宜昌伍家岗长江大桥钢箱梁焊架同步施工技术

周昌栋 高玉峰 代明 净张波

宜昌市住建局 西南交通大学土木工程学院 四川交大工程检测咨询有限公司 宜昌市城市建设投资开发有限公司

摘 要：目前钢箱梁悬索桥的钢箱梁架设均采用先将各梁段全部吊装后再焊接的方式进行施工。为增加结构在施工过程中的稳定性，加快钢箱梁的安装效率，宜昌伍家岗长江大桥施工中首次采用了“钢箱梁焊架同步”施工新技术，即吊装一部分梁段后即开始在架梁的同时对已吊装的梁段进行两两焊接，实现大跨钢箱梁悬索桥加劲梁焊架同步的多作业面施工控制。对3种钢箱梁吊装方案进行了计算分析，对梁段间的焊接时机进行了探讨，从受力分析的角度讨论了“焊架同步”施工方法的合理性。

关键词：悬索桥;钢箱梁;吊装顺序;焊接时机;焊架同步施工;

目前，关于悬索桥加劲梁吊装方案研究的文献较多，主要集中在加劲梁梁段起吊与安装方法、无吊索区梁段及合龙段架设方法以及钢桁梁节段间不同连接方式的比较等方面[1,2,3,4]。从增加结构在施工过程中的稳定性，加快钢箱梁安装效率的角度出发，先将已吊装完成的箱梁节段两两焊接，等钢箱梁架设若干节段后再逐次将其刚接，应是一种可行的施工方法。这种方法需要进行大量有限元计算分析，确定合理的焊接时机及焊接顺序，以使加劲梁应力小，施工操作方便。伍家岗大桥施工中采用了这种施工方法，即“两两刚接、焊架同步”的多作业面施工，缩短了加劲梁架设工期。

1 工程概况

宜昌伍家岗长江大桥是湖北省宜昌市内第9座长江大桥，位于宜万铁路长江大桥下游5.3 km处，采用单跨1 160 m钢箱梁悬索桥，主缆跨径布置为290 m+1 160 m+402 m, 中跨主缆矢跨比为1/9,总体布置如图1所示。大桥桥址位于长江中华鲟自然保护区缓冲区以及江豚、胭脂鱼活动密集区。为避免对水下动物产生影响，采用一跨过江的方式，两主塔都在百年一遇洪水线外，这样既不会影响水中生物，也不会影响长江航道运行[5]。

加劲梁采用整体式流线形钢箱梁结构，钢梁全宽34.7 m, 中心线处梁高2.8 m, 钢箱梁横断面如图2所示。钢梁全长1 158.0 m, 其端部距塔中心线的距离为1.0 m。钢梁节段间采用栓焊组合连接，节段中除纵腹板与顶板U肋及I肋采用栓接外，其余部位均采用焊接。

图1 伍家岗大桥主桥总体布置

单位：m

图2 钢箱梁横断面

单位：m

2 钢箱梁架设方案计算分析

2.1钢箱梁架设方案

钢箱梁架设是悬索桥施工控制的重点工序。由于强烈的几何非线性效应，箱梁结构的内力和线形均会发生显著变化，因此需要进行详细的计算分析，以保证施工过程的安全和线形控制。伍家岗大桥钢箱梁及吊索编 如图3所示，共计有77个钢箱梁梁段和75根吊索，分别从江南侧向江北侧顺序编 。

图3 钢箱梁及吊索编

前期对钢箱梁吊装方案进行大量计算分析，发现在吊装完19 /59 箱梁节段后，已吊装箱梁间的开口距离较小且线形变化趋于稳定。因此选定以下3种吊装方案进行对比分析。

(1)方案A。

钢箱梁从跨中对称向两边依次吊装，吊装过程中先临时铰接，待全部箱梁节段吊装完成后从跨中向两边依次刚接。

(2)方案B。

钢箱梁从跨中对称向两边依次吊装，吊完19 /59 箱梁节段后暂停吊装，将已吊装的21 ～57 节段刚接，再吊装剩余节段，全部吊装完成后刚接剩余节段。

(3)方案C。

钢箱梁从跨中对称向两边依次吊装，吊完20 /58 箱梁节段后开始边吊装边从跨中开始两两刚接，即吊装19 /59 节段的期间刚接37 、38 节段及40 、41 节段，依此类推，待全部钢箱梁吊装完成后再刚接所有梁段。

2.2有限元计算模型

采用Midas Civil软件建立有限元计算模型，如图4所示，桥塔及钢箱梁采用梁单元模拟，主缆及吊索采用索单元模拟。采用正装法进行施工阶段模拟，3种方案的施工阶段划分见表1。吊装前期只将箱梁顶板进行临时连接，箱梁底板不连接，梁段间允许发生单方向的转动。为准确模拟梁段间的约束关系，在梁段连接处用垂直于箱梁单元的刚臂单元模拟箱梁截面，在箱梁单元间释放转动约束，并在刚臂单元下端用只受压单元连接模拟箱梁底板之间单向转动[6,7]。当箱梁顶底板焊接时，则把箱梁单元间之前释放的转动约束钝化变为刚性约束。鞍座顶推采用在塔顶安装刚臂及拉杆模拟顶推装置，并通过对拉杆进行升降温的方式，实现鞍座的预偏及顶推。

2.3钢箱梁架设方案对比分析

跨中梁段(37 和38 之间)底板开口距离随施工过程的变化规律如图5所示，23 和24 梁段之间底板开口距离的变化规律如图6所示。图5与图6均显示，在前面几片梁段吊装过程中，相邻梁段底板间开口距离较大，随着后续梁段的吊装，开口距离不断减小，直到最后闭合。3种方案的变化规律基本相同，按方案C施工时23 和24 梁段间开口距离在吊装过程中小于其他两种方案，但3种方案的最终开口距均趋于零。

表1 钢箱梁吊装方案

图4 伍家岗大桥有限元计算模型

图5 跨中梁段(37 和38 之间)底板 开口距离变化规律

图6 23 和24 梁段之间底板开口距离的变化规律

钢箱梁吊装过程中加劲梁线形的变化情况如图7所示。图7中给出了各方案钢箱梁吊装完成(即工况50)及方案C吊装完12 /66 梁段(即工况36)桥面标高。结果表明，加劲梁线形从吊装初期的凹曲线逐渐过渡到吊装后期的凸曲线。吊装完12 /66 梁段后方案B及方案C相对于方案A的桥面标高的差值如图8所示，由图8可见，吊装过程中方案C与方案A的桥面线形几乎没有差异，方案B与两者有一定差异，但差值不超过4 cm; 同时也表明，3种方案加劲梁吊装完成后的桥面线形完全一致。这说明不论采用何种施工方案，只要保证各构件的无应力长度相同，则最终线形与施工顺序无关。

图7 钢箱梁吊装过程中加劲梁线形的变化

图8 吊装完12 /66 梁段后方案B及方案C相对于 方案A桥面标高的差值

钢箱梁吊装过程中，由于主缆线形变化，箱梁在纵桥向承受一定的轴力。整个吊装过程中跨中相邻梁段间轴力变化趋势如图9所示，可见跨中附近的梁段在整个吊装过程中基本都受压。同时，计算也表明，在远离跨中位置的梁段(约在支点～L/4区域),在吊装初期会出现受拉趋势，随着吊装的进行，受拉趋势减弱。3种方案的轴力差异很小，方案A与方案C的变化曲线几乎重合。

钢箱梁在顶板临时连接状态下，梁段间连接近似铰接不传递弯矩，自重作用下的应力分布类似简支梁。在吊装前期，3种方案下钢箱梁应力分布均相同。在方案B及方案C开始刚接的情况下继续吊装梁段，则钢梁应力分布开始产生差异。吊装完12 /66 梁段(即工况36)钢箱梁截面最大正应力分布情况如图10所示。可见方案A与方案C箱梁截面应力差异很小，且方案B在跨中区域截面应力变化大于A、C的方案。

图9 吊装过程中跨中相邻梁段间轴力变化

图10 吊装完12 /66 梁段箱梁截面最大正应力分布

综上所述，无论是结构受力还是线形变化，方案A与方案C的差异均很小，说明这种两两刚接的方式与传统的先吊装完再焊接的架设方式从受力上相比差异很小，是完全可行的。方案C可以在吊装梁段期间同步进行已吊装梁段的焊接，节约了工期，提高了箱梁架设效率，且架设方案的改变并不会影响结构的最终受力状态，因此宜昌伍家岗大桥最终采用方案C进行钢箱梁吊装施工。

3 钢箱梁梁段焊接前的调节与定位

在钢箱梁焊接工作开始前，相邻梁段焊缝开口处采用齿轮打磨机打磨均匀并除锈。为满足焊接要求，需要对相邻梁段间的开口距离和错台进行调整。首先，对梁段间的错台进行调整，对于梁段间高差的调节，一般在相邻梁段顶板的上游或下游处(钢箱梁上下游的腹板上方附近)焊接倒L形码板，采用千斤顶顶推L形码板和钢箱梁顶板的方式进行高差的调平，如图11所示。相邻梁段间的左右错动，包括钢箱梁内部的腹板、U形肋和I形肋等错位的调整，采用手拉葫芦等方式进行调整，调整到位以后，通过连接板对相邻梁段间腹板、U形肋和I形肋进行相连并通过打入冲钉进行定位，如图12所示。

图11 高差调平

图12 冲钉打入定位

现场焊缝的宽度控制为7 mm左右。对于相邻梁段间焊缝距离的调节，如果焊缝距离大于7 mm,则采用手拉葫芦的方式进行拉回，并调整到位。如果焊缝距离小于7 mm或者相邻梁段挤在一起时，则采用千斤顶进行顶推，并调整到位，如图13所示。

图13 焊缝宽度调整

相邻梁段间的焊缝距离和错台等调整到位满足要求以后，在相邻钢箱梁顶板和底板处采用定位码板进行点焊固定。钢箱梁顶板或者底板平整度满足要求时，可以直接点焊码板；不满足要求时，先用火焰校平，再用码板码平并点固，如图14所示。定位码板的之间距离一般为450～550 mm。可以根据施工需要，局部增加码板的数量。

图14 点焊码板

4结语

参考文献

[1] 牛亚洲，郝胜利.大跨径悬索桥钢箱加劲梁安装技术研究[J].公路，2015,(5):83-89.

[2] Kuroda K,Kawakami T,Aizawa S,et al.Design of kouchigawa bridge on the shin-tomei expressway – A steel-prestressed concrete composite multiple-span balanced arch bridge[C]//IABSE Conference,Vancouver,2017.

[3] 陈彩霞.悬索桥钢箱梁加劲梁安装过程及临时连接的研究[D].成都：西南交通大学，2004.

[4] 姚增峰.龙江桥钢箱梁加劲梁安装过程焊接时机及顺序的研究[D].重庆：重庆交通大学，2016.

[5] 曹春明，易伦雄，王碧波.宜昌伍家岗长江大桥隧道锚设计与研究[J].桥梁建设，2020,50(2):80-85.