基于横梁受力分析的分幅式钢箱梁悬臂安装方法比选

何承海，彭琳琳

（中交二航局第四工程有限公司，安徽 芜湖 241001）

嘉绍大桥主航道桥为世界上首座六塔独柱四索面分幅钢箱梁斜拉桥，其跨径布置为70+200+5×428+200+70=2 680 m。钢箱梁梁高4.0 m，单幅梁宽24 m，全幅总宽55.6 m，两幅梁间横梁长9.8 m（见图1），两幅间横梁分箱形横梁和H形横梁间隔设置[1]。

图1 钢箱梁标准段断面图Fig.1 Cross-section of the standard steel box girder section

根据设计理念，横梁仅传递横向四索面内、外侧索力的横向不平衡力，理论上不承受弯矩和剪力。分幅式钢箱梁标准节段采用桥面吊机进行安装，悬拼段钢箱梁存在4个拼配接口，即钢箱梁与已按梁端的2个接口和横梁的两个端口，安装精度要求高，施工难度大。因此，对钢箱梁安装方法开展了专门的研究。

1 基于横梁的受力分析

分幅式钢箱梁采用桥面吊机安装时，可以采用的方法有两种，整体安装方案和分幅安装方案。前者在香港昂船洲大桥和上海大桥中应用[1]，如图2所示。

图2 昂船洲大桥钢箱梁吊装Fig.2 The steel box girder lifting of the Stonecutters Bridge

依托工程分幅式钢箱梁之间设置有永久横梁，其安装方法需要从施工便捷性、工效、经济性以及对结构受力的影响等多个角度进行比较研究。

1.1 起吊不同步箱梁受力分析

依托工程桥面吊机采用卷扬机作为起重设备，标准梁段的吊点布置如图3所示。

对于分幅安装来说，单幅钢箱梁支撑为两点简支，吊具可采用常用的横梁吊具，可以保证各吊点反力平衡。对于整体安装，双幅钢箱梁连同横梁在起吊状态，为四点支撑连续梁，如果采用常用的横梁吊具，只能保证纵向支撑点内力一致，则横向的4排吊点起吊速度一致性要求非常高。

采用ANSYS软件建立有限元计算模型，分析工型横梁和箱型横梁连接钢箱梁吊装时，一侧桥面吊机提升，另一侧吊机不动，使两幅箱梁产生一定高差，对应的横梁应力和吊点反力见表1。

图3 吊点布置图Fig.3 The arrangement of lifting points

表1 横梁应力及吊点拉力汇总Table 1 Summary of the stressin cross beamsand the pull in lifting points

计算结果表明，在上下游侧吊机出现的高差越大，横梁应力也随着增加，对于工字型横梁高差每增加1 mm，应力峰值增加6 MPa，横梁应力对起吊不同步非常敏感。对于箱型截面横梁高差每增加1 mm，应力峰值增加3.7 MPa，横梁应力对高差也非常敏感，过大的高差将导致横梁损伤。

另一方面，对于吊点反力，工字型截面横梁对应节段和箱型截面横梁对应节段分别在高差达到7 mm和6 mm时，即出现了单排吊点脱空的现象，其结果是导致同侧的另一排吊点反力急剧增加，单吊点支反力达90.5 t和105.2 t。如将单排吊点脱空作为控制条件，则对左右幅桥面吊机的起吊同步性提出了很高要求。

综上所述，带横梁标准梁段整体吊装，对两台桥面吊机的同步性要求高，控制难度较大；为避免高差引发各吊点拉力变大可能导致的永久结构受损，需对吊具进行设计，使得同一侧的钢箱梁4个吊点在起吊过程中能实现自平衡[3]。

1.2 横梁施工阶段受力分析

根据设计理念，横梁仅传递横向四索面内、外侧索力的横向不平衡力，理论上不承受弯矩和剪力，为了比较整体安装和分幅安装两个方案对横梁受力的影响，分别对整体安装和分幅安装进行施工阶段分析，对安装阶段和成桥阶段的横梁内力进行比较。

横梁的内力对比结果如图4所示。由于篇幅所限，列出结果为单个塔侧1/2跨范围内横梁内力结果，其中横梁编号为奇数对应的是H型钢横梁，偶数对应的是箱形截面横梁。

图4 横梁内力对比图Fig.4 Comparison of theinternal force in cross beams

通过上述结果可以看出，横梁施工阶段和成桥阶段对应的轴力和剪力与施工方法相关较小，整体吊装和分幅吊装主要影响的是横梁的弯矩，采用分幅吊装，横梁施工阶段和成桥的弯矩均较整体安装小，更符合横梁仅承受斜拉索横桥向水平分力的设计意图，对横梁受力更有利，因此，从横梁受力角度看，分幅安装是更优方案[4]。

2 施工方法综合比选

结合以上对节段起吊过程的受力分析比较以及横梁施工过程受力比较，对整体安装和分幅安装两种方案比选如表2所示。

表2 方案比选Table 2 The comparison and selection of the methods

通过对比研究可以看出，分幅安装标准节段钢箱梁是更优方案。

3 结语

从施工角度看，永久横梁受力的弱化有助于悬吊施工时分别调整左、右幅桥面的索力和线形（纵、横向），也有助于在主梁匹配安装过程中，实现吊装梁段与已成梁段的端口对接。因此，嘉绍大桥标准梁段悬臂拼装采用左、右幅箱梁与横梁单独吊装的施工方法，5~6 d即可实现一个吊装循环，施工工效较为理想，施工精度均满足规范要求。

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[3] 石丰祥.多塔斜拉桥施工过程稳定性分析[J].中外公路，2013，33（5）：106-110.SHI Feng-xiang.Stability analysis for multispan cable-stayed bridgeconstruction[J].Journal of China&Foreign Highway,2013,33(5):106-110.

[4]林道锦，王仁贵，孟凡超，等.嘉绍大桥钢箱梁的设计与施工[M].北京：人民交通出版社，2011.LINDao-jin,WANGRen-gui,MENGFan-chao,et al.Design and construction of steel box girder for Jiaxing-Shaoxing River-Crossing Bridge[M].Beijing:China Communications Press,2011.