跨苏州河主跨长度79.961～153.104 m，具体涉及主线NK13—NK18、SK15—SK18，匝道ENK1—ENK3、NEK7—NEK8，人非桥FEIK12—FEIK14。具体情况见表2。

2 施工方案比选

图1 北虹路立交总平面

表1 北虹路立交跨中环线整体概况

表2 北虹路立交跨苏州河整体概况

钢箱梁的施工方法主要有支架法、顶推法、转体法、悬臂拼装法等，本节结合上海北虹路立交跨越中环线和苏州河段的具体特点，特别是考虑到施工期间需要保障城市骨架路中环线和苏州河6级航道正常运行的工程需求，以“低影响度”建造和“高效率、保畅通”为基本原则，进行施工方案比选，并制定科学合理的施工流程。

2.1 钢箱梁跨中环线施工方案

北虹路立交跨中环线施工主要考虑尽量减少对中环线正常运营的干扰，因此跨中环线的关键节点是合龙段施工只能在夜间车流量较少的时间段内进行，施工期间中环线将临时封交5 h，作业时间十分紧张；考虑中环线车辆的通行安全，必须提高防护等级，应采取有效措施防止高空坠物、焊渣掉落等；中环线为空心板梁简支结构，无法承受大型安装机械或搭设临时支撑，钢箱梁吊装施工必须确保中环线结构安全。基于以上三方面的考虑，拟选用由中环线两侧全悬臂施工合龙、转体法、滑移支架＋全地形车牵引就位安装和悬臂段20～25 m采用750 t履带吊整体合龙安装4种施工方法，从施工周期、对中环线影响和对钢箱梁结构影响3个方面对方案的可行性进行比选，具体情况详见 表3。

表3 跨中环线施工方案比选

根据表3的比选结果，综合考虑施工可行性、安全性以及对中环线的影响，故选择悬臂段20～25 m采用750 t履带吊大节段整体合龙安装一次跨越中环线的施工方案。跨中环钢箱梁悬臂拼装具体实施步骤为：先采用支架法安装边跨段（不带翼板、防撞墙），并跨中环线悬臂段安装20～25 m，跨中环合龙段在地面组拼，并安装翼板、防撞墙，由750 t履带吊整体大节段合龙安装。根据以上施工方案，选定了具体施工设备与方法，见表4。

2.2 钢箱梁跨苏州河施工方案

上海北虹路立交跨苏州河施工期间需要保证航道正常通行，施工区域河道宽约为50 m，考虑苏州河为6级航道，施工期间河道通航宽度不应小于25 m；跨苏州河段钢箱梁高度范围为1.8～7.0 m，属于变高曲线桥，与苏州河大角度斜交，受紧邻中环线、长宁路等构筑物影响，考虑桥梁特殊结构与施工场地限制，转体法、顶推法等方案在本工程应用受限；考虑苏州河沿线桥梁通行高度的限制，水上作业只能选择小于160 t级的浮吊。基于以上施工限制因素，拟采用转体法、顶推法、悬臂拼装法施工工艺，从施工周期、对苏州河航道影响、施工方向和对钢箱梁结构影响等4个方面对方案的可行性进行比选，详见表5。

表4 北虹路立交钢箱梁跨中环线具体施工方法与设备

表5 跨中环线施工方案比选

根据表4的比选结果，综合考虑施工可行性、安全性以及对苏州河航道的影响，选用悬臂拼装法施工，具体实施步骤如下：首先采用350 t履带吊施工岸上及部分邻近岸边的边跨段（支架法）；然后，采用160 t级浮吊施工水上悬臂段和合龙段（水中临时支架＋悬臂法），施工过程中除人非桥均不带翼板和防撞墙；最后，进行翼板和防撞墙施工。其中，对于超高的钢箱梁采用上下分段制作与运输的方法，节段整体地面拼装完成后再进行吊装；合龙段施工时航道临时封闭。根据以上施工方案选定了具体施工设备与方法，见表6。

3 钢箱梁大跨悬臂拼装关键技术

3.1 钢箱梁节段划分

钢箱梁节段划分主要考虑构件的运输路线、运输设备能力、现场作业设备起重吊装性能、现场作业可实施空间悬臂端施工变形控制等[6-7]。构件运输采用陆运与水运结合的方式。考虑构件运输路线沿线的限高、限宽、限载等因素，公路运输钢箱梁节段尺寸综合控制在40 m（长）×6 m（宽）×4.2 m（高）以内，超高构件在高度方向进行分段、超宽构件在宽度方向进行分段；水路运输钢箱梁节段尺寸综合控制在38 m（长）×6.1 m（高）以内，宽度方向主线钢箱梁沿梁宽划分为3个节段，人非桥钢箱梁整体加工、匝道钢箱梁沿梁宽划分为3个节段。基于以上因素，钢箱梁的具体分段情况如下：

表6 北虹路立交钢箱梁跨苏州河具体施工方法与设备

1）公路运输高度在4.2 m以下、水路运输高度在6.1 m以下的钢箱梁分段以箱体为独立单元，两侧翼板单独分段或一侧翼板单独分段（图2）。

图2 标准截面箱体纵向分段示意

2）公路运输高度在4.2 m以下的超宽截面钢箱梁根据箱室进行横向分段，并且两侧翼板单独分段。横向断缝处采用“Z”字形搭接接口（图3、图4）。

图3 主线S超宽段纵向分段示意

3）公路运输安装节段箱体高度超过4.2 m和水路运输安装节段箱体高度超过6.1 m的需要竖向分段，分缝避开腹板加劲肋（图5）。

图4 EEK14超宽段纵向分段示意

图5 超高段箱体竖向分段示意

3.2 钢箱梁拼装定位

钢箱梁拼装定位施工包括：钢箱梁节段地面拼装、吊装姿态控制以及就位固定等3个方面。

3.2.1 钢箱梁节段地面拼装

钢箱梁节段地面拼装采用特制的拼装胎架，拼装胎架由φ300 mm钢管支墩搭设而成，支墩设有调平钢板。钢箱梁节段拼装时，胎架设置在平整坚实的场地上，必要时通过钢板或路基箱调平。考虑到钢箱梁的线形问题，支墩采用不同高度（0.2、0.3、0.6、1.0 m），可叠层使用，但叠层数量应≤2层；考虑钢箱梁整体受力情况，对支墩布设数量有严格限制，具体见表7。

表7 钢箱梁节段拼装支墩布设数量

钢箱梁节段地面拼装根据操作高度的不同配有不同的安装操作平台，地面拼装时，采用φ48 mm×3 mm的盘口式脚手架搭设双排移动操作平台，平面间距为1 200 mm×600 mm，竖向步距600 mm，操作平台层搭设走道板及满铺阻燃板，外侧设防护网，扫地杆距地坪20 cm（图6）；操作高度≤5 m的梁段采用移动脚手架作为焊接平台；操作高度＞5 m的梁段采用登高车作为焊接平台。

图6 翼板地面安装操作平台断面

3.2.2 钢箱梁节段吊装姿态控制

在钢箱梁节段拼装时，主箱梁三维空间拼装精度控制包括高程位置和平面位置控制两部分。高程控制主要是对比主箱梁上监控点高程与理论高程的差异；平面位置控制主要是对比监控点的二维平面实际坐标与理论坐标的差异，从而实现钢箱梁节段的精确定位拼装。箱梁翼板安装的关键是线形控制，主要是通过调整主箱梁各个节段的纵向坡度与横向坡度实现。

钢箱梁节段吊装时，通过节段监控点理论坐标进行粗定位；吊装姿态通过改变吊具的长度进行调整，其中合龙段通过合理布设吊点，依靠节段整体重心进行姿态调整；钢箱梁节段吊装就位后进行精确定位，通过调整桥面板间的连接码板位移进行节段水平位置调整，之后再进行高程位置调整。

3.2.3 钢箱梁节段就位固定

悬臂段钢箱梁拼装顶板采用工装、底板采用对接牛腿。悬臂段工装采用厚20 mm的Q345钢材焊接，每个工装对接板预留3个φ35 mm的螺栓孔，螺杆采用φ32 mm的10.9级承压型连接高强度螺栓，每个螺栓的抗拉强度为280 kN、抗剪力为170 kN。每个悬臂拼接断面配置2套工装（图7）。

图7 悬臂段工装结构设计示意

3.3 钢箱梁大跨度悬臂拼装受力分析

钢箱梁大跨悬臂在拼装过程中，其结构内力会实时发生变化，由于悬臂拼装存在结构体系转换的现象，施工过程中必须保证结构内力、悬臂端下挠等在结构安全范围内。为此，以主线N跨中环段进行了大跨悬臂结构受力分析。主线N跨中环施工流程为：中环线西侧N5—N3支架法施工91 m→中环线西侧N3—N2悬臂施工14 m，总悬臂长度20 m→合龙段施工39.8 m（图8）。

图8 主线N跨中环施工流程示意

图9为由东向西悬臂施工20 m的模型图，合龙段荷载为914 kN。计算结果如下：变形69 mm；最大应力－90 MPa；支座不出现受拉情况；按1/300考虑，悬臂20 m时，最大允许变形67 mm，基本满足要求；应力较大，宜再适当减小悬臂距离。

3.4 钢箱梁落架与体系转换

支座焊接完成后，进行整联钢箱梁的整体落架。落架前先分离临时支撑，由上至下先拆除横梁系，松开侧向连接系，再松开法兰连接，逐节拆除钢管支撑，钢管支撑采用桥面卷扬机配合汽车吊匀速缓慢放置在地面上，最后集中运离桥位。

非标准装配式支架拆除采用气割方式，先拆除连接系，再逐根吊离桥位。拆除顺序由上至下，拆除过程中临时支撑上不允许站人及承重。

整联钢箱梁临时支撑拆除后，完成整联体系转换。对桥面标高进行落架后复测，校验成桥的拱度，然后进入桥面系施工。

4 工程应用效果

上海北虹路立交作为北横通道与中环线的全互通立交，局部结构的空间结构达到了4层，施工过程中困难重重。通过应用大跨度钢箱梁悬臂拼装施工成套技术，顺利地完成了“四跨中环线、五跨苏州河”的施工任务，实现了施工期间中环线与苏州河航道不停运，最大限度地减少了施工对城市运营的干扰，为后续中心城区高架桥梁的新增、改建提供了有益的工程借鉴和技术储备，也为未来在不断交情况下进行高架立交桥的建设提供了参考。