斜交河道的大跨度鋼箱梁懸臂拼裝技術(shù)

連海建

1.上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002；2.上海預(yù)制拼裝橋梁建造產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟 上海 200000

1 工程概況

北虹路立交是上海市重大工程——北橫通道的西部起點(diǎn)，它通過(guò)新建及改建相結(jié)合形成與中環(huán)線(xiàn)全互通立交，包括2條主線(xiàn)高架（N、S）、8條匝道和1座人非橋。該立交5次跨越中環(huán)線(xiàn)及既有北翟路立交，5次跨越蘇州河，1次跨越新涇港，其造型極其復(fù)雜，施工極度受限，施工難度極大（圖1）。

立交橋中，主線(xiàn)N、S跨蘇州河設(shè)計(jì)采用了大跨度斜交形式[1]，斜交角度約30°，其中S線(xiàn)主跨度153.104 m，屬于特大橋范疇。具體參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 北虹路立交平面示意

表1 跨蘇州河鋼箱梁參數(shù)

本工程所處蘇州河為6級(jí)航道，通航寬度約25 m，周邊道路情況如下：東西為長(zhǎng)寧路（雙向6車(chē)道），南北為雙流路（雙向2車(chē)道），交通流量較大，施工期間交通不能占用，且道路地下管線(xiàn)密布；長(zhǎng)寧路南側(cè)又為居民小區(qū)，文明施工要求高。

2 方案比選

由于該部分鋼箱梁跨度大，蘇州河沿岸又為繁忙的長(zhǎng)寧路，社會(huì)交通不能間斷，施工作業(yè)空間特別狹小，故無(wú)法采用轉(zhuǎn)體法；而頂推滑移法又因施工周期較長(zhǎng)、導(dǎo)梁較長(zhǎng)、對(duì)鋼箱梁的變形影響較大等原因同樣不適合；經(jīng)過(guò)反復(fù)研究，決定采用大功率機(jī)械懸臂拼裝＋大節(jié)段合龍的施工工藝。

鋼箱梁從制梁基地一路水運(yùn)至北虹路立交蘇州河水域，采用150 t級(jí)浮吊安裝。

3 工程重難點(diǎn)分析

該部位鋼箱梁安裝施工的重難點(diǎn)包括：

1）跨河進(jìn)行大型鋼箱梁吊裝，安裝精度要求高。

2）水中臨時(shí)支架主橫梁受力大，對(duì)主橫梁型式選擇要求高。

3）懸臂拼裝時(shí)的臨時(shí)匹配措施要求高。

4）受河道影響，浮吊吊裝就位難度大，測(cè)量難度大。

5）合龍段最后的切割余量確定難度大。

4 懸臂拼裝技術(shù)

懸臂支點(diǎn)（即水中臨時(shí)支架）位置的選擇影響因素包括：蘇州河道的通航要求（25 m）；邊跨自重與懸臂段平衡問(wèn)題；懸臂段部分整體變形[2]；合龍段質(zhì)量不超過(guò)150 t。

本次計(jì)算采用Midas Civil 2015有限元分析軟件。建模的主要參考資料有：北虹立交主線(xiàn)跨蘇州河上部鋼梁構(gòu)造圖、北虹立交平面布置圖等。

4.1 主線(xiàn)S懸臂計(jì)算

主線(xiàn)S主跨153 m，南側(cè)的臨時(shí)支撐（水中）距離S15墩30 m，北側(cè)的臨時(shí)支撐（水中）距離S16墩31 m。南北兩側(cè)各懸臂35 m，合龍段長(zhǎng)約22 m（圖2、圖3），估算的合龍段質(zhì)量為130 t。

圖2 主線(xiàn)S懸臂計(jì)算示意

圖3 主線(xiàn)S南北兩側(cè)雙向懸臂施工35 m模型

4.2 主線(xiàn)N懸臂計(jì)算

主線(xiàn)N主跨144 m，南側(cè)的臨時(shí)支撐（水中）距離N13墩40 m，北側(cè)的臨時(shí)支撐（水中）距離N14墩25 m。南北兩側(cè)各懸臂25 m，合龍段近29 m（圖4、圖5），估算的合龍段質(zhì)量為160 t。

圖4 主線(xiàn)N懸臂計(jì)算示意

圖5 主線(xiàn)N南北兩側(cè)雙向懸臂施工25 m模型

5 鋼箱梁合理化分段

橫向分段原則：由于運(yùn)輸設(shè)備的限制，橫向分段寬度保持在6 m以?xún)?nèi)，即將鋼箱梁橫向一分為三（去兩側(cè)翼板），中間箱體（寬5.5 m）單獨(dú)分段；由于運(yùn)輸路線(xiàn)中的河道通航凈空限制，高度方向控制在5 m以?xún)?nèi)。

縱向分段原則：同樣，由于運(yùn)輸設(shè)備的限制，縱向分段長(zhǎng)度需要控制在30 m之內(nèi)；由于該部分鋼箱梁為雙曲線(xiàn)形式，故懸臂段分段長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，在考慮線(xiàn)形控制、預(yù)拱度條件下，將懸臂段長(zhǎng)度控制在14 m以?xún)?nèi)。經(jīng)核算：最大懸臂段質(zhì)量80 t，合龍段質(zhì)量124 t。

實(shí)際分段與懸臂計(jì)算略有差異，但在懸臂計(jì)算允許范圍之內(nèi)。

6 設(shè)備優(yōu)選

鑒于蘇州河水位及通航要求條件的限制，以及橋體鋼箱梁的分段尺寸與質(zhì)量，綜合考慮采用150 t浮吊作主吊，運(yùn)輸采用40 m長(zhǎng)深艙船。

7 懸臂拼裝關(guān)鍵技術(shù)措施

7.1 鋼箱梁制作精度控制

鋼箱梁制作嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙、項(xiàng)目部制訂的分段要求、施工監(jiān)控預(yù)拱度、JTG/T F50—2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》等進(jìn)行深化設(shè)計(jì)與制作。

鋼箱梁制作胎架，要按照鋼箱梁最大質(zhì)量進(jìn)行設(shè)計(jì)，且一律采用高強(qiáng)度型鋼制作，確保其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性，以保證鋼箱梁制作過(guò)程中不發(fā)生變形、錯(cuò)位等問(wèn)題。

每一聯(lián)鋼箱梁均整體、通長(zhǎng)制作，制作完成后，按深化設(shè)計(jì)的分段情況進(jìn)行切割分段，切割完畢，鋼箱梁節(jié)段下胎。然后通過(guò)測(cè)量?jī)x器采集各監(jiān)控點(diǎn)坐標(biāo)，導(dǎo)入虛擬預(yù)拼裝軟件，進(jìn)行模擬預(yù)拼；同時(shí)在梁廠(chǎng)內(nèi)進(jìn)行實(shí)體預(yù)拼裝，目的是通過(guò)虛擬預(yù)拼裝和實(shí)體預(yù)拼裝及時(shí)反饋制作偏差情況，若超過(guò)規(guī)范、設(shè)計(jì)允許值，盡快修復(fù)調(diào)整，最終經(jīng)項(xiàng)目、監(jiān)理人員驗(yàn)收合格后出廠(chǎng)[3-4]。

7.2 水中支點(diǎn)設(shè)計(jì)

經(jīng)計(jì)算，懸臂支點(diǎn)位置最大反力9 000 kN，故水中支架需要有足夠強(qiáng)大的橫梁才能支撐，常規(guī)H型鋼即使采用多榀也難以滿(mǎn)足；也曾考慮采用200型貝雷梁，經(jīng)計(jì)算需要16榀，多榀后橫梁寬度超過(guò)3 m，安全系數(shù)只有1.2左右，為此只好放棄貝雷梁方案。后經(jīng)工程項(xiàng)目技術(shù)人員的研究，決定采用型鋼桁架橫梁形式，從而不僅滿(mǎn)足了橫梁強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的要求，而且大大縮小了主橫梁的寬度（圖6）。

圖6 水中支架（型鋼桁架主橫梁）

水中支架樁基采用φ800 mm鋼管樁，經(jīng)計(jì)算確定樁長(zhǎng)范圍為32～48 m，單樁承載力按2 000 kN計(jì)算，安全系數(shù)大于2。鋼管樁分節(jié)長(zhǎng)度為20 m左右，采用50RF高頻免共振錘施打。

7.3 快速化工裝匹配措施

由于本橋懸臂段較長(zhǎng)、質(zhì)量較重大且為曲線(xiàn)形狀，所以對(duì)懸臂段之間的臨時(shí)匹配措施要求較高，必須同時(shí)具備抗剪、抗彎、抗壓、抗扭能力。

傳統(tǒng)常見(jiàn)的安裝多采用碼板進(jìn)行臨時(shí)固定、匹配，但是對(duì)于本橋懸臂段來(lái)講，只是簡(jiǎn)單采用碼板甚至是大型碼板，都難以確保鋼箱梁安裝的精度。在經(jīng)過(guò)不斷思索和嘗試后，由項(xiàng)目技術(shù)人員設(shè)計(jì)出一套全新的臨時(shí)匹配措施，即頂板采用工裝、底板采用對(duì)接牛腿（圖7），取得了理想的效果。

圖7 工裝、牛腿

工裝、牛腿均采用厚20 mm的Q345鋼材焊接，與鋼箱梁采用雙面角焊縫焊接。每個(gè)工裝對(duì)接板預(yù)留4個(gè)φ35 mm的螺栓孔，螺桿采用φ32 mm的10.9級(jí)承壓型連接高強(qiáng)度螺栓，每個(gè)螺栓抗拉280 kN，抗剪170 kN。

每個(gè)懸臂拼接斷面配置2套工裝、牛腿，同時(shí)配備幾組碼板，協(xié)同作用，以確保懸臂節(jié)段的安裝精度與安全度。

7.4 測(cè)量、監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)雙控

為實(shí)現(xiàn)施工控制，每一梁段至少布置8個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，即4個(gè)角點(diǎn)、4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，長(zhǎng)度較大梁段中間再加設(shè)2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，待梁段安裝后，通過(guò)監(jiān)控點(diǎn)實(shí)時(shí)測(cè)量各點(diǎn)坐標(biāo)由于溫度、施工荷載、水中支架沉降等引起的數(shù)據(jù)變化。

將測(cè)量人員測(cè)得的監(jiān)控點(diǎn)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，若誤差在允許范圍內(nèi)，則及時(shí)反饋給施工監(jiān)控單位，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)再來(lái)實(shí)時(shí)計(jì)算下一梁段的安裝預(yù)拋量。通過(guò)這種動(dòng)態(tài)糾偏過(guò)程，達(dá)到減小偏差積累的效果，以保證鋼箱梁整體的安裝精度和美觀(guān)度。

在合龍段安裝之前，要安排測(cè)量人員連續(xù)48 h對(duì)兩側(cè)懸臂段底板、腹板、頂板進(jìn)行精細(xì)測(cè)量，最后根據(jù)連續(xù)觀(guān)測(cè)的數(shù)據(jù)，繪制合龍口的尺寸，確定合龍段要切除余量的大小，以保證合龍段順利匹配。

7.5 精確合龍措施

合龍段安裝時(shí)，細(xì)化合龍段的施工順序：浮吊初步就位、運(yùn)梁船舶就位、浮吊系鉤提升梁段、運(yùn)梁船舶駛離、鋼箱梁就位、測(cè)量精細(xì)定位、臨時(shí)匹配措施固定、浮吊松鉤。各個(gè)環(huán)節(jié)都須嚴(yán)密控制，以確保在有限的封航時(shí)間內(nèi)完成合龍段安裝。

本工程2次合龍段的鋼箱梁吊裝，現(xiàn)場(chǎng)施工始終保持合理有序，在精心組織下，浮吊將合龍段鋼箱梁緩緩吊起，僅用2 h，合龍段就安裝在指定位置（南北兩側(cè)已安裝懸跨段鋼梁的預(yù)留空間），可謂是一步精準(zhǔn)就位。

8 結(jié)語(yǔ)

鋼箱梁懸臂拼裝技術(shù)在上海北虹路立交工程中的成功研發(fā)及應(yīng)用，有效克服了場(chǎng)地受限、交通受限、設(shè)備受限、時(shí)間受限等4個(gè)限制，實(shí)現(xiàn)了工期節(jié)約、成本節(jié)約、材料節(jié)約和環(huán)保節(jié)約等，具有良好的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。其不僅帶來(lái)了橋梁施工技術(shù)的進(jìn)步，更賦予了設(shè)計(jì)人員更加多變的創(chuàng)維空間，可以在類(lèi)似跨越重大基礎(chǔ)設(shè)施、敏感建筑、市政管線(xiàn)等工程條件下，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)橋梁的靈活設(shè)計(jì)及安裝研究，對(duì)類(lèi)似工程有一定的指導(dǎo)及借鑒意義。