滬通鐵路長(zhǎng)江大橋112m簡(jiǎn)支鋼桁梁雙懸臂架設(shè)施工技術(shù)研究

楊繼光,韓治忠

(1.中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司,上海 200000；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司,湖北 武漢430000)

1 工程概況

滬通長(zhǎng)江大橋跨橫港沙水域采用21跨112m跨簡(jiǎn)支鋼桁梁,鋼桁梁主桁采用三片桁架結(jié)構(gòu)。主桁采用帶豎桿的華倫式桁架,主桁中心間距2×14.5m,中心桁高16m。每跨10個(gè)節(jié)間,中間節(jié)間長(zhǎng)11m,端部節(jié)間長(zhǎng)10.8m。鋼桁梁結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 112m簡(jiǎn)支鋼桁梁立面(m)

圖2 112m簡(jiǎn)支鋼桁梁橫斷面(m)

2 鋼桁梁拼裝方案

橫港沙水域處于淺水區(qū),低潮時(shí)平均水深僅為1m左右,大型浮吊與運(yùn)梁設(shè)備無(wú)法入內(nèi)；鋼桁梁跨數(shù)多,拼裝工作量大,需多個(gè)作業(yè)面同時(shí)施工。經(jīng)比選,鋼桁梁起始作業(yè)面采取先連續(xù)后簡(jiǎn)支,散件雙懸臂對(duì)稱拼裝的總體安裝方法。在鋼桁梁起始墩旁搭設(shè)支架,架設(shè)兩臺(tái)橋面吊機(jī)向兩側(cè)對(duì)稱拼裝鋼桁梁。墩旁支架在鋼桁梁拼裝過(guò)程中使中間墩與鋼桁梁形成T型剛構(gòu),傳遞鋼桁梁恒載、施工荷載、不平衡力矩。雙懸臂拼裝過(guò)程中鋼桁梁在自重作用下將發(fā)生下?lián)?墩旁支架內(nèi)力將不斷增大,為提高支架安全儲(chǔ)備,采取抽取支架上墊板以降低支架內(nèi)力的施工方法。大懸臂狀態(tài)下鋼桁梁應(yīng)力水平較高,為降低安全風(fēng)險(xiǎn),采取三主桁分桁片上墩的施工方法。

鋼梁拼裝過(guò)程可以分為四個(gè)階段。第一階段,利用1100t·m塔吊安裝22#墩墩旁支架。第二階段,利用塔吊完成22#墩墩頂南北兩側(cè)各兩個(gè)節(jié)間鋼桁梁安裝,期間完成墩頂臨時(shí)連接焊接；利用塔吊在墩頂兩側(cè)鋼桁梁上分別安裝橋面吊機(jī),駐位于2#節(jié)間。第三階段,橋面吊機(jī)調(diào)試完成后,利用橋面吊機(jī)拆除1100t·m塔吊；逐步向前完成節(jié)間鋼桁梁的拼裝；

為改善支架受力,考慮分別在第五、六節(jié)間安裝完成時(shí),分級(jí)各抽出支架頂部墊板10mm。第四階段,第八節(jié)間鋼桁梁對(duì)稱拼裝完成時(shí),橋面吊機(jī)站位于第七節(jié)間,在此狀態(tài)下,橋面吊機(jī)繼續(xù)安裝第九節(jié)間上游半幅(即中桁+上游側(cè)邊桁及聯(lián)接系),后依次安裝第10節(jié)間中桁下弦桿和中桁斜桿,實(shí)現(xiàn)鋼桁梁中桁上墩；橋面吊機(jī)走行至第八節(jié)間,完成第九和第十節(jié)間其他桿件安裝。主要施工工藝流程如圖3所示。

(a)安裝墩旁托架

(b)安裝墩頂起始節(jié)間

(c)跨中節(jié)間拼裝 (d)安裝最后兩個(gè)節(jié)間圖3 鋼桁梁主要拼裝步驟

3 鋼桁梁施工

3.1 22#墩墩旁支架搭設(shè)

22#墩墩旁支架主立柱采用Φ800×8mm鋼管組成的格構(gòu)柱,基礎(chǔ)設(shè)在承臺(tái)上,上下兩層格構(gòu)柱之間通過(guò)法蘭螺栓連接。墩旁支架均由3排格構(gòu)柱、承臺(tái)和墩身內(nèi)預(yù)埋件、柱腳、橫向連接系、附墻、柱頂縱梁、橫梁等結(jié)構(gòu)組成支撐體系。

格構(gòu)柱支撐在鋼桁梁E2大節(jié)點(diǎn)上。為改善支架頂部和底部局部受力,在其頂部和底部3m范圍內(nèi)灌注C40混凝土。鋼管立柱斜度為1∶5.1,頂部設(shè)置加勁柱帽,采用2HN900型鋼貫通對(duì)拉,如圖4所示。

圖4 22#墩墩旁支架布置

3.2 鋼梁起始段塔吊布置

鋼桁梁起始段的長(zhǎng)度需滿足在其上面布置架梁吊機(jī)的要求,通常為2-3個(gè)節(jié)間。通常在起始段鋼桁梁的后面或側(cè)面設(shè)置提升吊機(jī)。起始段鋼桁梁常用的起吊設(shè)備有履帶吊(汽車吊)、龍門吊、桅桿吊、大型塔吊等。鑒于本工程墩身較高(22#墩達(dá)61.7m),塔吊為較為經(jīng)濟(jì)的選擇。

在22#墩墩旁布設(shè)一臺(tái)1100t·m塔吊,用于墩旁支架、22#墩南北側(cè)各兩個(gè)節(jié)間鋼桁梁以及橋面吊機(jī)的安裝。塔吊基礎(chǔ)設(shè)置在承臺(tái)上,綜合考慮鋼桁梁與橋面吊機(jī)安裝位置,塔吊設(shè)置于22#墩南側(cè)下游,見(jiàn)圖3(a)。塔吊穿過(guò)鋼桁梁第一節(jié)間并保證與支架及鋼桁梁主桁桿件不沖突,相干涉的下弦平聯(lián)與公路縱梁在塔吊拆除后安裝。

3.3 墩頂臨時(shí)連接結(jié)構(gòu)

21#-22#墩和22#-23#墩兩跨簡(jiǎn)支鋼桁梁在22#墩墩頂位置非連續(xù)。為了使雙懸臂拼裝過(guò)程中22#墩兩側(cè)鋼桁梁自身形成平衡體系,在22#墩墩頂設(shè)置臨時(shí)連接。臨時(shí)連接采用焊接結(jié)構(gòu)形式。

經(jīng)分析鋼桁梁懸臂拼裝時(shí)前端位移主要由三個(gè)因素決定：1)結(jié)構(gòu)自重導(dǎo)致下?lián)希?)預(yù)拱度導(dǎo)致下?lián)希?)兩跨間臨時(shí)連接角度的影響。為保證懸臂端鋼桁梁順利上墩,墩頂兩側(cè)鋼桁梁呈“V”形。另21#-22#墩和22#-23#墩處于平曲線范圍內(nèi),鋼桁梁在墩頂以折代曲,兩跨鋼桁梁水平面上形成夾角。上下層臨時(shí)連接如圖5、圖6所示。

圖5 下弦臨時(shí)連接示意圖

圖6 上弦臨時(shí)連接示意圖

3.3 墩頂鋼桁梁拼裝及懸臂拼裝

(1)墩頂4節(jié)間安裝

墩頂4節(jié)間鋼桁梁采用1100t·m塔吊進(jìn)行安裝,總體上遵循“先主桁,后聯(lián)接系”、“先下后上”、“先近后遠(yuǎn)”的原則。兩側(cè)下弦桿安裝調(diào)位完成后墩頂臨時(shí)連接首先采用馬板定位,不急于焊接,防止產(chǎn)生焊接變形。在第一節(jié)間上弦安裝完成,22#墩兩側(cè)第一節(jié)間框架均形成后進(jìn)行上下弦墩頂臨時(shí)連接焊接施工。

(2)鋼桁梁懸臂拼裝

墩頂四節(jié)間鋼桁梁高強(qiáng)螺栓施工完成后,采用塔吊進(jìn)行橋面吊機(jī)安裝。橋面吊機(jī)調(diào)試完成后,采用橋面吊機(jī)將塔吊拆除,之后橋面吊機(jī)向兩側(cè)對(duì)稱雙懸臂拼裝鋼桁梁。鋼桁梁懸臂拼裝亦遵循“先主桁,后聯(lián)接系”、“先下后上”、“先近后遠(yuǎn)”的原則。雙懸臂拼裝過(guò)程中對(duì)不平衡荷載嚴(yán)格控制,3～6節(jié)間施工過(guò)程中不平衡荷載按照150t控制,7～8節(jié)間施工過(guò)程中不平衡荷載按照100t控制,上墩前最大懸臂狀態(tài)下不平衡荷載按照70t控制。

3.4懸臂拼裝過(guò)程中結(jié)構(gòu)安全控制措施

(1)橫向傾覆穩(wěn)定控制

為防止施工期間在橫風(fēng)作用下鋼桁梁出現(xiàn)橫向側(cè)滑或傾覆,在22#墩墩頂采取橫向約束措施。墩頂施工過(guò)程在中桁支座墊石兩側(cè)設(shè)置預(yù)埋件,之后在預(yù)埋件上焊接型鋼,通過(guò)型鋼對(duì)拉結(jié)構(gòu)形成橫向限位,對(duì)拉采用精軋螺紋鋼,如圖7所示。單組橫向限位按抗600t水平力設(shè)計(jì)。

(2)縱向傾覆穩(wěn)定控制

雙懸臂拼裝過(guò)程中,鋼桁梁未上墩頂前,雙懸臂最大長(zhǎng)度約100m。該工況條件下,若遭遇臺(tái)風(fēng)或超強(qiáng)突風(fēng),整個(gè)結(jié)構(gòu)體系最為不利。支座墊石施工過(guò)程在邊桁支座墊石四個(gè)角點(diǎn)位置設(shè)置預(yù)埋件,之后在預(yù)埋件上焊接型鋼,通過(guò)型鋼對(duì)拉結(jié)構(gòu)形成縱向限位,對(duì)拉采用精軋螺紋鋼,如圖8所示。

圖7 22#墩橫向限位結(jié)構(gòu)

圖8 22#墩縱向限位結(jié)構(gòu)

(3)墩旁支架應(yīng)力控制

鋼桁梁對(duì)稱雙懸臂拼裝過(guò)程中,在豎向由兩側(cè)墩旁支架和橋墩共三處支撐。懸臂架設(shè)時(shí),鋼桁梁在自重作用下將發(fā)生下?lián)?且下?lián)狭吭絹?lái)越大,最終形成類似于“⌒”形狀的拱狀結(jié)構(gòu),墩旁支架內(nèi)力將不斷增大。

在此種受力狀態(tài)下,主墩和墩旁支架間所分配荷載發(fā)生協(xié)調(diào)。支架剛度越大,支架最終所分擔(dān)的荷載將越大,從而使支架處于不利狀態(tài)。

針對(duì)以上情況,提出鋼梁對(duì)稱雙懸臂拼裝時(shí),抽取支架上墊板以降低支架內(nèi)力的應(yīng)對(duì)方法,即在鋼梁雙懸臂拼裝過(guò)程中,懸臂端長(zhǎng)度達(dá)總長(zhǎng)度一半左右時(shí),考慮此時(shí)支點(diǎn)處支承力不太大,通過(guò)千斤頂頂升使得支點(diǎn)脫空,而后一次或者分兩次抽掉一部分墊板,以消除部分此時(shí)支架已經(jīng)分擔(dān)的荷載,將荷載全部或絕大部分轉(zhuǎn)移到橋墩上,繼續(xù)對(duì)稱懸臂拼裝鋼桁梁至最大懸臂長(zhǎng)度,進(jìn)而完成上墩。采用此方法后,墩旁支架所承擔(dān)的荷載將大大減小,從而提高臨時(shí)結(jié)構(gòu)安全系數(shù),降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

建立施工過(guò)程的有限元分析模型,考慮結(jié)構(gòu)自重、施工荷載、風(fēng)荷載以及溫度等荷載,計(jì)算了支承點(diǎn)處抽掉墊板厚度分別為0mm、10mm、15mm、20mm、25mm工況下的支點(diǎn)反力、前端撓度及鋼桁梁桿件應(yīng)力,見(jiàn)表1。

表1 最大懸臂狀態(tài)下支點(diǎn)高度對(duì)應(yīng)鋼桁梁支架敏感性分析表

由表1可知,在鋼桁梁前五個(gè)節(jié)間架設(shè)過(guò)程中,為適應(yīng)鋼桁梁懸臂拼裝變形規(guī)律,逐步將支架支點(diǎn)處鋼板抽掉最大達(dá)到20mm,可實(shí)現(xiàn)支架與墩頂荷載的優(yōu)化配置。即支架上單點(diǎn)最大荷載由6290kN減小到4214kN,提高了支架安全度；相應(yīng)地,墩頂支座處單點(diǎn)最大荷載由4850kN增大至6814kN,進(jìn)一步增強(qiáng)了墩頂支承的穩(wěn)定性。而且通過(guò)分析,在采取該措施情況下,鋼桁梁應(yīng)力變化不大,均處于較為安全的應(yīng)力水平。實(shí)際施工過(guò)程中,鋼桁梁第五和第六節(jié)間安裝完成后,分兩次將支架頂E2節(jié)點(diǎn)處支墊各抽掉10mm(此時(shí)支架尚未脫空)。支架頂墊板的抽取通過(guò)在E2節(jié)點(diǎn)旁起頂實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

滬通長(zhǎng)江大橋21#-22#墩和22#-23#墩鋼桁梁自2016年12月17日開始安裝；2017年3月17日完成橋面吊機(jī)調(diào)試,開始對(duì)稱懸拼；2017年4月18日完成兩跨鋼桁梁安裝。通過(guò)對(duì)鋼桁梁施工過(guò)程總結(jié),形成以下結(jié)論：

(1)總體施工方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理可行。投入一套墩旁支架,在22#墩墩頂設(shè)置臨時(shí)連接,利用兩孔鋼桁梁自身形成平衡體系達(dá)到兩個(gè)作業(yè)面同時(shí)施工的目的,減小支架和鋼桁梁配重等措施材料投入。

(2)在鋼桁梁起始節(jié)段吊裝設(shè)備的選擇上,通過(guò)對(duì)墩旁塔吊選型及布置深入研究、精確模擬,實(shí)現(xiàn)塔吊較小吊幅即能覆蓋墩頂四節(jié)間鋼桁梁,減小對(duì)塔吊起重能力的要求。

(3)在鋼桁梁大懸臂狀態(tài)下,提出并實(shí)施了鋼梁對(duì)稱雙懸臂拼裝時(shí)支架抽墊板內(nèi)力降低方法,避免支架應(yīng)力過(guò)大,保證了結(jié)構(gòu)安全。

(4)提出并實(shí)施了雙懸臂拼裝過(guò)程中墩頂設(shè)置縱橫向限位固定措施,保證了大懸臂狀態(tài)下鋼桁梁穩(wěn)定。

以上施工工藝的成功應(yīng)用,保證滬通長(zhǎng)江大橋較好完成鋼桁梁架設(shè)任務(wù),可為后續(xù)類似工程施工提供參考。