SX32/64型造橋機節(jié)段拼裝鐵路 64m雙線簡支箱梁綜合施工技術(shù)

邱廣波

(中鐵十四局集團第二工程有限公司,山東泰安 271000)

SX32/64型造橋機節(jié)段拼裝鐵路 64m雙線簡支箱梁綜合施工技術(shù)

邱廣波

(中鐵十四局集團第二工程有限公司,山東泰安 271000)

結(jié)合義南洛河特大橋鐵路雙線 64m簡支箱梁施工實例,介紹SX32/64型造橋機結(jié)構(gòu)組成,采用有限元計算軟件對承重主梁結(jié)構(gòu)進行了強度、剛度等分析計算、同時介紹了造橋機節(jié)段拼裝施工工藝流程、關(guān)鍵施工技術(shù)以及施工中注意事項,成功完成了鐵路雙線 64m節(jié)段拼裝簡支箱梁施工。

鐵路橋;節(jié)段拼裝造橋機;施工工藝

1 概述

隨著我國鐵路建設(shè)水平的提高和運輸能力的大增,新建鐵路要求開通能力大、速度快,同時現(xiàn)今修建的鐵路橋梁大多是一次建成雙線,因單箱單室的寬橋面預(yù)應(yīng)力混凝土梁具有穩(wěn)定性好、橫向剛度大、運行平穩(wěn)、易于維護等特點而成為客運專線雙線梁的首選。

預(yù)制節(jié)段拼裝施工技術(shù)主要優(yōu)點如下。

(1)可因地制宜設(shè)置梁場,梁場規(guī)模及布局可靈活選擇,所以不受整孔梁運輸設(shè)備和運輸通道的限制。

(2)梁體分段預(yù)制,施工質(zhì)量好,風(fēng)險小,上部結(jié)構(gòu)幾何線形容易控制。

(3)施工速度快,工期短,上部結(jié)構(gòu)可與下部結(jié)構(gòu)同時施工。

(4)施工機械化程度高,特別適合于長大橋梁快速施工。

(5)節(jié)段養(yǎng)護時間長,加載齡期晚,成橋后梁體徐變上拱和預(yù)應(yīng)力長期損失小。

(6)造橋機在墩臺頂面移動過孔,不受地面條件限制,尤其適用于跨越深溝峽谷的高橋及基礎(chǔ)費用高、施工難度大的深水橋梁。

(7)對橋址周圍自然生態(tài)環(huán)境破壞小,對橋下現(xiàn)有交通及周邊環(huán)境影響小。

節(jié)段拼裝造橋機的不斷發(fā)展完善使得橋梁施工速度進一步加快,目前已成為大、中跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁主要施工方法之一。

包西鐵路通道大保當(dāng)至張橋段新建雙線設(shè)計時速客運為 200 km、貨運為 160 km。義南洛河特大橋位于陜西省澄城縣和蒲城縣境內(nèi),跨越洛河及既有西延鐵路;孔跨布置為 7-32m簡支箱梁 +11-64m簡支箱梁+2-32m簡支 T梁,全橋長 1038.50m,橋?qū)?9.5m,最高墩高 65m。其中 0號至 7號墩 7孔為 32m簡支箱梁結(jié)構(gòu),7號至18號墩11孔為64m簡支箱梁結(jié)構(gòu),全橋位于曲線半徑 R=3500m和 R=5 000m反向曲線上。其中 64m簡支箱梁梁長66.2m,計算跨度64m,梁高 5m,梁寬 9.5m,梁面設(shè) 2%雙向橫坡,按 C60高性能混凝土設(shè)計。該梁為單箱單室斷面,梁體采用分段分塊預(yù)制、安裝、現(xiàn)澆和張拉施工技術(shù),縱向分 15節(jié)段(8種梁型),現(xiàn)澆濕接縫寬 60 cm,如圖1所示。

圖1 64m梁 1/2結(jié)構(gòu)縱向分塊(單位：cm)

節(jié)段梁塊長度分別為 3.1、3.8、4.0 m 3種,高5.08m,頂寬 9.5m,箱寬 5.5m,如圖2所示。單塊最重為梁端節(jié)段 1號塊,混凝土量為 54.0m3,質(zhì)量為140.4 t。一孔箱梁節(jié)段質(zhì)量 1 794.78 t,濕接縫總計94.8m3,箱梁混凝土總質(zhì)量為 2 041.3 t,是目前亞洲同類橋梁之最。

圖2 64m梁跨中斷面(單位：cm)

2 SX32/64節(jié)段拼裝造橋機結(jié)構(gòu)組成

2.1 簡介

SX32/64節(jié)段拼裝造橋機是為適應(yīng) 32～64m雙線箱梁施工需要而研制的集制、運、架為一體的大型聯(lián)合施工設(shè)備,該機具有適應(yīng)能力強、結(jié)構(gòu)簡單、機械化程度高、操作方便、性能穩(wěn)定等特點。它采用下行懸吊式桁架結(jié)構(gòu)形式,改變了傳統(tǒng)單線造橋機正向喂梁的模式,而是將預(yù)制梁段正常方向上旋轉(zhuǎn) 90°,待預(yù)制梁段吊運至造橋機底部時再利用回轉(zhuǎn)天車將梁段回轉(zhuǎn)至正常位置,這樣就完全對橋面的寬度沒有限制,非常適應(yīng)寬橋面、大荷載的雙線節(jié)段拼裝梁的施工。同時它既能架 32m跨箱梁也能架 48m和 64m跨雙線箱梁。

2.2 造橋機的主要技術(shù)性能

(1)額定承載力：22 000 kN

(2)架設(shè)橋跨：單線 32～64m;雙線 32～64m

(3)架設(shè)曲線橋半徑：≥1 500m

(4)容許工作縱坡：15‰

(5)回轉(zhuǎn)天車的縱移速度：重載 0～4m/m in;空載0～10m/min

(6)橫移速度：0～0.14m/min

(7)回轉(zhuǎn)天車起升速度：0.4m/min

(8)主梁結(jié)構(gòu)形式：雙主桁桁架型

(9)外形尺寸：147.2m×12.91m×12.29m(10)整機質(zhì)量：1 300 t

(11)技術(shù)速度：8 ～12 d/孔(12)配套運梁設(shè)備：320型輪軌式運梁車(自行)(13)運梁車速度：重載 21.5m/min,空載 43.0m/min

2.3 SX32/64節(jié)段拼裝造橋機主要結(jié)構(gòu)部分介紹(圖3、圖4)

橋機主結(jié)構(gòu)為桁架式結(jié)構(gòu),全長 147.2 m,主結(jié)構(gòu)分為：導(dǎo)梁、主梁 、后尾梁、前支腿、中支腿、后支腿、后支點小車、梁段懸吊體系、回轉(zhuǎn)天車、回轉(zhuǎn)地車。

(1)導(dǎo)梁

導(dǎo)梁長度為 67.2m,變截面桁架結(jié)構(gòu),雙桁變單桁、桁高分 3種,3m桁高、6m桁高、7.5m桁高。下設(shè)中支腿倒運軌道,以便中支腿自行過孔上墩。

(2)主梁

主梁為桁架結(jié)構(gòu),共分 17個節(jié)間,13個 4.8m節(jié)間、3個 1.6m節(jié)間、1個 2.4m節(jié)間,以適應(yīng)不同跨度的梁體架設(shè)。主梁分左右兩幅,每幅為雙桁片,兩幅計算間距為 5.8m,單幅雙桁計算間距 3m。采用平聯(lián)及立面聯(lián)結(jié)系,將左右幅主梁聯(lián)接為一個整體。

(3)后尾梁

結(jié)構(gòu)形式與主梁相同,長度為 11.2m。設(shè)有可拆卸立面聯(lián)結(jié)系,當(dāng)梁段由尾梁進入造橋機時,打開左右幅聯(lián)結(jié)系,當(dāng)造橋機準(zhǔn)備完成整孔梁體架設(shè)時,閉合立面聯(lián)結(jié)系。

(4)前支腿

前支腿與造橋機鉸結(jié),并設(shè)有頂升裝置用于調(diào)節(jié)支腿高度。前支腿的功能為橋機上墩以及中支腿倒裝支撐。

(5)中支腿

中支腿為橋機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部分,所以采用箱形桿件并設(shè)橫聯(lián)及鉸斜撐。中支腿底部用精軋螺紋鋼與橋墩頂帽錨固。頂部設(shè)置滾輪箱,作為橋機前行的下滑道在中支腿上部設(shè)有倒運輪組,當(dāng)橋機達到過孔狀態(tài)時,中支腿依靠倒運輪組可實現(xiàn)自行至前方墩柱。

(6)后支腿

后支腿為箱形結(jié)構(gòu),長 13m、寬 1.8m、高 1.7m,為方便倒運設(shè)有拼接部分。頂部設(shè)有滾輪箱,作為橋機前行時下滑道。

(7)后支點小車(運梁車)

后支點小車采用輪軌式,高度為 1.677m,軌距5.16m,承載力為 3 200 kN,為確保起動平穩(wěn)走行驅(qū)動部分采用變頻驅(qū)動電機,重載運行速度為 21.5 m min,空載運行速度為 43.0m/min;當(dāng)橋機前移過孔時該車作為后支點小車,當(dāng)橋機進入梁段吊裝環(huán)節(jié)時,該車經(jīng)過簡單改裝成為運梁車。

(8)回轉(zhuǎn)天車

回轉(zhuǎn)天車是該機的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部分,用于將運梁車上的預(yù)制梁段轉(zhuǎn)移至造橋機設(shè)定位置上的配套設(shè)備,可以完成梁段的起升、移運、回轉(zhuǎn)、橫移等功能。該天車走行部分采用變頻調(diào)速技術(shù),走行平穩(wěn),速度為 0～10m/m in無極調(diào)速;起升部分采用 2臺慢速卷揚機,起升速度為 0.4m/min?；剞D(zhuǎn)裝置采用大小齒輪嚙合傳動,旋轉(zhuǎn)過程中梁段最外緣線速度控制在 3m/m以內(nèi),保證梁段回轉(zhuǎn)平穩(wěn);梁段橫移由 2套 250 kN液壓缸提供動力,橫向調(diào)整范圍為 ±300mm。

(9)回轉(zhuǎn)地車

回轉(zhuǎn)地車是該機的附屬結(jié)構(gòu)部分,用于解決梁段預(yù)制方向與梁段入機方向及梁廠布置與線路方向垂直的矛盾?？梢苑奖?、安全地完成梁段水平 360°自由旋轉(zhuǎn)。造橋機達到懸掛梁段狀態(tài)時,梁段首先吊裝到運梁車上,運梁車運載梁段到達回轉(zhuǎn)地車,地車帶動運梁車及梁段回轉(zhuǎn) 90°,運梁車啟動運載梁段到達橋機喂梁吊裝位置。

(10)梁段懸吊體系

梁段懸吊體系,是該機的配套組成部分。該體系由懸吊縱梁、扁擔(dān)梁、吊具、液壓泵站組成?？梢酝瓿闪憾慰v向、橫向的控制和微調(diào),使梁段精確就位。

(11)過孔裝置

前移過孔動力采用 2臺 80 kN慢速卷揚機作為動力,利用已成混凝土梁作為錨固點,采用上滑道連續(xù)、下滑道分置的方式滾動過孔。

2.4 結(jié)構(gòu)分析

造橋機總體結(jié)構(gòu)空間分析,采用 MIDAS2006大型空間分析程序,結(jié)構(gòu)采用了三維梁單元組成的空間剛架模型;主體結(jié)構(gòu)采用梁單元模擬。造橋機在使用過程中分兩大工況進行計算：工作狀態(tài)即澆筑完成濕接縫混凝土工況和過孔狀態(tài)即造橋機完成一孔梁的架設(shè)任務(wù)后過孔到下一孔位的工況,計算分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 各種工況位移及應(yīng)力圖

3 造橋機施工及關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1 造橋機施工工藝

SX32/64節(jié)段拼裝造橋機作為移動支架造橋機采用國際通用的下行懸掛式,其施工工藝流程：拼裝造橋機→造橋機過孔就位→梁段裝車運輸→梁段吊入造橋機→安裝支座、梁段調(diào)整→穿鋼絞線、連波紋管、綁扎濕接縫鋼筋→立濕接縫模板→澆筑濕接縫混凝土→拆模、養(yǎng)生→預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉、調(diào)梁→壓漿、封端→過孔準(zhǔn)備工作→檢測梁體線形→拆除造橋機。

3.2 64 m混凝土梁架設(shè)方案

64m箱梁架設(shè),前支點至中支點 67.2 m,中支點至后支點 68.9 m,后支點與已成孔支座縱向間距 1 cm,見圖6。

圖6 64m跨施工方案立面(單位：mm)

梁段的吊裝順序為：15號段、14號段、13號段、12號段、8號段、11號段縱向偏位下放懸掛、9號段縱向偏位下放懸掛、10號段正位、11號正位、9號段正位。

安裝跨中橫連上半部分。

1號段、2號段、3號段、7號段、6號段縱向偏位下放懸掛、4號段縱向偏位下放懸掛、5號段正位懸掛、6號段正位、4號段正位。

3.3 線形控制

造橋機為桁架式彈性結(jié)構(gòu),在梁段擺放、濕接縫鋼筋綁扎、模板安裝、濕接縫澆筑等施工過程中,隨著質(zhì)量的變化,造橋機的撓度也在變化,從而影響到梁體的線形,如何控制線形是節(jié)段拼裝的一個重點。

在實際施工中,對造橋機的不同施工階段進行觀測,發(fā)現(xiàn)盡管和理論計算之間存在一定的誤差,但這個差值趨于一個穩(wěn)定的數(shù)值 ΔF,這主要是由于螺栓孔間隙產(chǎn)生的非彈性變形。反拱可按下式設(shè)置：F1i=FiF2i,F1i：通過對梁段的調(diào)節(jié)(澆筑濕接縫前)使 i截面處達到的線形撓度;Fi：張拉前,梁體 i截面處的預(yù)留反拱值;F2i：增加濕接縫對造橋機形成的下?lián)?。通過對施工的分析,梁段按 45 d的齡期上橋組拼,濕接縫強度按照 3 d達到設(shè)計強度進行張拉、二期恒載上橋時間按照 60 d,進行計算,按二次拋物線設(shè)置反拱。

3.4 梁段的精確就位

精確就位是指梁段縱向、橫向和豎向 3個方向的調(diào)位。由于每一個梁段均懸吊在 4根精軋螺紋鋼上,并且每個支撐點都有 3個自由度,這 3個自由度相互制約,調(diào)整其中一個必將影響其余兩個,所以梁段調(diào)位是一個反復(fù)調(diào)整、逐漸趨近的過程。在施工中按先縱向調(diào)整→橫向調(diào)整→豎向調(diào)整→縱向調(diào)整→橫向調(diào)整→豎向調(diào)整的次序反復(fù)循環(huán)調(diào)整,直至達到設(shè)計要求。

就位調(diào)整通過回轉(zhuǎn)天車及穿心式千斤頂來實現(xiàn),以線路的中心線為基準(zhǔn),即線路中心線和梁體中心線重合;縱向兩端的梁段預(yù)埋螺栓對正支座預(yù)留孔,考慮預(yù)應(yīng)力張拉后及后期徐變引起梁跨收縮,梁段在擺放時,活動支座端梁長縱向比設(shè)計梁長多放出 30mm作為收縮預(yù)留量。通過濕接縫調(diào)整,濕接縫長度根據(jù)其距固定支座的距離內(nèi)插調(diào)整,端部梁段拼裝時安裝支座。

3.5 張拉調(diào)梁

梁段按設(shè)計順序擺放到造橋機上,隨著梁段的增加,造橋機的撓度也增大。當(dāng)澆筑完濕接縫后,梁體和造橋機的撓度達到最大。在預(yù)應(yīng)力的施工過程中梁體承受著預(yù)應(yīng)力索提供的壓應(yīng)力和彎矩,隨著預(yù)應(yīng)力彎矩的建立,混凝土梁荷載對支架產(chǎn)生的下?lián)隙戎饾u減小,支架反彈,這樣的反作用力使梁體承受一個彎矩,混凝土箱梁的上翼緣產(chǎn)生拉應(yīng)力,且隨著梁體的逐漸上拱,拉應(yīng)力的效果越明顯。

對混凝土梁來說,開始是由均布的荷載支撐著混凝土梁,隨著張拉梁體上拱,橋支座附近的反力逐漸加大,所以造橋機跨中的受力減小,兩端的反而增大(張拉前,造橋機支座附近僅承受比較均布的梁段荷載)。

基于上述原因,為了不使張拉過程中,混凝土上翼緣因拉應(yīng)力過大而開裂,且便于拆除作用于梁段的支撐系統(tǒng),應(yīng)該根據(jù)預(yù)應(yīng)力彎矩建立的多少、梁體的撓度變化,分批調(diào)節(jié)梁段的支撐系統(tǒng)。直到預(yù)應(yīng)力足以承擔(dān)梁體自重時,使造橋機脫空,混凝土梁呈理論支點狀態(tài),根據(jù)計算第一次張拉力 24 850 kN,分 4批調(diào)節(jié)梁段支撐系統(tǒng)。

3.6 造橋機過孔

(1)梁段架設(shè)完成后,在已成梁段上鋪裝 43 kg/m鋼軌并固定在混凝土梁面上。后支點小車自行到造橋機尾部,頂起造橋機,并臨時支撐好造橋機尾部。注意起頂高度應(yīng)控制在 100mm內(nèi)。

(2)頂起中支腿,頂起高度不應(yīng)超過 100mm,橫向挪開滾輪箱,并臨時支墊造橋機。倒運后支腿到下一孔架設(shè)位置,千斤頂卸載將造橋機支撐在后支腿上。注意千斤頂頂升造橋機時應(yīng)安裝保護裝置。中支腿倒運系統(tǒng)與后支腿相碰,安裝倒運系統(tǒng)時用回轉(zhuǎn)天車吊運中支腿走行 800mm后再安裝倒運系統(tǒng)。

(3)倒運中支腿到前方墩并錨固,中支腿錨固在下一孔的支承墊石上,并采用 16根 φ32mm精軋螺紋鋼通過連接器與預(yù)埋在預(yù)定位置的精軋螺紋鋼連接緊固,為防止中支腿在造橋機拖拉過程中傾倒,在中支腿后方增加斜撐,斜撐上端與中支腿上方通過鋼銷連接,下端通過連接器與預(yù)埋在預(yù)定位置的精軋螺紋鋼連接緊固。降低前支腿,將造橋機支撐在中支腿上,造橋機拖拉過孔到下一待架孔位。

4 注意事項

(1)32m箱梁支座設(shè)計采用 GTQZ-Ⅱ-6000型球形支座,64m箱梁支座設(shè)計為 GTQZ-Ⅱ-12500型球形支座,但是最不利工況時后支腿下方支座,其最大受力為 8500kN,所以 32m箱梁支座受力不夠。為了解決這一問題,所以在梁段組拼成孔時,將對應(yīng)位置的左右兩個支座用剛性臨時支座代替。待造橋機過孔完成后,支座不再受最不利工況力的情況下,利用 2臺3000kN豎向千斤頂將梁體一端慢慢頂起,為防止頂升過程中梁體受扭,所以配備液壓表。在頂升過程中嚴(yán)格控制 2臺油頂?shù)姆戳Α?個油表分別的讀數(shù)與油表讀數(shù)之和的平均數(shù),差值控制在 5%以內(nèi)。

(2)造橋機過孔時,中支腿錨固應(yīng)達到設(shè)計強度后才能進行造橋機拖拉過孔?；剞D(zhuǎn)天車到造橋機尾部當(dāng)作配重,并與造橋機錨固成整體。過孔時兩邊卷揚機出力應(yīng)均勻,并隨時在后支點小車與鋼軌之間設(shè)制動裝置。造橋機過孔時,必須確保造橋機中、后支腿處的高程與后支點小車軌跡相同。

5 結(jié)語

由于我國幅員遼闊,地形條件復(fù)雜,隨著客運專線的快速發(fā)展,必將有越來越多的跨越深溝峽谷和大江大河的橋梁出現(xiàn),而利用造橋機節(jié)段預(yù)制拼裝法建造中等跨度預(yù)應(yīng)力混凝土雙線梁正適應(yīng)這一趨勢,它具有施工質(zhì)量易于控制、施工周期短(平均施工周期 1 d/孔)、適應(yīng)性強、預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變小、施工干擾小等特點,將為我國鐵路建設(shè)作出一定貢獻,尤其是64m雙線鐵路節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁的成功應(yīng)用,將進一步推動節(jié)段預(yù)制拼裝造橋機朝著適應(yīng)鐵路橋梁大跨度、寬橋面、大荷載的方向發(fā)展。

[1]楊元春.ZX 32m/900t造橋機預(yù)制節(jié)段拼裝客運專線預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁施工技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù),2008(S).

[2]朱 雄.SX48m/1500t型移動支架造橋機節(jié)段拼裝 48m簡支箱梁綜合施工技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù),2008(S).

[3]王立新.鐵路橋梁節(jié)段拼裝造橋機回顧、發(fā)展與展望[J].鐵道建筑技術(shù),2009(8).

[4]張 勝.造橋機節(jié)段拼裝 48m鐵路雙線箱梁施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2009(1).

[5]GB50009— 2001,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[6]GB50017— 2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

U 445.468

B

1004-2954(2010)03-0071-04

2009-09-30;

2009-11-18

邱廣波(1974—),男,工程師,1998年畢業(yè)于蘭州鐵道學(xué)院。