基于橫梁受力分析的分幅式鋼箱梁懸臂安裝方法比選

何承海，彭琳琳

（中交二航局第四工程有限公司，安徽 蕪湖 241001）

嘉紹大橋主航道橋為世界上首座六塔獨柱四索面分幅鋼箱梁斜拉橋，其跨徑布置為70+200+5×428+200+70=2 680 m。鋼箱梁梁高4.0 m，單幅梁寬24 m，全幅總寬55.6 m，兩幅梁間橫梁長9.8 m（見圖1），兩幅間橫梁分箱形橫梁和H形橫梁間隔設置[1]。

圖1 鋼箱梁標準段斷面圖Fig.1 Cross-section of the standard steel box girder section

根據設計理念，橫梁僅傳遞橫向四索面內、外側索力的橫向不平衡力，理論上不承受彎矩和剪力。分幅式鋼箱梁標準節段采用橋面吊機進行安裝，懸拼段鋼箱梁存在4個拼配接口，即鋼箱梁與已按梁端的2個接口和橫梁的兩個端口，安裝精度要求高，施工難度大。因此，對鋼箱梁安裝方法開展了專門的研究。

1 基于橫梁的受力分析

分幅式鋼箱梁采用橋面吊機安裝時，可以采用的方法有兩種，整體安裝方案和分幅安裝方案。前者在香港昂船洲大橋和上海大橋中應用[1]，如圖2所示。

圖2 昂船洲大橋鋼箱梁吊裝Fig.2 The steel box girder lifting of the Stonecutters Bridge

依托工程分幅式鋼箱梁之間設置有永久橫梁，其安裝方法需要從施工便捷性、工效、經濟性以及對結構受力的影響等多個角度進行比較研究。

1.1 起吊不同步箱梁受力分析

依托工程橋面吊機采用卷揚機作為起重設備，標準梁段的吊點布置如圖3所示。

對于分幅安裝來說，單幅鋼箱梁支撐為兩點簡支，吊具可采用常用的橫梁吊具，可以保證各吊點反力平衡。對于整體安裝，雙幅鋼箱梁連同橫梁在起吊狀態，為四點支撐連續梁，如果采用常用的橫梁吊具，只能保證縱向支撐點內力一致，則橫向的4排吊點起吊速度一致性要求非常高。

采用ANSYS軟件建立有限元計算模型，分析工型橫梁和箱型橫梁連接鋼箱梁吊裝時，一側橋面吊機提升，另一側吊機不動，使兩幅箱梁產生一定高差，對應的橫梁應力和吊點反力見表1。

圖3 吊點布置圖Fig.3 The arrangement of lifting points

表1 橫梁應力及吊點拉力匯總Table 1 Summary of the stressin cross beamsand the pull in lifting points

計算結果表明，在上下游側吊機出現的高差越大，橫梁應力也隨著增加，對于工字型橫梁高差每增加1 mm，應力峰值增加6 MPa，橫梁應力對起吊不同步非常敏感。對于箱型截面橫梁高差每增加1 mm，應力峰值增加3.7 MPa，橫梁應力對高差也非常敏感，過大的高差將導致橫梁損傷。

另一方面，對于吊點反力，工字型截面橫梁對應節段和箱型截面橫梁對應節段分別在高差達到7 mm和6 mm時，即出現了單排吊點脫空的現象，其結果是導致同側的另一排吊點反力急劇增加，單吊點支反力達90.5 t和105.2 t。如將單排吊點脫空作為控制條件，則對左右幅橋面吊機的起吊同步性提出了很高要求。

綜上所述，帶橫梁標準梁段整體吊裝，對兩臺橋面吊機的同步性要求高，控制難度較大；為避免高差引發各吊點拉力變大可能導致的永久結構受損，需對吊具進行設計，使得同一側的鋼箱梁4個吊點在起吊過程中能實現自平衡[3]。

1.2 橫梁施工階段受力分析

根據設計理念，橫梁僅傳遞橫向四索面內、外側索力的橫向不平衡力，理論上不承受彎矩和剪力，為了比較整體安裝和分幅安裝兩個方案對橫梁受力的影響，分別對整體安裝和分幅安裝進行施工階段分析，對安裝階段和成橋階段的橫梁內力進行比較。

橫梁的內力對比結果如圖4所示。由于篇幅所限，列出結果為單個塔側1/2跨范圍內橫梁內力結果，其中橫梁編號為奇數對應的是H型鋼橫梁，偶數對應的是箱形截面橫梁。

圖4 橫梁內力對比圖Fig.4 Comparison of theinternal force in cross beams

通過上述結果可以看出，橫梁施工階段和成橋階段對應的軸力和剪力與施工方法相關較小，整體吊裝和分幅吊裝主要影響的是橫梁的彎矩，采用分幅吊裝，橫梁施工階段和成橋的彎矩均較整體安裝小，更符合橫梁僅承受斜拉索橫橋向水平分力的設計意圖，對橫梁受力更有利，因此，從橫梁受力角度看，分幅安裝是更優方案[4]。

2 施工方法綜合比選

結合以上對節段起吊過程的受力分析比較以及橫梁施工過程受力比較，對整體安裝和分幅安裝兩種方案比選如表2所示。

表2 方案比選Table 2 The comparison and selection of the methods

通過對比研究可以看出，分幅安裝標準節段鋼箱梁是更優方案。

3 結語

從施工角度看，永久橫梁受力的弱化有助于懸吊施工時分別調整左、右幅橋面的索力和線形（縱、橫向），也有助于在主梁匹配安裝過程中，實現吊裝梁段與已成梁段的端口對接。因此，嘉紹大橋標準梁段懸臂拼裝采用左、右幅箱梁與橫梁單獨吊裝的施工方法，5~6 d即可實現一個吊裝循環，施工工效較為理想，施工精度均滿足規范要求。

[1]中交公路規劃設計院有限公司.嘉興至紹興跨江公路通道嘉紹大橋施工圖設計[R].北京：中交公路規劃設計院有限公司，2010.CCCCHighway Consultants Co.,Ltd.Construction drawing design of Jiaxing-Shaoxing River-Crossing Bridge[R].Beijing:CCCC Highway Consultants Co.,Ltd.,2010.

[2]曾源，盧永成.上海長江大橋主航道斜拉橋分離式鋼箱梁設計[J].世界橋梁，2009(S1):18-21.ZENGYuan,LUYong-cheng.Design of cable-stayed bridgeseparated steel box girder in Shanghai Yangtze River bridge main bridge[J].World Bridges,2009(Sl):18-21.

[3] 石豐祥.多塔斜拉橋施工過程穩定性分析[J].中外公路，2013，33（5）：106-110.SHI Feng-xiang.Stability analysis for multispan cable-stayed bridgeconstruction[J].Journal of China&Foreign Highway,2013,33(5):106-110.

[4]林道錦，王仁貴，孟凡超，等.嘉紹大橋鋼箱梁的設計與施工[M].北京：人民交通出版社，2011.LINDao-jin,WANGRen-gui,MENGFan-chao,et al.Design and construction of steel box girder for Jiaxing-Shaoxing River-Crossing Bridge[M].Beijing:China Communications Press,2011.