株洲枫溪大桥跨越湘江, 主桥为双塔单跨自锚式悬索桥 (3×45+300+3×45) m, 主跨主梁为单箱三室钢箱梁, 边跨和锚跨为混凝土箱梁。通航主跨处于R=14 000m圆弧竖曲线上。钢-混凝土结合面设在主跨距8, 9号墩中心线各250cm处。桥梁总体结构如图1所示。

全桥钢箱梁总长298m, 共分27个梁段 (含2个先施工的钢箱梁-混凝土结合段) 。最重梁段重234.1t, 标准梁段重199.2t。钢箱梁截面如图2所示。

悬索桥钢箱梁采用常规安装方法 (支架法和缆载吊机吊装法) 存在主要问题如下。

1) 拼装区需要避开主航道, 布置在靠近边跨位置, 钢箱梁运输受水位影响, 当水位较低时, 运梁船难以将整段钢箱梁运输至安装位置下方。

2) 若采用支架法施工, 由于主桥跨度较大, 钢箱梁节段多, 需要的支架数量和安装空间极大, 支架的安装和拆除占用河道和工期时间较长。同时, 支架法水中安装钢箱梁, 需要专业的大型起重船和吊具进行作业。同时, 该方法受水位、通航、工期和成本影响大。

3) 若采用缆载吊机吊装施工, 需要待桥梁主塔和主缆施工完成后再进行吊装施工, 钢箱梁施工等待周期长, 主梁和主塔施工阶段不能同步进行, 整个施工工期将被延长。

4) 采用支架法和缆载吊机吊装法施工过程中, 钢箱梁焊接时, 整个焊接断面的作业点位置多, 人员和设备需要不断移动, 不便于施焊和检测。

总之, 常规施工方法存在施工工期长、施工受水位影响大、成本高、影响通航、施工作业点多等问题。需采用新的施工工艺提高效率、节约成本、保证施工质量。

鉴于常规安装方法遇到的问题, 采用钢箱梁现场拼装、滑移、提升、顶推一体化施工方法, 克服施工中面临的问题。一体化施工方法特点如下。

1) 单节钢箱梁采用散装运输、现场拼装的方式, 钢箱梁运输不受水位影响。同时, 单节钢箱梁组装位于现场专门的拼装平台上, 拼装位置固定, 不受外界因素影响, 能够在固定位置由专业人员进行流水化拼装, 保证拼装质量。

2) 钢箱梁现场拼装完成后, 需进行滑移直至其提升安装位置, 期间可进行钢箱梁存放和运输, 能够及时满足现场拼装钢箱梁的速度。

3) 钢箱梁提升安装速度快。提升到位后, 焊接施工作业点固定, 方便专业人员施焊和检测, 提高拼装效率和质量。

4) 钢箱梁顶推采用专业顶推设备, 顶推速度安全可靠, 顶推过程支架数量少, 支架施工周期短, 不影响通航能力。

5) 整个钢箱梁在主塔上横梁施工完成后开始施工, 钢箱梁施工与主塔施工同步进行, 至主缆施工完毕时, 钢箱梁全桥顶推合龙到位, 极大地缩短施工工期。

对悬索桥钢箱梁安装的施工方法进行比选, 如表1所示。

通过比较采用一体化施工方法, 解决现场施工难题、提高施工效率和质量。

一体化施工方法包含的主要施工工艺为钢箱梁现场拼装、滑移、提升及顶推。

一体化施工总体布置如图3所示。临时结构主要包括250t钢箱梁提梁站、拼装平台、临时墩1～3、顶推支架、存梁支架、导梁等。

图3中, 在250t钢箱梁提梁站下方布置钢箱梁现场拼装和滑移平台, 以便单个节段钢箱梁现场拼装和吊装前滑移。

钢箱梁提升及调位主要施工流程如图4所示。

1) 钢箱梁运输至提梁站下, 将其同步提升至拼装平台上方, 如图4a所示。

2) 提梁站纵移天车对钢箱梁进行纵移初调位, 如图4b所示。

3) 将钢箱梁下放在4台三向千斤顶上精确调位后, 进行焊接及后续施工。

钢箱梁提升及顶推总体施工步骤为:支架安装→导梁安装→提梁站安装→钢箱梁提升及安装→钢箱梁顶推→钢箱梁合龙, 钢箱梁提升及顶推总体施工步骤如图5所示。

顶推施工过程中, 随着顶推结构位置和状态的变化, 整个顶推系统的受力状态不断变化, 对各位置支点反力、整体结构的应力及变形进行计算和分析比较, 确保顶推过程主体结构安全, 同时为临时支撑结构的设计和优化提供依据。

计算工况根据桥梁设计、临时结构设计等相关资料分析确定, 主要考虑支点位置及结构尺寸变化时的受力状态变化。选取工况时主要考虑的因素如下。

1) 各节段钢箱梁安装前和安装后结构受力及支点反力变化, 共25个钢箱梁节段。

2) 导梁上墩前后结构受力及支点反力变化, 导梁进行3次上墩。

3) 导梁拆除及钢箱梁合龙。

共计算62个工况。考虑荷载如下:钢箱梁自重、导梁自重、风荷载、人料施工荷载。

对整个顶推过程中, 各顶推支点位置的反力、顶推结构应力及变形进行分析比较。

整个顶推过程中, 各顶推位置截面的总反力如图6所示。

由图6可知, 顶推过程中, 拼装平台位置的反力随着钢箱梁的拼装和向前顶推, 各工况间浮动较大。各临时墩及支架位置的反力, 随着顶推安装节段的增加而逐渐增大, 直到后期趋于稳定。顶推最大反力在2号临时墩位置, 最大截面总反力为14 479kN。

顶推过程中, 钢箱梁及导梁的整体应力状态如图7所示。

由图7可知, 顶推过程中钢箱梁及导梁应力不断变化, 钢箱梁应力整体浮动较小, 导梁应力在导梁一半过墩时最大, 出现在导梁根部。钢箱梁整体最大应力59.3MPa, 导梁整体最大应力130.9MPa。

顶推过程中, 钢箱梁及导梁的竖向位移状态如图8所示。

由图8可知, 钢箱梁位移整体浮动较小, 出现在临时支撑作用时的跨中钢箱梁位置, 导梁位移在导梁头部上墩前为最大, 出现在最头部位置。钢箱梁最大位移-98.5mm, 导梁最大位移-482.6mm。

根据株洲枫溪大桥主桥钢箱梁常规施工困难, 结合现场实际情况, 设计了钢箱梁施工一体化施工方法, 并将其应用于工程实际。该一体化施工方法的应用, 解决了项目施工中面临的问题, 确保了主梁和主塔同步施工, 极大地缩短了整个施工工期, 对全桥施工工期的完成起到关键性作用。采用一体化施工方法, 钢箱梁供应速度及时、提升定位及焊接方便, 最快能做到单个节段钢箱梁施工3d一个循环, 形成流水化的作业方式。

本文采用的一体化施工方法对通航和吊装能力要求小, 结构简洁、受力可靠, 成本低、施工效率高, 实用性强, 可应用于相似工程, 具有极大的推广应用价值和经济性。