斜拉桥钢箱梁整体拼装及河道浮运技术研究

蒋晖 赵小浪 过勇 李沛洪 朱育才

广州市第二市政工程有限公司 510060

引言

随着社会经济建设不断发展，斜拉桥主梁采用钢箱梁形式越来越广泛，同时斜拉桥钢箱梁施工技术也在不断创新，特别是钢箱梁制作、运输、吊装是未来发展的趋势。众多学者针对该领域进行研究，张涛、庄国方等［1-5］基于BIM技术对桥梁钢箱梁等施工部位进行研究解决钢箱梁施工难题；周彦文、邱荣军等［6-9］对钢箱梁吊装和浮运定位进行研究有效解决钢箱梁大物件安装问题。通常大跨度桥梁施工场地开阔，具备良好的通航条件、具有各类型先进运梁台车，能实现钢箱梁在厂房内整体自动焊接成型，然后使用大型运梁台车转运，通过船舶运输到达安装位置。但对于桥梁所处施工场地受限，缺少先进运梁台车，所处河流上下游存在拦河水坝缺少通航条件，重量重和尺寸大的钢箱梁制作和运输是亟待解决的问题。本文针对较少场地内以及不通航内河等不利施工条件的现状，区别于现有钢箱梁制作与运输的方法，引入了基于BIM技术的钢箱梁拼装场地布置、钢箱梁整体拼装、钢箱梁从陆地运输至浮箱技术、浮箱及浮运体系建立等施工方法，从而保证了斜拉桥施工质量。

1 工程概况

鸭嘴岩大桥为独塔双索面斜拉桥，跨度为319m（200m＋74m＋45m），桥面宽36m、主塔高100m。采用钢-混凝土组合桥塔，纵、横桥向塔轴线均呈曲线。斜拉桥主跨200m为跨河段，采用钢箱梁，边跨74m＋45m为陆地跨（河岸），采用现浇混凝土，大桥全貌如图1所示。由于河流为不通航、河岸的施工场地有限、起重设备起重能力有限，需提出在较少场地内的钢箱梁拼装场地布置、钢箱梁整体拼装，并且在不通航河道内进行钢箱梁从陆地运输至浮箱技术、浮箱及浮运体系建立等解决方法。

图1 大桥全貌Fig.1 Full view of the bridge

2 钢箱梁场地布置方法

对于较少场地的钢箱梁场地布置，主要包括运输道路、板单元存放区、顶底板预拼区、总拼区、存梁区以及浮运港池。以鸭嘴岩大桥为例，拼装场地长约170m、宽约50m。按照BIM模拟效果，在施工场地上建立相应区域，如图2所示。整个场地布置呈现流水线作业，在狭小的制造区域内加快了钢箱梁制造效率［10-12］。

图2 场地布置BIM模拟Fig.2 BIM simulation of site layout

（1）运输道路。拼装场地的道路与外界道路接通，场地内的道路宽度为10m。（2）板单元存放区。板单元存放区长42m、宽50m。板单元存放区也进行内部分区，主要分为底板存放区、顶板存放区、隔板存放区、腹板存放区。20t龙门吊两个轨道之间距离是40m，龙门吊轨道经过板单元存放区、顶底板预拼区、总拼区。（3）顶底板预拼区。顶底板预拼区长27m、宽50m。顶底板预拼区的地面由水泥混凝土支墩布满场地，作用是支承顶底板以便于预拼装，可同时满足两个钢箱梁顶底板预拼工作，当顶底板完成预拼后通过龙门吊将顶底板部件吊装至总拼区进行拼装。（4）总拼区。总拼区长40m、宽50m，可同时进行两个钢箱梁总拼工作。总拼区由胎架组成，胎架的作用是定位和支承。运梁车轨道经过总拼区和存梁区。（5）存梁区。存梁区长25m、宽50m，可同时进行两个钢箱梁存放工作。存梁区由凸起承台组成，运梁车通过运梁轨道将在总拼区的钢箱梁移动至存梁区存放，等待浮运。（6）浮运港池。浮运港池的顶部长30m、宽50m，港池的边坡为1∶1，深度约为4m，水深约2m。浮箱能够进入至港池内，通过运梁小车将在存梁区的钢箱梁通过搭设的贝雷梁和正方形支撑梁上的轨道运至浮箱上，退出运梁小车，浮箱出港，拖拽至钢箱梁吊装位置。

3 钢箱梁整体拼装方法

钢箱梁整体拼装主要遵循流程如图3所示。总拼采用“正装法”，以胎架为外胎，以横隔板为内胎，各板单元按纵、横基线就位，辅以加固设施以确保精度和安全，梁段总拼在胎架上一次完成。梁段组装按照总拼流程的顺序，实现立体阶梯形推进方式逐段组装与焊接。在BIM技术协助下在拼装场地对钢箱梁进行总体拼装，模拟过程如图4所示。

图3 拼装流程Fig.3 Assemble process

图4 基于BIM技术钢箱梁总拼流程模拟Fig.4 Simulation of general assembly process of steel box girder based on BIM technology

4 钢箱梁运输方法

4.1 钢箱梁陆上转运方式

在总拼区和存梁区的两侧设置运梁轨道，每一侧运梁轨道布置运梁小车，使用千斤顶将总拼区钢箱梁顶起。接着开入运梁小车，卸下千斤顶，使钢箱梁落至运梁小车上，驱动运梁小车使运梁小车移动至存梁区。然后使用千斤顶顶起钢箱梁，退出运梁小车，放下千斤顶使钢箱梁落至存梁区的支承台上。

4.2 存梁区和港池区运输方法

采用浮运支架对钢箱梁进行浮运，港池区域放置浮箱。通过在浮箱上放置正方形支撑梁以及在港池边坡上进行钢管桩贝雷梁支架搭设，并在正方形支撑梁以及贝雷梁支架上安放运梁轨道，使运梁小车开至贝雷梁支架上直至正方形支撑梁上。放下千斤顶使钢箱梁落于浮箱支架上并针对浮箱的下沉情况进行抽水上浮，保证整体钢箱梁浮箱的稳定性和安全性，退运梁小车。打开靠河流侧的正方形支撑梁以及贝雷梁支架的连接螺栓，拖拽浮箱使钢箱梁和浮箱出港。浮运体系参数见表1。

表1 浮运体系各项目力学参数Tab.1 Mechanical parameters of each item in the floating transport system

运用BIM技术模拟存梁区和港池区运输过程，并对正方形支撑梁以及浮运支架进行BIM建模以及安全性分析，如图5所示。

图5 基于BIM技术存梁区和港池区运输模拟Fig.5 Transport simulation of beam area and harbor area based on BIM technology

4.3 正方形支撑梁及浮运支架安全性分析

1.正方形支撑梁安全性分析

对正方形支撑梁面板局部稳定性验算，根据施工工况，分别建立施工阶段模型，进行施工阶段分析。如图6所示，钢箱梁最大应力86MPa＜190MPa（极限破坏应力），钢箱梁最大位移为0.33mm，可满足施工要求。

图6 正方形支撑梁安全性分析Fig.6 Safety analysis of square supporting beams

2.浮运支架安全性分析

浮运支架用φ630×8mm为主肢，φ426×8mm的钢管为连接系，在主肢下两端安装三拼63b工字钢作为横向分配梁，双拼40a工字钢作为纵向分配梁。根据施工工况，分别建立各施工阶段模型，进行施工阶段分析。如图7所示，浮船支架最大应力32MPa＜190MPa（极限破坏应力），浮箱支架最大位移为1.4mm，故结构强度满足要求。

图7 浮运支架安全性分析Fig.7 Safety analysis of floating support

5 钢箱梁水上浮运方法

在两岸各设1组地锚装置，浮箱组四角各设卷扬机与地锚相对应；地锚位置可根据现场实际情况移动位置；浮箱组通过卷扬机牵引缆绳行驶至吊装位置，通过地锚连接精确定位［13-15］。运输路线：浮运平台出港池后，通过上游牵引绳溜放，沿河岸侧运输至桥址，再通过下游牵引绳横移至吊装位置，实现钢箱梁水上浮运，如图8所示。

6 结语

1.以鸭嘴岩大桥为背景，通过BIM技术模拟拼装场地布置，整个场地布置呈现为流水线作业，实现在拼装场地对钢箱梁进行总体拼装，加快钢箱梁的制造效率。

2.采用浮运支架对钢箱梁进行浮运，在浮箱上搭设正方形支撑梁及浮运支架并对安全性进行分析，实现了钢箱梁从陆地到浮运的体系转换，解决了钢箱梁运输和浮运的难题。

3.通过设置地锚拖拽系统，实现钢箱梁以及浮运体系在内河中运输，有效保证了斜拉桥施工质量。