鋼箱梁大跨度懸臂跨越既有交通線施工技術(shù)研究與應(yīng)用

張學(xué)進(jìn)

上海建工集團(tuán)股份有限公司總承包部 上海 200080

城市快速路網(wǎng)建設(shè)已被國內(nèi)外許多城市證實(shí)為緩解城市交通擁堵的有效途徑之一。特別是，高架快速路以其交通容量高、占地少、交通轉(zhuǎn)換效率高、路網(wǎng)及周邊溝通方便、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)成為城市快速路建設(shè)形式的首選[1]。然而，現(xiàn)階段城市高架橋梁地處城市核心區(qū)，施工面臨管網(wǎng)密集、交通繁忙、施工空間狹小、鄰近建（構(gòu)）筑物眾多等實(shí)際問題，導(dǎo)致其對(duì)城市正常交通影響較大及所處的位置備受矚目。懸臂拼裝施工因其具有適合多跨梁施工的特點(diǎn)而越來越成為中心城區(qū)大跨度橋梁施工的首選，特別是橋梁跨度越大，懸臂拼裝的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性越明 顯[2]。本文結(jié)合上海市北虹路立交工程跨越中環(huán)線、蘇州河施工難點(diǎn)，針對(duì)施工期間需要保障城市骨架路中環(huán)線和蘇州河6級(jí)航道正常運(yùn)行的需求，在傳統(tǒng)懸臂拼裝技術(shù)的基礎(chǔ)上再創(chuàng)新，提出了鋼箱梁大跨度懸臂拼裝施工成套技術(shù)，有效地解決了跨越施工對(duì)既有城市快速路或航道的影響，保證了施工安全并縮短了施工工期[3-5]。

1 工程概況

上海北虹路立交工程，地處上海市中心城區(qū)，沿線民居密集、交通繁忙，施工敏感點(diǎn)多、技術(shù)難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。工程包括2條主線高架、7條匝道和1條人非橋。其中，主線N、主線S、匝道EE共4次跨越中環(huán)線，上部結(jié)構(gòu)均為鋼箱梁，梁高1.8～3.5 m，跨中環(huán)線主跨長度45.006～ 65.000 m，具體涉及主線NK3—NK5、SK5—SK6，匝道EE5—EE7、EE16—EE19，平面示意如圖1所示，具體情況見表1；主線N、主線S、匝道EN、匝道NE及人非橋FEI共5次跨越蘇州河，上部結(jié)構(gòu)均為鋼箱梁，梁高1.8～7.0 m，跨蘇州河主跨長度79.961～153.104 m，具體涉及主線NK13—NK18、SK15—SK18，匝道ENK1—ENK3、NEK7—NEK8，人非橋FEIK12—FEIK14。具體情況見表2。

2 施工方案比選

圖1 北虹路立交總平面

表1 北虹路立交跨中環(huán)線整體概況

表2 北虹路立交跨蘇州河整體概況

鋼箱梁的施工方法主要有支架法、頂推法、轉(zhuǎn)體法、懸臂拼裝法等，本節(jié)結(jié)合上海北虹路立交跨越中環(huán)線和蘇州河段的具體特點(diǎn)，特別是考慮到施工期間需要保障城市骨架路中環(huán)線和蘇州河6級(jí)航道正常運(yùn)行的工程需求，以“低影響度”建造和“高效率、保暢通”為基本原則，進(jìn)行施工方案比選，并制定科學(xué)合理的施工流程。

2.1 鋼箱梁跨中環(huán)線施工方案

北虹路立交跨中環(huán)線施工主要考慮盡量減少對(duì)中環(huán)線正常運(yùn)營的干擾，因此跨中環(huán)線的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是合龍段施工只能在夜間車流量較少的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行，施工期間中環(huán)線將臨時(shí)封交5 h，作業(yè)時(shí)間十分緊張；考慮中環(huán)線車輛的通行安全，必須提高防護(hù)等級(jí)，應(yīng)采取有效措施防止高空墜物、焊渣掉落等；中環(huán)線為空心板梁簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，無法承受大型安裝機(jī)械或搭設(shè)臨時(shí)支撐，鋼箱梁吊裝施工必須確保中環(huán)線結(jié)構(gòu)安全。基于以上三方面的考慮，擬選用由中環(huán)線兩側(cè)全懸臂施工合龍、轉(zhuǎn)體法、滑移支架＋全地形車牽引就位安裝和懸臂段20～25 m采用750 t履帶吊整體合龍安裝4種施工方法，從施工周期、對(duì)中環(huán)線影響和對(duì)鋼箱梁結(jié)構(gòu)影響3個(gè)方面對(duì)方案的可行性進(jìn)行比選，具體情況詳見 表3。

表3 跨中環(huán)線施工方案比選

根據(jù)表3的比選結(jié)果，綜合考慮施工可行性、安全性以及對(duì)中環(huán)線的影響，故選擇懸臂段20～25 m采用750 t履帶吊大節(jié)段整體合龍安裝一次跨越中環(huán)線的施工方案?？缰协h(huán)鋼箱梁懸臂拼裝具體實(shí)施步驟為：先采用支架法安裝邊跨段（不帶翼板、防撞墻），并跨中環(huán)線懸臂段安裝20～25 m，跨中環(huán)合龍段在地面組拼，并安裝翼板、防撞墻，由750 t履帶吊整體大節(jié)段合龍安裝。根據(jù)以上施工方案，選定了具體施工設(shè)備與方法，見表4。

2.2 鋼箱梁跨蘇州河施工方案

上海北虹路立交跨蘇州河施工期間需要保證航道正常通行，施工區(qū)域河道寬約為50 m，考慮蘇州河為6級(jí)航道，施工期間河道通航寬度不應(yīng)小于25 m；跨蘇州河段鋼箱梁高度范圍為1.8～7.0 m，屬于變高曲線橋，與蘇州河大角度斜交，受緊鄰中環(huán)線、長寧路等構(gòu)筑物影響，考慮橋梁特殊結(jié)構(gòu)與施工場(chǎng)地限制，轉(zhuǎn)體法、頂推法等方案在本工程應(yīng)用受限；考慮蘇州河沿線橋梁通行高度的限制，水上作業(yè)只能選擇小于160 t級(jí)的浮吊。基于以上施工限制因素，擬采用轉(zhuǎn)體法、頂推法、懸臂拼裝法施工工藝，從施工周期、對(duì)蘇州河航道影響、施工方向和對(duì)鋼箱梁結(jié)構(gòu)影響等4個(gè)方面對(duì)方案的可行性進(jìn)行比選，詳見表5。

表4 北虹路立交鋼箱梁跨中環(huán)線具體施工方法與設(shè)備

表5 跨中環(huán)線施工方案比選

根據(jù)表4的比選結(jié)果，綜合考慮施工可行性、安全性以及對(duì)蘇州河航道的影響，選用懸臂拼裝法施工，具體實(shí)施步驟如下：首先采用350 t履帶吊施工岸上及部分鄰近岸邊的邊跨段（支架法）；然后，采用160 t級(jí)浮吊施工水上懸臂段和合龍段（水中臨時(shí)支架＋懸臂法），施工過程中除人非橋均不帶翼板和防撞墻；最后，進(jìn)行翼板和防撞墻施工。其中，對(duì)于超高的鋼箱梁采用上下分段制作與運(yùn)輸?shù)姆椒?，?jié)段整體地面拼裝完成后再進(jìn)行吊裝；合龍段施工時(shí)航道臨時(shí)封閉。根據(jù)以上施工方案選定了具體施工設(shè)備與方法，見表6。

3 鋼箱梁大跨懸臂拼裝關(guān)鍵技術(shù)

3.1 鋼箱梁節(jié)段劃分

鋼箱梁節(jié)段劃分主要考慮構(gòu)件的運(yùn)輸路線、運(yùn)輸設(shè)備能力、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)設(shè)備起重吊裝性能、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)可實(shí)施空間懸臂端施工變形控制等[6-7]。構(gòu)件運(yùn)輸采用陸運(yùn)與水運(yùn)結(jié)合的方式。考慮構(gòu)件運(yùn)輸路線沿線的限高、限寬、限載等因素，公路運(yùn)輸鋼箱梁節(jié)段尺寸綜合控制在40 m（長）×6 m（寬）×4.2 m（高）以內(nèi)，超高構(gòu)件在高度方向進(jìn)行分段、超寬構(gòu)件在寬度方向進(jìn)行分段；水路運(yùn)輸鋼箱梁節(jié)段尺寸綜合控制在38 m（長）×6.1 m（高）以內(nèi)，寬度方向主線鋼箱梁沿梁寬劃分為3個(gè)節(jié)段，人非橋鋼箱梁整體加工、匝道鋼箱梁沿梁寬劃分為3個(gè)節(jié)段?；谝陨弦蛩兀撓淞旱木唧w分段情況如下：

表6 北虹路立交鋼箱梁跨蘇州河具體施工方法與設(shè)備

1）公路運(yùn)輸高度在4.2 m以下、水路運(yùn)輸高度在6.1 m以下的鋼箱梁分段以箱體為獨(dú)立單元，兩側(cè)翼板單獨(dú)分段或一側(cè)翼板單獨(dú)分段（圖2）。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)截面箱體縱向分段示意

2）公路運(yùn)輸高度在4.2 m以下的超寬截面鋼箱梁根據(jù)箱室進(jìn)行橫向分段，并且兩側(cè)翼板單獨(dú)分段。橫向斷縫處采用“Z”字形搭接接口（圖3、圖4）。

圖3 主線S超寬段縱向分段示意

3）公路運(yùn)輸安裝節(jié)段箱體高度超過4.2 m和水路運(yùn)輸安裝節(jié)段箱體高度超過6.1 m的需要豎向分段，分縫避開腹板加勁肋（圖5）。

圖4 EEK14超寬段縱向分段示意

圖5 超高段箱體豎向分段示意

3.2 鋼箱梁拼裝定位

鋼箱梁拼裝定位施工包括：鋼箱梁節(jié)段地面拼裝、吊裝姿態(tài)控制以及就位固定等3個(gè)方面。

3.2.1 鋼箱梁節(jié)段地面拼裝

鋼箱梁節(jié)段地面拼裝采用特制的拼裝胎架，拼裝胎架由φ300 mm鋼管支墩搭設(shè)而成，支墩設(shè)有調(diào)平鋼板。鋼箱梁節(jié)段拼裝時(shí)，胎架設(shè)置在平整堅(jiān)實(shí)的場(chǎng)地上，必要時(shí)通過鋼板或路基箱調(diào)平?？紤]到鋼箱梁的線形問題，支墩采用不同高度（0.2、0.3、0.6、1.0 m），可疊層使用，但疊層數(shù)量應(yīng)≤2層；考慮鋼箱梁整體受力情況，對(duì)支墩布設(shè)數(shù)量有嚴(yán)格限制，具體見表7。

表7 鋼箱梁節(jié)段拼裝支墩布設(shè)數(shù)量

鋼箱梁節(jié)段地面拼裝根據(jù)操作高度的不同配有不同的安裝操作平臺(tái)，地面拼裝時(shí)，采用φ48 mm×3 mm的盤口式腳手架搭設(shè)雙排移動(dòng)操作平臺(tái)，平面間距為1 200 mm×600 mm，豎向步距600 mm，操作平臺(tái)層搭設(shè)走道板及滿鋪?zhàn)枞及?，外?cè)設(shè)防護(hù)網(wǎng)，掃地桿距地坪20 cm（圖6）；操作高度≤5 m的梁段采用移動(dòng)腳手架作為焊接平臺(tái)；操作高度＞5 m的梁段采用登高車作為焊接平臺(tái)。

圖6 翼板地面安裝操作平臺(tái)斷面

3.2.2 鋼箱梁節(jié)段吊裝姿態(tài)控制

在鋼箱梁節(jié)段拼裝時(shí)，主箱梁三維空間拼裝精度控制包括高程位置和平面位置控制兩部分。高程控制主要是對(duì)比主箱梁上監(jiān)控點(diǎn)高程與理論高程的差異；平面位置控制主要是對(duì)比監(jiān)控點(diǎn)的二維平面實(shí)際坐標(biāo)與理論坐標(biāo)的差異，從而實(shí)現(xiàn)鋼箱梁節(jié)段的精確定位拼裝。箱梁翼板安裝的關(guān)鍵是線形控制，主要是通過調(diào)整主箱梁各個(gè)節(jié)段的縱向坡度與橫向坡度實(shí)現(xiàn)。

鋼箱梁節(jié)段吊裝時(shí)，通過節(jié)段監(jiān)控點(diǎn)理論坐標(biāo)進(jìn)行粗定位；吊裝姿態(tài)通過改變吊具的長度進(jìn)行調(diào)整，其中合龍段通過合理布設(shè)吊點(diǎn)，依靠節(jié)段整體重心進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整；鋼箱梁節(jié)段吊裝就位后進(jìn)行精確定位，通過調(diào)整橋面板間的連接碼板位移進(jìn)行節(jié)段水平位置調(diào)整，之后再進(jìn)行高程位置調(diào)整。

3.2.3 鋼箱梁節(jié)段就位固定

懸臂段鋼箱梁拼裝頂板采用工裝、底板采用對(duì)接牛腿。懸臂段工裝采用厚20 mm的Q345鋼材焊接，每個(gè)工裝對(duì)接板預(yù)留3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)螺栓的抗拉強(qiáng)度為280 kN、抗剪力為170 kN。每個(gè)懸臂拼接斷面配置2套工裝（圖7）。

圖7 懸臂段工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意

3.3 鋼箱梁大跨度懸臂拼裝受力分析

鋼箱梁大跨懸臂在拼裝過程中，其結(jié)構(gòu)內(nèi)力會(huì)實(shí)時(shí)發(fā)生變化，由于懸臂拼裝存在結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象，施工過程中必須保證結(jié)構(gòu)內(nèi)力、懸臂端下?lián)系仍诮Y(jié)構(gòu)安全范圍內(nèi)。為此，以主線N跨中環(huán)段進(jìn)行了大跨懸臂結(jié)構(gòu)受力分析。主線N跨中環(huán)施工流程為：中環(huán)線西側(cè)N5—N3支架法施工91 m→中環(huán)線西側(cè)N3—N2懸臂施工14 m，總懸臂長度20 m→合龍段施工39.8 m（圖8）。

圖8 主線N跨中環(huán)施工流程示意

圖9為由東向西懸臂施工20 m的模型圖，合龍段荷載為914 kN。計(jì)算結(jié)果如下：變形69 mm；最大應(yīng)力－90 MPa；支座不出現(xiàn)受拉情況；按1/300考慮，懸臂20 m時(shí)，最大允許變形67 mm，基本滿足要求；應(yīng)力較大，宜再適當(dāng)減小懸臂距離。

3.4 鋼箱梁落架與體系轉(zhuǎn)換

支座焊接完成后，進(jìn)行整聯(lián)鋼箱梁的整體落架。落架前先分離臨時(shí)支撐，由上至下先拆除橫梁系，松開側(cè)向連接系，再松開法蘭連接，逐節(jié)拆除鋼管支撐，鋼管支撐采用橋面卷揚(yáng)機(jī)配合汽車吊勻速緩慢放置在地面上，最后集中運(yùn)離橋位。

非標(biāo)準(zhǔn)裝配式支架拆除采用氣割方式，先拆除連接系，再逐根吊離橋位。拆除順序由上至下，拆除過程中臨時(shí)支撐上不允許站人及承重。

整聯(lián)鋼箱梁臨時(shí)支撐拆除后，完成整聯(lián)體系轉(zhuǎn)換。對(duì)橋面標(biāo)高進(jìn)行落架后復(fù)測(cè)，校驗(yàn)成橋的拱度，然后進(jìn)入橋面系施工。

4 工程應(yīng)用效果

上海北虹路立交作為北橫通道與中環(huán)線的全互通立交，局部結(jié)構(gòu)的空間結(jié)構(gòu)達(dá)到了4層，施工過程中困難重重。通過應(yīng)用大跨度鋼箱梁懸臂拼裝施工成套技術(shù)，順利地完成了“四跨中環(huán)線、五跨蘇州河”的施工任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了施工期間中環(huán)線與蘇州河航道不停運(yùn)，最大限度地減少了施工對(duì)城市運(yùn)營的干擾，為后續(xù)中心城區(qū)高架橋梁的新增、改建提供了有益的工程借鑒和技術(shù)儲(chǔ)備，也為未來在不斷交情況下進(jìn)行高架立交橋的建設(shè)提供了參考。