跨河鐵路系桿拱橋梁施工技術(shù)研究

王俊

（中鐵十一局集團(tuán)第三工程有限公司，湖北 十堰 442000）

1 引言

自改革開放以來，國內(nèi)交通運(yùn)輸行業(yè)也得到了迅速的發(fā)展，其中包括公路、鐵路等領(lǐng)域，跨河鐵路橋梁工程建設(shè)也得到了較好的發(fā)展，大部分一、 二線城市都興建了跨河鐵路橋梁。系桿拱橋作為一種特殊的拱橋，集梁結(jié)構(gòu)、拱結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)于一體，將拱與梁組合在一起，共同承受橋梁荷載，相比較普通橋梁，其受力能力、抗變形以及抗沉降能力更強(qiáng)，符合跨河鐵路橋梁建設(shè)需求，因此，系桿拱橋已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于跨河鐵路橋梁建設(shè)工程中。由于國內(nèi)跨河鐵路系桿拱橋梁建設(shè)經(jīng)驗(yàn)比較少，相關(guān)研究起步也比較晚，技術(shù)與理論還不夠成熟與完善，雖然近幾年跨河鐵路系桿拱橋梁施工受到研究領(lǐng)域的重視與關(guān)注，相關(guān)學(xué)者與專家開展了一系列研究，提出了一些施工技術(shù)，但是目前尚處于初步探索階段，技術(shù)水平相比較國外還存在較大的差距。并且現(xiàn)行技術(shù)在實(shí)際工程中效果不佳，梁拱結(jié)合部應(yīng)力比較高，橋梁整體受力不合理，在運(yùn)營期間經(jīng)常出現(xiàn)裂縫，現(xiàn)行技術(shù)存在較大的優(yōu)化空間，為此提出跨河鐵路系桿拱橋梁施工技術(shù)研究。

2 跨河鐵路系桿拱橋梁施工方案設(shè)計(jì)

整個(gè)施工按照先梁后拱的順序，由墩頂現(xiàn)澆、 連續(xù)梁合龍、體系轉(zhuǎn)換以及拱結(jié)構(gòu)吊裝4 部分組成，河流外圍兩側(cè)的邊跨采用掛籃懸臂澆筑法施工，河流上方的中跨合龍后進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換，采用吊裝的方式將柔性鋼管拱結(jié)構(gòu)吊裝在剛性梁上，以下從這4 個(gè)方面出發(fā)對(duì)具體施工技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)說明。

2.1 墩頂現(xiàn)澆

梁結(jié)構(gòu)的主要支撐結(jié)構(gòu)為橋墩，采用混凝土澆筑技術(shù)開展跨河鐵路系桿拱橋梁墩施工。考慮到橋墩不僅要承受垂直方向的梁體結(jié)構(gòu)向下施加的重力，還要承受底部水平方向河流的沖擊力，因此，為了提高橋墩結(jié)構(gòu)的抗不平衡彎矩，在墩頂澆筑施工前，在橋梁主墩，尤其是中跨區(qū)域橋墩兩側(cè)設(shè)置2 根鋼管混凝土支架，作為橋梁墩頂施工的臨時(shí)支撐[1]。架設(shè)完臨時(shí)支撐后，將混凝土分2 次澆筑墩頂，混凝土采用大流動(dòng)度高性能混凝土，考慮到該橋梁為跨河鐵路橋梁，河水會(huì)對(duì)混凝土造成侵蝕，如果澆筑的橋墩出現(xiàn)裂縫，在降雨量較大的季節(jié)，河水會(huì)沿著縫隙滲透到結(jié)構(gòu)內(nèi)部，使橋墩內(nèi)部的鋼筋發(fā)生銹蝕，從而影響整個(gè)橋梁的穩(wěn)定性和安全性。因此，在配制混凝土?xí)r，需要加入KHVAS-A4F4 抗裂劑，增強(qiáng)墩頂混凝土的抗裂性能[2]。在澆筑前利用型鋼架固定橋梁拱腳，并且利用臨時(shí)桁架將墩頂兩側(cè)拱肋連接，避免在墩頂混凝土澆筑過程中橋梁拱腳鋼管發(fā)生位移[3]。第一次混凝土澆筑到梁部，待混凝土達(dá)到初凝時(shí)間后，再開展第二次澆筑，澆筑后對(duì)混凝土進(jìn)行為期5～7 d 的養(yǎng)護(hù)。

2.2 連續(xù)梁合龍

待橋墩混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，開展連續(xù)梁合龍施工，合龍順序?yàn)橄冗吙缭僦锌纾ㄟ^預(yù)偏補(bǔ)償懸臂端變形實(shí)現(xiàn)主橋中跨合龍[4]。對(duì)橋梁支座向跨中方向預(yù)偏進(jìn)行補(bǔ)償，預(yù)偏距離為20～30 mm，令吊機(jī)在中跨橋面上，開展機(jī)械合龍施工，具體如圖1 所示。

如圖1 所示，采用下降邊支點(diǎn)+河兩側(cè)鋼桁梁整體縱移的方式進(jìn)行合龍施工，通過對(duì)橋梁合龍前敏感性分析確定降邊支點(diǎn)，并利用“七”字形反力裝置對(duì)合龍口高程進(jìn)行調(diào)整[5]。通過內(nèi)外八字形的對(duì)拉對(duì)中跨合龍軸線進(jìn)行調(diào)整，以此實(shí)現(xiàn)在無應(yīng)力情況下零誤差合龍，通過合龍將跨河鐵路系桿拱橋梁受力體系由懸臂梁受力體系轉(zhuǎn)換為連續(xù)梁受力體系。

2.3 體系轉(zhuǎn)換

連續(xù)梁合龍施工完成后，在梁結(jié)構(gòu)兩端各安裝5～8 臺(tái)50 t螺旋千斤頂，利用千斤頂對(duì)梁左右兩側(cè)支座進(jìn)行反力調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)梁結(jié)構(gòu)的可控上升。在該過程中，要利用壓力傳感器對(duì)邊支座受力情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，要確保邊支座的壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值[6]。安裝好邊支座后，快速解除跨河鐵路系桿拱橋梁臨時(shí)墩約束，通過直徑為15～25 cm 的鉆機(jī)在臨時(shí)墩同時(shí)鉆孔，鉆孔間距在200～250 cm，以此解除橋梁臨時(shí)墩的約束，使水能夠順利從鉆孔流通，降低水的阻力。最后將螺旋千斤頂取出，以此完成體系轉(zhuǎn)換。

2.4 拱結(jié)構(gòu)吊裝

考慮到橋梁跨河，且跨度比較大，對(duì)拱的受力性能要求比較高，采用圓管鋼管拱，鋼管直徑在30～50 cm，由于圓管鋼管拱各個(gè)部位的弧度大小不一，且相貫線眾多，對(duì)下料精度、焊縫質(zhì)量和加工精度都有很高的要求，尤其是對(duì)吊索上部錨盒的焊點(diǎn)有很大的偏差，會(huì)導(dǎo)致吊索難以順利完成。因此，利用CNC 數(shù)控切割機(jī)下料，對(duì)圓管鋼管拱的縱縫進(jìn)行自動(dòng)埋弧焊接，對(duì)圓管鋼管拱的橫縫進(jìn)行坡口焊接。在對(duì)鋼管拱制作前，要對(duì)已經(jīng)施工完的梁部拱腳進(jìn)行準(zhǔn)確的測量，并將其納入第一節(jié)拱肋和吊桿錨箱的制作圖紙中[7]。對(duì)拱節(jié)外部進(jìn)行噴砂除銹處理，使底漆、中間漆和面漆都能達(dá)到Sa2.5 級(jí)。

采用現(xiàn)場組裝方案，2 臺(tái)50 t 的汽車起重機(jī)上橋面進(jìn)行吊裝施工，使鋼管拱的吊裝得以安全、成功地進(jìn)行。在鋼管拱的節(jié)段之間，利用外部凸緣的臨時(shí)性連接，在橫向支撐上，將與拱架有相貫線的部位進(jìn)行焊接，然后將加強(qiáng)的鋼筋在內(nèi)壁上進(jìn)行焊接，從而克服吊運(yùn)和相貫線的焊接難題，提高了鋼管拱的施工效率。所有拱結(jié)構(gòu)吊裝完成后，對(duì)安裝質(zhì)量進(jìn)行抽檢，質(zhì)檢合格后再進(jìn)行下一段拱結(jié)構(gòu)吊裝，直至所有拱結(jié)構(gòu)安裝完畢，以此完成跨河鐵路系桿拱橋梁施工。

3 實(shí)例分析

3.1 工程概況

以某跨河鐵路系桿拱橋梁工程為工程背景，橋梁跨越寬度為25.14 m 河道，跨度為50 m+112 m+50 m，河流最高水位為11.25 m。主橋?yàn)?23.15 m 下承式鋼箱系桿拱橋，橋梁寬度為32.14 m，連續(xù)梁頂距離地面約14.25 m。軸線長度1.5 m 范圍內(nèi)的拱腳高度為3 465.52 mm，水平投影長度為4.5 m 范圍內(nèi)拱腳高度為2 563.84 mm，箱梁拱肋寬度為2 215.26 mm，拱肋底部腹板厚度為25.42 mm，橋梁整體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，體系為鋼混組合格構(gòu)梁體系，采用外束方式設(shè)計(jì)橋梁系桿，每側(cè)均設(shè)有15 束2641-236 全防腐型可調(diào)可換鋼絞線系桿，單根系桿張拉力設(shè)計(jì)為3541.6 kN（354.16 t）。由于橋梁跨河，跨度比較大，施工難度比較高，并且施工場地比較狹窄，周圍建筑比較多，對(duì)橋梁施工質(zhì)量與安全要求比較高。

3.2 施工結(jié)果與討論

結(jié)合該工程實(shí)際情況以及需求，按照上述流程開展施工，考慮到跨河鐵路系桿拱橋梁結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，如果施工不合理，以及施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，橋梁在后期運(yùn)營階段很容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。因此，在完成施工后，為了檢驗(yàn)橋梁施工技術(shù)的合理性與有效性，對(duì)橋梁進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)。由于跨河鐵路系桿拱橋梁拱結(jié)合部承受最大的軸力與彎矩，測試過程分為預(yù)載、超載工況兩個(gè)階段，利用4 200 kN 千斤頂對(duì)橋梁拱結(jié)合部位進(jìn)行記載，在橋梁拱結(jié)合部位設(shè)定7 個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)處安裝測力傳感器。準(zhǔn)備工作做好之后，對(duì)橋梁進(jìn)行兩次預(yù)加載，每次預(yù)加載向橋梁施加1 500 kN 荷載，每次卸載1 500 kN，使橋梁拱結(jié)構(gòu)達(dá)到最大軸力工況。

在以上加載基礎(chǔ)上，對(duì)荷載放大1.15 倍，進(jìn)行超載測試。在整個(gè)測試階段記錄測力傳感器數(shù)值，根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算出應(yīng)力值，其計(jì)算公式為：

式中，ρ為橋梁應(yīng)力值，MPa；P 為載荷，kN；A 為測試部位變形量，m2。

利用式（1）計(jì)算出每個(gè)測點(diǎn)應(yīng)力值，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 橋梁拱結(jié)合部應(yīng)力測量結(jié)果

CJJ 2—2008《城市橋梁工程施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》要求，橋梁最大應(yīng)力值不能超過設(shè)計(jì)強(qiáng)度，否則將視為質(zhì)量不合格。從表1 數(shù)據(jù)可以看出，橋梁拱結(jié)合部位最大應(yīng)力為154.25 MPa，小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度，符合規(guī)范要求，說明本次采取的施工技術(shù)可以有效保證施工質(zhì)量，具有良好的適用性。

4 結(jié)語

系桿拱橋梁作為大跨度橋梁型式之一，其施工精度直接影響橋梁整體的受力狀態(tài)。本文根據(jù)跨河鐵路系桿拱橋梁施工需求，結(jié)合現(xiàn)行施工技術(shù)與工藝存在的缺陷，提出了一個(gè)新的技術(shù)方案，有效降低了橋梁應(yīng)力，提高了橋梁施工質(zhì)量，能夠有效保證跨河鐵路系桿拱橋梁施工精度與質(zhì)量，促使橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)符合設(shè)計(jì)需求，為跨河鐵路系桿拱橋梁施工提供了參考依據(jù)。