曲線鋼箱梁節(jié)段拼裝支架沉降影響研究

張建東 劉 鵬 李海濤 顧立君

(1.南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 南京 211102；2.蘇交科集團股份有限公司 南京 211102；3.宜長高速公路建設(shè)指揮部 宜興 214200)

鋼箱梁橋與混凝土橋相比，具有輕質(zhì)高強、抗彎抗扭剛度大、安裝迅速、外形美觀、適合工業(yè)化預(yù)制，以及運輸安裝方便等優(yōu)點，越來越廣泛運用于跨線路和管線匝道或立交橋工程中[1-2]。其典型工程有鄂東長江公路大橋花湖互通，主橋鋼箱梁全長124.84 m，單跨最大跨徑50 m；重慶黃桷灣立交橋鋼箱梁段長110 m，平面曲線R=300 m；深圳南坪快速路麒麟立交橋匝道橋，單跨最大跨徑為44 m，全長460.5 m。

在鋼箱梁橋的架設(shè)施工中，支架拼裝施工是最為常用的施工方法之一。具有施工機具簡單、易于操作、成本低、工期短，以及質(zhì)量安全易于保證等優(yōu)點，適用于場地條件較好、交通方便的中小跨徑橋梁工程[3-4]。王晟[5]以小西沖立交匝道橋鋼箱梁為背景驗算吊具強度并介紹了安裝支座控制參數(shù)；許正坤[6]研究了分段吊裝連續(xù)鋼箱梁整體卸落后支座脫空對橋梁變形的影響。

但是，現(xiàn)有研究主要關(guān)注吊具、支撐強度和穩(wěn)定性問題，少有研究通過對臨時支撐沉降量進行參數(shù)化分析，來解決跨線匝道橋施工難題。本文擬通過對某匝道鋼箱梁橋拼裝過程中支撐沉降的參數(shù)化分析，提出跨越高速路和石油管道的臨時支撐沉降量控制標準，以保障施工安全，以期對類似工程提供一定的指導(dǎo)和借鑒。

1 工程概況

本橋為三跨連續(xù)梁，鋼箱梁總長為109 m(38 m+38 m+33 m)，梁體斷面采用單箱雙室截面，鋼箱梁中心線處梁高為1.7 m，橋面總寬為11 m。平面呈曲線狀，曲線半徑為160 m。鋼箱梁頂板厚14 mm，加厚區(qū)18 mm；底板厚14 mm，加厚區(qū)為18 mm；腹板厚14 mm，頂?shù)装蹇v肋均采用T形肋。鋼箱梁材質(zhì)主要為Q345D，輔材為Q235，總重5 794 kN。橋梁整體示意圖見圖1。

圖1 橋梁整體示意圖

2 支架拼裝施工

2.1 支架布置形式

鋼箱梁預(yù)制橫向劃分為4個節(jié)段(兩箱室，兩翼緣)，整聯(lián)共30個節(jié)段，節(jié)段最長23.7 m，最重493 kN。拼裝支架整體布置見圖2，鋼箱梁橫向節(jié)段劃分圖見圖3。匝道施工分區(qū)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點及現(xiàn)場條件，跨高速路及石油管道等進行劃分?，F(xiàn)場總體劃分2個施工區(qū)，先北側(cè)，后南側(cè)。由于匝道5～6軸跨石油管道且構(gòu)件無法由村道運輸至現(xiàn)場。因此構(gòu)件全部從所跨高速路運抵現(xiàn)場。北側(cè)完成后進行匝道南側(cè)施工。

圖2 拼裝支架整體布置圖

圖3 鋼箱梁橫向節(jié)段劃分圖(單位：mm)

2.2 節(jié)段劃分與拼裝順序

1) 匝道6～7軸對應(yīng)區(qū)域為高速北側(cè)行車道及跨石油管道施工區(qū)域，為縮短占用高速公路施工周期，鋼箱梁分段劃分盡可能大，以減少吊次及措施支撐；綜合考慮現(xiàn)場條件、結(jié)構(gòu)特點及運輸能力，鋼箱梁采用“整箱制作+分段運輸+現(xiàn)場拼裝”的施工思路。鋼箱梁縱向節(jié)段劃分和編號見圖4，典型節(jié)段示意圖見圖5。

圖4 鋼箱梁縱向節(jié)段劃分圖

圖5 典型節(jié)段示意圖

2) 鋼箱梁吊裝。先吊裝北側(cè)路面段，北側(cè)半幅高速封閉，臨時支撐按吊裝順序分步安裝，南側(cè)變道通行，跨北側(cè)道路支撐布置見圖6。高速公路路面設(shè)置格構(gòu)支撐底座，底座與柏油路面之間采用彩條布進行隔離，避免污染及破壞路面。

圖6 跨北側(cè)道路支撐布置圖

再吊裝跨石油管段構(gòu)件，跨石油管線支撐布置圖見圖7。

圖7 跨石油管線支撐布置圖

跨石油管施工構(gòu)件運輸至高架上采用350 t汽車吊卸車至高架北側(cè)護坡外側(cè)臨時施工便道，采用1臺160 t汽車吊拼裝，格構(gòu)支撐底部及汽車吊支腿處均墊鋼板或路基箱。

北側(cè)施工完成后，南側(cè)半幅高速封閉，臨時支撐按吊裝順序分布進行，北側(cè)變道通行，改道施工前只保留中間鋼管支撐，以防止結(jié)構(gòu)產(chǎn)生撓度，其余位于高速路面的支撐全部拆除，跨南側(cè)道路支撐布置圖見圖8。底座與柏油路面之間采用彩條布進行隔離，見圖9，為避免污染及破壞路面，采用350 t汽車吊。

圖8 跨南側(cè)道路支撐布置圖

圖9 柏油路面(土地面)支撐橫斷面圖

3 臨時支撐沉降影響分析

3.1 分析工況選取

利用midas Civil 2018有限元分析軟件進行數(shù)值模擬，建立鋼箱梁板梁模型，其中頂?shù)装濉⒏拱?、橫隔板采用4節(jié)點或3節(jié)點板單元，T肋、I肋采用梁單元，在此基礎(chǔ)上，分析支撐支架沉降對吊裝施工過程節(jié)段受力和變形的影響。

首段梁的拼裝將影響后面所有節(jié)段和支架施工，因此，本文選取了首段梁(編號為1)拼裝工況；選取邊跨最長的曲線外側(cè)節(jié)段北側(cè)跨石油管線梁段(編號為14)；南側(cè)跨中梁段(編號為26)為本聯(lián)最長節(jié)段，而且具有3處臨時支撐，受力相對復(fù)雜；拆除臨時支撐前后鋼箱梁節(jié)段受力變形有可能發(fā)生較大變化，因此，選取拆除北側(cè)道路上臨時支撐前后工況，進行臨時支撐支座沉降模擬，計算分析臨時支撐支座反力及鋼箱梁節(jié)段在拼裝過程中的變形和受力。

3.2 沉降影響分析

3.2.1對支座反力的影響

首段梁架設(shè)在支撐3,4的4個支座上，支座順時針由內(nèi)向外分別編號①②③④，節(jié)段1支撐圖見圖10，節(jié)段1有限元模型圖見圖11。對首段梁支座②沉降、支座②③同時沉降2種工況對支座反力影響進行分析，支座②沉降、支撐4沉降對支反力影響圖分別見圖12、圖13。

圖10 節(jié)段1支撐圖(單位：mm)

圖11 節(jié)段1有限元模型圖

圖12 支座②沉降對各支座支反力影響圖

圖13 支撐4沉降對各支座支反力影響圖

選取鋼箱梁橋最長節(jié)段，節(jié)段26(長度為26 m)為對象進行分析，吊裝到位后，節(jié)段26架設(shè)于支撐8，9，10上。支撐9上支座②⑤(節(jié)段26模型示意圖見圖14，支座編號①～⑥)即支撐4沉降對支反力影響圖見圖15。

圖14 節(jié)段26模型示意圖

圖15 支撐4沉降對各支座支反力影響圖

北側(cè)道路支撐5，7拆除前、后支撐4(支座編號①～③)沉降對支撐4和支撐6(支座編號④～⑥)支反力的影響進行數(shù)值分析，拆除前、后支撐4沉降對支反力影響圖分別見圖16、圖17。

圖16 拆除前支撐4沉降對各支座支反力影響圖

由圖12,13,16可知，發(fā)生沉降的臨時支撐支反力隨沉降量增加而減小，當沉降量小于3 mm時，支反力為正，當沉降量超過3 mm時，將會出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象。由圖15知，支座②⑤發(fā)生沉降時，支座②支反力隨沉降量增加，迅速減小，當沉降量超過4.5 mm時，發(fā)生支座脫空現(xiàn)象。由圖17知，安裝完成北側(cè)跨線路鋼箱梁，拆除道路上臨時支撐5，7后，當沉降量超過6 mm時，發(fā)生支座脫空現(xiàn)象，但是此時最大支反力超過840 kN，支撐6受到過大的壓力。

3.2.2支座沉降對應(yīng)力和變形的影響

支座沉降將給節(jié)段焊接帶來問題，節(jié)段間存在的不同大小的沉降，將使拼接縫錯開一定距離，從而不能有效焊接。臨時支撐的沉降也會使鋼箱梁節(jié)段產(chǎn)生局部應(yīng)力過大的不良情況。因此，本文研究將臨時支撐或支座的沉降控制在3 mm以內(nèi)時，對鋼箱梁節(jié)段變形和應(yīng)力的影響，并提出合理的沉降控制措施。

首節(jié)段1、節(jié)段2吊裝就位至臨時支撐3，4上，對支座②(圖10中所標示的支座②)沉降引起節(jié)段十字錯口拼接位置變形高差和節(jié)段支座處箱梁梁底應(yīng)力變化進行分析，支座②沉降對拼接處變形影響圖見圖18，對梁底應(yīng)力影響圖見圖19。

圖18 支座②沉降對拼接處變形影響圖

圖19 支座②沉降對各支座處梁底應(yīng)力影響圖

由圖18可知，節(jié)段1、節(jié)段2端部十字錯口拼接處撓度隨支座沉降量增加而增加，當沉降量達到3 mm時，撓度增量為0.2 mm，2節(jié)段相對錯開距離保持0.9 mm；由圖19可知，梁底最大應(yīng)力出現(xiàn)在支座①③處，且隨支座②沉降增大而增大。

選取節(jié)段26為對象，研究節(jié)段拼接縫處撓度和節(jié)段支座處梁底應(yīng)力隨支撐9沉降量增加的影響，支撐沉降對拼接縫處撓度影響見圖20、支撐沉降對支座處梁底應(yīng)力影響見圖21。

圖20 支撐沉降對拼接縫處撓度影響圖

圖21 支撐沉降對支座處梁底應(yīng)力影響圖

由于節(jié)段26長度較長，故在段中設(shè)置了支撐9，由圖20可知，兩支撐間撓度增加量隨支撐沉降量增加而增加，左端拼接接口處上撓與支撐沉降量比例約為1∶1，右端拼接處基本不變；由圖21可知，支撐9處鋼箱梁存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，其他支座處箱梁應(yīng)力隨沉降量增加變化不明顯。

3.3 沉降控制標準

由以上分析得出，支座或臨時支撐沉降量小于3 mm時，各支座反力均為正；節(jié)段吊裝到位后撓度增加值隨沉降量增加呈一致性，為減小焊接時接口錯開量，應(yīng)采取措施減小或消除支撐沉降；沉降量小于3 mm時，應(yīng)力增加不明顯，當節(jié)段支座發(fā)生沉降時，應(yīng)注意最大應(yīng)力位置會發(fā)變化，防止應(yīng)力集中超限。

因此，為了防止支座脫空和臨時支撐承受過大壓力，以及防止鋼箱梁節(jié)段應(yīng)力集中超限、節(jié)段間接口變形錯開量超過焊接限制，在施工過程中應(yīng)采取一定措施將支撐的沉降量控制在3 mm以內(nèi)。

4 結(jié)語

鋼箱梁節(jié)段吊裝就位后引起的臨時支撐或支座沉降，使得相鄰支座反力、節(jié)段十字錯口拼接處變形差、支座處鋼箱梁應(yīng)力有明顯增大。

鋼箱梁在安裝后，由于跨度小、支撐布置均勻，鋼箱梁撓度和應(yīng)力均滿足規(guī)范和設(shè)計要求。

同時，為了防止支座脫空和支架受壓力過大，威脅施工安全，建議將安裝過程吊裝就位后臨時支撐的沉降量控制在3 mm以內(nèi)。