鋼管拱豎向轉(zhuǎn)體施工技術

陸瑤瑤

(中鐵十八局集團第二工程有限公司,河北 唐山 064000)

1 工程概況

鄭萬高鐵河南段張良鎮(zhèn)跨南水北調(diào)干渠特大橋主橋采用(74+160+74)m預應力混凝土連續(xù)梁與鋼管拱組合體系。主梁設計為單箱雙室變截面預應力混凝土連續(xù)梁，主梁翼緣板寬14.2 m，跨中梁高4.0 m。鋼管拱采用啞鈴截面，弦管外徑?1 0 00 mm，壁厚δ=16 mm，內(nèi)部壓注C55補償收縮混凝土，矢高f=32 m，計算跨徑L=160 m。拱肋之間共設9道空間桁架式橫撐，橫撐采用4根?450 mm×12 mm主鋼管和32根?250 mm×10 mm鋼管。吊桿與梁面垂直，順橋向間距為9 m，兩道拱肋共設置15對雙吊桿，吊桿采用PES(FD)7-61型低應力防腐扣索，外套復合不銹鋼管，配套使用LZM7-61型冷鑄鐓頭錨。鋼拱結構全重502.3 t，橋型布置見圖1。

圖1 橋型布置圖

2 施工方案

本橋梁拱結構采用先梁后拱、臥拼豎轉(zhuǎn)法施工。箱梁采用掛籃懸臂灌注法施工，鋼管拱在橋面架設的矮支架上拼裝成兩個半拱，利用液壓同步提升系統(tǒng)豎向轉(zhuǎn)體就位合龍。合龍方式采用豎轉(zhuǎn)過頂回落方式，利用自重通過導向楔板和內(nèi)襯管定位自動糾偏合龍。龍口不設合龍段。

3 結構設計

鋼管拱豎轉(zhuǎn)體系由豎轉(zhuǎn)塔架、索鞍、起重索、調(diào)塔索、壓塔索、攬風繩、起重動力系統(tǒng)(含平臺)、前吊點、豎轉(zhuǎn)鉸、后錨點組成，具體見圖2。

圖2 鋼管拱豎轉(zhuǎn)施工總體布置

起重索采用預應力用鋼絞線，前點拉結于中跨鋼管拱上的前吊點，繞過設置于塔架頂部的輥輪式索鞍，之后通過箱梁邊跨預留孔道進入千斤頂。

為平衡塔架在豎向轉(zhuǎn)體過程中頂部承受的水平向分力，使塔架受力的合力保持豎直向下，在邊跨設置調(diào)塔索。調(diào)塔索上端拉結于塔架頂端索鞍分配梁上，下端穿過預留孔進入邊跨箱梁底板下的千斤頂，通過觀測塔架豎直狀態(tài)，隨時調(diào)整調(diào)塔索拉力，保證塔架始終豎向受力。

3.1 塔架及索鞍設計

3.1.1 塔架

塔架位于404#及405#墩連續(xù)梁0#段橫隔板處，塔架采用鋼管格構柱結構，立柱由底節(jié)?630 mm×10 mm+標準節(jié)?530 mm×10 mm螺旋管組成，節(jié)間采用法蘭高強螺栓栓結。平桿、斜桿采用∠100×63×8 mm、∠110×70×8 mm栓接制作成桁架體系，塔架底部固結于拱座及梁面鋼筋混凝土基礎中，如圖1所示。

塔架受力經(jīng)強度和整體穩(wěn)定性計算[1]，滿足要求。整體剛度計算：N/φA=3 704.5×103N/(0.893×1 303.76×10-4m2)=3.182×107Pa=31.82 MPa<170 MPa，滿足穩(wěn)定性要求。式中：N為最大軸向壓力；φ為構件只在一個主平面受彎時的容許應力折減系數(shù)，計算出格構構件的換算長細比λ后，查表得出相應值；A為塔架截面面積。

3.1.2 索鞍

索鞍位于塔架頂端，采用62a工字鋼、16 mm鋼板組焊。輥輪采用鑄鋼件，輥軸采用45 mm，45號鋼軸，尼龍軸套，每槽輥輪單排放3根?15.24 mm鋼絞線。

經(jīng)檢算：在轉(zhuǎn)向力作用下銷軸的剪應力為11 MPa，銷軸材質(zhì)40Cr調(diào)質(zhì)鋼屈服強度785 MPa，設計抗拉強度為600 MPa，轉(zhuǎn)向力作用下銷軸應力較小，處于安全狀態(tài)。銷孔材質(zhì)為 Q345B 級鋼材，采用 16 mm 厚鋼板，材料的容許應力為 200 MPa，承壓應力為67.91 MPa，銷孔承壓安全。

塔頂索鞍設計時采用了特殊輪槽形狀和尺寸的輥輪，克服了鋼絞線受力變形后其受力性能發(fā)生改變。尼龍軸套代替?zhèn)鹘y(tǒng)的不銹鋼軸套或銅軸套，主要考慮到其具有較低的摩擦系數(shù)和優(yōu)良的自潤滑性，超強的抗粘附能力和機械強度，可克服金屬受壓過大時發(fā)生的“黏連”現(xiàn)象，確保了索鞍輥輪滾動平穩(wěn)順暢，在惡劣條件下使用不易卡死。安裝后如圖3所示。

圖3 分配梁及索鞍安裝圖(單位：mm)

3.2 起重索、調(diào)塔索、壓塔索、攬風繩設計

3.2.1 起重索、調(diào)塔索

起重索、調(diào)塔索采用?15.24 mm/1 860 MPa高強度低松弛預應力鋼絞線。根據(jù)起重索索力計算結果，起重索采用19根/束，調(diào)塔索采用5根/束。起重索、調(diào)塔索安全儲備設計情況詳見表1。

表1 起重索、調(diào)塔索安全儲備設計情況

3.2.2 壓塔索、攬風繩

為確保豎轉(zhuǎn)過程塔架的穩(wěn)定性和垂直度，404#、405#塔架設置壓塔索和攬風繩。

壓塔索采用4根?15.24 mm高強度低松弛預應力鋼絞線，兩端通過特制連接器與預應力精軋鋼筋連接，張拉后錨固于塔架頂端分配梁上的反力座內(nèi)。壓塔索預加張拉力30 kN/根。壓塔索制作如圖4所示。

圖4 壓塔索制作(單位：mm)

攬風繩采用?22 mm鋼絲繩。每塔架頂4根、塔架中部6根，呈八字形設置。攬風繩分別錨于梁面或梁下地錨處。

3.3 后錨結構、起重動力系統(tǒng)設計

3.3.1 后錨結構

首先連續(xù)梁施工階段在邊跨梁底設鋸齒塊、加強暗梁、起重索，調(diào)塔索預留孔道。

為確保連續(xù)箱梁豎轉(zhuǎn)體過程中的整體穩(wěn)定，邊墩支座不至于出現(xiàn)負反力(支座脫空)，在邊跨梁端進行壓重，經(jīng)計算壓重為3 450 kN。采用直接壓重或在墩頂預埋10根?32 mm預應力精軋鋼筋的方式，精軋鋼筋每根張拉加載345 kN。壓重布置見圖5。

圖5 后錨結構(單位：mm)

梁底起重位置按標準圖設張拉鋸齒塊，起重索錨具布置在鋸齒塊外側(cè)，型號為OVM15-19；調(diào)塔索錨具設置在鋸齒塊內(nèi)側(cè)，型號為OVM15-5。過索預留孔道采用?110 mm波紋管成孔。

由于豎向轉(zhuǎn)體時底板承受內(nèi)力，故于底板內(nèi)增設加強暗梁。加強暗梁梁高800 mm，加強區(qū)域?qū)挾? 200 mm，與箱梁底板一次澆筑。暗梁布置如圖6所示。

圖6 加強暗梁布置(單位：mm)

經(jīng)建模檢算加強暗梁滿足要求。后錨點拉力作用下，梁體最大變形值僅為0.2 mm，組合應力僅為0.1 MPa，因此，后錨點拉力對梁體影響較小。

3.3.2 起重動力系統(tǒng)

主拱豎向轉(zhuǎn)體動力施工采用液壓同步起重技術。計算機控制液壓同步起重系統(tǒng)由控制系統(tǒng)(計算機和傳感器)、承重系統(tǒng)(鋼絞線和千斤頂)、動力系統(tǒng)(液壓泵站)等組成。

按照要求轉(zhuǎn)體千斤頂?shù)钠鹬啬芰湎禂?shù)不小于1.3。本橋起重索動力采用LSD2500-300型液壓同步動力千斤頂，調(diào)塔索動力采用LSD1000-200型液壓同步動力千斤頂，能力儲備系數(shù)不小于1.56。動力千斤頂在液壓泵站的配合下能夠雙向持力、連續(xù)循環(huán)回頂，是本橋過頂回落法合龍能夠?qū)崿F(xiàn)的關鍵。動力千斤頂構造如圖7所示。

圖7 動力千斤頂構造

動力千斤頂主要由前夾持器油缸、頂身、后夾持器油缸組成。起重張拉時按順序依次循環(huán)直至將鋼絞線拉出至預定長度，持力回放時依次循環(huán)將持力鋼絞線回放預定長度。

主拱豎轉(zhuǎn)配套采用2臺LSDB105A液壓泵站及2套同步液壓起重控制系統(tǒng)。每臺泵站控制4臺LSD1000或4臺LSD2500提升千斤頂。

3.4 提升吊點、豎轉(zhuǎn)鉸設計

3.4.1 提升吊點

鋼管拱與起重索通過拉結吊點連接，吊點采用穿管設計，吊點鋼板貫穿鋼管拱上弦鋼管，通過銷軸吊點與吊扣連接，吊扣采用10～20 mm厚鋼板及預應力錨環(huán)組焊而成。拱肋主拱鋼管以及前拉點構件均采用Q345qD鋼材，根據(jù)相關規(guī)范容許應力取200 MPa。鋼絞線固定端采用P錨形式。404#半拱位于E(P)6，405#半拱位于E(P)8節(jié)段。根據(jù)整體計算分析結果，拱肋豎轉(zhuǎn)的最不利工況為萬州側(cè)大半拱拱肋豎轉(zhuǎn)起吊剛脫離支架支撐的一刻，此時拱肋偏離設計位置20.2°，選取該工況對前拉點的局部受力進行分析，計算結構設計的合理性。前拉點附近的拱肋鋼管出現(xiàn)集中應力最大值為62.4 MPa，小于材料的容許應力200 MPa，不存在強度破壞的可能，受力安全儲備較大；前拉點局部受力的最不利部位位于耳板銷孔處，故在銷軸與銷孔結合部位加設增強耳環(huán)，以減輕局部應力集中，環(huán)箍加強后局部應力最大值為70 MPa，小于材料的容許應力200 MPa，因此前拉點結構的受力安全，滿足強度使用要求。吊點設計見圖8。

圖8 提升吊點設計(單位：mm)

3.4.2 豎轉(zhuǎn)鉸

主拱肋豎轉(zhuǎn)以拱腳處轉(zhuǎn)鉸為中心，轉(zhuǎn)動鉸結構包括拱座活動鉸預埋件、活動鉸底座、轉(zhuǎn)動軸。轉(zhuǎn)動軸為?500 mm×900 mm的鋼制弧形圓柱面，在拱座上設半圓形鋼板做鉸座。

豎轉(zhuǎn)鉸采取在工廠配對沖壓的方法，以保證其圓弧面精確吻合。安裝時精確測量放樣，保證旋轉(zhuǎn)中心的安裝誤差在跨度方向±2 mm以內(nèi)，標高在±2 mm以內(nèi)。豎轉(zhuǎn)鉸安裝過程中，拱座活動鉸預埋件與轉(zhuǎn)動軸之間要預涂黃油，以減少摩擦阻力[2]。

4 豎向轉(zhuǎn)體施工要點

4.1 豎轉(zhuǎn)前的驗收及準備工作

豎轉(zhuǎn)前，必須對主拱肋拼裝幾何線形、節(jié)段接頭焊接質(zhì)量、拱座混凝土強度等進行檢查驗收。測量監(jiān)測組對安裝布設的監(jiān)測點、導線進行檢查，對塔架監(jiān)測點的內(nèi)力、溫度等項目進行初讀數(shù)。掛索，安裝千斤頂，連接控制系統(tǒng)，對起重索、調(diào)塔索進行預緊，各索垂度均勻，受力均衡。由于豎向轉(zhuǎn)體起重索拉伸量大，拉伸出的十幾米鋼絞線都要通過起重千斤頂前后錨夾持器，所以須確保鋼絞線順直不相互扭絞。掛索時起重索進千斤頂前需疏絲、編束，并在千斤頂前方20 m位置的鋼束上設置疏絲板。

4.2 脫架、靜停

啟動同步液壓起重系統(tǒng)，按照20%、40%、60%、80%載荷千斤頂逐級加載，直至主拱脫離拼裝支墩10 cm。加載過程中塔架頂水平力逐漸增大，塔架將產(chǎn)生前傾。測量檢測人員要密切跟蹤觀測塔頂位移情況，豎轉(zhuǎn)指揮人員根據(jù)觀測結果，適時調(diào)整調(diào)塔索索力，使豎轉(zhuǎn)塔保持豎直受力狀態(tài)。

脫架后即進入靜停階段，保持狀態(tài)12 h，期間對主要受力點、關鍵部位作豎轉(zhuǎn)前最后一次檢查，無異常后正式進行豎轉(zhuǎn)施工。

4.3 豎向轉(zhuǎn)體過程監(jiān)測

4.3.1 測量監(jiān)測

測量監(jiān)測的內(nèi)容主要有：監(jiān)測豎向轉(zhuǎn)體塔架豎直度，塔頂位移，為豎轉(zhuǎn)收放調(diào)塔索提供依據(jù)。監(jiān)測鋼拱龍口標高、橫向偏距、里程，為精確合龍?zhí)峁┮罁?jù)。布置觀測站6個，分別位于404#墩、405#墩左右兩側(cè)，距橋墩約200 m；控制點8個，分別位于豎轉(zhuǎn)塔頂及鋼管拱前端。豎轉(zhuǎn)塔頂控制點由反光貼和刻度標尺組成，鋼管拱前端控制點安裝360°全向棱鏡，主要監(jiān)控鋼管拱豎轉(zhuǎn)階段及合龍階段合龍口處拱的標高及龍口拱軸偏差、合龍口相對位置，為豎轉(zhuǎn)階段的左右拱肋調(diào)平及合龍階段前后半拱肋合龍偏差提供數(shù)據(jù)支持。

4.3.2 應力監(jiān)測

為了監(jiān)測豎轉(zhuǎn)過程中塔架受力情況，及時為指揮員提供預警，分別在豎轉(zhuǎn)塔架立柱管頂部、底部、1/2高度處，每塔架設置6個應力監(jiān)控點，采用數(shù)碼應變計采集數(shù)據(jù)。為監(jiān)控在豎轉(zhuǎn)過程中邊跨支座出現(xiàn)負反力(支座脫空)，邊墩支座處設置了百分表應變觀測儀。

按照現(xiàn)場實際情況，根據(jù)豎轉(zhuǎn)過程中拱肋拱頂標高的變化，按每米一個階段，將拱肋豎轉(zhuǎn)的整個施工過程劃分為23種施工工況[3]。采用MIDAS Civil模擬施工過程，對各階段的關鍵截面應力進行理論分析，豎轉(zhuǎn)施工過程中數(shù)碼應變計實時監(jiān)控，定期采集實測應力數(shù)據(jù)。根據(jù)理論計算及現(xiàn)場實測結果，由于豎轉(zhuǎn)過程，千斤頂行程改變及調(diào)塔索調(diào)整，實測應力略小于理論應力，但整體較為吻合且變化趨勢一致，應力值較小，整個豎轉(zhuǎn)過程未發(fā)生應力突變現(xiàn)象及局部失穩(wěn)現(xiàn)象，塔架處于安全狀態(tài)。405#墩塔架塔底左、右側(cè)關鍵截面測點應力監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 405墩塔架塔底截面測點應力匯總分析

4.4 合龍糾偏設置

鋼管混凝土結構存在著鋼管對接問題，采用導向楔板和內(nèi)襯管定位自動糾偏主要有三個方面作用: 一是方便施工定位, 可加快施工速度;二是提高對位精度, 減小接頭錯邊量;三是焊接時內(nèi)襯管可提高焊縫的焊接質(zhì)量。合龍口導向糾偏設置見圖10。

圖10 合龍口導向糾偏設置

5 結束語

本橋豎轉(zhuǎn)施工過程中，通過對常用的豎向轉(zhuǎn)體施工工藝進行綜合分析、優(yōu)化改良，采用了具有成拱質(zhì)量高、受力體系明確合理、安全性可靠性高、使用的機具設備相對較少、便于操作的混凝土梁拱組合橋先梁后拱，臥拼豎轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)體技術。如：塔頂索鞍采用尼龍軸套輥輪；在通索式豎轉(zhuǎn)工藝基礎上優(yōu)化增設調(diào)塔索，同時設置纜風、壓塔索保證塔架垂直度及穩(wěn)定性；采用具有自動化、多行程持力回放功能的起重動力千斤頂；將起重動力系統(tǒng)設置于梁下(配置操作平臺)，避免了梁后端干擾；采用Midas civil等軟件理論建模計算、應變計實測內(nèi)力的理論結合實際的方式指導施工等，為同類型橋梁施工積累了經(jīng)驗。