中铁九桥工程有限公司 江西省九江市 332004
摘要：在超低温环境下，对于采用支架法施工的跨江跨河的大桥来说，由于冰排对支架的作用力无法避免，因此钢梁的现场安装存在着较大的施工安全风险。另外，低温对高强螺栓的施拧质量也带来诸多不利影响。在松原天河大桥施工过程中，我们根据松原市的水文及气候特点，从技术层面提前预判，通过大量的试验数据和建模辅助计算的方法，摸索出了一套应对超低温环境的钢梁安装技术，该技术在松原天河大桥的施工中取得了良好的效果。
关键词：松原天河大桥；超低温环境；钢梁安装的关键技术
1引言
松原市天河大桥位于我国东北地区的吉林省松原市，本工程桥梁总长2794m，横跨第二松花江水系，其中北汊主桥为40+100+266+100+40m的双塔空间索面自锚式悬索桥。悬索桥的主梁结构由主纵梁、横梁、小纵和锚箱组成。除锚箱焊接在主纵梁上外，杆件与杆件之间、钢梁节段之间在工地均采用高强螺栓的连接方式。钢梁的现场安装采用支架法的小车拖拉安装方案：在南边跨布置一个钢梁总拼平台，将钢梁总拼成2+1节段后拆分成单个节段，然后用运梁平车将母梁之外的钢梁节段往北拖拉至设计位置进行安装定位。
松原市年平均气温5.4℃，最低温通常出现在一月份，极端最低气温可达-37.4℃。因工期紧张，施工单位在气温未低于-10℃之前进行了钢梁的安装。本文将通过试验数据和模拟计算，总结在超低温环境下为保障施工安全和质量而采取的关键技术措施。
图1 松原天河大桥北汊主桥立面布置示意图（单位：mm）
图2 松原天河大桥单个钢梁节段模型
2 关键的施工技术
2.1 低温环境下高强度螺栓的施拧技术
本桥高强度螺栓的施拧采用扭矩法施工，扭矩系数K计算公式为：
式中： T—扭矩值（N•m）
K—扭矩系数（按试验的数理统计值）
P—螺栓的预拉力（kN）
d—螺栓的公称直径（mm）
松原天河大桥钢梁的安装时间段为2014年9月下旬至11月中旬，施工环境温度约在20℃～-10℃之间。由于施工现场的早晨与中午的温差很大（最大温差可达15℃），高强螺栓的扭矩系数受温度的影响显著。对此，我们在不同湿度、不同温度下用不同直径规格的高强螺栓进行了扭矩系数的试验，现列出比较具有代表性的某一批次的试验数据，见表1：
表1 某批次M30高栓不同温度下的扭矩系数值（注：同等湿度）
由上表数据分析得知，在湿度不变的情况下，随着温度降低，高栓的扭矩系数会逐渐增大。经过多次的实验室数据以及施工现场的试验数据，我们规纳出一个适用于本项目的高栓扭矩系数随温度和湿度变化的经验公式：
Y=0.126-6.7×10-4t+8.5×10-3V%
式中：t表示相对15℃的温度差（单位：℃，降温时计算用负值，升温为正值）；
V表示相对湿度值；
Y为修正后扭矩系数。
根据公式可知，扭矩系数增大，在保证施工预拉力不变的情况下，扭矩值需增大。因此我们采取了以下措施确保高栓的施拧质量：
（1）委派专人对高栓进行管理，注意控制高栓储存环境的温度和湿度。当天领取的高栓当天施拧完，未用完的则退回库房。
（2）掌握施工期间湿度和温度的变化情况，使用规纳的公式判断班前电动扳手的标定是否能满足当前高栓的施拧质量，如果不能满足施工，则需进行二次标定。
（3）班前、班后均需对电动扳手进行标定和检查，扳手标定前需空转三分钟进行预热。班前标定值需预先考虑当日的温度变化情况，在±5％的允许变化范围内取用偏上限或下限值，这样可以有效地克服电动扳手标定值与实际输出值之间的偏差，提高电动扳手的标定精度，使电动扳手的实际输出扭矩满足要求。
2.2 应对冰作用力采取的技术措施
第二松花江松原段每年从11月份开始会随着气温降低而逐渐封冻，冰层最厚可达1米以上。在冰冻的初期，薄薄的流冰会向下漂浮而逐渐堆积在架梁支架的上游；在来年开春解冻的阶段，厚的冰层会开裂形成冰凌。
2.2.1对冰作用力的试验研究
为了研究堆积的冰层以及突发的冰凌对架梁支架造成的影响，我们收集了松原市近年来的气象资料，并且对管桩受冰的作用力进行了试验分析，试验方法如下：
（1）试验管桩的选取及数据测量
根据本桥整体施工方案的布署，在架梁支架的上游设置了一条临时施工栈桥，由于栈桥和架梁支架均采用了管桩立柱的设计方案，因此将栈桥的管桩作为试验管桩是具有代表性的。于是我们在架梁支架施工的前一个冬季，在不同时间段测量了临时栈桥受冰作用的变形数据，选取变形最大的那组数据作为分析对象。
（2）对冰作用力进行计算分析
从试验数据来看，我们发现冰的作用力虽然比较复杂，但可以简化为对支架朝下游方向的水平推力和竖直向上的冰拔力。
a. 利用Midas Civil对管桩支架进行建模计算，将冰对管桩向下游方向的水平力模拟成水流的冲击力。通过试验管桩的水平位移反推，我们发现冰对管桩的水平力相当于洪水水流冲击力的11倍，结果表明这会对施工的安全造成非常大的威胁。计算图例详见图3所示：
图3 利用Midas对试验管桩受冰层作用力的建模计算
在实际施工过程中，由于临时栈桥没有采取有效的防冰凌的措施，临时栈桥发生了较大的变形，不得已在第二个冬季采取加固措施。
b. 利用下面的公式计算冰层对试验管桩竖直向上的冰拔力，并将计算结果导入Midas模型参与整体计算。
T＝τa•U •HP +τ1•U •HP1
式中：
T表示总切向冻拔力，单位：KN
τa表示单位切向冻拔力，单位：KPa
U表示单位桩在冻层内周长，单位：m
HP表示现场实测冻土深，单位：m；
τ1表示冰单位切向冻拔力，为190KPa
HP1表示冰层的实测厚度，单位：m
经过计算，向上的冰拔力小于本工程管桩的摩擦力，不会对施工造成实质影响。
2.2.2应对冰作用力采取的技术措施
（1）设计架梁支架时充分地考虑到冰作用力对支架的影响，支架受力计算中加入对冰作用力的验算；
（2）为防止冰凌对架梁支架的直接冲击和增强支架的横向抗弯能力，在每组水中架梁支架的上游3米处设置三角形的破冰体，在部分上下游的架梁支架之间设置横联。破冰体及横联的结构设计如图4和图5所示。
图4 破冰体结构设计（单位：mm）
图5 横联结构设计（单位：mm）
（3）严格控制管桩的入土深度和贯入度。在天河大桥架梁支架的施工中，我们确保每根水中桩的入土深度均不小于11m，贯入度控制在1cm/min以内，使用DZ135的振动锤施工可使单桩的竖向承载力达到90吨。
（4）主跨钢梁必须在入冬之前架设完毕，并与主塔在纵向和横向临时固结，防止钢梁发生大幅度的位移和变形。
图6 钢梁临时固结平面布置示意图
（5）严密掌握冰情变化及上游水位可能发生的变化，提前做好防控突发冰凌的技术及安全措施。
3 总结与讨论
松原市天河大桥钢梁已于2014年12月前基本安装完毕，目前钢梁已经顺利通过了一个冬季冰凌的考验，钢梁线形始终处于可控状态，高强螺栓经过多次复检也均为合格。这表明通过大量的试验数据和建模辅助计算的方法有利于保证施工质量和防控未知的自然破坏力量，最终取得了良好的技术效益和安全效益。
对于超低温环境对钢梁施工的影响，目前我们仍然处于技术探索的阶段，所研究的对象也只是影响范围中的很小的一部分，如何深入地发掘其中的规律、形成一套有针对性的施工工法是我们下一步要做的工作。
参考文献
[1]马永兴.钢桁梁拼装高强度螺栓冬期施拧扭矩系数调整[U],山西建筑,1009-6825（2008）33-0325-03.
[2]孙欣华,张先鸣. 高强度螺栓连接副扭矩系数的影响因素,2010（4）.
论文作者:张俊,王秋萍
论文发表刊物:《基层建设》2018年第18期
论文发表时间:2018/7/25
标签：钢梁论文; 支架论文; 扭矩论文; 松原市论文; 天河论文; 松原论文; 作用力论文; 《基层建设》2018年第18期论文;