珠海某口岸通道大跨雙層鋼桁架曲線橋結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

王玫玲

（廣東南粵集團(tuán)有限公司 廣州510699）

0 引言

大跨度鋼結(jié)構(gòu)及空間結(jié)構(gòu)具有跨度大、構(gòu)件多、空間形式復(fù)雜等特點(diǎn)，因此施工安裝過程有較多難點(diǎn)，如：構(gòu)件尺寸大、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜、焊接工作量大、安裝高度較高等。那么選擇合理的施工方法并制定嚴(yán)密的施工方案就顯得至關(guān)重要［1-2］。對(duì)于大跨度鋼結(jié)構(gòu)及空間結(jié)構(gòu)，其施工安裝方法可歸并為2大類，即：原位安裝法和移位安裝法［3-12］。一般來講，高空散裝法、分條或分塊安裝法等屬于原位安裝法；而滑移法、整體吊裝法、提升及頂升法等屬于移位安裝法。

本文以粵澳重點(diǎn)合作項(xiàng)目——珠海某口岸的連接通道鋼橋?yàn)閷?duì)象，對(duì)該大跨雙層鋼桁架曲線橋的施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，以提出安全可靠、實(shí)用可行的施工方案，并為類似工程施工提供借鑒。

1 工程概況

珠海某口岸項(xiàng)目位于珠海市香洲區(qū)拱北片區(qū)鴨涌河上方，粵澳邊境線以西，城際鐵路珠海站以南。作為粵港澳大灣區(qū)的粵澳重點(diǎn)合作項(xiàng)目，該口岸是連接廣東省珠海市和澳門特別行政區(qū)的旅客專用跨境通道，設(shè)計(jì)日通關(guān)客流量為20萬人次，僅供行人通行，不設(shè)車輛通道。

本項(xiàng)目主要包括2大部分：連接通道和粵方聯(lián)檢大樓。其中粵方聯(lián)檢大樓北側(cè)在1層及2層位置，設(shè)一座大跨雙層人行通道橋（見圖1），用于連接珠海城軌站、珠機(jī)站等。1層為出境層，層高5.1 m；2層為入境層，層高6.1 m。人行通道橋?yàn)檫m應(yīng)建筑景觀要求，其平面采用曲線布置，最大跨度約84 m，離地高度約20 m。

圖1 珠海某口岸大跨人行通道橋Fig.1 Long-span Pedestrian Access Bridge of a Port in Zhuhai

該橋采用單跨簡支體系的雙層鋼桁架結(jié)構(gòu)，由左、右側(cè)兩榀主桁架、鋼橫梁、次桿件以及樓面板等組成，并通過4個(gè)耐蝕球形支座支承于混凝土墩柱上。桁架高度為13.1 m，其中左側(cè)桁架跨度67 m，共設(shè)置6個(gè)節(jié)間，右側(cè)桁架跨度84 m，共設(shè)置8個(gè)節(jié)間。桁架節(jié)間均為“X”型斜腹桿構(gòu)造。鋼材材質(zhì)均為Q345qD，最大鋼板板厚36 mm，鋼結(jié)構(gòu)用量達(dá)3 900 t。

2 施工難點(diǎn)分析

該大跨雙層人行通道橋鋼桁架結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：

⑴鋼桁架最大跨度約84 m，高度為13.1 m，弦桿及腹桿截面尺寸大（最大尺寸達(dá)3 500 mm×2 500 mm），節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，重量重（達(dá)25 t），且桁架整體呈曲線形，這對(duì)深化設(shè)計(jì)、加工制作及安裝等均提出了一定的技術(shù)與管理要求。

⑵本工程安裝地點(diǎn)為珠海拱北口岸處，周邊為珠海站及居民區(qū)，地理位置特殊，現(xiàn)場場地狹小，且鋼橋下方為拱北隧道（見圖2），施工安裝難度大?，F(xiàn)場安裝方案選擇、質(zhì)量控制與安全管理等均為該項(xiàng)目實(shí)施應(yīng)重點(diǎn)考慮的問題。

圖2 人行通道橋的施工場地Fig.2 Construction Site of the Pedestrian Access Bridge

⑶項(xiàng)目工期要求緊。本工程鋼結(jié)構(gòu)用量約3 900 t，焊接工作量大，且存在大型弧彎構(gòu)件，在確保桁架精度和焊接質(zhì)量的前提下，如何做好各相關(guān)專業(yè)配合、保證工期亦是難點(diǎn)之一。

綜上，施工難點(diǎn)與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)總體可概況為：結(jié)構(gòu)跨度大、曲線型大截面構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)重且構(gòu)造復(fù)雜；施工場地狹小且存在下穿隧道；工期緊且多專業(yè)交叉作業(yè)。

3 施工方案優(yōu)選

大跨度鋼結(jié)構(gòu)及空間結(jié)構(gòu)的施工安裝方法應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程的結(jié)構(gòu)類型，考慮其受力和構(gòu)造特點(diǎn)，在保證施工質(zhì)量和安全的前提下，兼顧施工進(jìn)度與成本，并結(jié)合施工現(xiàn)場具體條件及現(xiàn)有的施工機(jī)具來綜合確定［1-2］。針對(duì)上述施工難點(diǎn)與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，初步提出了3種方案進(jìn)行優(yōu)選（見圖3），即：

［方案1］采用分段制作與吊裝進(jìn)行安裝（吊機(jī)站位于隧道頂板），屬于原位安裝法；

［方案2］采用分段制作與吊裝進(jìn)行安裝（吊機(jī)不上隧道頂板），行走吊裝，屬于原位安裝法；

［方案3］采用頂推滑移法安裝，屬于移位安裝法。

以上3種方案中，頂推滑移法（方案3）的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)牽引設(shè)備和起重設(shè)備、拼裝支架等要求較低，占用施工場地少，且可避免較多的高空作業(yè)，但不足之處是需要設(shè)置專門的滑移軌道，且由專業(yè)施工隊(duì)伍進(jìn)行作業(yè)。

對(duì)于分段吊裝法（方案1、方案2），其優(yōu)勢就是安裝效率高，能適應(yīng)工期緊的需求，相對(duì)于整體吊裝法，吊裝單元重量較小，不需要重型起重機(jī)械。考慮到施工場地存在下穿隧道，最終選取方案2作為本工程鋼結(jié)構(gòu)的安裝實(shí)施方案。

4 施工流程及關(guān)鍵技術(shù)

4.1 施工流程

結(jié)合現(xiàn)場條件及工期要求，人行通道橋鋼結(jié)構(gòu)施工的總體安裝流程為：先安裝主體結(jié)構(gòu)（左右側(cè)兩榀主桁架及橫梁），后安裝次結(jié)構(gòu)；安裝順序?yàn)閺闹虚g往兩側(cè)，如圖4所示。

圖4 鋼結(jié)構(gòu)施工總體安裝順序示意圖Fig.4 General Installation Sequence Diagram of Steel Structure Construction

相應(yīng)的具體施工安裝過程如圖5所示。

圖5 鋼結(jié)構(gòu)施工安裝流程Fig.5 Installation Process of the Steel Structure Construction

4.2 支撐胎架設(shè)計(jì)

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)分段吊裝的施工工藝流程、主桁架截面形式以及分段重量等因素，在主體結(jié)構(gòu)安裝時(shí)需設(shè)置臨時(shí)支撐胎架，以便主體構(gòu)件就位與連接。

支撐胎架的形式采用1.6 m×2.0 m格構(gòu)柱體系，主肢為HM350×250×9×14（Q235B），設(shè)置于鋼桁架下弦節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)位置處。為增大接地面積，擴(kuò)散支撐壓力，支撐胎架下部放置路基箱，以減少對(duì)下穿隧道的影響。支撐胎架平面布置如圖6所示。

圖6 支撐胎架平面布置Fig.6 Layout Plan of Supporting Frame

4.3 鋼結(jié)構(gòu)分段制作與吊裝

本工程主要選用1臺(tái)350 t履帶吊和1臺(tái)300 t履帶吊，并結(jié)合小型汽車吊配合作業(yè)。根據(jù)現(xiàn)場場地站位，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)主桁架的桿件和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理分段，以滿足其吊裝能力。通過吊裝工況分析，分段單元的最大重量約為40 t，具體分段如圖7所示。

圖7 鋼桁架分段制作與吊裝Fig.7 Segmented Fabrication and Hoisting of the Steel Truss

根據(jù)以上桿件和節(jié)點(diǎn)分段，按照?qǐng)D5所示的鋼結(jié)構(gòu)施工安裝流程實(shí)施吊裝與對(duì)位連接。

4.4 卸載施工

鋼結(jié)構(gòu)施工卸載作為施工過程中的關(guān)鍵階段，其順利實(shí)施關(guān)乎整體結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量及安全。

因臨時(shí)支撐卸載前后，結(jié)構(gòu)受力體系發(fā)生轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形均會(huì)發(fā)生較大變化，因此卸載施工除考慮方便施工外，更應(yīng)確保結(jié)構(gòu)安全，符合設(shè)計(jì)要求。針對(duì)本工程結(jié)構(gòu)與施工特點(diǎn)，確定以下卸載原則：①確保主體鋼結(jié)構(gòu)自身安全和變形協(xié)調(diào)；②保證支撐胎架結(jié)構(gòu)安全；③以理論計(jì)算為依據(jù)，以結(jié)構(gòu)變形控制為主，輔助測量監(jiān)測手段。

根據(jù)以上原則，采取分區(qū)同步、分級(jí)卸載方式進(jìn)行支撐胎架卸載，卸載順序如圖8所示。

圖8 卸載順序Fig.8 Unloading Sequence

為保證卸載施工的順序?qū)嵤?，采取以下幾點(diǎn)措施：①卸載前應(yīng)進(jìn)行卸載分析計(jì)算，確定卸載控制參數(shù)，保證卸載同步及安全；且卸載前應(yīng)完成主體結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)的安裝工作，并形成整體結(jié)構(gòu)受力體系；②卸載過程中，要求做到統(tǒng)一指揮與協(xié)調(diào)，嚴(yán)格按卸載方案及其控制參數(shù)實(shí)施卸載；③卸載過程中應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果反饋，及時(shí)指導(dǎo)和調(diào)整卸載操作；④卸載完成后宜及時(shí)對(duì)主體鋼桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查校驗(yàn)。

5 施工過程模擬分析

為了更好地保證該大跨雙層鋼桁架曲線橋結(jié)構(gòu)的施工安全，預(yù)先對(duì)其進(jìn)行施工全過程的模擬分析。

5.1 分析模型

采用MIDASGen軟件建立有限元分析模型，該模型中一并包括了主體鋼桁架結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐胎架結(jié)構(gòu)（見圖9）。根據(jù)施工實(shí)際情況，荷載工況主要考慮結(jié)構(gòu)自重，兼顧結(jié)構(gòu)吊裝過程中的不確定性因素，取動(dòng)力系數(shù)為1.2。如前所述，主體鋼桁架結(jié)構(gòu)鋼材材質(zhì)為Q345qD，支撐胎架鋼材材質(zhì)為Q235B，材料相關(guān)屬性參數(shù)根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50017—2017》［13］取值。

圖9 結(jié)構(gòu)施工全過程分析的有限元模型Fig.9 Finite Element Model for Whole Process Analysis of Structure Construction

5.2 分析結(jié)果

根據(jù)上述4.1節(jié)施工安裝流程進(jìn)行施工全過程的力學(xué)分析，結(jié)果如圖10所示（縱坐標(biāo)的施工步驟對(duì)應(yīng)圖5的施工安裝流程）。

由圖10可知，隨著結(jié)構(gòu)安裝進(jìn)程的推進(jìn)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形均逐步增大，其中因支撐胎架的卸載，結(jié)構(gòu)受力體系發(fā)生了轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形的變化顯著；結(jié)構(gòu)變形最大值為39.3 mm，鋼桁架桿件應(yīng)力比最大值為0.74，支撐胎架桿件應(yīng)力比最大值為0.66，均滿足文獻(xiàn)［10］和文獻(xiàn)［13］的要求。

圖10 施工過程分析結(jié)果Fig.10 Analysis Results of Construction Process

6 結(jié)論

本文以珠海某口岸的連接通道鋼橋?yàn)槔?，?duì)該大跨雙層鋼桁架曲線橋的施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

⑴根據(jù)工程施工難點(diǎn)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)3種安裝方案進(jìn)行分析比選，確定了采用分段制作與吊裝的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)安裝（吊機(jī)不上隧道頂板）；

⑵在此基礎(chǔ)上，制定了具體的施工安裝流程及關(guān)鍵工藝，設(shè)計(jì)了臨時(shí)支撐胎架，并提出了支撐胎架卸載原則和方法；

⑶運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)施工全過程進(jìn)行了模擬驗(yàn)算，確保了施工質(zhì)量與安全（圖11為主體結(jié)構(gòu)施工完成后的鋼橋），從而為類似工程結(jié)構(gòu)施工提供了參考。

圖11 主體結(jié)構(gòu)施工完成后的鋼橋Fig.11 Steel Bridge after Main Structure Construction