京杭运河183 m拱桥钢桁组合梁双船浮托法架设技术研究

苏巧江， 杨新湘， 朱冠华

(1.湖南路桥建设集团有限责任公司， 湖南 长沙 410004； 2.长沙市公路桥梁建设有限责任公司， 湖南 长沙 410013)

0 前言

随着我国交通事业的迅速发展，跨江、跨河大钢桁梁桥的修建呈几何级增长，尤其是城市内跨航道桥梁建设，在场地狭窄、航道繁忙的前提下，如何快速、安全、经济地完成该类桥梁的架设施工是急需解决的关键技术问题。

根据施工工艺的不同,传统内河中承式钢桁架系杆拱钢主梁安装方法分为：缆索吊吊装法和浮吊吊装法[1-5]。缆索吊吊装施工是通过布置主索、工作索、塔架及锚固装置，利用主缆承受吊重和作为跑车的运行轨道，主索跑车上的起重装置和牵引装置将钢主梁分段吊起、升降、运输和安装成型的方法。浮吊吊装法则是采用合适性能的浮吊，通过水上吊装将预制钢梁分段依次吊装成型的安装方法。

在航道繁忙、施工场地狭窄的环境下，缆索吊装法、浮吊吊装法均存在一定的使用限制。缆索吊装法需项目周边较为空旷，便于布置锚碇及相关风缆绳拉设，若周边建筑林立，则临时用地征迁困难，征拆费用高；且缆索吊起吊能力偏小，导致主梁节段长度划分偏小，水中主梁安装次数增加，增加封航次数。浮吊吊装法需运梁驳船先定位在待安装位置，浮吊再进行安装，单次安装施工工期长，封航时间长，且浮吊需跨过拱肋进行主梁安装，要选择大吨位浮吊才能安装。

本着“确保质量安全、减少封航次数、缩短施工周期、降低施工成本”的原则，研发了双船浮托技术，既可有效解决运河内无法使用大型起重船和大型驳船进行钢梁安装的难题，又可减少封航次数，还能为运河内钢梁安装等提供必要的技术储备。本文依托菱湖大桥项目，详细阐述了双船浮托架设施工方法，为浮托法在桥梁架设施工中的应用积累了技术资料，可供同类工程施工参考。

1 工程概况

菱湖大道(旺庄路-运河西路)位于无锡市新吴区与经开区交界处，横跨京杭大运河，是连接两区主要交通干道，主桥上构为(100+183+100) m的3跨中承式系杆拱桥(见图1)。

主桥钢梁采用钢混组合梁结构形式，梁中心高2.11 m，桥面宽40.5 m，中跨23个节间，标准节间长度7.5 m，采用预制C50砼桥面板+钢纵横梁结构，单个标准节段梁重130 t。

菱湖大道跨运河大桥桥位航段位于京杭运河之苏南运河无锡段，为Ⅲ级航道，桥梁航段位于河道转弯处，主航道弯曲半径为600 m，桥位处河口宽约150～162 m，航道底宽Bb=70 m，航道宽度80m，设计水深H=3.20 m，航道两侧均为直立式驳岸，河床断面稳定。由于京杭大运河是内陆河流的黄金水道，目前工程位置船舶流量约1300～1500艘/d，平均船舶吨位约700 t。根据航道、港监部门的要求，其通航河道宽度不能小于70 m，封航时间最长不得超过4 h，否则会造成严重的水上交通堵塞，后续水上交通疏导难度大，将带来重大经济损失。

2 浮托法基本原理及施工工艺

2.1 浮托法施工原理

双船浮托法施工是将两条驳船合并为一个浮船，在浮船上搭设满足主梁安装高度、长度的临时支架，将15m长主梁吊装至浮托上后，由浮托整体运输至待安装位置，通过安装吊杆、临时匹配件将梁段安装完成的一种全新工法。

2.2 浮托法施工工艺

1) 施工范围内进行河床清淤，确保施工时船舶的吃水深度，并在岸侧设置浮托、浮吊停靠区。

2) 在岸侧搭设组合梁拼装胎架，同步组装浮托及安装浮托上支架。

3) 中跨主梁在加工厂内加工成主梁、两侧挑梁3个构件，陆运至岸侧拼梁区。采用履带吊进行拼装，将主梁组拼成15 m长大节段。

4) 正式浮托施工前向海事、航道等相关部门申请封航日期，做好封航及航道警戒准备，确保正式浮托施工时航道内无过往船只。

5) 利用浮吊从岸侧拼梁胎架上将梁段整体吊装至浮托，根据施工水位塞入合适厚度垫块，将浮托梁段标高调整至略高于已安装梁段10～15 cm，并临时固定在浮托支架上。

6) 浮托将主梁运至待安装位置，通过浮托四周锚绳精调浮托至设计位置。

7) 将主梁与对应吊杆销轴打入，完成梁与吊杆的连接，浮托压水缓慢下降，与已安装梁段接口对齐后，安装临时匹配件及码板，完成梁段安装。

8) 解除浮托支架与梁体临时连接，浮托继续压水下降，与梁底达到安全距离后驶离，进行下个节段安装。

3 浮托施工关键技术

在运河内采用浮托法进行15 m大节段组合梁安装施工难度大，主要体现在双船拼装的浮体稳定性要求高、浮体重心高、浮体移动同步性要求高、船舱内加水同步稳定性要求高、定位精度高、防水流及浪涌力的影响等方面，为解决些问题，特从以下几方面进行技术研究。

3.1 浮托设计

浮托采用2条1 000 t驳船连接成整体，选用长度和载重量相同或类似的甲板驳船，船舶参数见表1。

表1 船舶参数表总长/m船宽/m型深/m空载吃水/m空载排水量/t46112.20.57260船长/m最大船宽/m最大船高/m满载吃水/m满载排水量/t43.811.3551.7727

船体间采用4道双拼HN700×300分配梁连成整体，分配梁与船体焊接，为防止船体不均匀受力产生外翻力，在两船体底部用粗钢丝绳搂底捆绑，使两船连成整体，确保浮体的稳定性和整体性，分配梁搭设前，先用型钢将船舱找平。

在浮船舱外搭设浮托支架(见图2)，浮托支架为格柱式构造，支撑于船体连接双拼HN700×300分配梁上。单个支架为格柱式构造，采用4根φ 426×8 mm钢管桩，钢管桩间距为1.8 m，钢管桩之间采用[10槽钢为平联和斜撑，顶面采用12mm钢板为盖板，顶部设双拼I56 a承重梁，承重梁上设置调节垫块，来调整支架整体高度。共设置2排支架，单排支架由4个格柱支架组成。

(a) 平面

3.2 浮托稳定性分析

在大节段主梁浮运施工过程中，浮托整体稳定性是桥梁施工成功的关键。菱湖大桥浮托稳定性验算采用船舶完整稳性计算系统 [2019]进行模拟仿真计算。对浮托满载运行过程中的稳性工况分析：浮托空船重量为520 t，支架为74.8 t，主梁为211 t，总排水量为805.8 t；浮托重心竖向坐标Z重心为4.936 m，重心纵向坐标X重心为21.52 m；浮托吃水为1.02 m。

根据《内河船舶法定检验技术规则》(2019)规定，京杭运河为C级航区，对浮托进行完整稳性衡准。

3.2.1风压稳性衡准数

航行于C级航区的船舶，其风压稳性衡准数Kf应符合下式：

式中：Mq 0为不计横摇影响的最小倾覆力矩，kN·m；Mf为风压倾侧力矩，kN·m1；lq 0为不计横摇影响的最小倾覆力臂，m；lf为风压倾侧力臂，m。

3.2.2风压倾侧力矩Mf和力臂lf

双船受风面积为所得值的1.2倍。风压倾侧力矩Mf和力臂lf应分别按下式计算：

Mf=CppAf(Zf-a0d)×10-3

式中：Cp为风压修正系数，取1.3；p为单位计算风压，Pa;Af为所核算装载情况下船舶的受风面积，m2;Zf为所核算装载情况下船舶受风面积中心至基线的垂向高度，m；d为所核算装载情况下船舶的型吃水，m；Δ为所核算装载情况下船舶的排水量，t；a0为修正系数，双体船取0.5。

3.2.3船体荷载计算

船体荷载分布曲线如图3所示。

图3 船体荷载分布曲线

3.2.4最小倾覆力矩和最小倾覆力臂

仅航行于C级航区采用动稳性曲线来确定最小倾覆力矩和力臂时，动稳性曲线可不向B轴负值方向延伸，作图仅在坐标原点右面进行。动稳性曲线结果见图4。

图4 稳定性力臂曲线

3.2.5稳定性计算结论

根据计算结果得出，浮托运行过程中具有良好的稳定性能，其整体工作性能满足施工要求。结果见表2。

表2 浮托稳定性分析结果汇总项目计入修正的初稳性高度衡准/m最大复原力臂/m最大复原力臂lm对应的横倾角/(°)甲板货船 θm对应的复原力臂曲线面积/(m·rad)实际值43.85.44112.1740.794许用值>0.2——>0.057项目风压倾侧力臂/m回航倾侧力臂/m风压稳性衡准数/Kf回航静倾角衡准结果/(°)实际值0.0540.13760.6020.179实际值——>1<4.375

3.3 钢主梁高度调整技术

根据主梁安装思路，主梁就位后，须先将吊杆与主梁吊耳连接形成体系，浮托再加水下沉脱离梁底，完成安装，因此，浮托支架高度的确定、调整及浮托加水下沉量成为主梁安装是否成功的关键点之一。

浮托支架高度确定公式：

Hz=hl-(D-d+HS)

式中：hl为待安装梁底标高，m；D为浮托高度，m；d为浮托加载时吃水深度，m；HS为施工水位标高，m。

根据图纸,中跨钢梁节段最低安装梁底标高为11.140 m，最高安装梁底标高为11.550 m，安装时要求主梁吊耳高于吊杆下叉耳20 cm，以便吊杆安装，故待安装梁底标高hl为11.340～11.750 m。

京杭运河常水位为1.570 m，施工期间水位起伏在20 cm内，故HS施工水位标高为1.670 m。

根据单条船舶空载排水量260 t，空载吃水深度0.57 m，载梁阶段排水量为403 t，载梁浮托吃水深度d为1.02 m。

代入公式则最小支架高度Hz=11.340 m-(2.2-1.02+1.670)m=8.49 m；最大支架高度Hz=11.750 m-(2.2-1.02+1.670) m=8.90 m。

浮托上支架高度为甲板到支架横梁顶高度8.49 m，因此，其高差为8.9 m-8.49 m=0.41 m，再加上运河水位起伏为20 cm，其总高差为61 cm，高差通过在顶部分配梁设置钢垫块控制，每组垫块高度为10 cm，根据主梁线形增减垫块数量及压水控制高度。

3.4 浮托行走及定位技术

浮托由2艘船舶组拼而成，船舶具有动力系统，可自行移动。船舶自行至待吊装位置进行粗定位，然后，利用岸上锚点及防撞墩进行四角锚定(见图5)，并通过卷扬机收放钢丝绳精确调整梁段至设计安装位置。

图5 浮托定位锚桩布置

浮托艄首和艄尾4角位置各设置2组锚机，且在角点处设置导向轮用于钢丝绳转角。浮运前，定位四角钢丝绳用拖轮送至锚点；船舶移到桥位后调整四角的锚绳松紧程度，微移船体，测量定位，根据转向和移动需要收放钢丝绳，缓慢完成梁段的精定位(见图6)。

图6 浮托锚机布置示意

3.5 钢主梁安装技术

浮托精定位后，将拱肋吊杆下叉耳与梁段吊耳连接，打入销轴。浮托加水下沉，待安装梁段与已安装梁段接口对齐时，采用临时码板和栓接匹配件与已安装梁段进行连接。码板连接前，测量梁段平面位置及焊缝宽度，调整浮托确保梁段位置准确及焊缝宽度至满足设计、规范要求，通过设置在浮托支架顶端的千斤顶，调整梁段标高，确保梁段线形符合设计及监控要求，使焊缝处于无应力状态进行焊接。码板连接部位主要设置在腹板和纵梁对应的顶板处。厂内预拼装时栓接匹配件设置在主纵梁顶板上，采用冲钉和螺栓定位连接(见图7)。

图7 栓接匹配件布置

码板及匹配件安装完成后，拆除浮托与梁体间的临时连接，往浮托内持续注水使其下沉，直至浮托支架脱离梁底，完成梁段安装。

采用Midas软件对主梁吊装施工过程进行模拟仿真计算，计算结果如图8～10所示。施工全过程主梁最大弯矩为7 009 kN·m，最大剪力为9588 kN，吊杆最大力为557 kN。菱湖大桥钢梁材料采用Q345qD，吊杆采用标准强度1860MPa高强镀锌平行钢丝，结构内力满足设计要求。

图8 主梁吊装阶段弯矩图(单位： kN·m)

图9 主梁吊装阶段剪力图(单位： kN)

图10 吊杆吊装阶段应力图(单位： kN)

3.6 浮托加水下沉技术

京杭运河内封航时间要求小于4 h，因此需尽快完成梁段安装，减少封航时间。在加水下沉时，确保荷载对称加载、防止偏载是完成浮托施工的关键之一。

根据施工要求，浮托压水工作在1 h内完成，总压水量为636.44 m3。单台水泵抽水量为80 m3/h，每艘船设置4组潜水泵，总流量320 m3/h。单艘船舶压水318.22 m3，4组水泵1 h可压水320 m3/h。水泵在进水时设置在舱外，出水时设置在舱内。水泵布置见图11。

(a) 压水工况水泵布置

为确保注水时船舱内均匀加载，将船舱横向分为3大舱室(左舱室、中舱室、右舱室)。沿船长方向分为4分舱室，分舱室长10 m，宽度3.5～4 m不等。横向分舱室间可以互通，以保证横向舱室内液面相平。浮托进行压水下沉或出水上浮时，在外侧舱室内设置潜水泵，潜水泵型号、流量相同，以此保证每个舱室内液面相平，浮托整体稳定上升或下浮。

在每个舱室采用红色油漆做好水位标记，每5cm为一个刻度，在运行过程中，发现部分舱室液面不一致时，通过调节水泵开关时间，调整进出水量以保证浮托整体的稳定与安全(见图12)。

图12 舱室平面分布(单位： mm)

4 结语

针对在航道繁忙、施工场地狭窄的环境，菱湖大桥采用了浮托法施工主梁，解决了内河主梁架设的难题，并得到以下结论：

1) 通过对双船浮托法安装大节段钢混组合梁的技术研究，开拓了内河钢拱桥建造的新工艺及新方法，可为类似工程提供参考。

2) 浮托法施工减少了航运繁忙的跨河桥梁施工封航次数，降低了对航运的影响，降低了施工风险，社会效益显著。

3) 解决了内河无大型浮吊及船舶进行大吨位吊装施工的难题，降低了施工成本，加快了施工进度，经济效益显著。

4) 采用浮托法进行大节段梁段吊装，可减少水上作业、高空作业时间及现场焊接量，提高了施工效率，降低了劳动强度和安全风险。