大跨度人行天桥钢箱梁两节段拼装技术

高 曼

(广东冠粤路桥有限公司, 广东 广州 511450)

0 引言

人行天桥一般建造在交通量大、往来行人密集的地段。人行天桥只允许行人通过,用于避免车流和人流平面交叉的冲突,确保行人安全地穿越道路,保障交通的顺畅,减少交通事故的发生。人行天桥按结构区分,通常可分为悬挂式结构、承托式结构和混合式结构等[1-3]。承托式结构的过街人行天桥将承重的主梁直接架设在桥墩上,主梁上供行人通过,两侧设置栏杆,因该类桥梁作为城市景观的功能较好,因而采用数量较多。钢箱梁作为人行天桥的主体结构,具有抗拉强度高、结构重量轻、施工快捷方便等优点[4-6]。

传统的钢箱梁安装方法采用分段在工厂加工,运至桥下吊装位置,利用临时支墩进行拼装[7-8]。由于我国现阶段城市道路更新升级较快,不可避免地会出现公共资源被交叉占用的问题,项目受到各种外部因素的影响也会比较突出,以至于传统方法已难以满足现阶段施工的要求。

新新公路原设计人行天桥钢箱梁的施工方案为分5节段梁在工厂加工后运至人行天桥下吊装位置利用临时支墩吊装拼接。为了加快施工进度,缩短钢箱梁工地拼接时间和施工临时占道时间,同时减少工地焊缝的数量,可采取减少钢箱梁拼接节段梁数量的方法。在同等条件下,通过对比分析钢箱梁分不同数量节段拼接施工时的情况如表1所示。由表1可见,在采用大吨位起重设备、保证吊装安全的情况下,钢箱梁两节段拼接方案为此复杂环境下施工的最优方案。该方案经过设计单位反复验证,最终被认定是可行的。

表1 不同数量节段梁施工情况分析

本文以新新公路人行天桥为例,介绍了钢箱梁由原设计方案5节段梁在工厂加工后运至现场利用临时支架吊装拼接的方案,优化为两节段梁在工厂加工,拼接口设置台阶断面,利用胎架设置预拱度,然后运至现场拼装焊接的方案。

1 工程概况

新新公路(广园快速路至叶岭村段)改造工程位于广州市增城区南部,路线总体走向为由南向北。起点位于广园快速路向北200 m,为城轨并入新新大道处;终点为城轨与新新大道分离处。全长10.486 km。原公路为混凝土路面,采用二级公路设计标准,设计行车速度50 km/h。改扩建后的新新公路道路等级为一级公路,兼顾城市主干道的功能。

本项目新建5座人行天桥。5座人行天桥主梁跨度均为2×24.8m,桥面净宽均为3m。根据人行天桥位置的实际地形及周边环境,天桥采用“工”型布置。人行天桥主跨采用两孔连续钢箱梁结构,箱梁高1.2m。梯道采用普通钢筋砼连续实心板梁结构。主桥墩采用变截面板墩的结构形式,基础为承台接双柱结构,梯道墩采用单柱结构形式。主梁采用预制拼接吊装施工,减少对现有道路交通的影响。人行天桥的三维模型如图1所示。

图1 人行天桥三维模型

原设计人行天桥钢箱梁施工方案分5节段在工厂进行加工制作,运至桥下吊装位置,利用临时支墩吊装焊接拼装,如图2所示。

图2 人行天桥5节段拼接及临时支墩设置

2 两节段结构内力计算

2.1 模型的建立

该人行天桥主梁为两跨连续钢箱梁简支桥。根据简支桥的结构受力特点,该桥理论计算可简化为两端简支中间连续受力结构模型。结构静力采用桥梁有限元软件MIDAS/CIVIL进行分析,全桥有限元模型共分为51个节点、50个单元。有限元模型如图3所示。

图3 有限元模型

2.2 荷载组合计算

在荷载输入建模过程中,静力荷载考虑了钢箱梁整体自重103.3t,设计人群荷载为4.0kPa。为确定两节段钢箱梁拼接缝的位置,需对两跨连续钢箱梁的内力进行计算。通过计算,由图4可知剪力的最大值在中央墩位置,剪力最大值为502.2 kN;由图5可知弯矩的最大值也在中央墩位置,弯矩最大值为2 378.3kN·m。

图4 人行天桥钢箱梁剪力分布

图5 人行天桥钢箱梁弯矩分布

钢箱梁两节段拼接缝需错开剪力最大的断面位置,同时考虑到大件运输的长度极限,拼接缝位置选择在中央墩中线偏外1.25m。拼接缝采用“L”型台阶断面形式,如图6所示。较长节段梁的拼接口设置成向上的正台阶,较短的节段梁拼接口设置成向下的倒台阶,这样较长节段梁因先安装在两个墩柱上已经处于稳定状态,向上的正台阶拼接口可以起到承托较短节段梁的作用,分担了接口焊缝剪力作用,保证了接口焊缝的受力要求。

图6 人行天桥钢箱梁台阶断面拼接缝

2.3 预拱度计算

主梁为两跨连续钢箱梁,桥宽3.5m,梁高1.2m。根据设计要求需设置预拱度,预拱度以各跨跨中为原点按圆曲线变化。根据计算结果,由图7可知钢箱梁的最大变形量为0.004m,同时可得出人行天桥主桥钢箱梁的纵向预拱度值(表2)。

表2 钢箱梁纵向预拱度

图7 钢箱梁纵向挠度分布

3 施工工序

3.1 钢箱梁工厂加工

(1)钢箱梁分两节段在工厂进行加工。由于钢箱梁的工地连接采用台阶式断面焊口焊接,工厂加工的两段采用标准化长度,通过调整张口大小来达到设计线型,临时吊点等预埋件与钢箱梁一起制造。

(2)钢箱梁各段在胎架上进行制造。胎架根据计算出来的参数设置预拱度,制作好的两段进行试拼装,确保试拼合格。

(3)钢箱梁各构件焊接坡口的形状、精度严格按照相关规范标准执行。

(4)所有焊缝均采用CO2气体保护焊。焊缝在施焊前做好焊接工艺评定试验,确定焊接的方法、材料、步骤和工艺参数等。

(5)工厂加工的钢箱梁焊缝经过无损检测,检验要求及数量均满足《公路桥涵施工技术规范》(JTG F50-2011)的规定。

3.2 支座及临时支墩的安装

人行天桥主梁采用盆式橡胶支座(GPZ(Ⅱ)支座),支座承载力均为2 000 kN。桥墩墩顶垫石采用C40混凝土加钢筋网浇筑而成。垫石施工主要控制顶面高程和平整度,确保钢箱梁安装的精度,同时在垫石上预留有固定盆式橡胶支座的螺栓孔,待钢箱梁安装就位后,螺栓孔的缝隙采用环氧砂浆填充。

临时支架采用钢筋混凝土基础,长3.7m、宽2.5m、高0.5m,采用C30普通混凝土浇筑。在支架立柱位置预埋钢板。临时支墩由6根φ280mm的钢管立柱和20a的槽钢斜撑组成。横桥向钢管间距为2.7m,顺桥向钢管间距为1.5m。分配梁均为双拼25的工字钢,调节块采用20a的工字钢。临时支墩及两节段拼装如图8与图9所示。

图8 人行天桥临时支墩

图9 人行天桥两节段拼装

3.3 钢箱梁的运输

由于最长梁段为29m,采用30m长平板车运输。30m长平板车所需转弯半径为24m,厂家委托有资质的运输单位对运输线路反复调研并实地考察后,最终确认从佛山生产基地至广州增城项目施工现场道路宽度和沿线的路桥、路灯、电线电缆等的高度、宽度可满足本次梁段运输单元的最大限度要求。同时能够保证快捷、方便、及时地将所需梁段运输至施工现场,并保证梁段在运输途中的安全和完整。运输梁段采取的加固措施如图10所示。

图10 钢箱梁运输的加固措施

运输单位提前将相关的运输资料和手续上报路政部门及交警批准后方可上路运输。大件运输过程中,在必要的情况下可向交管部门申请开道引行,确保运输道路畅通。由于选择的运输路线车流量较大,为了保证其运输不影响佛山市和广州市的交通,钢箱梁选择在晚上22:00后运输。

3.4 钢箱梁的吊装

人行天桥较长的节段重52.1t、较短的节段重51.2t。选用QY220H汽车吊,配重55t,吊装半径10m,起钩半径9m,吊臂长度为18.3m,此时额定吊重为69t。考虑到吊具2t,69×0.8=58.6t>52.1t+2t=54.1t,满足吊装需求。吊装前做好支座安装及测量的准备工作,通过测量放样,标明临时支架的安装位置。吊机根据吊装计划时间,提前进场组装、试车,并事先确定好吊车站的位置,同时设置好支腿下的钢垫板。现场管理人员分工合作,所需的设备材料也提前准备到位。现场吊装过程如图11所示。

图11 钢箱梁梁段吊装

钢箱梁临时连接方法:首先连接吊装节段顶板与已安装节段顶板的临时连接件,接着强迫连接底板的临时连接件,最后连接两侧腹板的临时连接件,并初调箱梁的接缝间隙。由铆工对接缝间隙进行精确调整,达到设计标准要求后,焊接马板保持既定位置再焊接。因部分吊装节段的钢箱梁位于支座处,因此安装时对相应节段的钢箱梁在节段空中组拼时在长度方向预留50～100mm的余量,以便现场调节。进行支座位置校准,以确保钢箱梁尺寸及位置与实际桥墩支座中心尺寸空间位置一致。两支墩之间的钢箱梁焊接完成并经检验合格后,拆除临时支墩。

3.5 人行天桥雨棚及梯道的施工

雨棚的安装在主梁节段制作时安装预定位置埋入预埋立柱,安装采用单机进行吊装。安装时调整好雨棚立柱的标高、坐标及垂直度,校正准确后固定、焊接,保证外观质量。同时,梯道可开始进行搭设钢管支架及底模安装。梯道底模安装完成后需对支架进行预压,预压合格后再安装梯道钢筋,最后浇筑梯道混凝土。雨棚吊装及完工后的现场情况如图12与图13所示。

图12 天桥雨棚吊装

图13 完工后的人行天桥

3.6 交通疏解方案

吊装时间尽量安排在车流量较少的时间段。经现场调查,晚上20:00后车流量不大。由于钢箱梁在计划现场吊装前一天晚上22:00后才能运输至施工现场,所以装载梁段的平板车只能停在施工现场附近3km外比较宽敞的香山大道路边,等待次日晚上20:00,在节段钢箱梁运输至现场的前提下,利用车流量少的时间段进行吊装。考虑到左、右幅梁段吊装,吊车均需要占道,为了施工安全和减少社会影响,吊装作业分两阶段进行交通管制。

(1)第一阶段:封闭左幅车道作为吊车和运梁车的作业区域。开放右幅车道,用安全设施分隔成双向通行车道,安排交通疏导员指挥疏导交通。第一阶段主要是安装较长的梁段,采用1台220t吊车安装。吊车与运输车辆顺路安放,吊车吊起钢箱梁节段后,运输车即可开走,吊车吊装节段钢箱梁就位。

(2)第二阶段:封闭右幅车道作为吊车和运梁车的作业区域。开放左幅车道,用安全设施分隔成双向通行车道,安排交通疏导员指挥疏导交通。第二阶段主要是安装较短的梁段,需要与已安装的较长梁段进行拼装焊接,所以对梁段的对接和焊接需要的时间比较长,同时这一阶段也是钢箱梁拼接线型控制和焊缝质量控制的关键。待较短梁段与较长梁段拼接完成后,方可拆除临时支架,作业机械撤离施工现场,开放右幅车道,恢复通行。

4 结语

新新公路人行天桥在受到施工过程中必须保证社会车辆通行以及工期压力较大的客观条件下,通过将人行天桥原设计5节段梁现场拼接方案优化为2节段梁在工厂加工,拼接口做成台阶断面,并在工厂利用胎架设置预拱度,然后运至施工现场进行拼装的方案。该方案加快了人行天桥的施工进度,减少了工地焊缝的数量,降低了钢箱梁焊接受外界不利因素的影响,缩短了主梁安装占道施工的时间,减少了交通安全隐患因素。新新公路首座人行天桥主梁的施工方案取得了预期效果,该公路其他4座人行天桥的主梁也都借鉴该施工方案。新新公路改扩建工程施工已完成,建成的5座人行天桥已开放给行人通行。