新黃河特大橋主橋高墩偏心彎矩控制技術(shù)研究*

趙海青

(中鐵二十局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710016)

針對我國頂推施工技術(shù)現(xiàn)已取得一定的研究成果，而在高墩上進(jìn)行頂推施工的鐵路橋梁研究成果較少，且針對鋼桁梁橋高墩偏心彎矩控制技術(shù)研究仍然缺乏，本文以黃(陵)韓(城)侯(馬)鐵路芝陽—禹門口段增建二線新黃河特大橋鋼桁梁頂推施工為背景，針對項目主橋高墩特點，研究采用關(guān)鍵施工技術(shù)措施實行高墩偏心彎矩控制，確保鋼桁梁施工質(zhì)量滿足設(shè)計要求，使新黃河特大橋鋼梁頂推順利完成。本文研究內(nèi)容可為今后類似工程建設(shè)提供重要參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

黃(陵)韓(城)侯(馬)鐵路芝陽—禹門口段增建二線新黃河特大橋位于陜西省韓城市和山西省河津市交界黃河主河道卡口處，主要為跨越108國道和黃河而設(shè)，橋址處主要為坡地、灘地及黃河河道。中心里程DK78+481，上部結(jié)構(gòu)采用(32+24+32+24)m T梁+156m簡支鋼桁梁+32m T梁+(40+4×64+40)m連續(xù)梁+(3×32+2×24)m T梁，并行于既有侯西鐵路1-144m簡支鋼桁梁黃河橋下游約22m。

4～5號墩主橋采用1-156m簡支鋼桁梁跨越黃河主河道，為目前國內(nèi)最大跨度有砟單線鐵路簡支鋼桁梁。鋼橋全長158m，縱向支座中心間距156m，橫向支座中心間距為8.6m；桁寬8.6m，桁高17m，節(jié)間距(14.1+9×14.2+14.1)m。鋼桁梁平面小里程12m范圍位于R=600m緩和曲線上，其余部分位于直線上，立面縱坡0。鋼桁梁結(jié)構(gòu)自重13.74t/m，總重2 173t，桿件最大重38.79t。

主跨鋼桁梁兩端施工環(huán)境及地形條件復(fù)雜，特別是山西端4號墩至0號臺間高差>12m，其間有灌溉堤水渠、閘門、水溝，鄰近1號墩約4m處有35kV高壓線鐵塔和3號墩處有老禹門口洞門均需拆遷。因此，山西側(cè)不能作為鋼桁梁拼裝場地及安裝場地。在黃河枯水期間，5號墩陜西側(cè)、6～11號墩處黃河灘地可作為鋼桁梁拼裝架設(shè)施工場地。108國道通過新黃河特大橋工地，但該線路受老公路橋2m限高，鋼桁梁桿件及拼裝機(jī)械設(shè)備通過108國道可到達(dá)5號墩一側(cè)。若要到達(dá)4號墩時需通過西禹高速公路的山西河津西出口下高速公路，沿108國道、施工便道到達(dá)。

1.2 鋼桁梁結(jié)構(gòu)

主桁類型為無豎桿整體節(jié)點平行弦三角桁架下承式簡支鋼桁梁、RPC道砟槽板有砟橋面。鋼桁梁為栓焊結(jié)構(gòu)，由22根上弦桿、30根下弦桿、44根斜腹桿、22根縱梁、12根橫梁及上下平聯(lián)、橋門架及中橫聯(lián)等組成。主桁節(jié)點采用整體節(jié)點形式，上、下弦桿在節(jié)點外拼接，腹桿與節(jié)點板采用對接拼裝，弦桿和腹桿均采用M30高強(qiáng)度螺栓全截面拼接。主桁采用Q370qE及Q345qE鋼材，其中下弦節(jié)點板滿足Z35性能。鋼梁主體采用第7套涂裝體系。各桿件截面形式為組焊式箱形和工字形2種。鋼桁梁結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示。

圖1 鋼桁梁結(jié)構(gòu)斷面示意

1.3 主橋鐵路墩身

鐵路墩帽橫橋向?qū)?2.0m、順橋向?qū)?.4m，高1.5m，為圓端形。墩身頂部橫橋向?qū)?.74m、順橋向?qū)?.0m，托盤橫橋向圓弧形，縱橋向直坡向墩身過渡，墩身為圓端形直坡實心墩。鐵路墩身構(gòu)造如圖2所示。

圖2 鐵路墩身構(gòu)造

1.4 工程特點與重難點分析

1)黃河主河道卡口處，從上游至下游依次修建有108國道公路橋、既有侯西線黃河鐵路橋，占據(jù)了較好的橋位地形。新黃河特大橋位于既有鐵路橋梁下游，河面突變增寬，新橋橋位地形相對較差，施工難度更大。

2)鋼桁梁拼裝架設(shè)及配套的臨時工程施工按西安鐵路局規(guī)定納入鄰近既有線施工管理。

3)黃河卡口處地形環(huán)境復(fù)雜，氣象水文條件極不穩(wěn)定，風(fēng)速大、水流急、河床沖刷變化大，既有伏秋大汛期，又有凌汛期、桃汛期，汛期貫穿持續(xù)全年。鋼桁梁拼裝架設(shè)須充分考慮氣象、水文等諸多因素對施工的影響。

4)受風(fēng)速大、水流急、河床沖刷變化大、汛期及凌汛期長的影響，主河道水中拼裝架設(shè)臨時支架和水中施工平臺棧橋的設(shè)計及施工難度大，尤其是水中鉆孔樁及鋼管樁基礎(chǔ)施工。

5)新建4，5號墩和6～12號墩小半徑曲線連續(xù)梁經(jīng)設(shè)計驗算均不能直接利用作為臨時支墩，須向下游方向橫移一定距離后設(shè)立臨時支墩，且施工作業(yè)場地狹小，受風(fēng)速大及桿件長、重等影響大，利用大噸位起重設(shè)備拼裝架設(shè)鋼桁梁，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高，質(zhì)量要求高，安全風(fēng)險大。

6)橋址處施工可能利用的灘地及坡地，在汛期和凌汛期內(nèi)有可能被水及冰淹沒。

7)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求極高。黃河水利委員會和韓城市、河津市水務(wù)局要求各種施工物件不得落入黃河內(nèi)，嚴(yán)禁向黃河內(nèi)棄渣，必須避免或減少對周邊環(huán)境可能造成的影響。

8)伏秋大汛期大洪水特征：①黃河卡口過水?dāng)嗝鎸挾燃s85m，洪水迅猛，流量突增、水位突漲、水流急、變化大，沖刷變化大且快；②上游來的漂浮物多，里面有長樹木(長度4～6m，直徑0.2～0.5m)和粗樹根(長度0.5～1m，直徑0.4～0.5m)等；③洪水時期黃河水泥沙含量較常水位要大得多，密度相應(yīng)大得多，導(dǎo)致水沖擊力大；④施工平臺及棧橋管樁多、鉆孔樁鋼護(hù)筒直徑大，阻水面積大，受洪水沖擊后相互影響多。

2 施工方案比選優(yōu)化

黃河卡口處工程地質(zhì)及水文氣候等情況復(fù)雜。受水流急、河床沖刷變化大、風(fēng)速大、伏秋汛期及凌汛期等的影響，主河道水中臨時支墩基礎(chǔ)設(shè)計及施工難度大。受地形及巖石以上無或薄覆蓋層、水文等影響，陜西側(cè)及山西側(cè)主河道邊灘地位置臨時墩基礎(chǔ)施工及支架貝雷梁安裝等難度極大。

根據(jù)156m簡支鋼桁梁跨度大、噸位大及諸多不利因素，不設(shè)置或盡最大可能減少水中臨時墩數(shù)量是比選優(yōu)化施工方案的關(guān)鍵。

2.1 支架法架設(shè)方案

支架法架設(shè)需在主河道全斷面設(shè)置臨時墩、水中墩，墩的數(shù)量最多、設(shè)計施工難度最大、安全風(fēng)險最高。此方案不考慮。

2.2 半懸拼法架設(shè)方案

初步設(shè)計圖采用半懸臂拼裝的施工方法架設(shè)鋼桁梁，即在主河槽邊灘地位置施工水中臨時墩，在永久墩和臨時墩間各搭設(shè)長度≥42.6m的支架；先分別在兩邊的支架上各拼裝3個節(jié)間，再在上弦桿上安裝拼梁全回轉(zhuǎn)吊機(jī)，對稱懸拼剩余跨中5個節(jié)間桿件，直到跨中合龍；拆除支架和臨時墩；施工橋面系。

此法需2臺全回轉(zhuǎn)吊機(jī)、2臺門式起重機(jī)，桿件需浮運設(shè)備等，共需搭設(shè)6組水中臨時支墩。其中，前端支墩反力估計可達(dá)6 200kN。且鋼桁梁安裝過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力最大，安裝過程中平面及高程控制要求非常嚴(yán)格，否則影響鋼桁架合攏。

半懸拼法技術(shù)復(fù)雜、工序較多，預(yù)拱度不易保證，需對桿件應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)控。投入的設(shè)備最多，拼裝時間增加了全回轉(zhuǎn)吊機(jī)及試吊、安檢時間。拼裝弦桿及腹桿均需設(shè)置吊籃，安全風(fēng)險增大。施工過程中需對桿件進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)控，線形控制復(fù)雜，施工成本高。

2.3 不設(shè)置水中臨時墩的全懸臂拖拉架設(shè)

水中不設(shè)置臨時支墩，采用八七型軍用梁作為導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)，導(dǎo)梁長度約為100m，全懸臂拖拉施工。拖拉過程中，導(dǎo)梁弦桿軸力達(dá)到近7 000kN，超過八七型軍用梁弦桿X1的容許承載力(6 500kN)。部分斜桿軸力達(dá)到3 000kN，超出F1桿件最大容許承載力(2 080kN)。導(dǎo)梁受力無法滿足要求。上滑道支點反力最大值為15 600kN，反力過大，造成臨時支墩、滑道局部受力過大，導(dǎo)梁斜桿處節(jié)點無法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計，會造成滑道局部破壞。單支點反力過大還會造成臨時下滑道撓度偏大，增大拖拉過程中拖拉力。最大懸臂撓度理論計算值為1.1m，考慮導(dǎo)梁銷孔變形，最大懸臂工況下，前端點撓度估算在1.5m以上，增大導(dǎo)梁前端點的墩上設(shè)計困難及施工風(fēng)險。由于懸臂過大，主梁后面需壓重，無形中增加了結(jié)構(gòu)自重，也相應(yīng)增加了拖拉所需的拖拉力，對結(jié)構(gòu)設(shè)計不利。

2.4 利用斜拉索不設(shè)水中墩全懸臂拖拉架設(shè)

在4號墩頂設(shè)置斜拉塔柱，根據(jù)拖拉施工過程中導(dǎo)梁與主梁受力情況，調(diào)整斜拉索錨點位置，并調(diào)整斜拉索索力，輔助拖拉施工。計算時導(dǎo)梁按4t/m的總重考慮，4號墩位置的斜拉塔從地面以上按70m考慮，計算時按10個控制步驟，分22個工況進(jìn)行了模擬計算。計算結(jié)果顯示，采用100m長八七型軍用梁作為導(dǎo)梁，部分斜桿受力達(dá)到3 000kN以上，大于斜桿2 080kN的容許承載力。上、下弦桿和豎桿的受力可基本控制在容許承載力范圍內(nèi)。導(dǎo)梁與主梁過渡段區(qū)域受力較大，軸向受力達(dá)到5 500kN， 由于導(dǎo)梁與主梁在豎直方向軸心有約350mm的偏差，水平方向同樣存在截面形式的變化，增大了過渡區(qū)域構(gòu)件的設(shè)計難度。鋼桁梁在拖拉前移過程中，斜拉索也隨之在移動，同時又要保證拉索的張拉力不變，體系受力隨著邊界條件的變化不斷改變，需根據(jù)鋼桁梁和導(dǎo)梁各桿件受力情況，調(diào)整斜拉索錨固點和索力，增加了施工難度，并對索力控制精度提出了較高要求。施工過程中，導(dǎo)梁懸臂跨度較大，尾部鋼梁的一次拼裝長度較大，增加了后部臨時支架的外荷載。

2.5 設(shè)置水中臨時墩的半懸臂拖拉架設(shè)

水中設(shè)置臨時支墩，減小拖拉最大跨度。導(dǎo)梁長度約為64m，在臨時支架上拼裝后，由大里程側(cè)向小里程側(cè)方向拖拉。導(dǎo)梁在拖拉整個過程中，弦桿軸力絕對值最大為1 625kN， 豎桿軸力絕對值最大為1 679kN，斜桿軸力絕對值最大為1 781kN，導(dǎo)梁受力滿足要求。大里程側(cè)最大支點反力為6 500kN， 水中臨時支墩上最大反力為9 700kN，小里程側(cè)最大支點反力為6 000kN。最大懸臂撓度理論計算值為20cm，相對較小。經(jīng)技術(shù)、安全和經(jīng)濟(jì)綜合比選，選擇施工難度相對較小的施工工藝，質(zhì)量易保證，施工過程更易得到控制。

2.6 施工方案確定

綜合分析橋位處諸多復(fù)雜條件，經(jīng)施工設(shè)計驗算，需采用64m長鋼導(dǎo)梁，并在黃河主河道中設(shè)臨時支墩來減少導(dǎo)梁懸臂長度。鋼桁梁采用大噸位履帶式起重機(jī)起落吊裝桿件，在拼裝架設(shè)臨時支架上縱向分段逐節(jié)間拼裝，由大里程側(cè)5號墩向小里程側(cè)4號墩方向通過多次多點拖拉，實現(xiàn)縱移220m，由下游向上游方向再多次單點頂推橫移13m，經(jīng)高位落梁后，完成鋼桁梁架設(shè)。

3 高墩偏心彎矩控制技術(shù)

3.1 鋼-混凝土組合體系墩頂托梁應(yīng)用

主橋鐵路墩頂墊石位置處順橋向設(shè)置3道墩頂托梁，墩頂托梁采用鋼-混凝土組合體系，下層為混凝土托梁，上層為鋼滑道梁，托梁長度均為16m，包含墩帽寬7.6m，梁端懸臂長4.2m。中托梁高3.045m，寬4.5m；邊托梁高3.211m，寬3.4m；托梁懸臂端下緣均設(shè)置0.15m×0.15m倒角，如圖3所示。

圖3 鋼-混凝土組合體系墩頂托梁布置

鋼結(jié)構(gòu)滑道梁采用箱形截面，由頂板、底板、腹板、縱向加勁肋、中橫隔板、外側(cè)橫肋組成。依據(jù)支座類型，共有4種滑道梁。近運城側(cè)設(shè)置了水平千斤頂?shù)腻^固反力基座。鋼滑道梁與混凝土托梁間灌注高強(qiáng)度支座砂漿，上、下組合為一個整體進(jìn)行受力，解決了托梁懸臂端受力較大易造成混凝土托梁根部開裂問題，減少在頂推過程中豎向支反力產(chǎn)生的偏心彎矩的影響。

3.2 彈性抄墊在鋼桁梁頂推中的應(yīng)用

通過牽引滑塊帶動鋼桁梁完成頂推作業(yè)，為防止頂推過程中存在滑塊脫空現(xiàn)象，采用一種新型定制的高阻尼橡膠支座作為彈性抄墊來解決這一問題。頂推施工過程中保證支點不脫空，因橋墩支點整體高度誤差導(dǎo)致的支反力偏差不大于其正常情況下理論值的5%(要求縱向整體高度偏差在2cm以內(nèi))；因橫向3支點高度誤差導(dǎo)致的支反力偏差不大于其正常情況下理論值的10%，落梁時以千斤頂反力控制，滑塊去主動支承鋼梁，為方便施工，需在滑塊上設(shè)置彈性抄墊，采用定制的新型高阻尼橡膠支座，如圖4所示，該支座有一定彈性，同時又滿足剛度要求，在鋼桁梁頂推安裝落梁時起支承及緩沖作用。采用的高阻尼橡膠支座外形尺寸為長1 200mm、 寬400mm、高47mm，在每個滑塊上面橫橋向布置2個。其構(gòu)造為：內(nèi)部橡膠厚度31mm，加勁鋼板厚度5mm×2層，上、下外層橡膠厚度3mm×2層。

圖4 彈性抄墊結(jié)構(gòu)

3.3 雙滑塊在鋼桁梁頂推中的應(yīng)用

根據(jù)監(jiān)控計算，各墩偏心力較大，為確保墩頂托梁及墩身安全，墩頂?shù)幕郎戏謩e布置2個滑塊，每個滑塊上布置2個高阻尼橡膠支座，以防止頂推過程中出現(xiàn)滑塊脫空現(xiàn)象，前滑塊在大里程側(cè)距離墩身中心4.7m，后滑塊在小里程側(cè)距離墩身中心6m。每個滑道梁前、后端各布置2臺豎向千斤頂，距離墩身中心7.3m處，中部在大里程側(cè)距離墩身中心線3.4m處設(shè)置中部豎向千斤頂起頂點。每片鋼桁梁合計均設(shè)置6臺，其中中桁梁800t、邊桁梁650t。

在起頂梁體倒換滑塊時要確保豎向千斤頂布置在設(shè)計指定位置。豎向千斤頂上方抄墊塊橫向長700mm、縱向長800mm。

此時頂推墩頂布置如圖5所示。為盡量減少在頂推過程中豎向支反力產(chǎn)生的偏心彎矩影響，將設(shè)計為3個豎向頂點，頂推施工步驟如下。

圖5 墩頂布置示意

1)前、后豎向千斤頂分別位于墩頂中心線7.3m的滑道梁上。前滑塊距離墩身中心線4.7m，后滑塊距離墩身中心線6m，雙滑塊受力。豎向頂懸空，鋼絞線分別穿過前、后端滑塊并用錨具固定。頂推時，鋼絞線拉動前、后滑塊移動。

2)頂推鋼梁1.3m后，豎向千斤頂前移1.3m。鋼絞線卸載，水平千斤頂松前、后錨。前、后豎向千斤頂加塞抄墊塊，做好頂升準(zhǔn)備。此時狀態(tài)為：前、后豎向千斤頂距墩身中心線7.3m。前滑塊距離墩身中心線6m，后滑塊距離墩身中心線4.7m，雙滑塊受力。

3)豎向千斤頂上方進(jìn)行抄墊，做好頂升準(zhǔn)備。頂升鋼桁梁，前、后滑塊脫空，拆除前滑塊上層彈性抄墊；豎向千斤頂落梁，后滑塊受力。此時狀態(tài)為：后豎向千斤頂距墩身中心線6m。前滑塊脫空，后滑塊距離墩身中心線4.7m。

4)頂推鋼梁9.4m，同時將后豎向千斤頂向后移1.3m。此時狀態(tài)為：后豎向千斤頂距墩身中心線7.3m。前滑塊距離墩身中心線6m，后滑塊距離墩身中心線4.7m，后滑塊受力。

5)增加中部豎向千斤頂，中、后豎向千斤頂做好頂升鋼桁梁準(zhǔn)備；此時狀態(tài)為：前、后豎向千斤頂距墩身中心線7.3m，中部豎向千斤頂距墩身中心線3.4m。前滑塊距離墩身中心線6m，后滑塊距離墩身中心線4.7m。

6)頂升鋼桁梁后，確定前、后滑塊上方彈性抄墊高度一致，進(jìn)行中部豎向千斤頂卸載操作(此時注意控制好后豎向千斤頂?shù)膲毫χ底兓秶?，一旦后豎向千斤頂壓力上升超過原支撐力的10%，則對后豎向千斤頂適當(dāng)卸載，保持后豎向千斤頂壓力增大值<10%)；將中部豎向千斤頂轉(zhuǎn)移至兩側(cè)滑箱上；后滑塊后移10.7m，后移過程中重新安裝中部豎向千斤頂。此時狀態(tài)為：前、后滑塊距離墩身中心線6m。前滑塊及后豎向千斤頂同時受力。

7)中部豎向千斤頂進(jìn)行適當(dāng)抄墊。中部豎向千斤頂起頂鋼桁梁(注意控制后豎向千斤頂壓力變化，一旦發(fā)現(xiàn)后豎向千斤頂壓力降低值>10%，適當(dāng)加壓，直至將后滑塊抄墊至與前滑塊一致)；前滑塊后移1.3m；中部及后部豎向千斤頂卸載，前、后滑塊同時受力。

3.4 實施效果動態(tài)監(jiān)控分析

3.4.1測點布置

在橋墩臨時托架布置應(yīng)力傳感器，具體布置如圖6所示，每個托架布置2個應(yīng)力監(jiān)測截面，每個監(jiān)測截面布置3個應(yīng)力監(jiān)測點。

圖6 托梁應(yīng)力測點布置(單位：cm)

3.4.2測量方法

對于應(yīng)力測試，通過采用無線采集箱進(jìn)行無線采集，且在采集過程中是對頂推全過程進(jìn)行采集?，F(xiàn)場根據(jù)鋼梁作用在滑塊上、滑塊前移至墩中心、滑塊前移至托架幾個工況確定時間，然后根據(jù)時間對應(yīng)的工況提取全過程中的應(yīng)力數(shù)據(jù)。

3.4.3部分測量結(jié)果

在頂推過程中，墩身區(qū)域主要為受壓狀態(tài)，部分區(qū)段拉應(yīng)力為0.3MPa。

4 結(jié)語

以黃(陵)韓(城)侯(馬)鐵路芝陽—禹門口段增建二線新黃河特大橋作為工程背景，針對項目主橋高墩特點，研究采用了新穎的墩頂托梁輔助支撐方式，在頂推過程中作為支承主桁節(jié)點用，墩頂托梁采用鋼-混凝土組合體系，下層為混凝土托梁，上層為鋼滑道梁，鋼滑道梁與混凝土托梁結(jié)合為整體，在頂推支承過程中共同受力，有效發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)受拉、混凝土受壓的材料特點，提高了安全性，同時降低造價。鋼梁頂推施工使用了一種新型定制的高阻尼橡膠支座作為彈性抄墊，避免由于滑塊脫空使某一主桁應(yīng)力過大對鋼桁梁線形造成影響。同時，現(xiàn)場采用雙滑塊施工，達(dá)到頂推過程中降低滑塊支點反力的目的；墩身施工階段通過墩頂后期支座維修養(yǎng)護(hù)平臺的合理設(shè)計及加大滑道梁型鋼截面，增大墩帽上部支承位置的剛度，減小高墩的偏心彎矩。