頂推法架設(shè)128 m雙線簡支鋼桁梁施工技術(shù)

梁 輝,朱東明,曾憲攀,陳玉幸,李勇剛

(中鐵九橋工程有限公司,江西九江 332004)

1 工程概況

漯河至阜陽增建二線的趙寨潁河雙線特大橋位于河南沈丘縣新安集鎮(zhèn),特大橋所跨越的潁河屬淮河水系,橋位處河段規(guī)劃航道等級為國家Ⅳ級,單孔雙向通航凈寬為90 m,潁河特大橋橋軸線法線與河道河水流向夾角約23°,因橋址上下游均有閘口控制水流,最大流速可控制在0.8 m/s,流速較平緩。主橋采用128 m單跨下承式簡支鋼桁梁,全長129.6 m,自重22 000 kN。主桁采用帶豎桿的三角形腹桿體系,節(jié)間長度12.8 m，桁高16.0 m，主桁中心距12.1 m。主桁弦桿采用箱形截面，腹桿采用箱形截面和H形截面,上平縱聯(lián)采用交叉式體系,橫聯(lián)和橋門架采用雙交叉體系,橋面系采用密橫梁整體正交異性鋼橋面系。鋼梁在工廠制造時各構(gòu)件間全部為焊接,在工地拼裝除橋面板焊接外其余為栓接。

2 總體施工方案

由于大橋橫跨穎河,航道運輸繁忙,對河道部分不考慮有支架施工,根據(jù)該橋的地質(zhì)、水文情況和鋼梁的設(shè)計特點,采用在岸邊拼裝鋼梁后整體半頂推半浮運的架設(shè)方法。

在岸邊搭設(shè)鋼管支墩并在支墩上沿主桁中心線設(shè)2道通長下滑道；鋼梁在下滑道上全部拼裝完畢,鋼梁下弦底面安裝上滑道,并將上滑道固定在下弦上；上下滑道間為四氟乙烯板和不銹鋼板摩擦面,液壓千斤頂頂推鋼梁在下滑道上行走；鋼梁從下滑道末端開始拼裝,每拼裝2～3個節(jié)間,將鋼梁向前頂推,再拼裝下一個節(jié)間,直至10個節(jié)間全部拼完,此時鋼梁前端懸出下滑道4個節(jié)間；在浮船上搭設(shè)萬能桿件臨時支墩,浮船排水,鋼梁落在浮船支墩上并與之固定,然后鋼梁在水中浮運行進；到達對岸主墩時,解開鋼梁與浮船支墩的聯(lián)結(jié),浮船壓水退出,鋼梁兩端同時落梁就位。

為保證鋼梁架設(shè)的安全,本方案在浮墩托起鋼梁后,拆除支架上所有支點,僅留鋼梁尾部支點,形成浮墩和鋼梁后支點,二點支承鋼梁的簡支結(jié)構(gòu),在整個頂推浮運過程中,浮墩的頂托力是恒定的,極大地簡化了浮墩頂托力的計算,排除了浮運途中抽排水引起的浮墩傾斜等不安全因素。同時,將以往采用卷揚機在前方拖拉鋼梁前進的形式改為在鋼梁尾部頂推,由頂推千斤頂控制鋼梁前進速度,形成半頂推半浮運的鋼梁架設(shè)體系,鋼梁頂推前進速度較慢,向前縱移的過程更加平穩(wěn)可控。

為縮短工期,鋼梁拼裝工作與浮墩施工平行作業(yè),鋼梁拼裝在陸地支架上一次整體拼裝完成,待浮墩施工完畢即可進行頂推浮運作業(yè)。浮墩的拼裝工作在岸邊進行,對河道通航影響小,頂推時占用河道時間短。

3 主要施工設(shè)施

3.1 陸地支架

沿42號承臺向45號墩搭設(shè)支架,每組支架用4根鋼管組成,鋼管間縱橫向水平連接及剪刀撐均采用角鋼連接,形成支墩,支墩上設(shè)縱向、橫向分配梁,基礎(chǔ)采用C20混凝土擴大基礎(chǔ)。

3.2 主墩支架

利用42號主墩承臺作支架基礎(chǔ)搭設(shè)支架,支架結(jié)構(gòu)與陸地支架相同,主墩支架與墩身無水平連接,在整個鋼梁拖拉中墩身不受水平力,水平力傳至承臺。

3.3 滑道設(shè)置

下滑道在支架上連續(xù)布置,上滑道在下弦桿各節(jié)點處設(shè)置,構(gòu)成不連續(xù)的節(jié)點上滑道。上滑道與下滑道接觸處設(shè)不銹鋼板和四氟乙烯板,減小摩擦力。支架及滑道布置見圖1。

圖1 支架及滑道布置

3.4 浮墩支架

由于橋位處為Ⅳ級航道,上下游均有水閘,水位可控,常河水位為+31.5 m,梁底高程為+49.88 m,按常河水位設(shè)計浮墩支架高度,即水面以上高度為18.38 m；浮船吃水按2.8 m計,浮墩支架總高度按21.5 m設(shè)計。

浮墩支架采用I560型鋼和萬能桿件拼裝成一墊梁作為分配梁使駁船均勻受力,在墊梁上設(shè)置萬能桿件立柱,立柱間萬能桿件作水平連接,頂部設(shè)3層分配梁作托梁之用。

浮墩支架承受載荷為

P=5G/8=13 750 kN

用MIDAS/CiViL建模計算,考慮鋼梁載荷、支架自重、風載及鋼梁偏載引起船體晃動,根據(jù)計算所得各桿件內(nèi)力選擇合適的萬能桿件,最終選定后支架整體自重約為5 000 kN。浮墩支架有限元計算模型見圖2。

圖2 浮墩支架有限元計算模型

浮墩支架所承受最大壓力為632 kN,出現(xiàn)在豎桿部分(圖3)。

圖3 浮墩支架內(nèi)力示意

3.5 浮船

受河道通航限制,較大的船只無法通過上游閘口進入河道,故選用3條53 m×9.6 m的駁船共同承載,每條駁船載貨量為12 000 kN,吃水深度3 m,貨倉尺寸為32.5 m×7.5 m,注水深度可達到2.7 m,3條船總?cè)菟考s為20 000 kN,大于浮墩支架承受的最大載荷13 750 kN,抽水產(chǎn)生的浮力滿足鋼梁前端頂起要求。

因浮墩支架是一個3點支承的超靜定結(jié)構(gòu),各支點受力大小主要由浮船的灌排水量進行控制,故整個頂推浮運過程應(yīng)盡量調(diào)整3條船的狀態(tài)一致,使浮船和浮墩支架的受力狀態(tài)接近理論計算工況。

在實際施工過程中,3條駁船均為同一型號,但實際尺寸卻有一定偏差,3條船在未承載浮墩支架和鋼梁的初始狀態(tài)下,會有一定的首尾高差和左右傾斜,此時可通過在首尾隔艙壓水調(diào)整前后高差,在左右船舷堆放砂袋等重物平衡左右傾斜,使3條船的姿態(tài)一致,便于萬能桿件支架在船上拼裝。

在浮墩支架拼裝完畢后,由于支架重心與船體重心不在同一垂線上,船體會產(chǎn)生一定的前后傾斜,可通過在首尾隔艙壓水調(diào)整前后高差,使浮墩支架垂直。而由于重心位置無法確定而引起的抽灌水過程中船體的前后不平衡,也可通過增減首尾隔艙的壓艙水進行調(diào)整。

在浮船載梁的排水過程中,由于水的重心和船體重心不在同一垂線上,也會產(chǎn)生一定的前后高差,此時調(diào)整的壓艙水的水量應(yīng)計入各船的總排水量,應(yīng)使各船排水產(chǎn)生的浮力盡量與支架計算的受力工況吻合。排水量需計算準確,以此來控制浮墩支架各支點的受力。浮船及浮墩支架示意見圖4。

圖4 浮船及浮墩支架示意

3.6 頂推設(shè)備

鋼梁全部拼裝完成后的頂推力,頂推重力約22 000 kN,頂推力計算公式如下

F=K·(G·f+G·I)

式中,K為安全系數(shù),一般取K=2.5(頂推千斤頂?shù)捻斖屏Σ恍∮谟嬎沩斖屏Φ?倍)[1]；G為頂推鋼梁總重,f為滑道摩擦系數(shù),一般取f=0.05[1]；I為頂推鋼梁的設(shè)計坡度(坡度為2‰)；得F=2.5×(22 000×0.05+22 000×2‰)=2 684 kN,故采用1 500 kN頂推千斤頂2臺。

左右側(cè)主桁尾部各設(shè)1 500 kN液壓千斤頂1臺,行程1.2 m,作為鋼梁前行頂推動力,采用銷軸將千斤頂連接座固定在下滑道上作為頂推千斤頂反力架。

3.7 牽引設(shè)備及地錨設(shè)置(圖5)

浮船(浮墩)載梁后向41號墩移動時完全依靠頂推千斤頂頂推前移,故浮船纜繩主要控制移動方向,由于河水具有一定的流速,纜繩在控制方向時主要克服水流的沖擊力及風載荷。

風阻力按5級風考慮[1],風阻力F1=624 kN；

水流速度按0.8 m/s計算,水流方向沖擊力F2=330 kN[2]；

綜合得：水流方向最大載荷F=F1+F2=954 kN。

擬在上游設(shè)置1個錨(水上),通過船上絞車進行控制；上、下游岸邊各設(shè)置2個邊錨(岸邊),在船上布置4臺60 kN慢速卷揚機作為邊錨控制,卷揚機鋼絲繩倍率為2,通過將軍柱調(diào)整錨繩拖拉角度；另在上游設(shè)置2個應(yīng)急錨,在其他錨繩出現(xiàn)故障時定位浮船。

卷揚機牽引計算：

(1)浮墩在剛拖拉工況

牽引力在水流方向的最大分力為

T=0.8×(1 200×sin18.9°+300×sin53.7°+1 200×sin55.5°)≈1 300 kN>F=954 kN；

(2)浮墩在河中工況

牽引力在水流方向的最大分力為

3）嫁接用的接穗務(wù)必采自無潰瘍病、葉斑病、黃化病、早期落葉病、紅蜘蛛等病蟲感染危害的健康樹，要求用木質(zhì)化程度高、芽體分化好的春梢作接穗，以成齡結(jié)果樹春梢最好。

T=0.8×(1 200×sin28.5°+300+1 200×sin25.9°)≈1 120 kN>F=954 kN；

(3)浮墩在拖拉終點工況

牽引力在水流方向的最大分力為

T=0.8×(1 200×sin55.0°+300×sin53.4°+1 200×sin19.0°)≈1 290 kN>F=954 kN；

滿足拖拉要求。

圖5 浮船錨定布置(單位：mm)

4 鋼梁架設(shè)步驟

4.1 鋼梁岸邊拼裝

鋼梁在汽車吊配合下拼裝,逐段拼裝并向前頂推,到最后鋼梁懸臂4個節(jié)間(穩(wěn)定系數(shù)為2.25)。將頂推裝置移至鋼梁尾部,鋼梁等待頂推浮運。鋼梁拼裝順序見圖6。

4.2 鋼梁頂推浮運架設(shè)

用浮墩頂托鋼梁(支點設(shè)在第3號節(jié)點),將鋼梁拼裝支點懸空10 cm,僅尾部支點和浮墩支點支承鋼梁,各項檢查合格后即可向前頂推,直至浮運到41號墩并就位。

鋼梁頂推浮運步驟如下。

(1)向浮墩船艙內(nèi)壓水下沉,使浮墩頂部低于梁底30 cm左右,并滿足左右支座處于水平狀態(tài),浮墩移至鋼梁下部,對準第3個節(jié)點,逐步抽出艙內(nèi)壓水,托起鋼梁前端,依次從浮墩端向尾端拆除各節(jié)點的上滑道支點,僅剩鋼梁尾部支點和浮墩支點支承鋼梁(2點支承)。見圖7。

圖6 鋼梁拼裝順序示意

圖7 頂推浮運起始狀態(tài)示意

(2)起動鋼梁尾部頂推裝置,將鋼梁向前頂推,浮墩隨鋼梁同步前進,隨時監(jiān)控鋼梁(浮墩)運行方向,采用方向控制纜(卷揚機)控制浮墩運行方向。見圖8。

圖8 頂推浮運到達狀態(tài)示意

(3)鋼梁浮運到位后,浮墩船艙內(nèi)壓水下沉,解除浮墩與鋼梁的約束,移開浮墩,完成浮運作業(yè)。

5 頂推浮運施工要點

5.1 頂推浮運前的檢查

重點在于對浮運航道、浮船、浮墩支架、錨定及人員配合情況的檢查。

(1)對浮船經(jīng)過的航道進行詳細探測,充分掌握不同水位時的河床深淺、流速流向,使船體在最大吃水量及最低水位時,船底應(yīng)高出河床0.6 m[1],防止船體擱淺；

(2)檢查駁船加固、聯(lián)接是否牢固；

(3)對系泊設(shè)備進行檢查,確保滿足設(shè)計要求；

(4)抽灌水試驗,測定水泵性能、抽灌速度、隔艙水密性等；

(5)在支架兩側(cè)掛線錘,檢查支架垂直度；

(6)對所有纜繩應(yīng)嚴格檢查,合格后方可使用,必要時可作拉力試驗；

(7)按要求設(shè)置應(yīng)急控制纜,并進行試運行；

(8)進行灌水預(yù)拖試驗,檢驗浮運航道情況、纜繩工作情況、指揮系統(tǒng)與測量監(jiān)控系統(tǒng)的配合情況。

5.2 頂推浮運架設(shè)

重點在于頂推浮運過程中鋼梁的監(jiān)控及橫向糾偏。橋址上下游雖有閘口控制河水,但河水仍具有一定流速(最大流速0.8 m/s),在浮船前進過程中會產(chǎn)生一定的沖擊力,因此在頂推浮運過程中,需在對岸布置好觀測點,隨時監(jiān)控鋼梁中線偏差,并及時反饋給控制人員,由控制人員指揮牽引設(shè)備控制人員收放錨繩進行糾偏。

鋼梁在頂推過程中,受水流影響,一般會向下游偏移,鋼梁尾端每頂推1 m,前端一般會向下游偏移10～30 cm,因此每頂進1 m左右,都需要停止頂推進行糾偏。糾偏可在頂推間隙進行(千斤頂收頂時),若監(jiān)控發(fā)現(xiàn)偏移量過大,即使頂進行程未到達1 m,也須立即停止頂推并進行糾偏。鋼梁橫向偏移由錨繩進行控制,當發(fā)現(xiàn)鋼梁向下游偏移時,控制前方上游邊錨纜繩略收緊,前方下游邊錨纜繩略放松,同時浮船后方上下游邊錨纜繩同時略放松,浮船就會向上游方向移動,達到鋼梁橫向糾偏的目的,若偏差較大,還可控制上游水中錨纜繩收緊進行糾偏。

頂推浮運過程中除糾偏外,還需滿足以下要求：

(1)鋼桁梁頂推浮運前,應(yīng)向當?shù)貧庀笈_站了解拖拉施工期間的氣象預(yù)報,在風力達到5級時不應(yīng)拖拉鋼梁；[1]

(2)頂推浮運時,在橋址上游2 km左右、下游1 km左右應(yīng)設(shè)置控制航道信號及監(jiān)視哨,或聯(lián)系航道管理部門,派船監(jiān)視巡邏和監(jiān)督執(zhí)行封航要求；[1]

(3)各系統(tǒng)必須在統(tǒng)一指揮下進行,利用對講機進行聯(lián)絡(luò)；

(4)移動浮墩至預(yù)定位置,固定浮墩纜繩,按計算抽出浮墩壓倉水,要求對稱、均衡排水,使浮墩逐步受載至主墩支架前支點松動,注意兩側(cè)高差不得大于5 mm,并將浮墩支點與支承節(jié)點固定；

(5)頂推裝置的安裝,不得人為設(shè)置間隙,頂推行程控制在0～1.2 m,以利于糾偏控制,控制臺操作人員需掌握頂推進程及操作要求；

(6)頂推過程中通過測量頂推千斤頂活塞桿伸出長度,觀察油缸頂推速度是否一致,同時測量記錄頂進距離；

(7)頂推和糾偏時方向纜要對稱放松或收緊,頂推浮運過程中應(yīng)隨時觀測鋼梁中線橫向偏移情況,發(fā)生較大偏差時應(yīng)及時實施糾偏,糾偏時不得頂推；

(8)頂推浮運過程中,上滑道必須懸空,以免影響鋼梁前后支點的受力情況；

(9)頂推浮運過程中應(yīng)連續(xù)作業(yè),無異常情況,一般不得停止頂推；

(10)頂推浮運過程中,設(shè)專人觀察方向和水位變化,并及時報告指揮,在水位變化超過40 mm時駁船要對稱注水或放水；

(11)頂推浮運到位落梁后,應(yīng)及時移出浮墩。

5.3 拖拉鋼梁應(yīng)符合下列規(guī)定

施工過程中,除必須嚴格執(zhí)行鐵路有關(guān)規(guī)范及驗收標準外,且須滿足以下技術(shù)要求：

(1)2臺頂推油缸同步誤差不大于10 mm；

(2)滑道保持平整,滑道中心線偏差小于20 mm,兩側(cè)滑道高差不大于10 mm；[1]

(3)頂推浮運作業(yè)應(yīng)連續(xù)進行,在鋼梁前端支點到達墩臺支點時方可停止頂推,當中途停止頂推時,頂推裝置應(yīng)及時錨固鎖定；

(4)架設(shè)過程中,鋼梁傾覆穩(wěn)定系數(shù)大于1.3；浮體傾覆安全系數(shù)大于2.0,傾角小于5°,其承載力為荷載的1.5倍以上。[1]

6 結(jié)語

本方案采用二點支承鋼梁的簡支結(jié)構(gòu)進行頂推浮運,在整個頂推浮運過程中,浮墩的頂托力是恒定的,極大的簡化了浮墩頂托力的計算,排除了浮運途中抽排水引起的浮墩傾斜等不安全因素。同時,將以往采用卷揚機在前方拖拉鋼梁前進的形式改為在鋼梁尾部頂推,鋼梁向前縱移的過程更加平穩(wěn)可控。而由于大型船只無法進入河道,只能采用多條小型船只聯(lián)合作為浮運支點的做法,只要調(diào)整好各船的姿態(tài)平衡,準確控制好各船的排水量,使浮船和浮墩支架受力均衡,可以滿足施工需要。

鋼梁主要在岸邊施工,河道封航時間較短,適合航道運輸繁忙的跨河橋梁。雖所需臨時設(shè)施較多,如臨時支墩、上下滑道、頂推設(shè)備等,但可再利用率較高,浮船支墩采用萬能桿件拼裝,可以租用節(jié)約成本,經(jīng)濟效益較高。

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