斜交河道的大跨度钢箱梁悬臂拼装技术

连海建

1.上海市基础工程集团有限公司 上海 200002；2.上海预制拼装桥梁建造产业技术创新战略联盟 上海 200000

1 工程概况

北虹路立交是上海市重大工程——北横通道的西部起点，它通过新建及改建相结合形成与中环线全互通立交，包括2条主线高架（N、S）、8条匝道和1座人非桥。该立交5次跨越中环线及既有北翟路立交，5次跨越苏州河，1次跨越新泾港，其造型极其复杂，施工极度受限，施工难度极大（图1）。

立交桥中，主线N、S跨苏州河设计采用了大跨度斜交形式[1]，斜交角度约30°，其中S线主跨度153.104 m，属于特大桥范畴。具体参数见表1。

图1 北虹路立交平面示意

表1 跨苏州河钢箱梁参数

本工程所处苏州河为6级航道，通航宽度约25 m，周边道路情况如下：东西为长宁路（双向6车道），南北为双流路（双向2车道），交通流量较大，施工期间交通不能占用，且道路地下管线密布；长宁路南侧又为居民小区，文明施工要求高。

2 方案比选

由于该部分钢箱梁跨度大，苏州河沿岸又为繁忙的长宁路，社会交通不能间断，施工作业空间特别狭小，故无法采用转体法；而顶推滑移法又因施工周期较长、导梁较长、对钢箱梁的变形影响较大等原因同样不适合；经过反复研究，决定采用大功率机械悬臂拼装＋大节段合龙的施工工艺。

钢箱梁从制梁基地一路水运至北虹路立交苏州河水域，采用150 t级浮吊安装。

3 工程重难点分析

该部位钢箱梁安装施工的重难点包括：

1）跨河进行大型钢箱梁吊装，安装精度要求高。

2）水中临时支架主横梁受力大，对主横梁型式选择要求高。

3）悬臂拼装时的临时匹配措施要求高。

4）受河道影响，浮吊吊装就位难度大，测量难度大。

5）合龙段最后的切割余量确定难度大。

4 悬臂拼装技术

悬臂支点（即水中临时支架）位置的选择影响因素包括：苏州河道的通航要求（25 m）；边跨自重与悬臂段平衡问题；悬臂段部分整体变形[2]；合龙段质量不超过150 t。

本次计算采用Midas Civil 2015有限元分析软件。建模的主要参考资料有：北虹立交主线跨苏州河上部钢梁构造图、北虹立交平面布置图等。

4.1 主线S悬臂计算

主线S主跨153 m，南侧的临时支撑（水中）距离S15墩30 m，北侧的临时支撑（水中）距离S16墩31 m。南北两侧各悬臂35 m，合龙段长约22 m（图2、图3），估算的合龙段质量为130 t。

图2 主线S悬臂计算示意

图3 主线S南北两侧双向悬臂施工35 m模型

4.2 主线N悬臂计算

主线N主跨144 m，南侧的临时支撑（水中）距离N13墩40 m，北侧的临时支撑（水中）距离N14墩25 m。南北两侧各悬臂25 m，合龙段近29 m（图4、图5），估算的合龙段质量为160 t。

图4 主线N悬臂计算示意

图5 主线N南北两侧双向悬臂施工25 m模型

5 钢箱梁合理化分段

横向分段原则：由于运输设备的限制，横向分段宽度保持在6 m以内，即将钢箱梁横向一分为三（去两侧翼板），中间箱体（宽5.5 m）单独分段；由于运输路线中的河道通航净空限制，高度方向控制在5 m以内。

纵向分段原则：同样，由于运输设备的限制，纵向分段长度需要控制在30 m之内；由于该部分钢箱梁为双曲线形式，故悬臂段分段长度不宜过长，在考虑线形控制、预拱度条件下，将悬臂段长度控制在14 m以内。经核算：最大悬臂段质量80 t，合龙段质量124 t。

实际分段与悬臂计算略有差异，但在悬臂计算允许范围之内。

6 设备优选

鉴于苏州河水位及通航要求条件的限制，以及桥体钢箱梁的分段尺寸与质量，综合考虑采用150 t浮吊作主吊，运输采用40 m长深舱船。

7 悬臂拼装关键技术措施

7.1 钢箱梁制作精度控制

钢箱梁制作严格按照设计图纸、项目部制订的分段要求、施工监控预拱度、JTG/T F50—2011《公路桥涵施工技术规范》等进行深化设计与制作。

钢箱梁制作胎架，要按照钢箱梁最大质量进行设计，且一律采用高强度型钢制作，确保其强度、刚度、稳定性，以保证钢箱梁制作过程中不发生变形、错位等问题。

每一联钢箱梁均整体、通长制作，制作完成后，按深化设计的分段情况进行切割分段，切割完毕，钢箱梁节段下胎。然后通过测量仪器采集各监控点坐标，导入虚拟预拼装软件，进行模拟预拼；同时在梁厂内进行实体预拼装，目的是通过虚拟预拼装和实体预拼装及时反馈制作偏差情况，若超过规范、设计允许值，尽快修复调整，最终经项目、监理人员验收合格后出厂[3-4]。

7.2 水中支点设计

经计算，悬臂支点位置最大反力9 000 kN，故水中支架需要有足够强大的横梁才能支撑，常规H型钢即使采用多榀也难以满足；也曾考虑采用200型贝雷梁，经计算需要16榀，多榀后横梁宽度超过3 m，安全系数只有1.2左右，为此只好放弃贝雷梁方案。后经工程项目技术人员的研究，决定采用型钢桁架横梁形式，从而不仅满足了横梁强度、刚度、稳定性的要求，而且大大缩小了主横梁的宽度（图6）。

图6 水中支架（型钢桁架主横梁）

水中支架桩基采用φ800 mm钢管桩，经计算确定桩长范围为32～48 m，单桩承载力按2 000 kN计算，安全系数大于2。钢管桩分节长度为20 m左右，采用50RF高频免共振锤施打。

7.3 快速化工装匹配措施

由于本桥悬臂段较长、质量较重大且为曲线形状，所以对悬臂段之间的临时匹配措施要求较高，必须同时具备抗剪、抗弯、抗压、抗扭能力。

传统常见的安装多采用码板进行临时固定、匹配，但是对于本桥悬臂段来讲，只是简单采用码板甚至是大型码板，都难以确保钢箱梁安装的精度。在经过不断思索和尝试后，由项目技术人员设计出一套全新的临时匹配措施，即顶板采用工装、底板采用对接牛腿（图7），取得了理想的效果。

图7 工装、牛腿

工装、牛腿均采用厚20 mm的Q345钢材焊接，与钢箱梁采用双面角焊缝焊接。每个工装对接板预留4个φ35 mm的螺栓孔，螺杆采用φ32 mm的10.9级承压型连接高强度螺栓，每个螺栓抗拉280 kN，抗剪170 kN。

每个悬臂拼接断面配置2套工装、牛腿，同时配备几组码板，协同作用，以确保悬臂节段的安装精度与安全度。

7.4 测量、监控现场双控

为实现施工控制，每一梁段至少布置8个监控点，即4个角点、4个监测点，长度较大梁段中间再加设2个监测点，待梁段安装后，通过监控点实时测量各点坐标由于温度、施工荷载、水中支架沉降等引起的数据变化。

将测量人员测得的监控点数据与理论数据进行对比，若误差在允许范围内，则及时反馈给施工监控单位，通过实测数据再来实时计算下一梁段的安装预抛量。通过这种动态纠偏过程，达到减小偏差积累的效果，以保证钢箱梁整体的安装精度和美观度。

在合龙段安装之前，要安排测量人员连续48 h对两侧悬臂段底板、腹板、顶板进行精细测量，最后根据连续观测的数据，绘制合龙口的尺寸，确定合龙段要切除余量的大小，以保证合龙段顺利匹配。

7.5 精确合龙措施

合龙段安装时，细化合龙段的施工顺序：浮吊初步就位、运梁船舶就位、浮吊系钩提升梁段、运梁船舶驶离、钢箱梁就位、测量精细定位、临时匹配措施固定、浮吊松钩。各个环节都须严密控制，以确保在有限的封航时间内完成合龙段安装。

本工程2次合龙段的钢箱梁吊装，现场施工始终保持合理有序，在精心组织下，浮吊将合龙段钢箱梁缓缓吊起，仅用2 h，合龙段就安装在指定位置（南北两侧已安装悬跨段钢梁的预留空间），可谓是一步精准就位。

8 结语

钢箱梁悬臂拼装技术在上海北虹路立交工程中的成功研发及应用，有效克服了场地受限、交通受限、设备受限、时间受限等4个限制，实现了工期节约、成本节约、材料节约和环保节约等，具有良好的社会及经济效益。其不仅带来了桥梁施工技术的进步，更赋予了设计人员更加多变的创维空间，可以在类似跨越重大基础设施、敏感建筑、市政管线等工程条件下，进行钢结构桥梁的灵活设计及安装研究，对类似工程有一定的指导及借鉴意义。