理论与实践：低施工净空条件下的山区河流大跨度钢桁梁架设方案比选研究

作者：郑晓敏

    山区河流一般具有汛期流速大、水位暴涨暴跌的特点，在山区河流进行桥梁施工，需充分考虑其复杂水文地质特征对桥梁施工的不利影响，因此，与常规条件相比，在山区河流涉水进行桥梁施工具有更大的施工难度和风险。当桥位临近机场或其他具有特殊限高要求的区域时，桥梁施工环境更加复杂，施工难度和风险巨大。

1  工程背景

1.1桥梁概述

    新建成贵铁路菜坝岷江特大桥位于宜宾菜坝机场的西侧。主桥为3跨连续钢桁梁，跨径布置为140 m+224 m+ 140 m，钢桁梁自重约为13 000 t。由于桥址处于宜宾菜坝机场的西侧约3 km，桥梁施工受机场航空限高的影响，见图1。

    主桥钢桁梁采用N形、K形组合桁式，跨中桁高16 m，支点桁高32 m，节间长度14.o m，2片主桁，主桁中心距14 m。主桁节点均采用焊接整体节点。上、下弦杆采用箱形截面。腹杆根据受力大小采用箱形截面和H形截面。主桁杆件采用Q370qD，Q370qE，Q420qD，Q420qE等钢材，联结系杆件采用Q345qD钢材。杆件最大重量68 t。

1.2水文地质

    桥址区属宜宾市，雨量充沛。据上游高场水文站提供的资料，枯水期水位272 m，洪水期水位28lm，汛期最大流速达到3.34 m/s。

    桥位处水文条件具有典型的山区河流特征，汛期水位暴涨暴跌，昼夜水位差可达8m以上。图2为2012年7月桥位处逐日水位。

    河床覆盖层较薄，局部无覆盖层，覆盖层主要为卵石土，土层中卵石含量约90%，粒径为20～50 mm约占30%，粒径为50～180 mm约占60%，最大为230 mm，属III级硬土。下伏基岩为薄层砂岩夹泥岩及弱风化砂岩。砂岩夹泥岩为强风化层，呈碎石状结构，属IV级软石。砂岩层风化程度低，强度较高。主桥17，18号主墩基础均为水中基础。17号墩位处覆盖层较薄，厚度范围为1. 5～5 m;18号墩位处河床无覆盖层。

2工程特点及难点

    (1)本桥施工受邻近宜宾菜坝机场民航部门的限高影响。因此，钢桁梁架设时所用的机械设备均需满足限高要求。例如，架梁吊机的本体高度均较高，在其自身安装以及吊装杆件的过程中，会有超高的可能性。所以，本桥钢梁架设需采用特制架梁吊机或龙门吊机进行安装，以降低设备的操作空间。

    (2)岷江属于典型的山区河流，具有汛期流速大，水位暴涨暴跌的特点。根据工期安排，岷江桥钢桁梁架设计划在2015年7月开始，正好是汛期施工。栈桥作为钢梁杆件的运输通道，是必不可少的大临设施。因此对栈桥渡洪设计提出了更高的要求。

    (3)桥位处河床冲刷显著，大部覆盖层较薄，局部无覆盖层。为确保栈桥钢管桩的承载能力满足汛期施工的需要，钢管桩基础需嵌入基岩。因此，施工较为困难。

3钢梁架设施工方案

    根据本桥的工程特点，对本桥钢梁架设拟定了3种可行的施工方案。

3.1方案一（采用龙门吊机从中跨向边跨架设）

    (1)利用龙门吊机在墩旁托架上完成起始6个钢梁节间的拼装，然后在起始节间钢梁上安装架梁吊机下部。

    (2)龙门吊退出工作区，利用履带吊完成架梁吊机上部的安装。

    (3)进行钢梁对称悬臂架设。成都侧边跨钢梁由龙门吊机安装；贵阳侧边跨钢梁由龙门吊和履带吊机安装；主跨钢梁由架梁吊机安装。

    方案一中，龙门吊机作为钢桁梁起始节间及边跨节间架设的吊装设备。为满足龙门吊机工作要求，需在桥位上、下游分别设置栈桥。主墩旁设置墩旁托架作为钢梁起始节间架设的支撑，并作为对称悬臂架设的稳定措施。

3.2方案二（采用架梁吊机从中跨向边跨架设）

    (l)利用2 000 t．m塔吊在墩旁托架上完成起始6个钢梁节间的拼装，然后在起始节间钢梁上安装架梁吊机。

    (2)利用4台架梁吊机进行钢梁对称悬臂架设。

    方案二中，考虑墩位处常水位较低，无法满足大型浮吊施工的需要，因此需在主墩墩位处设置大吨位塔吊完成起始节间钢梁架设和架梁吊机的安装。

3.3方案三（采用架梁吊机从边跨向中跨架设）

    (1)利用大吨位塔吊或履带吊在临时墩上完成起始4个钢梁节间的拼装，然后在已完成的钢梁杆件上安装架梁吊机。

    (2)利用2台架梁吊机从边跨向中跨悬臂架设。

4方案比选

    从结构受力安全性、施工难易程度、经济投入，以及施工工期等4个方面对本桥钢桁梁架设的3种方案进行技术经济性综合比选。

4.1钢梁及临时支架的受力安全分析

    3种施工方案从钢梁架设的方向上可分为2种。方案一和方案二均是从中跨向边跨架设，方案三是从边跨向中跨架设。在施工阶段，采用不同的架设方向，对钢梁结构以及临时支架的受力具有显著差异。

    对钢梁结构稳定性而言，当采用方案一和方案二时，由于是双悬臂施工，因此必须严格控制桥面的施工荷载，否则不能满足1.5的抗倾覆安全系数。当采用方案三时，可充分利用边跨钢梁自重来满足抗倾覆的要求。

    根据钢梁架设方向的不同，计算出各个施工阶段钢梁应力和挠度的包络值，见图3～图5。

     由图3～图5可见，在施工阶段钢梁架设方向仅对边跨钢梁的应力和挠度有影响。其中，3种方案的边跨钢梁弦杆应力有较小差异，下弦最大压应力均约为127 MPa，上弦最大拉应力均约为128 MPa。方案三的边跨钢梁挠度明显比方案一和方案二的边跨钢梁挠度小，施工的安全性更高。

    通过计算，方案一和方案二中的临时支架（即墩旁托架）承受的最大压力是方案三中临时支架（即临时支墩）承受的最大压力的1.6倍。因此，对临时支架结构设计而言，方案三中临时支架仅需采用小直径的钢管即可满足受力要求。

    因此，方案三无论从钢梁强度和稳定性方面，还是从临时支架结构受力方面，都是最优的。

4.2施工难易性分析

    方案一的主要架梁设备是龙门吊机和架梁吊机。其中，为满足龙门吊机工作要求，需在桥位上、下游分别设置栈桥。方案二和方案三的主要架梁设备为大吨位塔吊和架梁吊机，下部结构施工期间仅需设计单栈桥即可。

    由于本桥桥位处河床冲刷显著，大部覆盖层较薄或无覆盖层，同时考虑本桥跨越的岷江河段为典型的山区河流，具有汛期流速大，水位暴涨暴跌的特点，为保证栈桥施工安全，栈桥的部分钢管桩基础需先冲孔后再施工混凝土锚桩。因此，栈桥施工难度较大。通过以上分析可知，由于栈桥施工难度较大，方案一相比方案二和方案三施

工更为困难。

4.3经济性分析

    根据前述拟定的3种施工方案，其主要施工设备和施工结构投入见表1。

    由表1可见，若考虑施工结构的周转性，则设备材料的投入关键在于特制架梁吊机的数量。因此，方案二相比方案一和方案三经济性较差，方案三经济性最优。

4.4工期对比

    对3种钢梁架设施工方案进行工期分析后可知，3种钢梁架设方案所需要的总工期基本相同，均为约10个月。然而，工期的主要区别在于方案一和方案二钢梁架设前，主墩需完成全部墩身施工；方案三钢梁架设前，只需边墩和临时墩施工完成即可。由于两岸边墩基本为岸上墩，施工较为容易，主墩均为水中墩，基础施工难度大且工期较长。相比而言，采用方案三进行钢桁梁架设对主墩施工完成的工期节点要求比方案一和方案二可延缓约4个月。因此，方案三相比方案一和方案二具有显著的工期优势。

4.5结论

    综上所述，在保证施工安全的前提下，本桥钢桁梁架设的3种方案在结构受力安全性、施工难易程度、经济性和工期等方面的差异见图6。

    显然，施工方案三相比其他2个方案具有更好的技术经济性，因此本桥钢桁梁架设最终选用利用架梁吊机从边跨向中跨方向进行架设的方案。

5结语

    钢梁悬拼架设可根据实际情况灵活选用龙门吊机、架梁吊机、大吨位塔吊或履带吊等多种设备，设备的选取除满足吊装要求外，还需综合考虑设备本身的适用条件。以本桥钢梁架设为例，采用龙门吊机进行钢梁架设具有低空作业的显著优势，但为满足其正常工作的需要，需在桥位上、下游分别设置栈桥，而薄覆盖层坚硬河床的地质条件导致双侧栈桥施工难度增加，施工工期延长。因此，架设设备的合理选择对于降低施工难度、加快施工进度具有重要意义。

    多跨连续钢梁架设从架设方向上一般可采用从主墩向两侧对称悬臂架设和从边跨向中跨架设2类。采用不同的架设方向，对钢梁结构稳定性以及相关单项工程的工期节点要求具有显著差异。因此，施工方案拟定时应综合考虑相关单项工程施工的实际情况，选取适宜的架设方向，以方便现场施工组织，降低实施难度。

  综上所述，在低施工净空条件下进行跨越山区河流的大跨度钢桁梁架设施工，施工方案的选取应根据施工环境的实际情况，在满足客观条件的限制、施工安全性和可实施性的前提下，综合考虑桥梁施工各单项工程的相关性以及施工难度等因素进行综合比选后合理选择，以方便现场进行施工组织和管理，最大程度降低桥梁施工的综合成本和风险。

6摘  要  

在山区河流进行桥梁施工相比常规条件更加复杂，当桥梁施工还受到限高影响时，桥梁施工的难度和风险倍增。文中以新建成贵铁路菜坝岷江特大桥钢桁梁架设施工为例，针对该桥施工净空低、山区河流、薄覆盖层等工程特点，提出了3种钢梁架设施工方案，并分别从受力安全、施工难度、经济投入和施工工期等方面进行比选，最终给出本工程的最优施工方案。