公鐵雙層四線橋連續(xù)鋼桁梁架設(shè)施工技術(shù)

邱學(xué)良 曹衛(wèi)軍 白曉紅 趙 平

1. 中鐵二局集團(tuán)有限公司 四川 成都 610031；

2. 中鐵二局第五工程有限公司 四川 成都 610073

近年來，隨著鋼結(jié)構(gòu)材料性能和橋梁建設(shè)施工技術(shù)的快速發(fā)展，大跨徑公鐵兩用鋼桁梁橋的建設(shè)越來越多[1]。鋼桁梁施工工藝復(fù)雜，體系轉(zhuǎn)換多，施工監(jiān)測內(nèi)容多。鋼桁梁架設(shè)施工常用的施工方法有：支架架設(shè)法、龍門吊機(jī)架設(shè)法和全回轉(zhuǎn)吊機(jī)懸臂架設(shè)法。

以往已有大量針對鋼桁梁的施工研究，李建等[2]重點(diǎn)對鋼桁梁施工工藝中的支架架設(shè)法進(jìn)行了探討，董柏富[3]對連續(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)的龍門吊機(jī)架設(shè)法開展了深入研究。本文在以往研究的基礎(chǔ)上，以鄭濟(jì)鐵路鄭州黃河特大橋北引橋施工為例，針對其受橋址處黃河大堤及松軟不良地質(zhì)影響的特點(diǎn)，介紹了全回轉(zhuǎn)吊機(jī)懸臂架設(shè)的施工方法。懸臂拼裝施工，需充分考慮懸臂段的自重及施工荷載作用下的自由撓度，結(jié)合無應(yīng)力狀態(tài)法理論[4]，在施工過程中加強(qiáng)監(jiān)控，充分考慮調(diào)整措施，并做及時(shí)調(diào)整，可更加準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)理論的線形、內(nèi)力[5]。懸臂拼裝施工的臨時(shí)措施，要充分考慮結(jié)構(gòu)自重和施工荷載，以及調(diào)整過程中的附加荷載，合理考慮安全富余系數(shù)，確保施工過程和調(diào)整過程中的安全[6]。

1 工程概況

鄭濟(jì)鐵路鄭州黃河特大橋?yàn)楣F合建橋梁，上下兩層設(shè)計(jì)，下層為高速鐵路和市域鐵路四線鐵路，上層為寬32.5 m雙向六車道城市快速路。北岸引橋跨黃河大堤采用（73＋139＋73） m連續(xù)鋼桁梁，采用華倫式桁架，邊桁、中桁桁高分別為15.00、 15.24 m，包括11.5、11.6、12.0及12.2 m四種節(jié)間距，橫向布置三榀桁，桁間距13.4 m。主要弦桿、斜腹桿均采用箱形截面。鐵路橋面板采用正交異性鋼橋面板，上層公路橋面板采用混凝土橋面板，支撐于鋼梁上弦，混凝土橋面板結(jié)構(gòu)分為預(yù)制和現(xiàn)澆兩部分[7]。單個(gè)構(gòu)件最長17.15 m，最大吊重為68.62 t。鋼桁梁橋立面如圖1所示，鋼桁梁橫斷面如圖2所示。

圖1 鋼桁梁橋立面

圖2 鋼桁梁橋橫斷面

2 施工技術(shù)特點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新

本橋梁為鋼-混凝土結(jié)構(gòu)橋梁，混凝土橋面板采用先張法預(yù)制施工，為全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。先張拉部分橫向預(yù)應(yīng)力筋安裝后，再張拉剩余縱橫向預(yù)應(yīng)力筋。公路橋面板通過剪力槽內(nèi)剪力釘、鋼桁梁預(yù)拱度變化，給予橋面板豎向錨固，形成全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

本橋梁為高速鐵路大跨度鋼結(jié)構(gòu)橋梁中首次采用無砟軌道，需研究與相鄰橋梁結(jié)構(gòu)的橫向調(diào)整措施，以滿足梁端轉(zhuǎn)角、伸縮變形的需求，從而保證梁端軌道的連續(xù)性、平順性和穩(wěn)定性，提高高速列車行車的舒適性和安全性。

2.2 施工工藝新

三跨連續(xù)梁一般不設(shè)置合龍段，若采用支架法單端單向架設(shè)，將導(dǎo)致架梁工期長、投入支架量大。為縮短施工工期，采用全回轉(zhuǎn)架梁吊機(jī)由邊跨向中跨懸臂拼裝，最后在跨中合龍的施工工藝。該施工工藝對施工安裝精度要求高，大大增加了施工難度。

2.3 架設(shè)設(shè)備新

結(jié)合本項(xiàng)目特點(diǎn)，研制最大起重量80 t，最大作業(yè)半徑30 m的全回轉(zhuǎn)架梁吊機(jī)，前后橫梁采用組裝式模塊化設(shè)計(jì)，可適用不同主桁寬度的橋梁。增設(shè)恒定中支點(diǎn)反力支頂，減少前后橫梁跨中彎矩，起到節(jié)約用材、減輕質(zhì)量的作用，同時(shí)減少對中桁的影響。

3 懸臂架設(shè)技術(shù)

3.1 鋼桁梁施工階段劃分及仿真分析

采用Midas Civil軟件進(jìn)行計(jì)算，將鋼桁架、縱橫梁離散為梁單元，公路混凝土橋面板和鐵路鋼橋面板離散為板單元，全橋節(jié)點(diǎn)總數(shù)2 001個(gè)，單元總數(shù)4 030個(gè)，整體模型如圖3所示。

圖3 整體模型

按現(xiàn)場實(shí)際施工順序，分別按工況進(jìn)行有限元模擬，進(jìn)行施工過程分析。由計(jì)算結(jié)果可知：合龍前，最大懸臂前端下弦桿的累計(jì)豎向位移為－71 mm，最大應(yīng)力78 MPa，最小應(yīng)力－49 MPa；合龍時(shí)，最大應(yīng)力44 MPa，最小應(yīng)力－89 MPa。各施工工況計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

3.2 臨時(shí)支墩設(shè)計(jì)及施工

臨時(shí)支墩設(shè)計(jì)主要考慮鋼桁梁及橋面板的自重、全回轉(zhuǎn)架梁吊機(jī)的施工荷載、風(fēng)荷載等，同時(shí)考慮地基沉降、偏心荷載等。結(jié)合本橋址區(qū)域的地質(zhì)及支墩的受力情況，確定支墩采用“樁基礎(chǔ)＋承臺＋鋼管柱＋分配梁＋抄墊（千斤頂）”的方案，設(shè)計(jì)8排臨時(shí)支墩，每排支墩橫向設(shè)置3組?；A(chǔ)采用φ1.5 m鋼筋混凝土鉆孔樁，鋼筋混凝土承臺，鋼管柱采用φ609 mm鋼管，井字形布置，中心間距2 m。臨時(shí)支墩布置如圖4所示。

圖4 臨時(shí)支墩布置

3.2.1 鋼管立柱設(shè)計(jì)

鋼管立柱臨時(shí)支墩承受的荷載主要有：臨時(shí)支墩的支反力、鋼桁梁風(fēng)荷載引起的支墩反力值和鋼管受壓偏心彎矩。臨時(shí)支墩鋼管立柱承受的計(jì)算荷載取值如表1所示，計(jì)算的鋼管立柱穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

表1 臨時(shí)支墩鋼管立柱承受的計(jì)算荷載取值

3.2.2 樁基設(shè)計(jì)

本橋址區(qū)域的地質(zhì)較為松軟，壓縮系數(shù)大，不宜采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。臨時(shí)支墩均采用樁基礎(chǔ)，并參考鄰近主橋墩樁基的地質(zhì)參數(shù)，安全系數(shù)按照臨時(shí)工程來設(shè)計(jì)。根據(jù)地質(zhì)情況可知，上層地質(zhì)承載力極小，單獨(dú)增加樁基數(shù)量不經(jīng)濟(jì)，因此第1—3組臨時(shí)支墩均可以獨(dú)樁承載，第4組臨時(shí)支墩采用2根鉆孔樁承載，樁徑均采用1.5 m，計(jì)算承載力均滿足規(guī)范要求。

3.2.3 臨時(shí)支墩監(jiān)控情況

鋼桁梁1—7號節(jié)間、1'—4'號節(jié)間安裝完成后，臨時(shí)支墩的最大沉降為10.5 mm，低于設(shè)計(jì)的25.7 mm。

3.3 全回轉(zhuǎn)架梁吊機(jī)設(shè)計(jì)與施工

3.3.1 吊機(jī)設(shè)計(jì)

結(jié)合本工程特點(diǎn)，設(shè)計(jì)全回轉(zhuǎn)架梁吊機(jī)為單臂架全回轉(zhuǎn)式起重機(jī)，轉(zhuǎn)臺以上采用電-機(jī)傳動(dòng)，轉(zhuǎn)臺以下采用電-液傳動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)80 t×30 m的最大彎矩提升，最大吊幅為39 m，具備起升、變幅、全回轉(zhuǎn)、整機(jī)前移及錨固的功能。吊機(jī)主要由吊臂、三角架、上轉(zhuǎn)臺、回轉(zhuǎn)支承、起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、司機(jī)室、底盤、走行機(jī)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)等組成[8]。

全回轉(zhuǎn)架梁吊機(jī)主要站位于鋼梁的三主桁弦桿上方，底座與弦桿之間設(shè)置軌道及支頂油缸。軌道主要功能為行走時(shí)使用，軌道與上弦之間設(shè)置支墊，隔離主桁上弦剪力釘，傳遞荷載至主桁；支頂油缸分為中桁上的恒反力油缸以及邊桁上帶機(jī)械鎖定的支頂油缸。架梁吊機(jī)在工作狀態(tài)時(shí)，主要是通過恒反力油缸及支頂油缸傳遞至主桁，軌道不承受荷載。為避免荷載集中，中主桁上方采用恒定反力，超載時(shí)自動(dòng)分配至邊桁的支頂油缸。

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，鋼桁梁懸臂節(jié)間最重桿件質(zhì)量達(dá)68.62 t；橋面板最重達(dá)55.95 t，鋼桁梁橋面至地面標(biāo)高最大不超過40 m。選用80 t×30 m全回轉(zhuǎn)架梁吊機(jī)，臂長41.5 m，主鉤額定起重量800 kN，起升高度30 m（軌面上）/85 m（軌面下），回轉(zhuǎn)角度0°～360°。

3.3.2 吊機(jī)安拆施工

在地面上人工配合吊裝設(shè)備組拼成組裝件，利用履帶吊拼裝，減少空中支撐平臺的承載力，縮短空中安裝時(shí)間。同時(shí)在鋼桁梁上弦設(shè)置15.0 m（縱向）×28.8 m（橫向）的操作平臺，滿足承載施工機(jī)具及人員荷載的要求，確保拼裝安全。安裝及拆卸流程：施工準(zhǔn)備→搭設(shè)操作平臺→安裝走行機(jī)構(gòu)軌道梁→下底盤→錨固安裝→上轉(zhuǎn)臺及回轉(zhuǎn)支承→中央集電環(huán)→卷揚(yáng)機(jī)→后三角支架→吊臂→穿主起升、副起升、變幅鋼絲繩→拉起吊臂→檢查試車。拆卸過程與安裝過程相反。

3.3.3 吊機(jī)走行

架梁吊機(jī)走行機(jī)構(gòu)主要由支墊、軌道、走行油缸、滑座、滑靴等組成。架梁吊機(jī)在走行狀態(tài)時(shí)，邊桁上支頂油缸及中桁上恒反力油缸回油卸載，將整個(gè)架梁吊機(jī)回落至軌道上，軌道上設(shè)置走行油缸，其尾部與底盤滑座鉸接，活塞桿頭部通過滑靴與軌道梁鉸接。架梁吊機(jī)通過走行油缸多次伸縮動(dòng)作和插拔銷子，使軌道梁沿滑靴槽向前移動(dòng)，完成一個(gè)走行循環(huán)。軌道可在工作狀態(tài)時(shí)利用走行油缸將其提升走行至下一個(gè)節(jié)間，亦可通過架梁吊機(jī)從后方吊起放至前方。

3.4 鋼桁梁拼裝

3.4.1 首節(jié)段拼裝

為確保整體穩(wěn)定性，首節(jié)段采用履帶吊在支架上拼裝2個(gè)節(jié)間，桿件拼裝順序?yàn)椋喊惭b主桁下弦桿→橋面板→中桁豎桿及斜腹桿→中桁上弦桿，形成閉合→安裝高鐵側(cè)邊桁豎桿及斜腹桿→高鐵側(cè)邊桁上弦桿→高鐵側(cè)橋門架、橫聯(lián)及上平聯(lián)→市域側(cè)邊桁豎桿及斜腹桿→市域側(cè)上弦桿→市域側(cè)橋門架、橫聯(lián)及上平聯(lián)。首節(jié)段拼裝順序如圖5所示。

圖5 首節(jié)段拼裝順序示意

3.4.2 支架上拼裝

為提高懸臂狀態(tài)的安全性，盡量讓桿件支撐于支架上，采用2個(gè)節(jié)間同步拼裝，拼裝順序?yàn)椋喊惭b下弦桿→安裝腹桿→安裝上弦桿→安裝橋面板→安裝橋門架、橫聯(lián)及上平聯(lián)→安裝前段豎桿→安裝上弦桿→安裝橋門架、橫聯(lián)及上平聯(lián)。支架上拼裝順序如圖6所示。

圖6 支架上拼裝順序示意

3.4.3 懸臂拼裝

懸臂拼裝采用單節(jié)間拼裝，拼裝順序?yàn)椋喊惭b下弦桿→安裝腹桿→安裝上弦桿→安裝橋面板→安裝橋門架、橫聯(lián)及上平聯(lián)。懸臂拼裝順序如圖7所示。

圖7 懸臂拼裝順序示意

3.4.4 桿件拼裝

桿件吊裝時(shí)應(yīng)調(diào)整其夾角基本與設(shè)計(jì)吻合，就位時(shí)，采用鏈條葫蘆及引導(dǎo)撬桿緩慢調(diào)整就位、對孔，在栓孔基本重合的瞬間將撬棍插入孔內(nèi)撥正，然后起落吊鉤，使桿件轉(zhuǎn)動(dòng)對齊其他孔眼。對位準(zhǔn)確后，在栓孔群打入4個(gè)定位沖釘，隨即安裝4～6個(gè)工作螺栓，同時(shí)安裝其余栓孔沖釘和高強(qiáng)度螺栓。

從下至上安裝單桁片，安裝過程中適當(dāng)降低下弦標(biāo)高，便于斜腹桿的安裝，整個(gè)桁片安裝后復(fù)核其空間位置，先將上弦沖釘換成高強(qiáng)螺栓并初擰，再安裝橋面板及橫聯(lián)，調(diào)整桁片的軸線位置，最后更換下弦的沖釘，并完成高強(qiáng)螺栓終擰。

鋼桁梁懸臂安裝過程中需要對節(jié)點(diǎn)撓度及中線進(jìn)行監(jiān)控測量，要求每安裝一個(gè)節(jié)間，測一次各節(jié)點(diǎn)撓度并與計(jì)算值比較，同時(shí)測量中線，復(fù)核鋼桁梁制造質(zhì)量，確保安裝質(zhì)量。同時(shí)，對關(guān)鍵桿件要進(jìn)行應(yīng)力測量，并與計(jì)算值比較，及時(shí)進(jìn)行分析處理，防止超應(yīng)力。鋼桁梁安裝時(shí)應(yīng)及時(shí)、準(zhǔn)確地測量，每安裝一個(gè)節(jié)間應(yīng)進(jìn)行線形觀測，并與設(shè)計(jì)線形進(jìn)行比較，發(fā)出下一個(gè)節(jié)間的調(diào)整指令[9]。

3.4.5 合龍施工

合龍施工是決定鋼桁梁成敗的重要工序之一，是最后一次可調(diào)整工序[10]。對于合龍口的測量應(yīng)提前收集數(shù)據(jù)，結(jié)合計(jì)算成果，進(jìn)行合龍前敏感分析，找出針對x、y、z方向最有效的調(diào)整值。

1）合龍準(zhǔn)備。

① 安裝至10#節(jié)段，利用臨時(shí)支墩上千斤頂將10#節(jié)點(diǎn)頂升至預(yù)拱線形標(biāo)高。

② 安裝11#節(jié)間，利用10#節(jié)點(diǎn)千斤頂頂升，使11#節(jié)間達(dá)到預(yù)拱線形標(biāo)高。

③ 調(diào)整合龍口存在的豎向、縱向、轉(zhuǎn)角的偏移。

2）利用合龍口臨時(shí)支墩的千斤頂頂升下弦桿，調(diào)節(jié)下弦桿的豎向位移并消除轉(zhuǎn)角。

3）整體調(diào)節(jié)單跨，消除合龍口的縱向、豎向偏差。通過提前設(shè)置邊跨預(yù)偏值的方式，調(diào)節(jié)邊跨合龍口坐標(biāo)與設(shè)計(jì)相符；如果實(shí)際偏差較大，無法利用預(yù)偏值調(diào)整，則可以利用單跨千斤頂整體縱移調(diào)節(jié)邊跨。

4）合龍下弦桿。

① 通過測量合龍口長度、合龍時(shí)間段的溫度，進(jìn)行合龍口拼接板配板。

② 吊裝下弦桿就位，連接單端桿件，另一端待到達(dá)擬定溫度后，進(jìn)行合龍。

③ 吊裝合龍口鐵路橋面板。

5）合龍斜腹桿。

① 吊裝斜腹桿，并將上端口進(jìn)行連接。

② 通過測量不同時(shí)間段的合龍口斜腹桿長度，對桿件下端口進(jìn)行配板。

③ 選擇合適溫度對斜腹桿進(jìn)行合龍。

6）合龍上弦桿，安裝豎桿，采用與下弦桿相同的合龍方法合龍上弦桿，安裝平聯(lián)，并進(jìn)行栓接及焊接。

4 施工監(jiān)控

為確保鋼桁梁的架設(shè)安裝精度，防止誤差累積，監(jiān)控量測遵循“先整體后局部，由高級到低級”逐級控制的原則[11]。通過高一級的控制點(diǎn)，利用雙頻GPS靜態(tài)測量模式對后來加密的控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測。施工過程中對每個(gè)節(jié)點(diǎn)的變形，以及主桁中軸線位置、前后兩節(jié)段后端底板的高程差、節(jié)段拼接后的長度等進(jìn)行跟蹤測量。采用Midas Civil軟件對各個(gè)施工工況進(jìn)行仿真模擬分析，保證鋼桁梁成橋后的拱度線形、內(nèi)力與設(shè)計(jì)一致，按照無應(yīng)力狀態(tài)控制法一次拼裝成形，其拼裝狀態(tài)應(yīng)與最終狀態(tài)的內(nèi)力、位移一致。測量安裝過程和合龍時(shí)的溫度，與設(shè)計(jì)、鋼桁梁加工及合龍時(shí)的溫度進(jìn)行對比分析，確保鋼桁梁懸拼施工符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

本文利用結(jié)構(gòu)構(gòu)件單元的無應(yīng)力狀態(tài)量建立中間狀態(tài)和成橋狀態(tài)的聯(lián)系，將構(gòu)件安裝和體系轉(zhuǎn)化的復(fù)雜過程簡單化，施工線形與成橋線形明晰化。采用分階段逐步施工安裝，確保了加工精度、安裝精度、施工工期可控，并充分考慮了體系轉(zhuǎn)換時(shí)的外界條件。采用“倒裝法”計(jì)算確定起始安裝節(jié)段的預(yù)偏量，有效地減少了體系轉(zhuǎn)化時(shí)的調(diào)整措施和手段。根據(jù)本橋施工情況，在懸臂拼裝三主桁鋼桁梁時(shí)，由于中桁承受荷載較大，故其下?lián)洗笥谶呰鞊隙?，在多?jié)間懸臂拼裝時(shí)，應(yīng)增設(shè)臨時(shí)支撐或者在制造階段充分考慮其預(yù)拱值。