架桥机应用于预制装配桥梁施工的关键技术

葛纯熙

[上海公路桥梁（集团）有限公司，上海市200092]

0 引言

随着社会的快速发展以及经济的快速提升，桥梁建设的数量和规模都在不断增加。对于现代桥梁建设来说（特别是大型桥梁），架桥机已经成为必不可少的组成部分，其能够方便完成桥梁施工、提升工作效率、确保施工安全[1]。

桥梁预制装配式施工工艺相比传统的混凝土模板现浇工艺，具有质量易于控制、施工迅速、对环境影响较小的优势，尤其在城市高架桥建造施工中逐渐得到了认可和大规模应用[2]。上海市嘉闵高架、济阳路快速化改造、S7 沪崇高速等工程均在全线使用预制装配式施工方法。闵浦三桥首次在跨黄浦江大桥的引桥上采用预制装配式施工工艺，立柱、盖梁、小箱梁以及防撞护栏均采用预制场内预制完成，施工现场通过大型起重设备精准吊装就位的方法。

1 工程概况

闵浦三桥引桥总长度约为1.4 km，其中南岸680 m（20 跨），北岸720 m（21 跨）。引桥为双幅布置，每幅桥面宽12 m，单向三车道。引桥采用双柱式盖梁桥墩，标准跨径35 m，主梁结构为梁高1.9 m的小箱梁，并按照梁体简支、桥面连续的结构体系设计，见图1。

图1 引桥结构布置图（单位：cm）

在立柱、盖梁现场吊装完成后，根据现场的场地情况采用架桥机进行主梁的安装。架桥机在梁体架设安装施工过程中存在其自身的优势，架桥机施工时受到地面环境的限制较小，并且也能够适应全天候，全类型的桥梁施工[3]。由于预制装配式工艺的引桥与传统工艺引桥有一定的差异，而且闵浦三桥也首次采用防撞护栏与小箱梁一同预制后现场安装，因此在进行主梁安装过程中，涉及了多种复杂的工况。本文以闵浦三桥引桥主梁安装为例，详细介绍在预制装配式桥梁中架桥机架梁的关键施工工艺。

2 架桥机施工过程验算

近些年，架桥机施工中出现的事故也偶有发生[4]，结合闵浦三桥引桥预制拼装的特色，施工前方案中工况的考虑和计算显得尤为重要。

2.1 架桥机纵移

标准跨径为35 m 的小箱梁，总体重量约为170 t，增加了预制防撞墙之后，梁体的总重量接近205 t。按照荷载规范要求，原本只要200 t 起重量的架桥机增大到260 t 才能满足。架桥机型号增大，适应的架设跨度也会增大[5]，传统的260 t 公路架桥机，一般最大跨度在40～50 m，因此对于闵浦三桥引桥施工的架桥机不需要增加尾部配重就能满足空载过跨的最不利工况。

方案要结合现场的实际施工来制定才具有可行性。在预制防撞墙一体化小箱梁的初期就决定了采用架桥机进行架设，为了能保证架桥机纵移时，给支腿和横移轨道留有空间，见图2。在防撞墙梁端位置各留出2 m 的空间，这2 m 的防撞墙在梁体架设完成后再进行接顺后浇施工。

图2 防撞墙预留现场浇筑位置示意图

2.2 架桥机横移

架桥机横移的工况更为复杂，由于闵浦三桥引桥为双幅引桥，为了提高架桥机架梁施工效率，架桥机从双幅引桥之间横移切换势在必行。不同于盖梁上方的轨道，对位于两个盖梁之间的轨道，采用鱼腹梁的形式进行了加强，确保了轨道上表面的平顺密接，同时鱼腹式的加强增强了轨道的抗弯能力。

除了架桥机空载横移跨幅之外，在方案初期也考虑了架桥机带着小箱梁一同跨幅。需要对跨幅过程中最不利的情况进行计算，见图3。图中描述了架桥机位于两幅桥之间，并准备在盖梁的一侧将梁提起。架桥机总重约为260 t，在前支腿的一侧重量约为65 t，梁体总重约为205 t，前支腿大约承受一半的重量约为102.5 t。根据实际情况将荷载和尺寸明确在计算简图中。

图3 提梁跨幅最不利工况计算示意图（单位：cm）

通过建模计算得到盖梁底部最大拉应力1.64 MPa，小于盖梁C50 混凝土抗拉设计允许值1.855 MPa。盖梁最大剪力值为2763 kN，小于抗剪承载力容许值。而在远离荷载一侧立柱顶弯矩491 kN·m，立柱顶轴力为拉力726 kN，对于局部节点受力较为不利。在极端的受力情况下，预制拼装的立柱变为具有较大拉力的偏拉构件。在与设计进一步复核后，不满足下部预制拼装结构的受力要求。

结合这样的计算结果，架桥机无法提梁跨幅，施工方案将只在单幅引桥设置喂梁通道调整为双幅引桥均设置喂梁通道，每幅引桥的小箱梁均沿着各自引桥运至架设的位置，从而经济合理地避开了架桥机提梁过跨的施工需求。

2.3 喂梁、架梁施工细节验算

闵浦三桥引桥小箱梁采用小尺寸湿接缝，湿接缝宽度仅为30 cm，搭接钢筋为非焊接，浇筑C80 混凝土。基于这样的构造，在湿接缝浇筑之前，一跨之内的三榀小箱梁并未形成整体。梁上运梁就需要更加谨慎，如果横跨边梁和中梁，可能会导致梁体受力不平衡而倾覆，因此运梁车车轮只能全部作用在中梁腹板的上方。

为了确保运梁车的安全，除了在中梁上划好行车线确保车辆平稳通行，也对满载的运梁车只作用在中梁的工况进行了验算，经过图4 中两个工况的验算，抗弯和抗剪的均能够满足，从而确保梁上运梁的安全实施。

图4 梁上运梁的验算工况（单位：mm）

作为防撞墙一体化预制的边梁，梁体重心偏向了防撞墙一侧，增加了梁体倾覆的风险[6]。在吊装和落梁的过程中精准的计算出重心的位置尤为重要。从图5 中可以看出，1.9 m 高的小箱梁，一侧增加1.1 m高的防撞墙，经过计算，重心偏移了31.3 cm。为了确保吊梁过程中梁体的空中姿态水平，让重心位于扁担的正下方，将吊梁的扁担两侧做了适当延长的设计。小箱梁每一端采用双支座，偏移后的重心仍然位于两个支座之间，梁体并不会出现倾覆[7]。

图5 重心偏移的边梁吊装（单位：mm）

3 特殊工况验算

闵浦三桥引桥小箱梁架设安装过程中，除了架桥机配合预制装配式桥梁结构施工的常规动作外，还存在两个极为特殊的工况需要仔细验算，这两个工况也出现在类似的工程中，具有相当明显的指导意义。

3.1 过渡墩段架梁

架桥机从地面开始架设，最后一跨与之前的情况有所不同。最后一跨本来应该将架桥机横移轨道放在主桥过渡墩上[8]，但是由于主桥的边跨梁段已经架设完成，见图6，只能将轨道放置在已经就位的主梁之上。为了能够将引桥的边梁安装就位，架桥机必须横移至主梁的挑臂位置。

图6 主桥边跨先于引桥安装完成

闵浦三桥主梁采用叠合梁的形式，标准断面为开口钢箱梁叠合预制混凝土桥面板。在过渡墩位置设计单位考虑到局部受力，采用的是全截面钢箱梁后浇混凝土桥面板，截面尺寸见图7。架桥机架设安装最后一跨引桥时，横移轨道直接铺设在钢梁的顶板上，架桥机提梁的施工时，顶板上方局部的支腿分担的重量超过100 t。尽管已经将横移轨道放置在钢箱梁内有横隔板的位置，但是施工之前必须对钢梁的挑臂进行详细的计算。

图7 过渡墩顶钢梁的尺寸设计（单位：mm）

采用ANSYS 有限元软件对挑臂位置进行建模，模型采用板壳单元shell63 来模拟，单元按照四边形来划分，按照对称性的原则，只建立梁体含挑臂的钢梁，其中顶板、肋板和箱梁内部的隔板均按照实际尺寸进行建立。架桥机的重量和边梁的重量均按照实际工况分摊到两个支腿上，外侧的支腿分担的重量更重一些，模型最终荷载取值为外侧受力为140 t，内侧受力为90 t。

计算结果表明，悬臂的最外端位移最大值为2.02 cm，整体受力比较合理，但是在内侧的横隔板位置出现了较大的应力值，见图8（b），等效换算应力值约为355 MPa，闵浦三桥的钢材种类为Q345q 类型，计算值355 MPa 大于设计强度，存在较大的安全隐患。为了能够确保在最不利状况下实施架桥机安装，对梁体内部的横隔板进行了补强，在转角位置增加了横桥向1 m，高度0.7 m 等厚度的钢板并重新建模进行了计算。转角位置的等效换算应力下降到260 MPa，悬臂最外端的位移最大值也下降为1.94 cm，对于悬挑长度为4.5 m 的钢结构挑臂来换算，等效挠度比为，满足规范中的钢结构变形要求。

图8 有限元模型建立以及两种工况下计算的应力值

基于计算结果，现场施工前，首先对横移轨道下方的枕木进行了增强，确保局部位置受力分散均匀，同时对横移轨道下方的横隔板转角进行了补强，确保最不利工况下钢梁各个位置的应力均小于设计强度。最终小箱梁架设安全完成，现场监测的挑臂最大位移值约为0.9 mm，施工完成后，未留下残余变形。

3.2 小半径架梁

闵浦三桥北岸引桥，为了避开闵行区某发电厂，整个线路向西偏移约400 m，引桥的主线转弯半径降为650 m，内侧一幅的曲线半径仅为635 m。对于架桥机整体而言，双主梁和前后支腿组成一个长方形，整个长方形在一个曲线半径很小的区域里，可能会出现边梁一端无法架设到位的情况[9]，因此在施工前，对小半径施工区域内的小箱梁架设进行了详细的模拟。

根据弦切角定理，半径635 m 的圆弧，35 m 的弦长位置，圆弧点与切线的距离为0.965 m。换成架梁过程中的实体，35 m 的梁段长度上，前后支腿在横桥向与盖梁相对位置始终错开96.5 m 距离。

首先对前支腿的位置进行模拟，确定了前支腿移动到最边缘时，架桥机的主梁中心线在盖梁边缘外侧85 cm（见图9（a）），此时中支腿位置的主梁中心线应该在盖梁边缘内侧11.5 cm。接下来模拟中支腿位置架设边梁的极限情况，按照天车的吊索与架桥机主梁贴紧来考虑，此时为了能够架设边梁，架桥机的主梁中心线最靠内侧的位置是盖梁以内13 cm（见图9（b））。根据相对位置的模拟，在距离盖梁以内11.5 cm 的情况下中支腿位置是能够保证边梁架设到位，也避免了架桥机主梁进行风险较高的转角处理。

图9 小半径位置的真实模拟（单位：cm）

小半径曲线区域的盖梁是随着主线不断旋转，导致前后两跨的盖梁并不平行，而架桥机的前中支腿横移轨道必须平行，因此中支腿的轨道需要按照前支腿轨道的位置平行放置。因此中支腿的轨道与梁端的过孔线并不平行，距离最大的位置约有1.2 m的距离，这个偏差能够在2 m 的防撞墙后浇区域内进行有效地调整。

3.3 梁体架设完成

对架桥机整个施工过程中各个工况进行计算和模拟，闵浦三桥南北岸引桥的小箱梁架设安装过程全程受控（见图10）。经过南北岸各1 个月的时间连续施工，架桥机高精度的完成了大纵坡、小半径的防撞墙一体化小箱梁的安装架设。小箱梁位置准确，梁体所形成的横坡、纵坡平顺，防撞墙整体线型顺直，梁体之间的湿接缝间距控制满足设计，达到了预制装配式施工中上部结构梁体安装的精度要求。

图10 引桥小箱梁架设安装完成

4 结语

本文通过对闵浦三桥248 榀小箱梁采用架桥机架设的施工工艺进行总结，得到以下几个结论：

（1）对于防撞墙一体化预制的小箱梁，采用架桥机架设安装时，需要在小箱梁预制过程中充分考虑架桥机施工过程中的预留构造空间，确保架桥机能够顺利施工。

（2）下部结构为预制装配式工艺施工完成，架桥机在进行上部结构架梁施工时，需要考虑最不利工况下对于下部结构的受力影响，保证下部结构的拼装节点受力满足设计要求。

（3）施工过程中，架桥机可能会跨越多种结构类型的主梁，在过渡墩位置需要根据施工工况计算盖梁前后的架梁工况，确保过渡墩两侧的梁体受力均能满足。

（4）对于架桥机施工中出现的空间位置限制所可能导致的不能一次性准确落梁的情况，需要在模型中进行多工况精准模拟，避免强行移动超限导致架桥机出现侧翻事故。

本文相关的施工工艺和关键技术能够更好地指导目前日益增多的预制装配式桥梁结构中合理运用架桥机施工，从而为架桥机在类似工程中施工提供成功经验和参考。