橋梁轉(zhuǎn)體施工自閉合式合龍鋼殼系統(tǒng)及施工技術(shù)研究

李迎陽 車文慶

(1.中鐵十一局集團(tuán)第五工程有限公司 重慶 400037；2.中鐵二院昆明勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 云南昆明 650200)

1 引言

大跨連續(xù)梁橋、連續(xù)剛構(gòu)橋在跨越既有鐵路時，采用轉(zhuǎn)體施工可以最大限度地減少對既有線路的影響。然而在轉(zhuǎn)體到位后進(jìn)行合龍施工時作業(yè)面接近既有線的電氣化接觸網(wǎng)，同時吊架及模板的安裝及拆除過程中存在高空墜物的危險性，對既有線的運(yùn)營干擾大，存在較大的施工風(fēng)險。雖然在合龍施工時采用了吊架配防護(hù)棚[1-2]、特制掛籃[3]、掛籃配防護(hù)罩[4]等施工安全防護(hù)措施，但仍存在所需的機(jī)具設(shè)備多、工藝復(fù)雜、施工周期長，安全風(fēng)險較大的諸多缺陷[5]。

針對傳統(tǒng)合龍施工技術(shù)及施工安全防護(hù)措施的問題，我國首創(chuàng)了“鋼殼法合龍技術(shù)”，即以鋼殼代替模板，所有工序均在合龍鋼殼內(nèi)進(jìn)行，既不需要專門的防護(hù)措施，也不需要拆除工序，所用天窗點(diǎn)作業(yè)時間較少[6]。這種合龍技術(shù)最先在集包鐵路增建第二雙線霸王河1號特大橋(60 m+100 m+60 m)轉(zhuǎn)體施工中發(fā)明使用[7-8]，至今，已經(jīng)在寶蘭客專南河川渭河特大橋、武九客專西南下行聯(lián)絡(luò)線特大橋、京張高鐵土木特大橋、鄭萬鐵路白河特大橋、北汝河特大橋、太焦鐵路晉中特大橋、青連鐵路日照特大橋等轉(zhuǎn)體橋合龍施工得以成功運(yùn)用[9-10]。

盡管鋼殼法優(yōu)勢明顯，但也存在不足之處。第一，影響鋼筋施工。已有的鋼殼法合龍時在鋼殼腹板內(nèi)側(cè)焊接鋼板作為肋板，以增大鋼殼的強(qiáng)度與剛度[6]。但在后續(xù)的施工過程中，為安裝普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋，需繞過內(nèi)側(cè)肋板或者在其上打孔，因而給施工造成很多不便和困難，且打孔會削弱結(jié)構(gòu)的承載力，也增加了有限元模擬分析的難度。第二，這種方法盡管最大限度地減少了對既有線路的影響，但在轉(zhuǎn)體到位后合龍口鋼殼施焊仍然對橋下既有線路有所影響。最后，閉合鋼殼在吊裝和閉合過程中也存在穩(wěn)定性不夠好的問題。本文以首次采用墩中轉(zhuǎn)體施工的大樹村龍川江三線大橋?yàn)橐劳?，介紹了該橋合龍采用的自閉合式合龍鋼殼系統(tǒng)及其施工技術(shù)[11-12]。該鋼殼合龍系統(tǒng)在傳統(tǒng)鋼殼法的基礎(chǔ)上，提出若干改進(jìn)措施，解決了傳統(tǒng)鋼殼法的缺陷，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)、快速、安全合龍，可為類似橋梁合龍施工提供參考。

2 工程背景

改建鐵路成昆線永仁至廣通段擴(kuò)能工程大樹村龍川江三線大橋位于黑井鎮(zhèn)大樹村村委會龍川江河谷內(nèi)，為大樹村車站內(nèi)橋梁，采用5×32 m+(52 m+88 m+52 m)連續(xù)梁+1×24 m+2×32 m孔跨布置。88 m主跨上跨既有成昆線，交叉角度為22.8°，合龍段梁底與接觸網(wǎng)距離為22.78 m。連續(xù)梁先平行既有鐵路方向懸臂現(xiàn)澆，懸臂施工完成后，首次采用了墩中轉(zhuǎn)體技術(shù)，在6#和7#墩的墩中設(shè)置轉(zhuǎn)體體系實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)體施工。7 350 t的單體轉(zhuǎn)體質(zhì)量和41.4 m的墩中轉(zhuǎn)體高度刷新了兩項(xiàng)世界記錄，轉(zhuǎn)體后在原成昆鐵路上方施工合龍段。連續(xù)梁布置如圖1所示。

連續(xù)梁采用直腹板單箱雙室截面，支墩處梁高7 m，跨中及邊跨梁端處高4 m。主梁劃分為47個梁段，其中合龍段長度為2.4 m。

圖1 轉(zhuǎn)體梁橋布置示意(單位：m)

3 自閉合式合龍鋼殼系統(tǒng)簡介

大樹村龍川江三線大橋轉(zhuǎn)體完成后，在傳統(tǒng)鋼殼法的基礎(chǔ)上設(shè)計了一套自閉合式合龍鋼殼系統(tǒng)用于中跨合龍施工。這套自閉合式合龍鋼殼系統(tǒng)包括兩端懸澆梁(懸臂對稱施工最后一個梁段)、預(yù)埋鋼殼、閉合鋼殼、滑動裝置等幾部分，如圖2所示。

圖2 自閉合式合龍鋼殼系統(tǒng)

3.1 預(yù)埋鋼殼

預(yù)埋鋼殼外形與合龍段梁體外形尺寸保持一致，由于10#塊平行既有成昆線澆筑，因此預(yù)埋鋼殼不具有整體吊裝條件。為了便于加工和安裝，將每段鋼殼在橫向分成底板、腹板、翼緣三部分，同時在各部分內(nèi)側(cè)沿橫向和縱向間隔布設(shè)剪力釘取代傳統(tǒng)鋼殼法的加勁肋鋼板。預(yù)埋鋼殼在澆筑10#塊施工時起到模板的作用，并且在澆筑完成后也不需要拆卸，與剪力釘、混凝土連接形成鋼-混結(jié)合梁，結(jié)構(gòu)受力合理，其剛度和強(qiáng)度也符合要求。

中跨合龍段長2.4 m，其兩側(cè)最后一個懸澆梁體10#塊各長3.8 m，在其懸臂澆筑前安裝內(nèi)側(cè)焊接剪力釘?shù)?6 mm厚Q345C預(yù)埋鋼殼，如圖3所示。6#墩側(cè)的預(yù)埋鋼殼全長3.2 m，其懸出10#塊的1.2 m長鋼殼將用于滑動前放置1.2 m閉合鋼殼，另一側(cè)全長2.3 m。兩段預(yù)埋鋼殼中間留出0.9 m空間，以便轉(zhuǎn)體。2 m搭接區(qū)域內(nèi)沿橋梁縱向和橫向在底板、腹板、翼緣均焊接長度250 mm、直徑為25 mm的Q345C剪力釘，剪力釘一端焊接在預(yù)埋鋼殼上，另一端埋入懸澆梁中，三者形成穩(wěn)定的鋼-混組合結(jié)構(gòu)。

圖3 預(yù)埋鋼殼(單位：cm)

3.2 閉合鋼殼

閉合鋼殼設(shè)于預(yù)埋鋼殼缺口內(nèi)側(cè)，由殼體和均勻設(shè)于殼體內(nèi)側(cè)對應(yīng)滑道裝置的加強(qiáng)鋼板組成。為了提高閉合鋼殼的剛度，在整個閉合鋼殼殼體內(nèi)部平行設(shè)置了2個加固裝置。加固裝置由頂部及中部橫撐、焊接在閉合鋼殼底部和側(cè)面的端部連接板、中部連接板、連接橫撐與連接板的上下槽鋼斜撐組成，如圖4所示。

圖4 閉合鋼殼加固裝置

本橋閉合鋼殼長度為1.2 m，閉合后與兩側(cè)預(yù)埋鋼殼的搭接長度均為0.15 m。閉合鋼殼殼體采用厚12 mm的Q345C鋼板，略小于預(yù)埋鋼殼，形狀與預(yù)埋鋼殼內(nèi)部輪廓相適應(yīng)。與預(yù)埋鋼殼一樣，閉合鋼殼在加工時沿橫向分成底板、腹板、翼緣三部分。

3.3 滑動裝置

滑動裝置為閉合鋼殼滑動到預(yù)埋鋼殼的缺口處的設(shè)備。滑動裝置同時也是閉合鋼殼在鋼殼閉合過程中和合龍段混凝土澆筑過程中的輔助受力結(jié)構(gòu)，有利于確保合龍施工安全。為了使閉合鋼殼在滑動過程中受力均勻及控制閉合鋼殼精確定位，在預(yù)埋鋼殼與閉合鋼殼之間設(shè)有3個滑動點(diǎn)，分別為設(shè)置在兩端懸澆梁翼緣板上的第一滑動裝置(共2個)、腹板上的第二滑動裝置(共2個)和底板上的第三滑動裝置(共4個)，如圖5所示。

圖5 滑動裝置

第一滑動裝置由第一工字滑軌、用于固定滑軌的第一預(yù)埋用鋼卡口、可以沿滑軌移動的第一滾軸、滾軸上連接閉合鋼殼加強(qiáng)鋼板的吊繩組成。第一工字滑軌跨越合龍口，下設(shè)木垛支承于合龍口兩側(cè)的懸澆梁端部，吊繩與翼緣板對應(yīng)的閉合鋼殼由加強(qiáng)鋼板連接，如圖6所示。第二滑動裝置包括第二工字滑軌、固定及支承滑軌的第二預(yù)埋用鋼卡口、鋼擋板和預(yù)埋鋼板。預(yù)埋鋼板焊接若干錨固鋼筋，伸入腹板并與腹板鋼筋連接。第三滑動裝置的結(jié)構(gòu)與第一滑動裝置相同，吊繩與閉合鋼殼的加強(qiáng)鋼板連接。

圖6 滑動鋼殼

4 自閉合式合龍鋼殼系統(tǒng)施工技術(shù)

大樹村龍川江三線大橋中跨合龍段自閉合式鋼殼法施工方案分為預(yù)埋承重鋼殼、轉(zhuǎn)體前合龍準(zhǔn)備、轉(zhuǎn)體后合龍三大步驟。

4.1 預(yù)埋16 mm承重鋼殼

4.1.1 10#塊模板定位

10#塊的模板定位根據(jù)預(yù)拱度精確放樣和調(diào)整。10#塊為連續(xù)梁對稱段落最后節(jié)段，該節(jié)段的位置精確度直接影響轉(zhuǎn)體后合龍精度。在8#塊施工開始進(jìn)行逐段校正，要求平面及高程控制在±1 cm。

4.1.2 預(yù)埋鋼殼試拼

預(yù)埋鋼殼正式安裝前，先在平地上按分塊編號進(jìn)行試拼。試拼時，底板平鋪，要求試拼后長度小于設(shè)計長度1 cm；腹板及翼緣與地面垂直試拼，試拼后高度與設(shè)計高度一致。

4.1.3 預(yù)埋鋼殼安裝

(1)預(yù)埋鋼殼吊裝

預(yù)埋鋼殼進(jìn)行分塊加工，重量為0.43～1.0 t不等，現(xiàn)場用塔吊進(jìn)行吊裝作業(yè)。

(2)預(yù)埋鋼殼焊接

預(yù)埋鋼殼吊裝至施工現(xiàn)場后，先焊接拼接底板，再焊接拼接腹板及翼緣鋼板。鋼殼焊接采用單面焊接的方式，采用E50系列低合金焊條。16 mm鋼板對接焊縫寬度18 mm，焊縫高度11 mm(2 mm對接縫寬)。焊接的剪力釘直徑為25 mm，長250 mm，縱向間距為300 mm，橫向間距為400 mm。

4.2 轉(zhuǎn)體前合龍準(zhǔn)備

4.2.1 預(yù)制閉合鋼殼

閉合鋼殼殼體在工廠分塊預(yù)制，運(yùn)輸?shù)焦さ睾?，再進(jìn)行分塊拼裝焊接。然后預(yù)埋第二滑動裝置的支撐型鋼，分為上下兩部分，其中上部支撐型鋼直接埋入梁體邊腹板中，長度為60 cm，埋入梁體40 cm，外露20 cm；下部支撐型鋼長度為40 cm，焊接在預(yù)埋鋼板(尺寸為360 mm×300 mm×20 mm)上。

最后預(yù)埋第一、第三滑動裝置的工字鋼用卡扣，在懸臂灌注兩端懸澆梁梁體前將預(yù)埋鋼板和各個滑動裝置的預(yù)埋鋼卡口埋入懸澆梁的混凝土內(nèi)。

4.2.2 澆筑10#塊混凝土

先進(jìn)行10#塊頂板、底板、腹板鋼筋綁扎及預(yù)應(yīng)力管道安裝，再澆筑混凝土并養(yǎng)護(hù)。待混凝土強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值的95%和彈性模量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值的100%并滿足7 d齡期后，張拉縱向預(yù)應(yīng)力鋼束，并進(jìn)行管道壓漿。

4.2.3 安裝閉合鋼殼

(1)在6#墩的1.2 m鋼殼懸出段內(nèi)側(cè)涂抹黃油，吊裝合龍段1.2 m閉合鋼殼于6#墩的1.2 m鋼殼懸出段內(nèi)。

(2)用拉繩(底部4根、側(cè)面每邊1根)拉住合龍段1.2 m閉合鋼殼，并鎖死拉繩，以免在轉(zhuǎn)體過程中梁體傾斜時鋼殼滑出。

(3)在預(yù)埋鋼卡口內(nèi)安裝相應(yīng)的工字滑軌，同時安裝滑道滾軸、吊繩和工字滑軌固定安全并牢固鎖死工字滑軌，然后調(diào)整好工字滑軌高程和位置。

4.3 轉(zhuǎn)體后合龍

(1)滑動閉合鋼殼

確定鋼殼、滑軌等設(shè)施已牢固鎖死的情況下，在天氣狀態(tài)良好、風(fēng)速較小的條件下進(jìn)行轉(zhuǎn)體操作。轉(zhuǎn)體過程應(yīng)實(shí)時監(jiān)控，控制好轉(zhuǎn)體速度，做到轉(zhuǎn)體平穩(wěn)、安全。

轉(zhuǎn)體完成后，測量人員對節(jié)段預(yù)埋測點(diǎn)進(jìn)行精確測量。采用點(diǎn)動的方式對平面位置偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證梁體平面及高程調(diào)節(jié)后的偏差在±5 mm范圍。

在規(guī)定的時間內(nèi)快速解開各個鋼卡口內(nèi)木垛，松開各個工字滑軌的固定安全繩，并在固定安全繩保護(hù)下快速移動各個工字滑軌使其就位。調(diào)整工字滑軌的位置及標(biāo)高，用木垛在鋼卡口內(nèi)再次鎖死各個工字滑軌，拆除工字滑軌的固定安全繩。解開閉合鋼殼固定安全繩后，采用卷揚(yáng)機(jī)拉動拉繩，使滑動閉合鋼殼處于設(shè)計位置。

(2)封閉閉合鋼殼

在預(yù)埋鋼殼內(nèi)側(cè)施焊閉合鋼殼與預(yù)埋鋼殼形成的兩條搭接縫。拆除閉合鋼殼內(nèi)的加固裝置、第二工字滑軌及其支撐型鋼，焊接合龍段鋼殼的剪力釘。

(3)施工中跨合龍段混凝土

按合龍段圖紙進(jìn)行鋼筋安裝、預(yù)應(yīng)力管道安裝、預(yù)埋件安裝、混凝土澆筑、混凝土養(yǎng)護(hù)、預(yù)應(yīng)力張拉及管道注漿工序。然后拆除底板、頂板上的工字滑道、滾軸，剪斷吊繩、卡口等設(shè)施，至此合龍完成，如圖7所示。

圖7 中跨合龍

5 結(jié)束語

大樹村龍川江三線大橋于2017年11月7日成功完成橋墩墩中轉(zhuǎn)體，隨后進(jìn)行中跨合龍段施工，合龍用時僅30 d，且在施工期間沒有發(fā)生任何質(zhì)量安全事故。實(shí)踐證明，本橋采用的自閉合式鋼殼系統(tǒng)及其施工技術(shù)是成功的。

(1)鋼殼與梁體通過剪力釘形成的鋼-混組合結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度高、剛度大，受力合理，節(jié)省了材料、減輕了自重。

(2)鋼殼采用剪力釘和加固裝置避免了傳統(tǒng)鋼殼法在殼體內(nèi)側(cè)設(shè)置加勁鋼板導(dǎo)致鋼板占用空間大，后期普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋的安裝施工需在肋板打孔穿過，且削弱了鋼殼結(jié)構(gòu)承載力的問題。

(3)滑動裝置使閉合鋼殼快速就位，同時可作為閉合鋼殼閉合過程中和合龍段混凝土澆筑過程中的輔助受力結(jié)構(gòu)，使合龍施工更加安全。

(4)預(yù)埋鋼殼與閉合鋼殼設(shè)搭接段，滑動閉合鋼殼快速就位后，在預(yù)埋鋼殼內(nèi)側(cè)施焊搭接縫，消除了傳統(tǒng)鋼殼法轉(zhuǎn)體到位后合龍口鋼殼施焊對橋下既有線路的影響。