連續(xù)梁鋼管拱異位拼裝整體頂推分析與施工

潘 念，李承君

(1.中鐵十九局集團 第二工程有限公司，遼寧 遼陽 111000;2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

1 工程概況

某新建鐵路跨越既有鐵路時，采用(76+160+76)m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁與鋼管混凝土拱組合結(jié)構(gòu)。鋼管拱計算跨徑160.0 m，矢跨比1/5，矢高32.0 m，拱軸線為二次拋物線。拱肋設(shè)置最大預(yù)拱度為0.14 m，拱肋的施工矢高為32.14 m。拱肋為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，采用等高度啞鈴形截面，截面高3.0 m。每肋由2根φ1 000 mm×16 mm鋼管組成，弦管之間用16 mm厚鋼綴板連接，拱肋弦管及綴板內(nèi)填充C55微膨脹混凝土。

拱肋鋼管在工廠制作，為便于運輸，每條拱肋劃分為12個運輸節(jié)段(不含預(yù)埋段、嵌補段)。運輸段最大水平長度16 m。管節(jié)接口避開孔位。

兩榀拱肋中心距為12.5 m，拱肋之間共設(shè)11道空心鋼管橫撐，橫撐均采用空間桁架。

主橋共設(shè)17組雙吊桿，吊桿間距8.0 m。

2 施工總體方案

2.1 施工流程

本橋鋼管拱安裝總體施工方案為:非橋位拼裝鋼管拱，然后采用連續(xù)頂推千斤頂在梁面的滑移軌道上將鋼管拱整體縱移就位。

鋼管拱施工步驟如下:①確定架拱支架在梁面上的具體位置并澆筑混凝土基礎(chǔ)，插打拼拱鋼管樁→②安裝架拱鋼管支架及鋼管支架連接系，拉纜風(fēng)繩→③架拱鋼管支架檢查驗收合格后，進行拱肋節(jié)段及橫撐的安裝，邊安裝邊調(diào)整線形→④兩側(cè)拱肋對稱安裝→⑤安裝合龍段→⑥安裝橫撐→⑦整體焊接→⑧整體頂推就位→⑨吊桿安裝。

2.2 鋼管拱縱移施工方案

鋼管拱鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量總計401 t，分為24節(jié)拱肋，11節(jié)橫撐及其它配件。拱肋最長節(jié)段為15.988 m，質(zhì)量17.6 t。橫撐不分節(jié)，每段橫撐長11.5 m，質(zhì)量10.26 t，全橋橫撐質(zhì)量 112.86 t。

鋼管拱分節(jié)段進場到位后，將鋼管拱拱肋運輸段焊接成吊裝段，然后在5孔簡支梁范圍根據(jù)安裝對接位置，設(shè)置鋼管拱安裝支架。在支架上安裝拱肋，鋼管拱拼裝完成后，采用鋼絞線將拱腳預(yù)緊。最后拆除支架，實現(xiàn)整個鋼管拱整體滑移。

拱肋運輸?shù)浆F(xiàn)場后，在橋下方搭設(shè)拱肋拼裝平臺，將運輸段拼成吊裝段。用兩臺汽車吊將吊裝段吊裝上橋，在連續(xù)梁引橋的混凝土梁上做支架組拼，占用混凝土梁面160 m。

搭設(shè)拼拱支架時鋼管位置應(yīng)精確定位。利用引橋5孔簡支梁范圍場地，搭設(shè)拼裝支架，拱肋臨時支架采用8根φ 1 000 mm×10 mm的鋼管樁作支架，8根鋼管支點設(shè)計在橋下基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)采用混凝土擴大基礎(chǔ)。8根鋼管樁之間采用桁架式連接系連接，以增強支架的整體穩(wěn)定性。全橋鋼管拱共分5段吊裝，具體分段為:第一段長31.946 m，第二段長35.852 m，第三段長21.958 m，第四段長 35.852 m，第五段長31.946 m。因鋼管立柱桁架高度達40 m以上，故立柱之間設(shè)置桁架式聯(lián)系。

在安裝鋼管樁支架時，澆筑厚度35 cm的C30擴大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)頂面預(yù)埋鋼板為1 200 mm×1 200 mm×12 mm鋼板，周邊焊接加勁板。由于臨時支座是由輪箱組成，縱向無約束，為克服安裝拱產(chǎn)生的水平推力，應(yīng)對輪箱與軌道基礎(chǔ)之間進行約束固定。

因兩組鋼管拱間距為12.5 m，而臨時輪箱支座間距僅有7.9 m，在安裝第一節(jié)拱時，兩邊臨時支座受力不平衡，會出現(xiàn)傾覆現(xiàn)象，需在相應(yīng)位置設(shè)置管樁，以約束安裝第一段拱時的不平衡力。

汽車吊將鋼管拱節(jié)段吊至鋼管支架上固定，同時將拱肋與滑移系統(tǒng)連接。為保證吊裝到位后拱肋的穩(wěn)定性，每個吊裝段到位后在對應(yīng)位置安裝橫撐。

鋼管拱吊裝時，對每一吊裝段進行跟蹤測量，保證安裝線形滿足設(shè)計要求。吊裝線形幾何尺寸除滿足設(shè)計要求外，也應(yīng)根據(jù)原橋面吊索孔的施工誤差，在滿足設(shè)計要求的情況下，進行適量修整，保證后續(xù)吊索安裝的順利。鋼管拱安裝工序示意如圖1。

圖1 鋼管拱安裝示意

鋼管拱在安裝到位后，用50 t手動千斤頂進行高程調(diào)整，調(diào)整到位后用馬凳“抄死”，然后立即進行臨時焊接。臨時焊接采用250 mm×150 mm×16 mm的A3鋼加勁板，與上一節(jié)拱肋牢固焊接在一起。每個拱肋的接頭焊接16個加勁板，上下弦管接頭各均勻布置8個加勁板，加勁板與拱肋雙面滿焊，焊縫高不得小于8 mm。

拱肋臨時連接好后，開始進行永久性焊接。拱肋和橫撐現(xiàn)場所有焊接均采用手工焊，全熔透。焊接時先焊對接環(huán)縫，每節(jié)拱肋的對接環(huán)焊縫至少焊三道。焊接完成后割掉臨時連接的加勁板，再將加勁板處的焊縫補齊。焊接完成后將焊縫打磨平整，并進行無損探傷，合格后再安裝瓦管并進行焊接。對于探傷不合格的焊縫采用碳弧氣刨，將不合格的焊縫刨開，重新進行焊接，焊接后再次進行探傷，確保焊縫合格為止。

拱頂合龍節(jié)段安排在15℃ ～20℃之間進行吊裝，吊裝后按以上臨時連接方法進行鎖定，拱頂合龍節(jié)段焊接時間選擇在氣溫15℃～20℃之間時進行。

鋼管拱拼裝完成后，用千斤頂在原支架位置將拱頂起，拆除安裝用拱肋支座，逐漸降低千斤頂，同時觀察拱腳水平位移。拱肋安裝前應(yīng)充分考慮拱腳的水平推力帶來的位移量，提前設(shè)出預(yù)緊量，確保拱腳位移不大于20 mm。在千斤頂完全脫離拱肋后拆除支架。支架拆除一定按照先拆除臺車臨時固定設(shè)施，再拆除柱頂支點。在拼裝支架拆除后，每肋鋼管拱兩端有向外延伸的張力，故每肋鋼管拱提前采用鋼絞線承受其張力(使用兩根鋼絞線束，每束含10根 φj15.24 mm鋼絞線)。

鋼管拱滑移系統(tǒng)由十六個輪箱和四條軌道組成。拱肋滑移支撐與鋼管拱的連接采用承重抱箍與鋼管拱焊接。即在拱肋下弦桿焊接承重抱箍，承重抱箍鉆孔與滑移支撐貝雷片橫梁鋼管連接，貝雷片將力傳給下面的分配梁，分配梁將力再傳給輪箱。

3 施工注意事項

3.1 滑移過程防風(fēng)

非工作狀態(tài)下，防止結(jié)構(gòu)由于風(fēng)力過大造成傾覆，利用鋼絲繩與梁連接。貝雷片上部鋼絲繩穿過拱肋吊桿孔拉緊縱向貝雷片，下部鋼絲繩連接貝雷片與橋面擋砟墻鋼筋，見圖2。

圖2 施工過程防風(fēng)

3.2 滑移過程控制

滑移過程是整個鋼管拱施工中最難控制的一個環(huán)節(jié)，也是要求最高的一個環(huán)節(jié)。要求鋼管拱安全穩(wěn)定地沿軌道行進。滑移軌道見圖3。

圖3 滑移軌道

鋼管拱頂推前進的理論速度約為0.5 m/min。頂推液壓缸推力在500 kN以上，兩片拱肋下的兩套設(shè)備及兩套備用設(shè)備型號規(guī)格一致。液壓缸一端連接到夾軌器，另一端連接到鋼管拱前進方向的輪箱，輪箱上焊接耳板與液壓缸銷接。

當(dāng)出現(xiàn)兩側(cè)輪箱行進不一致時，在下次頂推時慢的一側(cè)液壓缸多頂推相應(yīng)距離。最終沿軌道將鋼管拱頂推到位，并與拱腳連接。

3.3 拱肋調(diào)整

鋼管拱頂推到位后，采用千斤頂將鋼管拱精調(diào)，縱向利用滑移量修正;豎向利用千斤頂升降修正;橫向利用軌道在拱腳到位前提前修正，拱腳修正到位后與拱座處預(yù)埋拱腳焊接，完成整個鋼管拱的安裝。

4 施工過程中結(jié)構(gòu)受力分析

4.1 鋼管拱體系受力

主要進行了鋼管拱安裝抗傾覆驗算、支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計計算、拱腳固定結(jié)構(gòu)計算、鋼管拱水平力計算及拱腳托架計算等。

鋼管拱安裝完成后，開始滑移作業(yè)，走行狀態(tài)下傾覆荷載主要是橫向風(fēng)荷載，抗傾覆荷載為鋼管拱、縱向連接系、橫向連接系及底座等的重力荷載。按照走行狀態(tài)設(shè)計風(fēng)壓150 N/m2(6級風(fēng))、非走行狀態(tài)設(shè)計風(fēng)壓500 N/m2(11級風(fēng))的風(fēng)荷載計算可知:走行狀態(tài)K=M抗/M傾=8.1＞1.5;非走行狀態(tài) K=M抗/M傾=2.4＞1.5，滿足規(guī)范要求;當(dāng)風(fēng)力＞6級時，停止走行作業(yè)并錨固牢靠。

鋼管拱支撐結(jié)構(gòu)可分為三部分:鋼管拱安裝過程中的支架結(jié)構(gòu)、鋼管拱縱移過程中連接四拱腳的拉緊支撐結(jié)構(gòu)和鋼管拱縱移過程中的下部承力結(jié)構(gòu)。

鋼管拱合龍前結(jié)構(gòu)整體最大變形8.8 mm，位置在鋼管拱拱肋上，貝雷架連接系最大變形7.9 mm，結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力93 MPa。合龍后結(jié)構(gòu)整體最大變形9.4 mm，結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力92.9 MPa，為柱頂分配梁彎曲應(yīng)力。縱移過程中橫向貝雷架最大豎向變形-3.8 mm，最大等效應(yīng)力177 MPa，壓桿最大等效應(yīng)力152 MPa，均滿足要求。鋼管拱下部承力結(jié)構(gòu)為橫向貝雷片以下的支撐結(jié)構(gòu)，主要承受橫向貝雷片傳遞的結(jié)構(gòu)重力，其最大等效應(yīng)力97 MPa，滿足要求。

拱腳固定結(jié)構(gòu)將連接拱腳的橫向貝雷片豎向拉緊，一方面固定拱腳避免安裝過程中由于偏載造成的傾覆，另一方面可以固定輪箱防止輪箱縱向移動。結(jié)構(gòu)最不利荷載出現(xiàn)在安裝第一節(jié)段時，橫向貝雷片左右受力不均衡，此時固定裝置中最大撓度4.2 mm、最大應(yīng)力72.9 MPa，滿足要求。

鋼管拱水平力分析以單片拱肋為研究對象建立模型。假設(shè)保證鋼管拱拱腳水平位置不動，荷載僅施加重力，包括拱肋及拱肋上附件、橫撐等，此時每個拱腳上的水平力為2 040 kN，即需要至少2 040 kN的水平拉力才能保證拱腳在理想位置。

拱腳托架連接拱腳、橫向連接系、縱向連接系等，是重要的受力結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)計算時托架主要承受縱向鋼絞線傳遞的拱腳水平力和橫向連接系傳遞的豎向力，最大等效應(yīng)力172 MPa，滿足Q345B鋼材的要求。

4.2 縱移過程中簡支梁受力分析

拱肋的縱移過程將通過32 m簡支梁，取單跨簡支梁進行檢算。由于拱肋跨度為160 m，梁只承受一端輪壓，按照跨中最大彎矩和梁端最大剪力兩種工況檢算。通過有限元計算，在跨中最大彎矩工況下，由輪壓引起的簡支梁梁底最大拉應(yīng)力為1.28 MPa、撓度2.1 mm;梁端最大剪力工況下，由輪壓引起的簡支梁梁底最大拉應(yīng)力為0.57 MPa、最大剪應(yīng)力為2.96 MPa，滿足規(guī)范要求。由于輪壓作用點位于簡支梁翼緣板范圍內(nèi)，為防止局部應(yīng)力過大可采取增大受力面積等措施降低應(yīng)力水平。

5 結(jié)語

對于連續(xù)梁拱橋采用鋼管拱異位拼裝、縱移就位的方案是可行的，通過合理的設(shè)計與施工能夠保證既有結(jié)構(gòu)的安全。

鋼管拱異位拼裝可與主梁懸臂澆筑同步施工，可有效縮短工期約60 d。

鋼管拱頂推施工避免了拱架原位拼裝時對既有線路安全性的影響。

［1］尚慶保.小半徑變截面鋼箱梁頂推施工技術(shù)［J］.鐵道建筑，2007(2):13-15.

［2］劉志波.鋼管混凝土提籃拱橋鋼管拱肋施工技術(shù)［J］.鐵道建筑，2010(6):22-24.

［3］中華人民共和國鐵道部.TB10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.