大跨度梁拱组合钢结构桥梁施工问题探讨

云榭听风 2023-12-07 发布于河南

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成新

中交公路规划设计院有限公司

摘要：以某跨河大跨度梁拱组合钢结构桥梁工程为例，在概述工程基本情况及施工技术难点的基础上，进行主梁线形控制方法及线形敏感性分析，并对包括钢梁分段、拱脚钢箱梁制作、支撑结构的施工过程以及吊装等环节的施工技术要点展开分析探讨，供同类工程参考。

关键词：大跨度;梁拱组合;钢结构;桥梁施工;

作者简介：成新（1989—），男，硕士，助理工程师，从事桥梁设计工作。;

0 引言

连续梁拱组合体系既具有与拱桥、连续梁桥等结构相同的受力性能，又具备更加优越的跨越性能、动力性能和较大的结构刚度，桥型方面也比传统的桥型更加轻盈美观。此外，连续梁拱组合体系还能充分借助钢管套箍作用，使混凝土结构始终处于三向受力的高承载力状态，有效提高混凝土结构塑性性能。这种桥跨结构对于跨越道路及河流且桥下净高受限、必须增大跨度的线路十分适用，但随着跨度的不断增加，横向动力刚度控制难度随之增大，施工工艺也更加复杂，对此类组合钢结构桥梁施工问题进行探讨具有重要的现实意义[1]。

1 工程概况

某跨河桥梁工程与所处河道成60.95°交角，桥梁为大跨度梁拱组合钢结构设计，钢横梁为单箱六室设计，全长215m。梁高2.5m，桥面跨度185m，宽度45m。钢结构桥梁全部采用Q345qD钢，钢横梁和钢拱分别重6 900t和1 800t，钢拱顶点高出桥面50m，跨度185m，主要呈两条相交的抛物线，截面为六边形。在钢拱上增设19排吊杆，并锚固于钢桥横梁上。此大跨度的梁拱组合型钢结构桥梁具备较为复杂的拱脚，如果将其横梁分段处理，则会为钢箱梁预制、运输以及后续的吊装施工增加难度。

2 主梁线形控制

2.1 线形控制方法

该大跨度梁拱组合钢结构桥梁施工控制主要目的在于保证施工安全及质量，并确保内力、线形等均满足设计。结合与该桥梁工程结构相近的其余工程实践经验，桥梁施工过程中能够采取的线形控制技术有以下几种：

(1）开环控制法：主要采用直线式输出入路线，输入量受到诸多因素影响，该控制方法抗干扰能力较差。对于此大跨度梁拱组合形式的钢结构桥梁工程而言，如果采用开环控制法，一旦具体施工过程中遇到预拱度偏差，在后期施工时弥补及纠正的可行性非常小。该线形控制方法对于结构受力简单、参数取值稳定、各施工节段荷载明确的桥梁结构较为适用。

(2）闭环控制法：主要根据输出的参数至直接或间接到输入端的接收容量反馈后形成完整的闭环，就具体应用层面而言，是将反馈系统添加进原开环控制系统，并在施工过程中相关参数与设计值发生误差时，依托这种闭环系统以达到控制施工参数及施工过程的目的。该系统无法给出引起误差的原因，也不对原结构参数造成影响，故无法消除实际施工状态和理想状态之间的误差[2]。

(3）自适应控制法：在结合输入输出相关操作数据的基础上构建模型，并对施工过程所涉及参数进行辨识，通过多轮次的修正，取得最终值最为准确的施工参数以及施工质量控制效果。考虑到该大跨度梁工组合钢结构桥梁施工工序复杂，故采用自适应控制法进行其主梁线形控制。悬臂施工周期的起点是挂篮移位定位，终点是预应力钢束张拉完成，在这个全过程中进行线形控制并实施相应的施工精度监测，为尽可能降低日照、环境温度等的不利影响，在早晨6:00—8:00环境温度较为稳定的时间开展施工。在各梁节段前端设置6个高程观测点，并通过立模进行挂篮标高定位，高程测点布置情况见图1。

2.2 主梁线形偏差的敏感性分析

根据该桥梁工程相关设计资料，相关参数取值的误差、施工过程控制可能存在的误差、测量等方面的误差均会对该桥梁具体的施工阶段造成一定程度影响，进而使其实际施工状态逐渐偏离理想状态甚至设计状态。通过分析影响该大跨度梁拱组合钢结构桥梁主梁线形偏差的因素发现，结构设计参数是众多影响因素中导致主梁线形偏差的最主要因素之一[3]，基于以上结论，施工人员应当借助影响因素的相关性及敏感性分析，进一步量化确定出桥梁工程在施工期间可能影响线形偏差的最主要因素，进而以所分析出的因素作为施工控制过程中应重点识别的控制性参数。根据工程实际及类似工程实践，所确定出的该大跨度梁拱组合钢结构桥梁参数扰动率具体见表1。应用有限元软件开展此项钢结构桥梁施工期间结构稳定性分析时，必须针对实际扰动率大大超出《公路桥梁施工技术规范》（JTG F50—2017）具体要求的参数进行调整和优化，而其余参数仍然按照基准状态取值。

图1 高程测点布置情况下载原图

表1 大跨度梁拱组合钢结构形式的桥梁施工参数扰动率统计下载原图

结合以上所得出的桥梁结构稳定性有限元分析结果，进行其混凝土结构等效弹性模量、等效容重、施工及运行环境湿度等参数实际变动趋势影响主梁线形的具体程度分析（见图2），图中横轴为节点编号，纵轴表示的是以上影响因素改变后主梁各节点位移累计值和基准状态下各节点位移累计值之差[4]。

3 施工技术要点

3.1 钢梁分段优化

该桥梁由于具备较大尺寸的单体构件，其中主桥通用段的截面尺寸在其余构件中最大，长45m，宽8m，很难通过整件直接运输的方式将其运至施工现场，应分段后进行安全性和可操作性的重新核算。由于构件预制、运输及安装过程中对于具体操作质量有较高的要求，为避免在以上操作中出现十字缝和底板、腹板、面板错位等，必须将钢结构桥梁和拱脚分段处理。钢横梁的分段情况具体见表2，划分出标准段后能大幅减少工装胎具的应用。合龙段预制时，必须在宽度向增加富余量，两端钢梁焊接完成时确定合龙段净宽。

图2 参数变化对该桥梁主梁线形影响程度下载原图

表2 钢结构桥梁和拱脚分段情况汇总下载原图

3.2 拱脚钢箱梁制作

应用Midas Civil有限元分析软件定义相应的施工阶段并建立拱脚钢箱梁模型，进行组装过程模拟。在钢箱梁模拟组装过程中，必须合理进行构件分段和组装焊接次序的安排，综合考虑焊缝位置和运输高度的情况下进行分段位置和高度确定，防止出现密集焊缝。

3.2.1 下料分段

根据竖向十字肋具体结构，从拱脚处将十字肋横向断开，并保持竖向十字肋结构全部向下倾斜。主桥的拱脚隔板于相邻隔板向着拱脚中心位置20cm位置断开，并调节拱脚处的横向十字肋的断开区域。整体隔板必须从隔板下方事先设置的人孔处的首块加劲板的位置再向下10cm处隔开处理。

3.2.2 组装焊接

先根据设计要求以及相关的顺序完成拱脚外侧设置的构件、拱脚横竖方向设置的十字肋、拱脚内外两侧设置的腹板及顶底板等结构的拼装组合，结束后严格根据质量控制要求焊接拱脚位置处的腹板、顶底板、十字肋间的连接，设置钢梁底板位置处的接缝，焊接拱脚隔板和顶底板中间的接缝。从两端开始，依次向中心退装栓钉，组装并焊接拱脚竖隔板和竖向十字肋，再焊接拱脚内外腹板、隔板及底板接缝，从外侧依次向中心进行横竖隔板交叉组装。

在整体组装焊接的过程中，先组装并焊接拱脚最内侧腹板，再焊接腹板两侧栓钉，对应组装和焊接封闭隔板，并用加垫条坡口的处理方式焊接腹板、隔板所形成的封闭空间的接缝，再交叉组装并焊接拱脚腹板与隔板。

在以上组合焊接施工时，考虑到拱脚腹板、顶板、底板、十字肋均与钢梁底板存在一定角度，必须在组装过程中增设临时支撑。组装施工操作时，必须以两侧为起点，依次向中间的方向退式安装，在为其余施工环节预留足够操作空间的基础上，确保按照施工质量要求焊接处理所存在的全部焊缝。拱脚以内的侧面设置的栓钉应在最后环节再焊接。拱脚以内和外侧面的腹板、顶板和底板在组装和焊接施工前，应采用经过全面检测和标定后的全站仪，测量尺寸后在钢箱梁底板处实施打点引测。封闭空间焊接应在探伤合格后与组装施工同时进行。坡口采用加衬板形式，并在施作空间允许条件下将加衬板坡口形式调整为背面清根形式。

3.3 支撑体系施工

3.3.1 桥下支撑施工

考虑到案例桥梁为梁拱组合式钢结构桥梁，其结构下部主要采用组合柱群的支撑体系形式，钢柱材料采用外径ϕ630mm钢管，并将每6根按照4.0m的设置间距按照一个组合单元进行设置，钢管高度在7～8m。

3.3.2 桥上支撑施工

桥上主要按照钢拱支撑结构进行设计，钢拱按照8.0m的节段长度在水平向实施分段，并以全桥为整体分别设置38段拱肋和4段拱脚。以拱脚为起点，按照次序不断中间合龙，按照设计要求，从桥面开始到拱顶中间存在50.4m的距离，将拱肋支架增设在钢箱梁桥面，同时将钢箱梁下部钢管柱支撑继续保留。为保证钢拱结构焊接安装的施工质量，还应在拱脚及GL5-5构件处布设ϕ630mm钢管，在拱肋结构处以及GL10-5构件处均分别设置盘扣式钢管支架，并按照设计要求直接在桥面钢板上施焊钢管柱底座。同时将ϕ630mm钢管设置在与桥下ϕ630mm钢管柱轴线所对应的钢箱梁上，从而将轴力向钢箱梁下支撑钢管柱以及灌注桩基础传递。

间距4.0m的相邻钢管柱间通过25a槽钢水平横向连接，并以L100mm×8mm角钢为竖向斜拉撑，每间隔12m还应采用L100mm×8mm角钢设置一道水平剪力撑。以上所使用的槽钢横向连接钢管以及斜向角铁全部借助钢管完成焊接，焊接位置所处的高度必须至少达到6mm；此外，还应将3根30a工字钢沿着横桥向并排排列置于钢管顶，与钢管顶牢固焊接。

按照拱肋接口设计要求，通过横纵向工字钢在各段钢拱肋接口处搭设施工平台，并将拱肋两侧外援平台宽度控制在1.5m以上；施工平台搭建所使用的横向肋主要按照16#槽钢以及30#工字钢的结构形式焊接处理，设置间距必须严格控制在0.8m以内。同时，借助4根立杆满拉的斜拉杆格构柱的结构形式进行盘扣式支架架体的支设，架体按照0.9m间距横桥向布置于钢拱架下支点，并增设竖向斜杆剪刀撑，各接缝间的架体均按照1.8m间距设置。

3.4 吊装

采用250t形式的履带吊进行钢桁梁标准节段的吊装施工，钢结构混合段和拱脚段两个部分应同时采用2台250t形式的履带机通过双机抬吊的形式进行施工。在吊装开始前必须进行吊装、支撑方案的论证，在安装施工期间应通过水准仪和全站仪实时测量钢箱梁标高及轴线，并通过增设沙箱的方式调整标高。

4 结语

综上所述，在大跨度梁拱组合钢结构桥梁施工中，通过对施工工序进行调整和优化组合，能够对钢梁进行科学合理的节段分设，优化支撑体系，可显著缩短工期、降低施工成本、提升施工效率，为桥梁应力控制及施工安全和质量控制提供保障。本文所引用的钢结构桥梁施工工程案例，可为大跨度梁拱组合钢结构桥梁施工和质量控制提供工程实践经验，以期有效解决钢箱梁构造所普遍存在的形式复杂、密闭空间设计较多、存在较为严重的焊接变形、狭小的施作空间等难题。