桥梁工程油缸(礼嘉嘉陵江大桥：梁拱组合刚构桥施工的智慧升级)

Posted 2023-05-30

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桥梁工程油缸(礼嘉嘉陵江大桥：梁拱组合刚构桥施工的智慧升级)

礼嘉嘉陵江大桥为重庆市快速路二横线西段项目的控制性工程，为国内首座大跨径上承式梁拱组合预应力混凝土刚构桥，采用对下部结构无推力、自平衡的梁-拱组合受力体系，大桥建设过程中需综合采用梁桥、悬浇拱桥、矮塔斜拉桥建造工艺，成桥过程经历多次体系转换；梁拱组合三角区上弦箱梁与下弦拱梁需同步采用斜拉扣挂法，该工艺为行业内首次采用，无成功经验可以借鉴。

图1 礼嘉大桥桥型布置示意图

梁拱组合三角区长61m、高度31.5m，由上弦箱梁与下弦拱梁组合交汇形成（交汇处夹角约14°）。三角区下弦拱梁底缘线按2.2次抛物线规律变化，沿桥梁轴线方向共25个节段，其中0#节段采用墩旁托架与桥墩同时浇筑，其余梁段采用挂篮悬臂浇筑施工工艺。上弦箱梁沿桥梁轴线方向共25个节段，其中0#节段长度12m，与桥墩固结；0#节段采用墩旁托架施工工艺与桥墩同时浇筑，1-12#节段高4.8m、长度在4.5～5.0m范围之间，采用挂篮悬臂浇筑施工工艺。

图2 梁拱组合三角区尺寸

施工中的独特之处

桥梁施工过程中，融合梁桥、悬浇拱桥、矮塔斜拉桥施工工艺于一身，需经历多次体系转换。并且，首次在桥梁施工过程中运用上弦箱梁与下弦拱梁同步斜拉扣挂施工工艺。

图3 桥梁临时索塔及临时拉索

针对桥梁构造特点，研发轻型爬坡倒三角挂篮，有效避开与临时扣索的空间干涉，克服大角度变坡斜爬难题。提出上下弦梁合龙段施工工法，规避梁拱组合区域上弦箱梁与下弦拱梁挂篮空间干扰（10号节段以后），通过上弦箱梁菱形挂篮与下弦拱梁倒三角挂篮的空中重组，进行梁拱合龙段（13号节段）的浇筑。

图4 轻型液压爬坡倒三角挂篮

开展基于BIM+智慧工地的管理应用，基于Revit+Navisworks进行施工方案模拟与交底工作，采用Revit对设计模型进行WBS模型分解；基于分解后的模型进行钢栈桥、挂篮、临时塔架等施工措施设计、计算、制造，利用Navisworks模拟出礼嘉大桥上下弦梁合龙段的最佳施工工序。同时，利用三维扫描技术结合施工传统测量进行桥梁线形复核，基于扫描模型与设计模型自动对比，提前进行弧形线性的偏差分析及偏差控制，轴线最大偏差及平整度均在5mm内，实现成桥线形的精确控制。

下承式挂篮形式更优

挂篮选型对比分析

下弦拱梁为C60钢筋混凝土结构（未设置预应力体系），截面高度4.8m、宽度9m，拱梁顶、底缘线设计为2.2次抛物线规律变化，其变化方程式为y=-0.0006924(119-x)2.2+25.5，拱梁斜拱角度达到27°。下弦拱梁1至12号节段，采用悬浇拱桥施工工艺，即采用挂篮悬臂浇筑并在墩身设置临时拉索辅助施工（临时拉索张拉端设置于拱梁顶板齿板，通过临时拉索预应力抵消自重引起的梁顶面拉应力），在13号节段与上弦箱梁交汇。为此下弦挂篮的设计需满足三个要求：①避免与临时扣索形成空间干扰；②有效解决与上弦箱梁施工的空间干扰问题；③挂篮需具备大角度变坡斜爬能力。基于以上三个要求开展挂篮选型对比分析（如下表所示）。

1.上承式挂篮

挂篮承重主桁架固定在梁体顶部，与悬吊平台组成整体悬浇结构。

优点是上承式挂篮构造及受力明晰，施工工艺成熟，安拆除工作较为常规。但经施工模拟，梁顶面施工空间狭窄且存在与临时扣索、上弦箱梁干扰的问题；运用上承式挂篮混凝土节段间采用竖向分缝，挂篮纵向悬挑长度较长，导致挂篮自重较大（经济指标在0.48左右）；此外上承式挂篮变坡斜爬能力较差。

2.下承式挂篮

挂篮承重主桁设置在拱梁下部，由挂腿固定在拱梁背部形成整体悬浇结构。

优点是挂篮自重较小，经济指标为0.32左右；具备优异的爬坡、角度定位调节能力。但可借鉴的成熟施工经验较少，对挂篮的设计、制作、运用要求高，且安装及拆除难度较大。

经以上对比分析可知，在相同设计承载力下，下承式挂篮自重更小，整体结构尺寸更小，爬坡能力更强；而且挂篮定位调节灵活性更强，更能适应拱梁弧度变化。同时解决了与临时扣索、上弦箱梁空间干扰问题，因而选用下承式挂篮结构进行下弦拱梁施工。

下承式挂篮的设计

挂篮由承重桁架、行走系统、锚固系统、定位系统、模板系统、工作平台等系统组成，单只挂篮重约82.3吨。

图5 挂篮构造示意图

1.承重桁架

挂篮承重主桁是挂篮支撑模板体系和悬浇荷载的主体结构，承重主桁主要受力结构由两榀倒三角形主桁构成。两榀倒三角主桁之间设置前、中、后横梁进行连接，保证整体性中横梁上设置耳板连接锚固系统，在主桁中间设置挂腿，挂腿是主顶系统调整挂篮姿态时的主要受力结构，同时也是挂篮行走时支撑挂篮自重的主要受力构件。为减轻结构自重，主体结构除挂腿外其余部件均采用焊接H型钢断面构件，材质采用Q345B材料。

图6 下承式挂篮承重主桁架构造图

2.行走系统

行走系统实现挂篮空载前移，主要由行走轨道、前后行走小车及推进油缸组成。行走时利用主顶系统将挂篮下放，使前行走小车（履带式小坦克）落至轨道，调节顶升机构使后行走小车接触下梁面并受力，行走小车伸缩杆调整挂篮行走角度，使挂篮处于平稳行走状态，由行走油缸推动挂篮行走。

图7 下承式挂篮承行走系统构造图

3.挂篮锚固系统

下弦梁挂篮锚固系统包括两组中横梁锚杆组。锚固系统的作用是将挂篮自重和所承受的施工荷载传递到已浇筑混凝土梁段上，锚固系统为了施工时安装方便，采用材质为40Cr的Tr60×8高强螺杆，并将锚杆设置在下弦梁内室腹板位置，避免锚杆与临时拉索和挂腿位置矛盾问题。待止推器安装完成后进行安装锚杆，通过行走油顶、止推器的作用，调整挂篮下方螺杆孔的位置，确保螺杆顺利穿入梁块底板锚固盒子。安装并拧紧螺杆1与螺杆2之间的连接套筒，确保拧入丝牙数满足要求。随后安装锚固盒子上方垫块、垫圈、螺母。

4.定位系统

定位系统实现挂篮浇筑前的初步定位，及达到施工条件的精确定位时需要的微调定位功能，定位系统由顶升机构、止推机构及主顶系统等组成。挂篮由主顶系统提升到预定位置附近，顶升机构设置在承重主桁架尾端，顶升机构在挂篮定位时，调整挂篮前端的竖向高程与设计基本相符，随后通过顶升机构的微调功能使挂篮的定位达到施工规范要求。止推机构在承受挂篮斜向分力的同时，通过自身装有的液压千斤顶微调挂篮在桥梁纵向位置。

5.模板系统

模板系统由外模系统和内模系统组成，外模系统由底模、侧模和顶模组成。为了减小下弦梁直线段与拱梁曲线的施工误差，在底模设计时，挂篮模板以折代曲的最大长度不超过 2.5m，并在底模上设置固定的最大调整量。内模受横隔板的影响，无法做成大块模板整体随挂篮前移，设计采用小块钢模板以方便装拆，模板之间采用螺栓连接。

6.工作平台

为保证施工人员安全,挂篮设置工作平台供人员往返。工作平台可根据施工过程中挂篮姿态的变化而进行调整。

下承式挂篮的受力分析

根据本挂篮结构的特点，采用 ANSYS 软件对结构强度进行计算分析，主要结构 beam188 梁单元仿真模拟，锚固系统及顶升机构等单向受力构件采用link10单元模拟。模型各部分装配采用共节点固结，节点耦合及接触分析等方式模拟。在有限元分析的基础上，再根据得到的内力等相关信息，对结构杆件及相关构件进行详细计算。

计算工况共分为3个，工况I：挂篮位于拱梁2号节段，混凝土浇筑完成 (混凝土重209.6t)但未凝固，挂篮与水平夹角 23°，风向垂直于模板（风速13.6m/s），计算挂篮工作状态的受力和变形；工况II：挂篮位于拱梁11号节段，混凝土浇筑完成 (混凝土重218.2t)但未凝固，挂篮与水平夹角13.1°，风向垂直于模板（风速13.6m/s），计算挂篮工作状态的受力和变形；工况III：挂篮位于拱梁2号节段且行走到位，挂篮与水平夹角23°，风向垂直于模板（风速13.6m/s），计算挂篮行走到位状态的受力和变形。

计算结果表明，浇筑工况下的挂篮最大应力为148MPa，底模前端最大变形为19.8mm；行走工况下的挂篮最大应力达到132MPa，最大变形为35mm；挂篮强度和刚度均满足要求。

下承式挂篮的制作及安装

挂篮构件集中在场内加工。单只挂篮构件生产完成后，须进行试拼，并喷漆和编号。挂篮各构件生产齐全后，根据施工场地情况进行进场安排。现场安装时，单墩大小里程侧挂篮对称同步安装。单只挂篮的构件须根据出场编号进行组装。吊装前，组装构件为主桁系统和锚固系统。

挂篮安装完成后投入使用前进行载荷试验，按照下弦拱梁混凝土方量最大节段确定挂篮预压重量，经比较，根据12号节段确定预压重量（预压重量为节段重量+施工机具、人群等临时荷载+挂篮模板重量的1.1倍），由此计算的理论预压重量为1.1×218.2=240t。预压过程中，实时监控变形情况；预压观测采用四等水准测量，采用DZS2级水准仪和配套直尺进行，配备专业测量人员4人分两组观测。

下承式挂篮的施工工艺

下弦拱梁挂篮悬浇工艺步骤如图8所示。

图8 下承式挂篮悬浇施工流程图

BIM技术的助力

通过建立高精度BIM模型，开展全桥工序模拟，提高图纸二次深化设计的质量和效率，减少图纸中的错漏碰缺，提高桥梁的可建造性；基于BIM模型开展碰撞整合分析、结构分析、节点深化、工程量统计、航拍倾斜摄影建模、三维扫描、坐标测量等功能，提高建造效率及施工质量。同时，依托自主研发BIM+GIS的项目管理云平台，实现BIM+智慧工地的一体化集成，实现基于制度化、数据化、自动化、智能化的全过程项目管控。

建立了基于BIM的项目管理制度，编制《礼嘉嘉陵江特大桥BIM应用策划方案》，提出了全流程、集成化、定制化、智能化、全员参与、责任清单化的BIM6大实施理念。应用策划方案明确阐述了BIM工作总体实施方案，对团队建设、工作制度、建模标准、模型维护、关键技术应用、协同工作流程做了详细规定，并制定四个阶段共13项应用点。

本工程基于五个阶段：建模策划、模型拆解与分工、原始数据收集、模型建立、模型整合与检查。针对BIM模型创建中存在的变截面六边形独柱式空心墩、2.2次抛物线下弦拱梁、临时斜拉扣索、倒三角斜爬挂篮等异形构件，使用Revit与Dynamo相结合的方式进行参数化建模。

基于项目特点编制的BIM实施标准，在模型设计过程中使用标准文件架构、标准化族库命名、标准化构件分类与命名，实施过程中严格管控模型质量。建立施工阶段礼嘉大桥BIM模型，包含：基础、桥墩、桥台、上弦箱梁、下弦拱梁、桥面系、景观、机电及导向标示等所有大桥模型，并根据相关资料整合调整优化，模型深度达到LOD400。通过InfraWorks将场地环境等GIS信息数据与BIM模型进行整合，辅助施工场地便捷规划。

图9 场地布置模型

整合冲突分析

在施工图深化设计阶段，建立桥梁施工中预应力管道与钢筋模型，进行碰撞检查，有效规避前期设计错误122处。建立上弦菱形挂篮与下弦倒三角挂篮高精度模型，复核挂篮设计的准确度，发现各类问题46处，有效规避图纸合同及加工风险，累计节约工期11天。项目互通立交墩柱采用花瓶式异形墩柱，经统计分析共设计有21种墩柱形。基于BIM模型将不同墩柱进行整合分析（如图10所示），发现墩柱细部尺寸部分偏差在10cm以内。针对上述情况，BIM小组对墩柱细部尺寸进行优化，将原始需求的21套定型钢模缩减为6套。

图10 墩柱优化路径

工序模拟及方案模拟论证

项目在编制礼嘉嘉陵江大桥上下弦合龙段施工方案时，使用BIM技术辅助相关方案编制及方案比选，对工序转换中涉及的方案重要转换节点及位置进行精细化建模，对重点部位进行前置模拟分析导入Fuzor进行工况模拟，规避施工操作空间不足及可能出现的碰撞问题。形成各方案工艺模拟说明文档，组织内部方案讨论会及评审会，选定最佳的合龙段施工方案。

BIM测量辅助及质量复核

大桥主墩内外沿高度方向进行收敛，下弦拱梁采用2.2次抛物线，设计仅给出底部控制点坐标，现场分节段浇筑需计算对应节段的控制点坐标。基于BIM模型将大桥整体定位坐标体系转换为重庆市独立坐标体系，从而实现任意提取模型各个位置、节点的三维坐标；并将其与传统坐标计算方式进行测量坐标复核，提升测量工作精准度，大幅度减轻计算复核负担，提升测量工作效率。

在墩柱施工完成后，采用S350扫描仪进行施工质量复核，基于扫描模型与设计模型自动对比，提前进行弧形线性的偏差分析及偏差控制，轴线最大偏差及平整度均在5mm内，实现成桥线形的精确控制。

BIM+智慧工地项目管控

由于大桥存在较多的交叉施工作业，基于BIM模型模拟全桥动态建造工程，实现形象进度与产值计划双控；确保施工计划的合理性，并完成各阶段的动态施工场景布设与协调；识别大型临时设施、物资设备、人力资源需求制约进度关键因素。实施过程中利用无人机采集现场施工全景实景数据，提交BIM形象进度报告。基于BIM平台建立进度预警体系（黄、橙、红、黑），实现对计划进度与预计进度的对比分析及自动预警。

基于BIM平台实现了图模一体化式的集成查看，辅助施工现场方案审批、技术档案管理、验收管理等工作。利用移动端质量巡检及整改功能，对现场技术质量问题进行检查、整改、验收、统计分析，提高管理效率。

最后，通过采用实体+BIM+VR技术进行安全教育培训和交底，提升了安全教育的交底效果。完成了项目PDCA安全隐患整改追溯机制，并与基于BIM模型的平台安全巡检时空分析，对安全管理人员进行了绩效考核。

本文刊载 / 《桥梁》杂志 2021年第5期总第103期

作者 / 李亚勇

作者单位 / 中建隧道建设有限公司