連續(xù)梁三跨式雙T構(gòu)同步膠拼架橋機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化與施工*

吳 俊，牛子民，許志忠

(中鐵北京工程局集團(tuán)有限公司，北京 102308)

0 引言

近年來(lái)，隨著預(yù)制裝配施工技術(shù)的興起，橋梁施工正逐步由部位構(gòu)件預(yù)制架設(shè)向全裝配預(yù)制結(jié)構(gòu)體系一體化建造技術(shù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)橋梁構(gòu)件預(yù)制生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化、工廠(chǎng)化、裝配化、機(jī)械化[1]。目前，梁體節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)已越來(lái)越廣泛應(yīng)用，但連續(xù)梁存在跨度大、自重大、預(yù)應(yīng)力體系復(fù)雜等特點(diǎn)，預(yù)制節(jié)段半聯(lián)滿(mǎn)掛或半聯(lián)多節(jié)段懸拼時(shí)，對(duì)拼裝設(shè)備要求高，工藝復(fù)雜，施工風(fēng)險(xiǎn)高。

連徐高速鐵路東海特大橋(32+48+32)m連續(xù)梁采用三跨式雙T構(gòu)同步膠拼方法建造。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的架橋機(jī)，實(shí)現(xiàn)前后半聯(lián)分別對(duì)稱(chēng)懸臂拼裝，能大幅度減少架橋機(jī)吊掛質(zhì)量，有效降低拼裝施工中的風(fēng)險(xiǎn)，規(guī)避過(guò)孔風(fēng)險(xiǎn)，減小對(duì)架橋機(jī)性能的要求。同時(shí)，可及時(shí)聯(lián)測(cè)2個(gè)T構(gòu)的三維坐標(biāo)及應(yīng)力、應(yīng)變等，保證成橋線(xiàn)形符合設(shè)計(jì)要求。

1 設(shè)計(jì)概況

東海特大橋全長(zhǎng)34 147.245m，是新建連云港—徐州高速鐵路重點(diǎn)工程。(32+48+32)m連續(xù)梁采用等高度箱梁節(jié)段預(yù)制膠裝，采用環(huán)氧樹(shù)脂膠接縫，接縫面剪力鍵采用梯形密鍵布置形式。梁體截面中心處梁高3.035m，頂寬12.6m，底寬5.5m。梁體共計(jì)預(yù)制40個(gè)節(jié)段，其中0號(hào)塊單獨(dú)預(yù)制，中跨8個(gè)預(yù)制節(jié)段，邊跨11個(gè)預(yù)制節(jié)段。中墩墩頂0號(hào)塊重143.3t，邊墩墩頂11號(hào)塊重124.4t，其余節(jié)段最大吊重為91.9t，中跨跨中合龍段長(zhǎng)1m。

三跨式雙T構(gòu)同步膠拼施工采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的LHP56B型架橋機(jī)，總長(zhǎng)度136.4m，主要構(gòu)件包括主桁梁、前支腿、中支腿(中墩臨時(shí)支架)、后支腿、尾部臨時(shí)支架、墩旁托架、天車(chē)(含吊具)、工作平臺(tái)、電氣系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)等，如圖1所示。

圖1 架橋機(jī)拼裝總體立面與平面

2 節(jié)段拼裝架橋機(jī)方案比選

目前，國(guó)內(nèi)用于連續(xù)梁預(yù)制節(jié)段拼裝的架橋機(jī)主要有2種，一種是以鄭阜高速鐵路周淮特大橋(40+56+40)m連續(xù)梁為代表的半聯(lián)節(jié)段梁依次滿(mǎn)掛懸拼膠接式架橋機(jī)[2]，另一種是以京唐城際鐵路潮白河特大橋(48+80+48)m連續(xù)梁為代表的半聯(lián)節(jié)段梁一次多節(jié)段對(duì)稱(chēng)懸拼膠接式架橋機(jī)[3]。

結(jié)合2種架橋機(jī)形式，并依據(jù)梁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工特點(diǎn)及工期等，對(duì)節(jié)段拼裝架橋機(jī)選型提出以下2種優(yōu)化方案。

1)方案1 架橋機(jī)半聯(lián)單T構(gòu)布置，臨近孔跨設(shè)置運(yùn)梁平臺(tái)，如圖2所示。一側(cè)T構(gòu)0號(hào)塊兩側(cè)一次平衡懸臂拼裝3對(duì)節(jié)段，再拼裝邊跨，架橋機(jī)縱移過(guò)孔后拼裝另一側(cè)T構(gòu)及邊跨，最后中跨現(xiàn)澆合龍。

圖2 架橋機(jī)半聯(lián)布置總體立面

2)方案2 將架橋機(jī)半聯(lián)布置優(yōu)化為全聯(lián)三跨式布置，增加尾部臨時(shí)支架便于提梁上橋。0號(hào)塊固定后，2個(gè)T構(gòu)同步對(duì)稱(chēng)懸臂膠拼1對(duì)節(jié)段，施作預(yù)應(yīng)力形成懸臂梁后即可卸除吊具。中跨現(xiàn)澆合龍后，拼裝不平衡節(jié)段和邊跨節(jié)段。

2種方案比選分析情況如下。

1)成本對(duì)比分析 方案1運(yùn)梁鋼平臺(tái)共耗鋼管柱、工字鋼等鋼材約203t，運(yùn)梁鋼平臺(tái)預(yù)計(jì)搭設(shè)完成時(shí)間約20d，需增加吊梁設(shè)備提梁上橋及1臺(tái)運(yùn)梁車(chē)喂梁。方案2尾部設(shè)置臨時(shí)支架共耗鋼管柱、工字鋼等鋼材約9.2t；臨時(shí)支架搭設(shè)完成時(shí)間約5d；尾部增加輔助支腿，梁段采用天車(chē)直接提運(yùn)膠裝，減少提運(yùn)上橋設(shè)備。

2)風(fēng)險(xiǎn)管控對(duì)比分析 方案1一次吊裝3對(duì)節(jié)段，相對(duì)一次吊裝1對(duì)節(jié)段，架橋機(jī)承重較大，對(duì)主桁梁強(qiáng)度要求較高；懸裝3對(duì)節(jié)段預(yù)應(yīng)力張拉1次，存在換鉤及吊桿裝卸過(guò)程，施工工藝控制要求高；架橋機(jī)過(guò)孔，對(duì)梁體懸臂端預(yù)應(yīng)力體系要求高，且存在過(guò)孔風(fēng)險(xiǎn)；半聯(lián)T構(gòu)先后施工，不能進(jìn)行聯(lián)測(cè)。方案2一次吊裝1對(duì)節(jié)段，能有效減小主桁梁的吊重，可減少架橋機(jī)用鋼量，并在同等條件下增大主桁架跨度；吊具在永久預(yù)應(yīng)力張拉后拆除，施工風(fēng)險(xiǎn)較?。徊捎萌珉pT構(gòu)同步膠拼，避免架橋機(jī)縱移過(guò)孔風(fēng)險(xiǎn)；雙T構(gòu)同步膠拼，可對(duì)2個(gè)T構(gòu)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，減少膠拼誤差，能有效控制成橋線(xiàn)形。

綜合上述分析，現(xiàn)場(chǎng)采用方案2 三跨式雙T構(gòu)同步膠拼架橋機(jī)方案。

3 架橋機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用SAP2000建立架橋機(jī)計(jì)算模型進(jìn)行模擬加載分析。計(jì)算荷載主要考慮自重振動(dòng)荷載Ф1PG、起升動(dòng)荷載Ф2PQ、架梁時(shí)的縱向風(fēng)荷載及橫向風(fēng)荷載、天車(chē)重載走行縱向啟(制)動(dòng)水平慣性力和1.5%縱坡架梁時(shí)自重水平分力及吊重水平分力。

結(jié)合工程特點(diǎn)，進(jìn)行架橋機(jī)過(guò)孔穩(wěn)定性和橫向穩(wěn)定性驗(yàn)算，抗傾覆安全系數(shù)取1.5；采用許用應(yīng)力設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)架橋機(jī)金屬構(gòu)件，按A類(lèi)荷載組合[4]，強(qiáng)度安全系數(shù)取1.48。

3.1 架橋機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

1)縱向穩(wěn)定性 由于受場(chǎng)地限制，架橋機(jī)需倒退拆除，最不利工況出現(xiàn)在架橋機(jī)過(guò)孔、主梁退出48m跨前，此時(shí)前支腿尚未拆除，如圖3所示。由計(jì)算可知，傾覆力矩1 947kN·m，穩(wěn)定力矩3 213.7kN·m，穩(wěn)定系數(shù)1.65>1.5。因此，滿(mǎn)足要求。

圖3 架橋機(jī)后退過(guò)孔立面

2)橫向穩(wěn)定性 按最不利工況考慮，取非工作狀態(tài)下、按沿海地區(qū)計(jì)算風(fēng)荷載，架橋機(jī)未采取固定措施，架橋機(jī)前支腿橫向支點(diǎn)間距最小為4.5m，考慮天車(chē)橫向偏移0.3m，并假設(shè)所有橫向風(fēng)荷載均作用在主梁頂部，如圖4所示。由計(jì)算可知，傾覆力矩3 884.3kN·m，穩(wěn)定力矩8 868.6kN·m，穩(wěn)定系數(shù)K=2.3>1.5。因此，滿(mǎn)足要求。

圖4 架橋機(jī)后退過(guò)孔前支腿正面

3.2 架橋機(jī)各部位驗(yàn)算

1)0號(hào)節(jié)段吊裝時(shí)架橋機(jī)計(jì)算模型如圖5所示。架設(shè)0號(hào)段時(shí)架橋機(jī)計(jì)算工況有：天車(chē)尾部吊梁，天車(chē)吊梁經(jīng)過(guò)各跨跨中，天車(chē)吊梁經(jīng)過(guò)后支腿及中墩臨時(shí)支架。①前天車(chē)吊0號(hào)塊至后跨跨中時(shí)，964號(hào)墩支架受豎向力最小，計(jì)算模型如圖6所示。由模型計(jì)算可知，傾覆力矩567.8kN·m，穩(wěn)定力矩789kN·m，在滿(mǎn)足抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)K≥1.5的條件下，則承臺(tái)上單個(gè)立柱預(yù)埋件抗拔力Ps≥41.8kN?，F(xiàn)場(chǎng)立柱與承臺(tái)預(yù)埋鋼板焊接，每個(gè)預(yù)埋件抗拔力≥100kN，且上部利用2道橋墩中部預(yù)留的孔道，用φ40精軋螺紋鋼將支架與橋墩緊固。②前天車(chē)吊梁至964號(hào)墩支架時(shí)，支架各立柱反力最大，如圖7所示。

圖5 0號(hào)段吊裝工況計(jì)算模型

圖6 964號(hào)墩的支架穩(wěn)定性模型計(jì)算

圖7 964號(hào)墩的支架各立柱反力

由模型計(jì)算可知，立柱內(nèi)力最大為520kN。單側(cè)φ630×10鋼管立柱強(qiáng)度26.7MPa，整體穩(wěn)定性強(qiáng)度27.6MPa，均小于需用應(yīng)力，因此滿(mǎn)足要求。

2)對(duì)稱(chēng)節(jié)段吊裝時(shí)架橋機(jī)計(jì)算模型如圖8所示。架設(shè)T構(gòu)時(shí)架橋機(jī)計(jì)算工況有：①前天車(chē)尾部吊梁；②前天車(chē)吊梁經(jīng)過(guò)后支腿；③2臺(tái)天車(chē)吊梁安裝1號(hào)塊；④前天車(chē)吊梁靠近前支腿處；⑤單臺(tái)天車(chē)吊梁至48m跨中位置；⑥2臺(tái)天車(chē)吊重分別位于48，32m跨跨中位置。

圖8 T構(gòu)架設(shè)工況計(jì)算模型

由模型計(jì)算可知，架橋機(jī)主桁梁與前、中、后支腿及其他各構(gòu)件受力分析如表1，2所示。

表1 架設(shè)工況下主要構(gòu)件結(jié)構(gòu)分析

表2 架設(shè)工況下其他構(gòu)件結(jié)構(gòu)分析

3.3 墩旁托架驗(yàn)算

墩旁托架采用SAP2000建立計(jì)算模型。設(shè)計(jì)荷載主要考慮托架自重、10號(hào)塊、11號(hào)塊及每節(jié)底部4個(gè)支撐塊自重和水平力。其中，荷載安全系數(shù)取1.5；混凝土預(yù)制節(jié)段自重偏差系數(shù)取1.05；順橋向、橫橋向水平分力取預(yù)制節(jié)段自重的5%，作用于支架頂部節(jié)段的支撐部位。經(jīng)軟件分析，托架撓度最大變形1.5mm，墩旁托架應(yīng)力比值輸出均<1，如圖9所示。

圖9 墩旁托架計(jì)算應(yīng)力比值

4 架橋機(jī)拼裝

架橋機(jī)拼裝前，在距離963號(hào)中墩中心大里程2.3m、964號(hào)中墩中心小里程2.3m處分別安裝臨時(shí)支架，如圖10所示。

圖10 中墩臨時(shí)支墩結(jié)構(gòu)

在距離962號(hào)墩小里程方向20.17m處安裝架橋機(jī)尾部臨時(shí)支架，如圖11所示。臨時(shí)支架均采用φ630×10鋼管柱組成，柱間采用[20a連接成整體，底部與承臺(tái)預(yù)埋的20mm厚鋼板焊接。其中，中墩臨時(shí)支架上部利用橋墩中部預(yù)留的孔道，用φ40精軋螺紋鋼將支架與橋墩拉在一起。尾部臨時(shí)支架支承在長(zhǎng)×寬×高為5m×2m×0.6m條形混凝土基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)地基承載力≥100kPa。

圖11 尾部臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)

主桁梁在地面上沿長(zhǎng)度方向組裝，用1臺(tái)50t汽車(chē)式起重機(jī)依次將左、右主梁1～3號(hào)節(jié)段、4～8號(hào)節(jié)段及9～12號(hào)節(jié)段按順序吊放至調(diào)平且支墊穩(wěn)固的墊塊上。主梁吊裝時(shí)，先采用2臺(tái)160t汽車(chē)式起重機(jī)將組裝好的主梁4～8號(hào)節(jié)段吊至963，964號(hào)中墩臨時(shí)支架上，然后用螺栓將主梁與支架托梁固定。按此方法依次吊裝9～12號(hào)節(jié)段及1～3號(hào)節(jié)段，并將3組主梁螺栓連接成整體，最后吊裝前、后支腿分別與主梁栓接，如圖12所示。

圖12 主桁梁及前、后支腿安裝

主桁梁及前、后支腿安裝后，依次吊裝前、后天車(chē)總成，電氣、液壓設(shè)備參照電氣原理圖及液壓系統(tǒng)圖進(jìn)行安裝。各項(xiàng)設(shè)備安裝完成后，及時(shí)進(jìn)行整機(jī)調(diào)試及荷載試驗(yàn)。

架橋機(jī)整機(jī)調(diào)試后，進(jìn)行0號(hào)梁段安裝。963號(hào)墩0號(hào)梁段安裝錨固后，在其上安裝架橋機(jī)中支腿，并使支腿在梁體上支承牢固，然后拆除963號(hào)墩臨時(shí)支架。再按此方法安裝位于964號(hào)墩0號(hào)梁段上的架橋機(jī)中支腿。至此，架橋機(jī)形成整體，即可進(jìn)行對(duì)稱(chēng)節(jié)段膠拼。

5 三跨式雙T構(gòu)同步膠拼關(guān)鍵技術(shù)

5.1 梁體0號(hào)塊安裝

0號(hào)塊安裝前，安裝墩頂圍欄作為施工平臺(tái)。中墩臨時(shí)支座采用C40混凝土現(xiàn)澆，長(zhǎng)×寬為2.6m×0.6m；臨時(shí)固結(jié)采用16根φ32 PSB830精軋螺紋鋼，其中墩柱內(nèi)預(yù)埋4.5m，錨下張拉控制應(yīng)力為166MPa。

運(yùn)梁車(chē)將0號(hào)塊運(yùn)至架橋機(jī)尾部，前、后天車(chē)均移至架橋機(jī)尾部。采用前天車(chē)將0號(hào)塊吊至963號(hào)墩附近，旋轉(zhuǎn)90°后調(diào)整0號(hào)塊位置，使0號(hào)塊底板預(yù)埋的φ60×4鋼管對(duì)中穿過(guò)墩柱預(yù)埋的精軋螺紋鋼后就位。0號(hào)塊采用4臺(tái)三向調(diào)節(jié)千斤頂進(jìn)行精調(diào)，將高程和縱、橫向位置調(diào)整至誤差范圍后張拉精軋螺紋鋼與橋墩錨固[5]。0號(hào)塊精調(diào)鎖定后，對(duì)已設(shè)置縱向預(yù)偏量的支座進(jìn)行重力式灌漿。

5.2 梁段雙T構(gòu)對(duì)稱(chēng)同步膠拼

對(duì)稱(chēng)梁段膠裝前應(yīng)進(jìn)行試拼，以檢查三維坐標(biāo)、接觸面匹配、預(yù)應(yīng)力孔道對(duì)位等情況，減少涂膠后梁段調(diào)節(jié)時(shí)間，確保在涂膠固化前梁段加壓完成。

試拼時(shí)，對(duì)稱(chēng)梁段起吊至快靠攏已拼裝梁段時(shí)，用木楔等軟質(zhì)材料臨時(shí)塞墊，防止梁段碰撞。等梁段穩(wěn)定后，通過(guò)吊具精調(diào)到位，預(yù)緊部分頂板、底板縱向臨時(shí)預(yù)應(yīng)力，觀察節(jié)段拼接面匹配情況，可輔以木楔塊或環(huán)氧膠墊片糾偏。試拼完成后在頂板、底板、腹板顯著位置做好對(duì)位標(biāo)記，再將梁體向外平移約0.5m，以便抹膠，節(jié)段的標(biāo)高和傾斜度不進(jìn)行調(diào)整。

接觸面涂刷環(huán)氧樹(shù)脂膠前，應(yīng)對(duì)接縫面進(jìn)行噴砂處理或打磨，并清理干凈。單次配膠容量按1.2倍截面設(shè)計(jì)量，環(huán)氧樹(shù)脂低速攪拌3min左右，直至顏色均一、稠度均勻。接縫間環(huán)氧樹(shù)脂厚度宜≤3mm，加壓固化后膠層厚度宜控制在1mm內(nèi)。涂膠的混凝土表面溫度≥10℃。接縫間宜采用分段分片雙面涂膠，每個(gè)區(qū)域由上而下均勻涂抹[6]，拌制好的環(huán)氧樹(shù)脂宜在20min內(nèi)涂刷完畢。

環(huán)氧樹(shù)脂膠涂刷完畢后及時(shí)張拉臨時(shí)預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋并錨固。張拉時(shí)，將Q345B鋼構(gòu)件與梁體栓接作為移動(dòng)臺(tái)座，其中1～4號(hào)塊設(shè)置8處(頂板6根、底板5根)臨時(shí)張拉束，其他梁段設(shè)置7處(頂板6根、底板4根)臨時(shí)張拉束。臨時(shí)預(yù)應(yīng)力采用φ32 PSB830預(yù)應(yīng)力混凝土用精軋螺紋鋼，每根精軋螺紋鋼錨下有效張拉力475kN。涂膠、加壓等工序應(yīng)在環(huán)氧膠固化前完成。臨時(shí)張拉時(shí)，應(yīng)同步監(jiān)測(cè)節(jié)段梁面預(yù)埋的6個(gè)控制測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)坐標(biāo)值，并與設(shè)計(jì)坐標(biāo)值作對(duì)比，出現(xiàn)偏差時(shí)采用精軋螺紋鋼張拉力或張拉順序進(jìn)行精調(diào)[7]。

臨時(shí)張拉后，及時(shí)清理預(yù)應(yīng)力管道，并進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)穿束。在環(huán)氧樹(shù)脂膠完全固化后，按設(shè)計(jì)張拉本節(jié)段的永久預(yù)應(yīng)力鋼束，并及時(shí)灌漿。依次懸拼各對(duì)稱(chēng)節(jié)段，直至施作完成懸臂段預(yù)應(yīng)力體系。

5.3 非對(duì)稱(chēng)段膠拼

各對(duì)稱(chēng)節(jié)段懸臂膠拼完成后，采用吊架法，輔以水箱配重、勁性骨架鎖定及臨時(shí)張拉合龍鋼束等施作中跨合龍段。

兩邊跨9號(hào)塊為非對(duì)稱(chēng)節(jié)段，待中跨合龍段完成后，利用架橋機(jī)同步膠拼，待環(huán)氧樹(shù)脂膠完全固化后張拉梁段內(nèi)永久預(yù)應(yīng)力鋼束，并及時(shí)真空壓漿。

5.4 邊跨節(jié)段拼裝

邊跨10，11號(hào)塊拼裝前，采用30t汽車(chē)式起重機(jī)安裝墩旁托架。先拼裝柱腳及張拉橫梁，頂緊螺旋頂，如圖13所示。再?gòu)埨?根φ32精軋螺紋鋼，單根張拉力100kN。然后依次拼裝立柱及張拉橫梁、附屬結(jié)構(gòu)，頂部設(shè)8根φ32精軋螺紋鋼，單根張拉力為180kN。最后拼裝頂部橫梁、斜撐桿及附屬結(jié)構(gòu)等。

圖13 墩旁托架頂緊機(jī)構(gòu)平面

邊墩托架上設(shè)置縱移軌道、多向調(diào)節(jié)千斤頂?shù)?，如圖14所示。先膠拼962號(hào)墩、965號(hào)墩10號(hào)塊，張拉臨時(shí)預(yù)應(yīng)力后，托架頂部螺旋千斤頂頂升支撐10號(hào)塊后天車(chē)脫鉤。再膠拼962號(hào)墩、965號(hào)墩11號(hào)塊，張拉臨時(shí)預(yù)應(yīng)力后，支座定位調(diào)整并灌漿錨固。

圖14 托架及節(jié)段位置示意

待支座灌漿漿體強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，托架頂部螺旋千斤頂頂升，與永久支座共同支承11號(hào)塊后天車(chē)脫鉤。最后拆除邊墩墩旁托架，完成體系轉(zhuǎn)換，依次張拉主梁邊跨底板鋼束及中跨底板預(yù)應(yīng)力鋼束并及時(shí)進(jìn)行管道壓漿。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)東海特大橋(32+48+32)m連續(xù)梁節(jié)段預(yù)制膠拼架橋機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，從臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)源頭便規(guī)避了過(guò)孔安全風(fēng)險(xiǎn)，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。采用較新穎的施工方法，保障了連續(xù)梁施工質(zhì)量，大幅度提升成橋線(xiàn)形監(jiān)控效果，順利完成同步膠拼施工。同時(shí)，由于對(duì)架橋機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，減少了拼裝設(shè)備投入，優(yōu)化了施工工序，有效降低了施工成本，大幅度縮短了施工工期。