陸地公路大噸位非對稱整孔預(yù)制箱梁運(yùn)架施工技術(shù)

申超， 王飛

(1.中鐵二局新運(yùn)工程有限公司， 四川 成都 610036； 2.寧波工程學(xué)院)

1 前言

在城市既有道路上建造高架橋，不可避免地會對既有道路交通和沿線居民造成影響。為減小各種不利影響、加快建設(shè)，大規(guī)模的城市高架橋建設(shè)通常采用預(yù)制構(gòu)件裝配化設(shè)計施工。目前，中國國內(nèi)整孔預(yù)制箱梁梁上運(yùn)梁、架橋機(jī)整孔架設(shè)技術(shù)在公路橋梁建設(shè)工程中的應(yīng)用還相對較少。預(yù)制化裝配技術(shù)主要應(yīng)用在200 t級以下的公路橋梁，1 000 t級以上的整孔預(yù)制箱梁架設(shè)安裝主要應(yīng)用在海域上的橋梁，除采用大型船吊安裝外，還采用了4臺運(yùn)梁車共同馱運(yùn)預(yù)制箱梁對稱沿左右幅作用在至少4片箱梁上走行，在運(yùn)梁車輔助作業(yè)下，架橋機(jī)整孔架設(shè)的方法。鐵路工程900 t級箱梁(32 m)運(yùn)架普遍采用的是單運(yùn)梁車在單幅整孔箱梁兩側(cè)腹板范圍走行運(yùn)梁，步履式架橋機(jī)或下導(dǎo)梁式架橋機(jī)單幅縱向架梁。杭州灣跨海大橋杭甬高速連接線公路工程(余夫公路至小曹娥互通段)(以下簡稱“杭甬高速連接線工程”)為既有陸地大交通流公路干道上利用中央分離帶全線建造高架橋梁，除主要路口采用現(xiàn)澆箱梁外，其余均采用非對稱分幅箱梁整孔預(yù)制、架設(shè)、再結(jié)構(gòu)連續(xù)。預(yù)制箱梁單幅重800 t，工程規(guī)模大，工期短，因此研究合理的陸地公路梁上運(yùn)梁及整孔架設(shè)方法及配套設(shè)備至關(guān)重要。

2 工程概況

2.1 項目概述

杭甬高速公路連接線工程路線全長17.9 km，全線采用主干道上高架橋梁(圖1)，橋面寬度25.5 m，雙幅六車道。為保證橋下已有道路的正常通行，橋梁下部墩柱在干道中分帶采用花瓶墩設(shè)計，橋梁上部結(jié)構(gòu)除部分交叉路口等特殊區(qū)段采用現(xiàn)澆連續(xù)箱梁外，其余均采用大噸位非對稱分幅預(yù)制、架設(shè)箱梁，共774片，跨度有35、32.5、30和27.5 m共4類；均分左、右幅，邊中梁；單片箱梁設(shè)計理論最重為798 t。箱梁架設(shè)后按3～6跨一聯(lián)進(jìn)行雙幅整體結(jié)構(gòu)連續(xù)。

圖1 杭州灣跨海大橋杭甬高速連接線公路工程

大噸位分幅預(yù)制箱梁采用懸臂不對稱截面；預(yù)制箱梁采用單臺運(yùn)梁車跨雙幅箱梁內(nèi)側(cè)腹板梁上運(yùn)梁，架橋機(jī)一跨橫向架設(shè)雙幅兩片箱梁；左、右幅預(yù)制箱梁后期雙幅結(jié)構(gòu)整體連續(xù)等，均為中國首次設(shè)計施工，橋型結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖2 橋型結(jié)構(gòu)圖(單位：cm)

2.2 運(yùn)架總體方案

預(yù)制場內(nèi)MDEL900輪胎式搬運(yùn)機(jī)將箱梁搬運(yùn)至提梁站換裝臺座，兩臺MGTL450輪軌式提梁機(jī)提梁上橋，橫移，裝運(yùn)至橋面YL850運(yùn)梁車上，一臺運(yùn)梁車跨雙幅箱梁內(nèi)腹板梁上運(yùn)梁，JQ850架橋機(jī)一跨橫向架設(shè)左、右幅兩片箱梁。

3 運(yùn)架設(shè)備選型

公路橋梁對大噸位箱梁運(yùn)架設(shè)備載荷要求較高，在杭州灣跨海大橋杭甬高速公路連接線工程中，采用一臺輪胎式運(yùn)梁車跨雙幅箱梁內(nèi)側(cè)腹板運(yùn)梁和架橋機(jī)一跨架設(shè)兩片箱梁工藝，因此運(yùn)架設(shè)備需滿足：① 運(yùn)梁車重載時作用在橋面上的荷載順橋向不超過22.5 t/m，且需要考慮由于大噸位箱梁的幾何非對稱性對運(yùn)輛車所造成的非對稱荷載作用；② 由于預(yù)制場內(nèi)空間及道路條件等受限，對于一臺較長的運(yùn)梁車無法實(shí)現(xiàn)馱運(yùn)架橋機(jī)在預(yù)制場內(nèi)調(diào)頭時可采用提升運(yùn)架設(shè)備上橋的常規(guī)調(diào)頭方式。

根據(jù)現(xiàn)場條件及運(yùn)架非對稱箱梁的特點(diǎn)，運(yùn)架設(shè)備還須具備以下功能：① 輪胎式運(yùn)梁車雙向行駛，雙向喂梁；② 架橋機(jī)在橋面上能直接調(diào)頭；③ 大噸位非對稱預(yù)制箱梁運(yùn)輸及架設(shè)時支點(diǎn)及吊點(diǎn)受力均勻，確保運(yùn)梁過程中左右幅箱梁受力均勻，架設(shè)過程中箱梁頂板吊點(diǎn)周邊不出現(xiàn)過大應(yīng)力以及確保架橋機(jī)吊裝安全。

3.1 YL850運(yùn)梁車

YL850型運(yùn)梁車自重300 t，外形尺寸為53.82 m×7.365 m×2.8 m，縱橫向完全對稱。

YL850型運(yùn)梁車主要結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)：

(1) 車體總長53.82 m，自重130 t。運(yùn)梁車縱橫向完全對稱，動力室放在車體中部，實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)梁、喂梁。車體頂部位于腹板上方設(shè)有中心距為3.1 m的馱梁臺車走行軌道。車架結(jié)構(gòu)采取液壓懸掛系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)箱梁運(yùn)輸過程的“三支點(diǎn)”體系和同步馱梁架梁過程的“四支點(diǎn)”體系，保證箱梁運(yùn)輸過程中受力正常以及同步馱梁架梁過程中運(yùn)梁車的穩(wěn)定性。

(2) 走行輪組共有24個輪軸，軸距2.1 m，輪距5.5 m，轉(zhuǎn)向角±30°。其中7個驅(qū)動軸， 9個制動軸，8個從動軸，采用雙胎并置的結(jié)構(gòu)形式；重載下順橋向運(yùn)梁荷載為21.8 t/m。

(3) 運(yùn)梁車設(shè)有兩臺馱梁臺車，沿運(yùn)梁車主梁上的軌道走行，與架橋機(jī)吊梁小車同步拖梁走行，完成喂梁作業(yè)；在支承面上裝有防滑彈性橡膠，支承面可以橫向調(diào)整，使非對稱箱梁偏心放置，確保下部輪胎受力一致；設(shè)有回轉(zhuǎn)裝置，以適應(yīng)曲線架梁。

3.2 JQ850架橋機(jī)

JQ850架橋機(jī)外形尺寸為79.5 m×22.8 m×12.5 m，整機(jī)重量650 t，額定起重量850 t，起升高度7.5 m。JQ850架橋機(jī)為龍門式雙主梁三支腿式結(jié)構(gòu)?？缫豢缀喼Ъ芰?，尾部喂梁，同步馱梁，空中橫移箱梁就位，采用步履式走行過孔，箱梁不受跨中載荷，可架設(shè)最大縱坡25‰，最小曲線半徑2 000 m線路箱梁，如圖3所示。

圖3 架橋機(jī)主要結(jié)構(gòu)圖

JQ850架橋機(jī)主要結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)：

(1) 主梁總成為雙箱梁等截面結(jié)構(gòu)，總重約250 t，全長78.0 m，高2.7 m；兩主梁中心距16 m。整個主梁框架結(jié)構(gòu)以中支腿為中心對稱。機(jī)臂上蓋板設(shè)有起重小車走行軌道，下蓋板底部設(shè)有供前、中支腿托、掛輪走行的軌道；設(shè)有變跨節(jié)點(diǎn)使用的鉸座，提供前支腿和后支腿不同的安裝位置，滿足不同跨度箱梁架設(shè)需要。機(jī)臂與前、中支腿鉸銷聯(lián)結(jié)，縱移時可與機(jī)臂相對運(yùn)動；與后支腿雙銷固定連接。

(2) JQ850型架橋機(jī)配有兩臺起重小車，總重約105 t。具有獨(dú)立的起升機(jī)構(gòu)、走行機(jī)構(gòu)和橫移機(jī)構(gòu)，與運(yùn)梁車配合同步作業(yè)。前起重小車為雙點(diǎn)起升、后起重小車為單點(diǎn)起升，前、后起重小車共同組成4點(diǎn)起升3點(diǎn)平衡機(jī)構(gòu)。同時，根據(jù)非對稱箱梁的特點(diǎn)配置了偏心可調(diào)吊具，通過機(jī)構(gòu)移動吊桿實(shí)現(xiàn)箱梁重心和起重小車中心重合，卷揚(yáng)機(jī)各點(diǎn)受力基本一致，解決箱梁起吊過程中梁片傾斜、某一個吊點(diǎn)載荷過大等不利問題。

(3) 前支腿主要由托掛輪機(jī)構(gòu)、上橫聯(lián)、伸縮柱、下支撐梁和墊箱等組成。架梁作業(yè)時與機(jī)臂縱向固定成鉸接結(jié)構(gòu)，成為柔性支腿，滿足架梁作業(yè)支撐要求?？v移作業(yè)時前支腿與機(jī)臂之間可相對運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)架橋機(jī)步履縱移。

(4) 中支腿是架橋機(jī)架梁和縱移過孔的主要支撐，主要由托掛輪機(jī)構(gòu)、橫移裝置、立柱、連接梁、均衡梁和支撐油缸組成。整機(jī)依靠中支腿橫移油缸實(shí)現(xiàn)機(jī)臂的擺頭，適應(yīng)曲線梁的架設(shè)。

(5) 后支腿為門形結(jié)構(gòu)，是架橋機(jī)的輔助支撐，由掛輪機(jī)構(gòu)、伸縮油缸和伸縮柱裝置組成。后支腿通過伸縮柱調(diào)整機(jī)臂后部離地高度來調(diào)節(jié)縱坡。

(6) 架橋機(jī)機(jī)臂尾部設(shè)置縱移拖拉裝置，控制架橋機(jī)前支腿、中支腿、后支腿在機(jī)臂耳梁上行走，滿足架橋機(jī)過孔、變跨等作業(yè)工況。

4 運(yùn)架施工工藝關(guān)鍵技術(shù)

4.1 提梁上橋

預(yù)制場MDEL900搬運(yùn)機(jī)將預(yù)制箱梁搬到提梁站換裝臺座上，由兩臺MGTL450龍門吊同步提升箱梁上橋，橫移運(yùn)梁車裝梁。

4.2 梁上運(yùn)梁

根據(jù)大噸位非對稱預(yù)制箱梁偏心距，橫向調(diào)整運(yùn)梁車馱運(yùn)臺車支撐面，采用非對稱箱梁偏心放置的方法，確保下部輪胎受力一致。運(yùn)梁車跨雙幅箱梁內(nèi)側(cè)腹板梁上運(yùn)梁，運(yùn)梁嚴(yán)格按劃線標(biāo)識的路線行駛，左右偏差不超過10 cm。運(yùn)梁速度控制為3～5 km/h，在架橋機(jī)尾部10 m處停車，再緩慢進(jìn)入架橋機(jī)下方進(jìn)行喂梁作業(yè)。

已架設(shè)的箱梁結(jié)構(gòu)連續(xù)端在連續(xù)前均為臨時支座，為避免運(yùn)梁車運(yùn)梁的長期影響，在一跨箱梁架設(shè)完成后，將左、右幅箱梁翼緣板濕接縫預(yù)留鋼筋按25%先進(jìn)行連接。沿途通過未結(jié)構(gòu)連續(xù)的濕接頭和伸縮縫預(yù)留槽時，在濕接頭和伸縮縫預(yù)留槽運(yùn)梁車輪胎走行位置鋪設(shè)2 cm厚鋼墊板，鋼板兩端與梁面搭接不少于10 cm，以保護(hù)已架箱梁梁端不受損傷，并保證運(yùn)梁車平順通過。

4.3 箱梁架設(shè)

YL850輪胎式運(yùn)梁車運(yùn)梁至架橋機(jī)尾部喂梁，JQ850步履式架橋機(jī)前起重小車取梁后與運(yùn)梁車馱梁臺車同步移梁，到達(dá)后起重小車取梁位置后，后起重小車取梁，兩臺起重小車同步吊梁前行，縱移到位后再橫移就位落梁。架橋機(jī)通過后支腿、中支腿、前支腿和起重小車配合完成架橋機(jī)主機(jī)的過孔和變跨，架設(shè)陸地公路大噸位非對稱27.5、30、32.5及35 m多種跨度的預(yù)制箱梁。箱梁架設(shè)的主要步驟如下：① 架橋機(jī)前、中支腿和后支腿支撐到位，前、后兩小車走行到架橋機(jī)后部取梁位置處，運(yùn)梁機(jī)運(yùn)梁到位；② 前起重小車取梁；③ 前起重小車與運(yùn)梁機(jī)后臺車同步馱梁到位，后小車準(zhǔn)備取梁；④ 后小車取梁，運(yùn)梁機(jī)開回梁場；⑤ 前后起重小車提梁縱移到位；⑥ 前后起重小車橫移到落梁位置，落梁；⑦ 落梁到位，解除吊具，完成一孔梁的架設(shè)。

其中第⑥步，架橋機(jī)將箱梁橫移就位時，前、中、后支腿撐地，后小車距中支腿3 350 mm，架梁方向橫移小車中心偏離主梁中心5 913 mm，機(jī)構(gòu)承受整個架梁過程的最大偏載，如圖4所示。

圖4 架橋機(jī)橫移落梁荷載工況圖(尺寸單位：m)

針對此最不利荷載下架橋機(jī)的機(jī)構(gòu)整體受力情況進(jìn)行有限元數(shù)值模擬計算分析。主要計算參數(shù)：

① 各部件重量：機(jī)臂：265 t，小車：2×110 t，前支腿：63 t，中支腿：85 t，后支腿：15 t；② 靜載系數(shù)取1.25，動載系數(shù)取1.05；③ 靜態(tài)剛度：剛度取f≤L/500(L為支承跨度，3 750 cm)；④ 額定載荷：850 t；⑤ 架梁作業(yè)最大風(fēng)速：8級；過孔作業(yè)時最大風(fēng)速：6級；⑥ 縱移小車采用Q550D，其余主要鋼結(jié)構(gòu)材料采用Q345C；⑦ 位移約束：考慮整機(jī)計算中任意支腿約束位置產(chǎn)生豎直、橫向、縱向移動即認(rèn)為結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，因此位移邊界條件為支腿相應(yīng)支撐點(diǎn)約束UX、UY、UZ共3個自由度。計算后通過相應(yīng)支反力驗算結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

利用有限元軟件Ansys，采用Shell63單元建模，機(jī)臂段與段之間的連接按照等強(qiáng)度原則建模，機(jī)臂與支腿的連接則采用假單元連接。模型結(jié)構(gòu)部分總質(zhì)量636 t。

經(jīng)計算得到架橋機(jī)在大噸位非對稱箱梁橫移落梁重載工況下，主梁靜位移最大值為53.62 mm，小于允許位移75 mm；架橋機(jī)僅有一處發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，位于前支腿鋼箱梁腹板、底板、橫隔板交界處的局部位置，大部分機(jī)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力處于220 MPa以下，小于設(shè)備使用材料Q345C的允許應(yīng)力240 MPa。因此，在最不利荷載作用下，架橋機(jī)的整體受力狀態(tài)良好，剛度滿足要求，主結(jié)構(gòu)構(gòu)造布局和選材合理。

4.4 架橋機(jī)過孔

架橋機(jī)過孔施工步驟為：① 前支腿斜拉桿與吊裝孔錨固，中支腿錨桿與吊裝孔錨固，后小車與中支腿固結(jié)，前小車開到距離中支腿5.6 m處，后支腿離地，前、中支腿插銷拔出，縱移機(jī)臂(后懸臂狀態(tài))；② 驅(qū)動后小車鏈輪順時針轉(zhuǎn)動，機(jī)臂向前縱移，同時驅(qū)動前小車鏈輪逆時針轉(zhuǎn)動，前小車以相同速度后退，保證其與中支腿相對位置不變。機(jī)臂縱移35 m；③ 后支腿撐地，采用10 t手拉葫蘆與梁體預(yù)埋鋼筋進(jìn)行固定，中支腿離地，解除后小車與中支腿固結(jié)，縱移機(jī)構(gòu)驅(qū)動中支腿行走35 m；④ 中支腿撐地，將中支腿與吊孔進(jìn)行錨固，前、后小車回退到架橋機(jī)尾部(后小車中心距后支腿中心5.35 m，兩小車相距13.55 m)，解除前支腿與吊裝孔固結(jié)，前支腿離地，縱移機(jī)構(gòu)驅(qū)動前支腿行走35 m(前懸臂狀態(tài))；⑤ 前、中、后支腿撐地，前、后小車行走到取梁位置(前小車中心距中支腿中心3.3 m，兩小車相距9 m)，準(zhǔn)備架梁，過孔完成。

5 結(jié)語

依托杭甬高速公路連接線工程，采用YL850運(yùn)梁車跨雙幅箱梁行走單幅整孔運(yùn)梁，以及JQ850架橋機(jī)縱提橫移架設(shè)一跨雙幅非對稱箱梁的運(yùn)架設(shè)備，研究分析了提梁上橋、梁上運(yùn)梁、箱梁架設(shè)、架橋機(jī)過孔等關(guān)鍵施工工藝，視運(yùn)距長短每天可架設(shè)2～4片大噸位非對稱箱梁，架設(shè)箱梁進(jìn)度可控、線形平順、安全優(yōu)質(zhì)，目前已完成全部箱梁的運(yùn)架，可為類似公路交通、市政橋梁工程等大噸位箱梁運(yùn)架施工提供參考和借鑒。