基于几何状态分析的大节段钢箱连续梁吊装技术

周琪

摘要：当前，大节段钢箱连续梁吊装施工过程中，主要采用开环控制法调整施工误差，由于该方法忽略了每个节段自身的几何特征，导致吊装完成后的桥梁变形较为严重。因此，文章以珠江三角洲西岸地区一项全长为50 km的大桥工程为研究背景，设计基于几何状态分析的大节段钢箱连续梁吊装技术。设计过程中首先参考温差和施工受力引起的支座偏移量，计算钢箱连续梁吊装施工位置；其次依托几何状态分析原理确定每个节段的几何特征，结合线形设计要求的预拱度，设置各节段的几何控制线形，降低施工误差；最后从桥梁一端开始应用钢丝绳捆绑式起吊法，将大片段梁体放置在合适位置，完成钢箱连续梁吊装施工。通过对吊装施工完成后的桥梁进行监测可知：大节段钢箱连续梁最大累计变形值为22.05 mm，符合桥梁施工质量要求。

关键词：几何状态分析；大节段吊装；钢箱连续梁；预拱度；线形控制；支架

中图分类号：U448.21    文献标识码：A   文章编号：1674-0688（2023）02-0051-04

0 引言

交通是城市发展的基础，在当今社会发展背景下，公路与城市道路建设工程越来越受到重视，其中桥梁工程的设计水平及施工技术也在快速发展，而桥跨箱形截面形式也成为最常用的桥梁结构，呈现出抗弯刚度大、自重轻等优点。近年来，为了满足不断提升的钢箱施工要求，钢箱连续梁施工技术得到不断更新，基于桥面吊机实现的小节段悬臂拼装技术已经得到广泛应用［1］，但该技术应用在斜拉桥等特殊施工时，无法主动调整钢箱连续梁桥节段的标高误差［2］，最终导致施工桥梁变形较为严重。随着吊装机械设备技术的不断创新发展，开始出现一种大节段钢箱连续梁吊装技术，与传统方法相比，可以更好地调整施工误差，大大提升了钢箱连续梁的施工质量。

目前，大节段钢箱连续梁吊装施工技术包括顶推法、分段吊装法、转体法等多种类型，具体的安装技术选择需要根据场地、工程进度等要求确定。本文选取一座全长接近50 km的桥梁工程作为研究对象，以加强吊装施工主梁结构的安全性为目标，提出在传统的吊装施工过程中融入几何状态分析方法而形成一种新型吊装技术，可以更好地控制施工线形误差。

1 工程概況

本研究选定的桥梁施工工程位于珠江三角洲西岸地区，该桥梁的建设对促进该区域经济发展具有重要意义。经过调查可知，该工程桥梁的全长和主体工程长度分别为50 km和30 km，桥梁主体工程区段采用连续钢箱梁体系。结合施工区域的交通需求和桥梁建设预算，确定该桥梁结构为6 ×110 m的六跨梁结构，并应用正交异性板结构设计顶板。从整体上看，钢箱梁的尺寸为33.1 m×4.5 m，其截面结构如图1所示。

该钢箱连续梁包括顶板、横肋板、底板等多个组成结构。不同梁段的厚度存在差异，要实现桥面顶板的铺装厚度满足统一标准，就需要在大节段钢箱连续梁吊装施工过程中应用上缘对齐的方式进行对接处理。

采用大节段钢箱连续梁吊装技术进行钢箱梁制造，需要经过板单元生产、小节段制作与大节段拼装3个前期环节。在大节段拼装处理完成后，通过吊装设备将钢箱连续梁大节段吊放至合理区域。本研究选定的桥梁施工工程的吊装施工主要包括20个步骤，每个步骤的工况描述见表1。

从表1中可以看到，为了辅助大节段钢箱连续梁吊装施工，本次施工现场存在7个固定支座，主要负责吊装支撑和精确调位；吊装施工工况包括6个跨越单元，每个吊装跨越单元安装后，都需要与前一个跨越单元进行焊接处理。在上述工程背景下，本研究提出一种结合几何状态分析方法进行大节段钢箱连续梁吊装施工的技术。

2 大节段钢箱连续梁吊装施工工艺

2.1 确定钢箱连续梁吊装位置

施工位置的确定是大节段钢箱连续梁吊装施工的基础，考虑到目标桥梁工程的跨数较多，整个吊装梁体会受到施工受力和环境温度的共同影响［3］，出现明显的收缩变形，从而导致桥墩支座出现一定程度的位移。因此，在上部吊装结构位置定位过程中，需要考虑支座的纵向偏移量，确定合理的吊装位置。

通过对桥墩支座定位流程进行分析可以发现，其纵向位移主要来自两个方面，分别是支座体系转换前和支座体系转换后产生的位移量。前者产生的原因是梁体从临时支座上转移到永久支座时，会随着底板的移动发生偏移。后者也可以称为支座相对变形，产生的原因是永久支座的底板受到巨大压力出现变形情况，从而引起纵向偏移。在实际吊装施工过程中，温差和施工受力都会引起两个方面支座偏移量的变化。其中，温差引起的支座偏移量可以表示如下：

[ΔLa=s×Δa×L]                        （1）

公式（1）中，[Δa]表示计算温差，[a]表示温度，[s]表示钢材线膨胀系数，[L]表示固定支座与计算点之间的距离，[ΔL]表示支座偏移量。偏移量计算过程中，需要注意固定支座的转换，这是因为每一次转换都会引起固定支座与计算点之间的距离发生变化。

大节段钢箱连续梁在受力状态下，中性轴的长度不会发生变化，以此作为基准点，辅助后续线形控制参数的计算。但是，钢箱连续梁底板的长度会受到受力情况的影响而出现变化，下缘平均应力引起的支座偏移量计算公式如下：

[ΔLδ=k=1mδQ×Rk]                           （2）

公式（2）中，[δ]表示下缘平均应力，[k]表示受力单元，[m]表示吊装施工工程包含的受力单元总数量，[Q]表示当前支座与固定支座之间单元个数，[R]表示单元长度。

综合温差和受力两个方面因素计算出整体支座偏移量，确定落梁支座中心线、墩顶支座中心线之间的最优距离如下：

[?=-（ΔLa+ΔLδ）]                      （3）

公式（3）中，[?]表示墩顶支座与落梁支座中心线之间的距离。以当前墩顶支座的中心线为基准线，结合公式（3）的计算结果，定位落梁支座中心线，在该中心线上开始大节段钢箱连续梁吊装施工。

2.2 现场布置吊装设备

确定吊梁施工位置后，根据构件重量、吊装高度、施工环境等多项条件，定义大节段钢箱连续梁吊装施工设备参数。为了提升吊装施工速度，本研究提出在吊装施工场所内布置2台吊装机械，将整个桥梁施工区段划分为7个分段，同步开展大节段钢箱连续梁吊装工作。吊装设备的具体参数见表2。

在目标施工区域内选择合适的吊点，并对吊点区域的地基进行处理，确保吊装施工过程中吊装机械可以发挥更大的作用。此外，使用吊车进行吊装处理后，设置外侧腹板作为吊车支腿受力的最远范围。为了避免集中荷载对吊点区域的地基造成破坏导致设备侧翻，进而损害起吊中的大节段钢箱连续梁结构，要求吊车起吊前在吊车支腿下方垫合格枕木，实现支腿集中荷载的分散处理，确保吊装作业安全可靠。

本研究选定的桥梁工程钢箱连续梁区段较长，吊装施工模式适合选择分段吊装法，即吊装安装机械时，每个分段点分别搭建临时支撑支架和操作平台，辅助拱架与拉索的吊装。搭建吊装临时支撑支架时，为了保证其牢固性，采用4根底端固定在锚桩上的直径为19.05 mm的钢丝绳进行斜拉固定处理，避免出现支架偏斜情况。除钢结构外，吊装临时支撑支架还包含一个厚度为30 cm的混凝土底板，在实际操作过程中，需要先将支架的主肢穿过箱梁上方的孔洞，吊装施工完成后，填充混凝土。此外，两节段的钢箱连续梁吊装与安装结束后，可以在箱梁翼缘板处布置一个脚手架，从而得到稳定性较高的临时支撑架。

考虑到重量较大的钢架运输难度较大，本研究提出使用平板拖车作为运输工具，将其转移到吊装施工区域。同时，为了避免运输过程中钢架结构出现变形问题，需要在结构下方添加一些胎具，减缓运输途中的颠簸。运送到目的地的钢架由现场施工人员进行整理和组装，等待后续吊装处理。

2.3 设置各节段几何控制线形

2.3.1 参数设置

钢箱连续梁吊装施工的关键在于几何线形控制，其作用是对吊装施工误差进行现场调整，有助于建设出符合质量要求的吊装施工节段。本次吊装施工应用了几何状态分析方法，分析当前钢箱连续梁吊装现场的几何特征，从而确定当前几何线形参数，根据参数设置吊装施工几何控制线形，使几何线形不断靠近设计要求，达到调整吊装施工误差的目的。几何控制线形的设置需要以前期定义的预拱度为基础，在吊装施工正式开始之前，针对不同的吊装分段，分别定义符合线形设计要求的预拱度，辅助大节段钢箱连续梁的连接。本次参数设置应用了梁单元模型分析，获取桥梁累计变形的1/2活载变形，作为预拱度设置结果。

2.3.2 参数采集

吊装施工几何线形参数的设置，需要从大节段制作环节入手，根据小节段两端标高，确定每个小节段的相对里程与高程，与相对预拱度相加后得出相对高程计算结果，将此结果作为无应力下料参数。大节段的几何形态测量，需要通过红外测距仪、精密水准仪等设备实现。其中，标高需要用高精度的电子水准仪测量获得，角度需要通过倾角仪进行测量，其他几何参数则需要采用全站仪测量获取。根据上述采集参数，可以确定当前钢箱梁制造的几何线形特点，参考大节段吊装施工要求，确定每个分段的几何控制线形。

2.3.3 确定几何控制线形

几何控制线形确定后，设置控制点为底板中心，根据几何关系确定顶板修正量，完成大节段预制处理。将预制处理后的大节段钢箱通过吊装设备转移到临时支座上，观察钢箱梁的自重变形特点，计算其对应的安装几何控制线形，及时调整吊装施工的线形偏差，确保钢箱连续梁安装后，生成符合线形要求的大跨度桥梁。大节段吊装施工几何控制线形的确定，需要考虑竖曲线的预拱度，以及当前施工工况的位移，通过“以直代曲”的方式，制作预制钢箱连续梁。以顶板的中心点作为核心，向四周合理布置测点，确定大节段制造线形（如图2所示）。

除此之外，由于大节段钢箱连续梁的吊装安装需要对相邻节段进行焊接合拢，因此吊装施工必然会存在梁端转角，而转角的取值也会对最终施工效果产生影响。本次施工应用几何状态分析算法对梁端转角进行深入分析，确定转角的几何控制线形，确保相邻的钢箱连续梁可以平顺地完成连接。

2.4 完成大节段钢箱连续梁吊装施工

2.4.1 拉索安装

吊装施工的实现，在很大程度上依靠拉索，本次施工过程中为了保证拉索具有较强的承重能力，采用符合低松弛钢绞线要求的钢绞线作为吊装拉索基础材料，并在绞线和锚具表面分别涂抹一层环氧涂层。将拉索安装到吊装设备上，设置拉索长度为5 m，倾斜角度为85°。为了保证吊装施工的顺利进行，主梁吊装施工共使用了14根拉索，所有拉索的主梁端连接叉耳式锚板，便于挂索安装。前期处理阶段已经将吊装设备布置到施工现场的合适位置，在拉索安装阶段，只需要在设备的上、下预埋处分别添加一个导向装置，将拉索的牵引钢丝绳穿过导向装置，形成一个循环牵引力结构。

2.4.2 吊装施工

按照上述几何控制线形设置结构，在现场吊装设备的辅助下，从桥梁一端开始进行吊装施工。首先，应用钢丝绳捆绑式起吊法，通过吊车将施工材料吊到弹性中心位置以上的吊点位置，结合大节段钢箱连续梁分段吊装长度，获取不同节段的矢跨比。通常，吊点位置的选取应满足弯矩最小、负弯矩绝对值相等的要求，本次施工过程中，在忽略吊装材料曲率的情况下，将该材料视为直梁。通过吊车上的钢筋拉起大节段钢箱连续梁，按照一次运输一个拱段的运输计划，将其放置到预先搭建的两个临时支撑支架上。

吊梁施工操作是整个大节段钢箱连续梁吊装施工的基础环节。为了保证梁体安放位置合理，可以在两个临时支撑支架上分别放置定位件和千斤顶，用于判断当前吊装位置是否合理，并进行调整。所有钢箱连续梁吊装结束后，依次进行焊接处理，最后撤去吊装设备，对吊装就位效果进行检验，符合施工质量要求后，可以拆除临时支撑架。

3 吊装施工结果分析

为了证明应用几何状态分析后，大节段钢箱连续梁吊装的施工效果更佳，在吊装施工完成一段时间后，对该施工桥梁进行变形监测，将监测结果生成的累计变形曲线如图3所示。

从图3可以看出，吊装施工后大节段钢箱连续梁的累计变形呈现出中间大两侧小的规律。其中，最大累计变形值为22.05 mm，出现在跨中区域，明显小于预期设定的大节段钢箱连续梁变形值50 mm，表明几何状态分析下的吊装技术具有良好的应用性能。

4 结语

现代化交通领域的发展，推动了大跨度桥梁事业的发展。本文以珠江三角洲西岸地区一座大桥工程为研究对象，引入几何状态分析方法进行大节段钢箱连续梁吊装施工。应用该吊装施工技术后，从最终施工效果可以看出，桥梁一段时间内的累计变形值较低，有效地提升了桥梁施工质量。

5 参考文献

［1］宋斌. 跨高速公路低高度敞开式钢桁架梁大节段安装施工技术［J］.安徽建筑，2020，27（4）：73-74.

［2］李德昆. 舟山新城大桥提篮式钢箱系杆大节段拱肋整体吊装［J］. 上海建设科技，2021（4）：46-48.

［3］曾祥福. 高墩钢混组合梁无支架大节段吊装及桥面施工技术［J］. 城市建筑，2020，17（18）：163-165.