鐵路混合梁鋼混結(jié)合段鋼箱梁關(guān)鍵施工技術(shù)

任世朋，朱元元，閆明賽，孫小猛，徐登云

(中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇蘇州　215131)

鐵路混合梁鋼混結(jié)合段鋼箱梁關(guān)鍵施工技術(shù)

任世朋，朱元元，閆明賽，孫小猛，徐登云

(中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇蘇州215131)

摘要：甬江主橋?yàn)閲鴥?nèi)第一座鐵路混合梁斜拉橋，在鋼混結(jié)合段鋼箱梁施工中，綜合分析構(gòu)造、地質(zhì)、環(huán)境等因素，闡述傳統(tǒng)施工方法的不適應(yīng)性，提出鋼混結(jié)合段鋼箱梁模塊組拼滑移方法。詳細(xì)介紹結(jié)合段鋼箱梁模塊劃分原則、樁-柱-梁式支架設(shè)計(jì)、自平衡移梁滑道構(gòu)造、滑移-澆筑一體式胎架及模塊匹配滑移技術(shù)，總結(jié)鋼混結(jié)合段鋼箱梁模塊組拼滑移施工控制要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：鐵路混合梁；鋼混結(jié)合段；鋼箱梁；組拼；滑移

近年來，混合梁斜拉橋因其良好的力學(xué)特性，經(jīng)濟(jì)性以及優(yōu)美的造型，已成為大跨橋梁最有力的競爭橋型[1]。

混合梁斜拉橋在公路跨江橋梁建設(shè)中得到越來越多的應(yīng)用，目前已應(yīng)用于永川長江大橋、鄂東長江大橋、石板坡長江大橋、荊岳長江公路大橋、黃艤長江大橋中、九江長江公路大橋[2-7]。相對于以上公路混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段而言，鐵路混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段所受荷載更大，構(gòu)造更加復(fù)雜，施工難度更大。

1工程概況

1.1設(shè)計(jì)概況

甬江左線特大橋主橋?yàn)殚L909.1 m的雙線鐵路混合梁斜拉橋，邊跨跨徑為(53+50+50+66) m，中跨468 m，混凝土主梁一側(cè)全長245.05 m，中跨鋼箱主梁長419 m，鋼-混分界點(diǎn)位于中跨距離索塔24.5 m[8]，橋型立面見圖1。

圖1　橋型立面(單位：m)

鋼混結(jié)合段為單箱五室截面，長14.05 m，寬21 m，高5 m，鋼箱梁質(zhì)量384.1 t。包含3 m頂?shù)赘拱遄兒窕炷料淞哼^渡段、2 m混凝土橫隔梁、4.05 m頂?shù)赘拱遄兒皲摶爝^渡段、5 m頂?shù)装錟(V)肋加焊變高T肋過渡段，鋼-混接頭為階梯式填充混凝土前后承壓板結(jié)構(gòu)[9]，鋼格室內(nèi)補(bǔ)償收縮混凝土446 m3，見圖2。

圖2　鋼混結(jié)合段中軸線立面(單位：mm)

為保證鋼混結(jié)合段混凝土梁及鋼梁之間的剪力傳遞，以及防止鋼板與混凝土之間的剝離[10]，鋼混結(jié)合段設(shè)有頂板、底板、腹板、傳剪板、回形件、縱橫向預(yù)應(yīng)力筋、PBL剪力鍵、剪力釘?shù)?，結(jié)合段構(gòu)造見圖3。鋼混結(jié)合段鋼箱梁主材采用Q345qD，板材厚度在4～60 mm，其中承壓板厚60 mm，腹板厚30 mm，頂?shù)装搴?8 mm，加勁板厚20 mm，回形件厚16 mm，頂板處U、V肋板厚10 mm，底板處U肋厚8 mm，肋板連接板厚4 mm。

圖3　鋼混結(jié)合段構(gòu)造

1.2地質(zhì)條件

橋址處地質(zhì)條件復(fù)雜，地表下46 m范圍內(nèi)均為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，承載力低。江堤基礎(chǔ)范圍內(nèi)多為木樁與塊石。

1.3氣候水文

寧波瀕海，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，每年5～11月為臺風(fēng)影響期。甬江為3級通航標(biāo)準(zhǔn)，北岸灘涂寬約180 m，受潮位影響不能通航。

1.4橋址環(huán)境

甬江主橋距清水浦大橋28 m，鋼混結(jié)合段梁底距地面33 m。甬江北岸鋼混結(jié)合段距主塔13.5 m，跨江堤侵入灘涂區(qū)5 m；甬江南岸鋼混結(jié)合段上跨沿江路及熱力管道，周邊多廠房。施工場地狹小，難以滿足大型吊裝設(shè)備拼裝、站位、走行、回轉(zhuǎn)需要。

2結(jié)合段鋼箱梁施工方法研究

2.1航運(yùn)浮吊法

公路混合梁斜拉橋航運(yùn)便利，鋼混結(jié)合段鋼箱梁多采用船舶運(yùn)輸，大型浮吊或橋面吊機(jī)整體吊裝[7，11]。甬江北岸灘涂區(qū)不能通航，結(jié)合段鋼箱梁無法直接運(yùn)輸至橋位，若開挖航道或搭設(shè)棧橋投入巨大。

2.2橋位散拼法

橋位散拼法又稱橋位制梁或支架散拼法，即工廠內(nèi)完成板單元加工，運(yùn)輸至橋位處，逐塊吊裝焊接成整體。該方法僅適用于吊裝環(huán)境受限、跨度較小、構(gòu)造簡單的鋼梁施工[12]。

該方法在甬江主橋結(jié)合段鋼箱梁施工中存在以下問題：①受風(fēng)雨、地質(zhì)、環(huán)境等因素影響，施工精度和焊接質(zhì)量難以保證；②橋位拼裝結(jié)合段鋼箱梁不能參與1號鋼箱梁制造匹配和預(yù)拼裝施工，梁段間拼縫銜接匹配難度大，線形不易控制；③距索塔僅13.5 m，空間交叉施工嚴(yán)重干擾，且長時(shí)間頻繁高空吊裝作業(yè)，安全風(fēng)險(xiǎn)大。

2.3模塊組拼滑移法

模塊化主要被應(yīng)用于汽車、飛機(jī)、通信為代表的制造業(yè)中，京滬高速鐵路建設(shè)是我國高速鐵路領(lǐng)域模塊化應(yīng)用的開端[12]。

本著模塊化思想構(gòu)思了鋼混結(jié)合段鋼箱梁“模塊組拼滑移法”，主要步驟如下：①將鋼箱梁劃分為若干模塊；②鋼箱梁拼裝場內(nèi)完成模塊焊接拼裝，分縫線處安裝匹配件，解體后運(yùn)輸至現(xiàn)場；③橋位安裝移梁滑道及反力架、總拼胎架；④依次完成模塊及胎架節(jié)段的吊裝、匹配、滑移；⑤全部模塊匹配連接、焊接為整體后精調(diào)定位。

3鋼箱梁模塊組拼滑移關(guān)鍵技術(shù)

分析影響鋼混結(jié)合段鋼箱梁模塊組拼滑移的諸多因素，總結(jié)5項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

(1)鋼混結(jié)合段鋼箱梁分塊技術(shù)：鋼混結(jié)合段構(gòu)造復(fù)雜，分塊方案需要綜合考慮模塊的剛度、自重、吊點(diǎn)位置、起重設(shè)備性能、模塊間拼縫焊接難度等因素。

(2)鋼混結(jié)合段的臨時(shí)支撐體系：結(jié)合段鋼箱梁體積大、位置高，鋼箱梁及補(bǔ)償收縮混凝土自重大，支架體系既要有足夠的承載力和穩(wěn)定性，又要減小施工對甬江大堤的影響。

(3)移梁滑道及反力架：滑道既要傳遞上部荷載又要提供滑移動力和抵抗摩擦阻力[12]，既要有足夠的剛度防止滑移變形過大，又要最大限度降低滑道高度減少胎架和貝雷梁之間的抄墊工作量。

(4)既能滑移又能澆筑的胎架：橋位拼裝胎架結(jié)構(gòu)形式和制造精度對鋼混結(jié)合段模塊組拼精度起到?jīng)Q定性作用，胎架既要傳遞鋼箱梁滑移荷載又要傳遞補(bǔ)償收縮混凝土重力，還應(yīng)考慮分段位置和連接方式。

(5)模塊吊裝、運(yùn)輸、滑移定位技術(shù)：模塊均為異形結(jié)構(gòu)，吊耳位置若設(shè)計(jì)不當(dāng)將影響拼裝精度；吊裝設(shè)備除起重能力要滿足外又要滿足狹小的吊裝空間要求；模塊與胎架交叉組拼，吊裝順序和滑移長度需要反復(fù)模擬論證。

3.1鋼混結(jié)合段鋼箱梁分塊與匹配

(1)鋼混結(jié)合段鋼箱梁分塊

綜合考慮結(jié)合段構(gòu)造、橋址環(huán)境、吊裝工藝、滑移方式等因素，通過比選多種方案選擇模塊質(zhì)量均衡、起重設(shè)備能滿足最大模塊吊重、模塊尺寸均衡、運(yùn)輸設(shè)備及運(yùn)輸線路滿足要求、分縫線位置受力較小且易于橋位焊接的模塊劃分方案。

將長12.35 m主橋鋼混結(jié)合段鋼箱梁，劃為4.8 m長剛度過渡段和7.55 m長鋼格室段，鋼格室段橫向分為1塊底板單元、2塊斜底板單元、2塊風(fēng)嘴單元。剛度過渡段沿中線橫向分為2塊，鋼混結(jié)合段鋼箱梁模塊劃分及編號見圖4。

圖4　鋼混結(jié)合段分塊示意

鋼混結(jié)合段分段鋼箱梁模塊尺寸和質(zhì)量統(tǒng)計(jì)見表1。

表1　鋼混結(jié)合段分塊數(shù)量統(tǒng)計(jì)

(2)鋼混結(jié)合段鋼箱梁模塊間匹配

鋼混結(jié)合段模塊之間設(shè)計(jì)粗調(diào)及精調(diào)2種匹配件，依照先安裝粗調(diào)匹配件后安裝精調(diào)匹配件的順序連接，為模塊組拼提供參照，保證拼裝精度。

3.2“樁-柱-梁式支架”設(shè)計(jì)與施工

為提供足夠的承載能力及穩(wěn)定性，同時(shí)減小施工對甬江大堤造成的破壞，采用“樁-柱-梁式支架”作為結(jié)合段施工的臨時(shí)支撐體系。

綜合考慮結(jié)合段鋼箱梁自身剛度、補(bǔ)償收縮混凝土重力分布、施工荷載等因素，鋼混結(jié)合段施工設(shè)2排支架，支架底部均設(shè)置7根樁長60 mφ1.0 m鉆孔樁。樁頂設(shè)23 m×2.5 m×2 m承臺，兩承臺縱向間距9.5 m。根據(jù)鋼混結(jié)合段受力條件，向塔側(cè)設(shè)置9根、背塔側(cè)設(shè)置7根φ530×10 mm鋼管立柱。鋼管立柱頂依次設(shè)置落架砂筒、橫向分配梁、縱向貝雷梁。計(jì)算荷載對支架進(jìn)行預(yù)壓，根據(jù)預(yù)壓報(bào)告設(shè)置貝雷梁預(yù)拱度和拋高，支架布置見圖5。

圖5　“樁-柱-梁式支架”側(cè)面

3.3“自平衡移梁滑道”設(shè)計(jì)與制造

自平衡滑道主要由移梁滑道、反力架以及牽引系統(tǒng)3部分構(gòu)成。

(1)移梁滑道底板及側(cè)向限位板采用鋼板焊接而成，為提高側(cè)向限位板的橫向剛度，保證鋼混結(jié)合段橫向滑移精度，側(cè)向限位板外側(cè)與底板之間設(shè)置加勁板。

(2)反力架由為牽引端反力架和滑移端反力架構(gòu)成，牽引端反力架由承壓板及加勁板構(gòu)成，焊接在滑道端部；滑移端反力架由承壓板及連接板構(gòu)成，焊接在滑移胎架端部。

(3)牽引系統(tǒng)由穿心式千斤頂及精軋螺紋鋼組成，精軋螺紋鋼一端穿過牽引端反力架及千斤頂，另一端錨固在滑移端反力架上。

在滑槽內(nèi)拋光除銹后涂抹黃油以減小滑動摩擦力，在滑移胎架底部型鋼前端下方設(shè)置圓弧倒角防止掛擦移梁滑道底板，自平衡移梁滑道總體結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6　自平衡移梁滑道構(gòu)造

3.4“滑移-澆筑一體式”胎架施工

為在橫向滑移及混凝土澆筑全過程中給予鋼混結(jié)合段充分的支撐剛度，研制“滑移-澆筑一體式”胎架，滑移胎架和澆筑胎架間隔設(shè)置。胎架見圖7。

圖7　“滑移-澆筑一體式”胎架

(1)滑移胎架

鋼混結(jié)合段滑移過程中，鋼混結(jié)合段鋼箱梁重力全部由滑移胎架承受。為保證滑道胎架的剛度和穩(wěn)定性，底部橫梁采用H型鋼。

(2)澆筑胎架

澆筑胎架設(shè)置在滑道胎架之間，為后續(xù)鋼混結(jié)合段混凝土施工提供支撐，滑道胎架及三角支撐均采用工字鋼組焊。

(3)“滑移-澆筑一體式”胎架安裝及拆除

采用槽鋼將滑移及澆筑胎架連接成整體，胎架橫橋向根據(jù)鋼混結(jié)合段分塊吊裝滑移的需要，為3個(gè)部分吊裝，采用高強(qiáng)螺栓連接。

鋼混結(jié)合段對應(yīng)斜拉索張拉完成后，通過落架砂筒實(shí)現(xiàn)胎架、貝雷梁和分配梁的整體下落，拆除胎架間高強(qiáng)螺栓，分段吊裝完成拆除。

(4)橫向滑移導(dǎo)向裝置

為保證橋位橫向同步滑移，便于滑移過程中導(dǎo)向，在胎架端頭兩側(cè)安裝橫向滾輪，滾輪外緣距滑道側(cè)壁預(yù)留5 mm間隙。

3.5鋼箱梁模塊組拼滑移定位

(1)鋼箱梁模塊吊點(diǎn)設(shè)計(jì)

鋼混結(jié)合段分塊完成后，根據(jù)各模塊的幾何特征，計(jì)算重心位置，對稱布設(shè)吊點(diǎn)。保證各塊體在吊裝過程中重心穩(wěn)定，吊點(diǎn)受力均衡，提吊狀態(tài)與拼裝狀態(tài)基本一致。

(2)吊裝及運(yùn)輸設(shè)備選型

鋼混結(jié)合段鋼箱梁模塊解體后，選用徐工QAY260 t汽車吊將結(jié)合段模塊由鋼箱梁拼裝場吊裝到運(yùn)梁車。根據(jù)鋼混結(jié)合段模塊重力及結(jié)構(gòu)尺寸，選用13 m長高底板掛車運(yùn)輸。

橋位吊裝選用中聯(lián)QUY350型履帶吊，工況為重型主臂66 m、超起桅桿27 m、超起配重半徑15 m、后配重85 t。吊裝場地?fù)Q填宕砟后澆筑鋼筋混凝土，履帶行走位置鋪設(shè)箱型路基板。模塊運(yùn)輸及吊裝見圖8。

圖8　鋼箱梁模塊解體運(yùn)輸及吊裝

(3)結(jié)合段模塊匹配及滑移定位

左半幅胎架安裝驗(yàn)收后，7塊鋼箱梁模塊分9步匹配滑移：①吊裝A塊；②吊裝D塊并與A塊匹配連接；③吊裝C塊，并與A塊(D塊)匹配連接；④胎架及塊段橫移3.2 m，吊裝底板總拼胎架；⑤吊裝E塊，并與A、D塊匹配連接；⑥胎架及塊段橫移7 m，吊裝右半幅總拼胎架；⑦吊裝B塊，并與A、E塊匹配連接；⑧吊裝F塊，并與B、E塊匹配連接；⑨吊裝G塊，并與B、F塊匹配連接。

模塊匹配完成后，分4步焊接6道模塊拼縫，第一步焊接過渡段縱縫，第二步焊接結(jié)合段底板和斜底板縱縫，第三步焊接風(fēng)嘴單元和斜底板縱縫，第四步焊接環(huán)向焊縫，焊接順序及焊接方向見圖9。

圖9　模塊拼縫焊接順序及方向示意

焊縫檢測合格后，通過移梁滑道和牽引系統(tǒng)調(diào)整結(jié)合段橫向位置，精度滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求后，通過焊接滑道和胎架和抄墊澆筑胎架和貝雷梁間隙的方式進(jìn)行鎖定。

4質(zhì)量控制措施

(1)結(jié)合段鋼箱梁分塊方案必須建立在對主體結(jié)構(gòu)理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，分縫位置盡量設(shè)置在受力較小處，滿足吊裝條件下模塊盡量大；為確保鋼混結(jié)合段鋼箱梁施工質(zhì)量，嚴(yán)格按照《鐵路鋼橋制造規(guī)范》(TB10212—2009)和焊接工藝制作加工。

(2)強(qiáng)大的“樁-柱-梁式支架體系”是鋼箱梁模塊組拼和滑移精度控制的基本條件，樁基承載力應(yīng)根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)中相關(guān)要求驗(yàn)算；立柱和貝雷梁受力必須滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017—2003)相關(guān)要求。

(3)“自平衡移梁滑道”軸線偏差控制在3 mm以內(nèi)，胎架制造精度應(yīng)與鋼箱梁精度一致。

(4)牽引使用的穿心式千斤頂規(guī)格型號一致，每缸行程誤差控制在2 mm以內(nèi)，累計(jì)行程誤差控制在5 mm以內(nèi)。

(5)大跨度鋼箱梁在安裝過程中主要的問題是焊接變形控制，先焊的部件對后焊的部件將產(chǎn)生不同程度的約束，其焊接變形也不相同[15，16]。為控制鋼箱梁模塊間拼縫焊接變形，所有橋位對稱焊縫均采用兩端同時(shí)、同步焊接工藝施工。

5結(jié)語

甬江主橋鋼混結(jié)合段鋼箱梁順利施工，證明了模塊匹配制作、吊裝、組拼滑移技術(shù)的科學(xué)性和合理性，解決了結(jié)合段鋼箱梁體積與自重大、航運(yùn)及吊裝設(shè)備受限、施工質(zhì)量要求高等難題，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)施工方法的不足，作為國內(nèi)首座鐵路混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段鋼箱梁的關(guān)鍵施工技術(shù)可供類似工程參考。

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Key Construction Technology for Steel-box Girder of Steel-Concrete Joint Section of Railway Hybrid Girder

REN Shi-peng， ZHU Yuan-yuan， YAN Ming-sai， SUN Xiao-meng， XU Deng-yun

(The Second Engineering Company of China Railway No.4 Engineering Group Co.， Ltd.， Suzhou 215131， China)

Abstract：The main bridge of Yongjiang river is the first railway hybrid girder cable-stayed bridge in China. Taking account of construction， geology and environment， the paper analyzes the inapplicability of traditional construction methods and proposes the method of matching and slipping the modules of steel-box girder of the steel-concrete section， addresses the principle of slicing the steel-concrete joint section， the design of pile-pillar-girder support， the structure of self-balanced girder moving slide， the integrated formwork for sliding and concreting and the technology of matching and slipping the module of the steel-concrete section. The paper also summarizes the key points of construction control during matching and sliding processes.

Key words：Railway hybrid girder; Steel-concrete joint section; Steel-box girder; Matching; Sliding

中圖分類號：U448.27

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.018

文章編號：1004-2954(2015)06-0079-05

作者簡介：任世朋(1983—)，男，工程師，2007年畢業(yè)于邵陽學(xué)院道路與橋梁專業(yè)，E-mail：renshipeng@163.com。

基金項(xiàng)目：中國鐵路總公司科技研發(fā)重點(diǎn)項(xiàng)目(2013G001-D)

收稿日期：2014-09-09； 修回日期：2014-10-01