模塊化組合結(jié)構(gòu)斜拉橋工業(yè)化智能建造關(guān)鍵技術(shù)*

李景豐,周偉明,邱體軍

(1.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司,安徽 合肥 230088; 2.中鐵二十四局集團(tuán)有限公司,上海 200433; 3.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088)

0 引言

斜拉橋上部結(jié)構(gòu)由梁、索、塔3類構(gòu)件組成,相比于其他橋梁結(jié)構(gòu)形式更利于采用“模塊化”理念進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工。德州—上饒高速公路合肥—樅陽段控制性工程孔城河特大橋主橋,為國內(nèi)首次采用模塊化組合結(jié)構(gòu)斜拉橋構(gòu)造,梁、塔均由模塊化單元件組裝而成,可顯著縮減施工工期,也有利于施工組織及質(zhì)量管控。

1 工程概況

孔城河特大橋位于安徽省桐城市孔城鎮(zhèn)境內(nèi),跨越的孔城河為Ⅲ級航道。主橋全長250m,跨徑組合為(85+165)m,寬30.5m,為大懸臂脊骨梁模塊化兩跨獨(dú)塔斜拉橋,效果如圖1所示。主跨采用鋼橋面板,由13節(jié)標(biāo)準(zhǔn)單元組拼而成,邊跨采用預(yù)制混凝土橋面板。索塔為八邊形構(gòu)造,總高87.9m,采用整體化鋼殼外骨架結(jié)構(gòu),由11節(jié)標(biāo)準(zhǔn)單元組合而成,構(gòu)造統(tǒng)一,實(shí)現(xiàn)無模板化施工。下部采用承臺(tái)及群樁基礎(chǔ)。

圖1 孔城河特大橋主橋效果

主梁主跨由主縱梁和兩側(cè)懸挑橫梁形成脊骨梁結(jié)構(gòu),主縱梁高4.54m、寬4.52m,橫梁長12.99m,標(biāo)準(zhǔn)橫梁為倒T形截面,底板寬0.5m,橫梁高度在橫橋向從根部到懸臂端由2.5m漸變至0.74m,橋面板為正交異性鋼板,端部橫梁為箱形截面,三維構(gòu)造如圖2a所示。

圖2 主梁主跨與邊跨三維構(gòu)造

主梁邊跨為鋼混組合梁,由主縱梁和兩側(cè)懸挑橫梁形成脊骨梁結(jié)構(gòu),主縱梁高4.54m、寬4.52m,橫梁長12.99m,標(biāo)準(zhǔn)橫梁為工字型截面,頂板、底板寬均為0.5m,橫梁高度在橫橋向從根部到懸臂端由2.175m漸變至0.415m,橋面板為鋼筋混凝土板,端部橫梁為箱形截面,三維構(gòu)造如圖2b所示。

2 結(jié)構(gòu)及創(chuàng)新

2.1 結(jié)構(gòu)形式

孔城河特大橋主橋是國內(nèi)首次采用模塊化組合結(jié)構(gòu)斜拉橋,總體三維構(gòu)造如圖3所示。主塔采用平行拉索,錨索區(qū)主塔由11節(jié)標(biāo)準(zhǔn)單元組合而成,構(gòu)造統(tǒng)一;主梁采用脊骨梁大懸臂結(jié)構(gòu),由13節(jié)標(biāo)準(zhǔn)單元節(jié)組拼而成。

圖3 模塊化組合結(jié)構(gòu)斜拉橋總體三維構(gòu)造

2.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1)模塊化大挑臂脊骨組合梁結(jié)構(gòu),較傳統(tǒng)脊骨梁橋鋼梁自重減少15%,組合梁自重減小25%以上,實(shí)現(xiàn)了組合梁斜拉橋的輕型化。

2)大挑臂脊骨結(jié)構(gòu)受力更加明確,縱梁利用效率進(jìn)一步提高,主梁的剪力滯系數(shù)控制在0.95以上,材料的利用效率提高10%以上。

3)采用同向回轉(zhuǎn)拉索體系并適配豎琴型拉索布置,構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)化鋼殼混凝土索塔模塊,充分發(fā)揮材料性能,鋼殼兼作模板主筋,鋼筋用量減少25%。

4)塔、梁均由模塊化單元件組成,有利施工組織和質(zhì)量管控;采用整體化鋼殼外骨架,鋼-混凝土組合主梁、塔柱實(shí)現(xiàn)無模板化施工。

2.3 技術(shù)創(chuàng)新

1)研發(fā)了一種全新的模塊化裝配式斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系形式,由標(biāo)準(zhǔn)化鋼主梁和大懸臂鋼托梁組成模塊化脊骨梁節(jié)段,適配模塊化鋼殼混凝土橋塔結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了橋梁標(biāo)準(zhǔn)化建造橋塔、拉索、主梁、結(jié)構(gòu)體系分類。

2)建立了基于模塊化建造斜拉橋的合理設(shè)計(jì)方法,形成了模塊化斜拉橋合理的體系參數(shù)選取范圍及關(guān)鍵構(gòu)造設(shè)計(jì)方法。

3)形成了模塊化組合結(jié)構(gòu)斜拉橋的工廠預(yù)制和現(xiàn)場施工建造技術(shù),提出了基于自平衡架設(shè)的模塊化組合結(jié)構(gòu)斜拉橋快速安裝技術(shù)。

3 建造方案

3.1 總體方案

全橋采用全機(jī)械化拼裝作業(yè),總體施工方案布置如圖4所示。

圖4 總體施工方案布置(單位:cm)

1)主梁邊跨采用墩梁式支架法原位拼裝施工,采用250t履帶式起重機(jī)和D1100-63型塔式起重機(jī)安裝鋼梁,主梁邊跨安裝就位后,分別澆筑端橫梁、主梁頂板、主梁底板的配重混凝土。

2)主梁塔梁結(jié)合段及過渡段采用墩梁式支架法原位拼裝,采用D1100-63型塔式起重機(jī)吊裝。

3)主梁主跨采用50t門式起重機(jī)在41號墩附近預(yù)拼,然后將梁段從拼裝平臺(tái)頂推到既定位置。

4)索塔上塔柱及塔柱內(nèi)部回轉(zhuǎn)鞍座采用D1100-63型塔式起重機(jī)依次吊裝成塔。

3.2 主梁劃分

根據(jù)構(gòu)造,主梁分G1～G84共計(jì)84個(gè)梁段制作,共有15個(gè)模塊種類,編號為1～15號,各模塊梁段數(shù)量最少為1個(gè),最多為26個(gè)(2號),梁段長度最短為1.35m(主跨端橫梁)、最長為3m。

主梁安裝梁段共分為鋼梁段A～G共計(jì)7個(gè),梁段信息如表1所示,各安裝梁段由1個(gè)或5個(gè)不等的模塊組拼而成,最長梁段長12m(鋼梁E段主跨1號段、鋼梁F段主跨2號段),最短梁段長1.35m(主跨端橫梁),安裝梁段數(shù)量最少為1個(gè),最多為13個(gè)(鋼梁B段邊跨6m標(biāo)準(zhǔn)段)。

表1 主梁安裝梁段信息

3.3 主梁主跨施工

1)頂推縱移軌道支架 頂推縱移軌道支架采用墩梁式結(jié)構(gòu),支架剖面如圖5所示,縱橋向長120m,孔跨布置為(3+3×12+9+3+3×12+9+3+2×12+9+11.5)m,基礎(chǔ)采用φ630×10螺旋鋼管,橫橋向設(shè)置3根,間距3.5m。鋼管立柱頂橫橋向采用雙拼I40a作為承重梁,承重梁頂部采用321型貝雷梁,貝雷梁頂部間距1.5m設(shè)置雙拼I25a軌道分配梁,然后縱橋向采用雙拼I40a作為軌道承重梁,承重梁上設(shè)置縱移系統(tǒng)。縱移系統(tǒng)包括:[28a作為滑槽+滑移設(shè)備(25t履帶式重物移運(yùn)器)+高程調(diào)節(jié)塊+頂推設(shè)備。

圖5 頂推縱移支架剖面(單位:cm)

2)預(yù)拼裝平臺(tái)支架 預(yù)拼裝平臺(tái)支架采用墩梁式結(jié)構(gòu),支架剖面如圖6所示,基礎(chǔ)采用φ630×10螺旋鋼管,橫橋向設(shè)置5根。外側(cè)鋼管立柱頂縱橋向及內(nèi)側(cè)鋼管立柱頂橫橋向采用雙拼I40a作為承重梁,承重梁頂部采用321型貝雷梁,貝雷梁頂部按0.75m間距設(shè)置I12.6a分配梁,分配梁頂設(shè)置臨時(shí)支墩及千斤頂。

圖6 預(yù)拼裝平臺(tái)剖面(單位:cm)

3)門式起重機(jī)軌道支架 根據(jù)鋼梁節(jié)段劃分及施工需求等對門式起重機(jī)進(jìn)行選型,最終選定門式起重機(jī)跨度36m,提升高度15m,額定起重量50t,門式起重機(jī)支腿一剛一柔構(gòu)造,雙天車布置,整機(jī)重75t。軌道支架采用墩梁式結(jié)構(gòu),縱橋向長48m,孔跨布置為(9+11.5+9.5+2×9)m,基礎(chǔ)采用φ630×10螺旋鋼管,橫橋向左側(cè)設(shè)置3根,間距3.3m;右側(cè)設(shè)置2根,間距為3.3m,橫橋向鋼管間采用[20a剪刀撐及平聯(lián)連成整體。門式起重機(jī)軌道及預(yù)拼裝平臺(tái)實(shí)景如圖7所示。

圖7 門式起重機(jī)軌道及預(yù)拼裝平臺(tái)實(shí)景

4)施工工藝 ①第1步 搭設(shè)頂推縱移、門式起重機(jī)軌道及預(yù)拼裝平臺(tái)支架;②第2步 主梁主跨鋼梁構(gòu)(配)件在廠家制作好后汽運(yùn)至施工現(xiàn)場,在預(yù)拼裝平臺(tái)上借助50t門式起重機(jī)組拼焊接成整體,拼裝循序?yàn)橹骺v梁→大懸臂脊骨梁→鋼橋面板,精確調(diào)整主縱梁平面位置及高程,一次預(yù)拼裝4個(gè)制作節(jié)段,拼裝成型后的節(jié)段長12m;③第3步 頂推縱移節(jié)段拼裝并驗(yàn)收合格后,在鋼軌上安裝千斤頂支撐板,在支撐板與重物移運(yùn)器間設(shè)置千斤頂,通過千斤頂連續(xù)頂升,將主梁主跨拼裝節(jié)段移運(yùn)至既定位置;④第4步 通過高層調(diào)節(jié)塊調(diào)整梁段平面位置及高程,使之與匹配梁段對接后實(shí)施焊接作業(yè),然后安裝斜拉索;⑤第5步 重復(fù)第 2～4 步,完成主梁主跨所有節(jié)段安裝。

3.4 主梁邊跨施工

3.4.1原位拼裝支架

主梁邊跨原位拼裝支架采用墩梁式結(jié)構(gòu),支架剖面如圖8所示,縱橋向長85m,孔跨布置為(11.8+4×12+6+12)m,基礎(chǔ)采用φ630×10螺旋鋼管,橫橋向設(shè)置5根,間距布置為(5.3+2×3.5+5.3)m,縱、橫橋向鋼管間采用[20a剪刀撐及平聯(lián)連成整體。外側(cè)鋼管立柱頂縱橋向及內(nèi)側(cè)鋼管立柱頂橫橋向采用雙拼I40a作為承重梁,承重梁頂部采用321型貝雷梁,貝雷梁頂按0.75m間距設(shè)置I12.6a分配梁,分配梁頂預(yù)留空間方便高程調(diào)整。

圖8 邊跨支架剖面(單位:cm)

3.4.2施工工藝

根據(jù)梁段劃分及起吊設(shè)備性能,主梁邊跨采用D1100-63型塔式起重機(jī)、100t履帶式起重機(jī)、250t履帶式起重機(jī)相結(jié)合的方式吊裝。鋼梁構(gòu)(配)件汽運(yùn)至施工現(xiàn)場后,先在臨時(shí)拼裝場地臨時(shí)組拼成吊裝節(jié)段,鋼梁吊裝節(jié)段分主縱梁和大懸臂脊骨梁,橋面板按單個(gè)預(yù)制板塊,然后開始吊裝。

鋼梁按主縱梁→遠(yuǎn)端大懸臂脊骨梁→近端大懸臂脊骨梁的順序吊裝。以主墩中心里程為圓心,36m范圍內(nèi)采用D1100-63型塔式起重機(jī)4倍率吊裝,36～54m范圍采用D1100-63型塔式起重機(jī)2倍率吊裝,剩余的采用100t履帶式起重機(jī)吊裝。

橋面板以主墩中心里程為圓心,31.5m范圍內(nèi)采用D1100-63型塔式起重機(jī)4倍率吊裝,剩余的采用250t履帶式起重機(jī)吊裝。

主梁邊跨梁段安裝就位后,澆筑主梁底板、頂板配重混凝土,安裝錨拉板及斜拉索。

3.5 索塔施工

1)設(shè)計(jì)簡介 考慮到高空翻?；蚺滥Ｊ┕?fù)雜,索塔上塔柱采用模塊化八邊形鋼包混凝土結(jié)構(gòu)形式,標(biāo)準(zhǔn)截面構(gòu)造如圖9所示,豎向共分為12節(jié),非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)2節(jié)(第1,2節(jié))、中間標(biāo)準(zhǔn)節(jié)9節(jié)、塔頂節(jié)1節(jié),中間標(biāo)準(zhǔn)節(jié)縱、橫橋向?qū)捑鶠?.5m、高5.5m,非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)第1,2節(jié)由標(biāo)準(zhǔn)節(jié)適當(dāng)調(diào)整而成,高度分別為5.5,5.2m,塔頂節(jié)高5.98m,為正八邊形結(jié)構(gòu)。

圖9 索塔標(biāo)準(zhǔn)截面構(gòu)造(單位:cm)

2)施工工藝 ①第1步 將外塔壁(分4塊)與內(nèi)塔壁整體、連接角鋼、環(huán)向加勁肋、鞍座獨(dú)立運(yùn)輸至施工現(xiàn)場專用胎架上組拼成整體,回轉(zhuǎn)鞍座同步組拼,整體吊裝;②第2步 索塔上塔柱分非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)2節(jié)(第1,2節(jié))、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)9節(jié)、塔頂節(jié)1節(jié),共計(jì)12節(jié),最重節(jié)段重60t(非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)第1節(jié))、采用6倍率D1100-63型塔式起重機(jī)依次吊裝就位;③第3步 塔段吊裝就位后,對環(huán)向加勁肋PBL鍵內(nèi)φ32 HRB400鋼筋采取機(jī)械連接精確定位形成整體,然后澆筑混凝土,混凝土強(qiáng)度達(dá)到90%后進(jìn)行下一節(jié)段安裝;④第4步 為防止吊裝過程內(nèi)外塔壁擠壓變形,塔段上、下層的縱、橫向各設(shè)置1道φ48×3鋼管支撐,鋼管支撐垂直于沿塔壁受擠壓面;⑤第5步 上塔柱回轉(zhuǎn)鞍座采用“三點(diǎn)定位九點(diǎn)校核法”進(jìn)行安裝,即以鞍座頂點(diǎn)錨體下方出口進(jìn)行定位調(diào)整,以安裝上定位點(diǎn)、下定位點(diǎn)、導(dǎo)管出口進(jìn)行校核?！叭c(diǎn)定位九點(diǎn)校核法”的安裝方法是,對鞍座頂點(diǎn)先進(jìn)行精確調(diào)整定位,然后對導(dǎo)管出口位置進(jìn)行精確調(diào)整,在調(diào)整就位后對五點(diǎn)進(jìn)行校核,直至滿足要求。

4 結(jié)語

1)模塊化鋼殼混凝土橋塔結(jié)構(gòu),每節(jié)橋塔施工時(shí)間由傳統(tǒng)的6d縮短至2.5d,效率提高50%以上。

2)邊跨脊骨模塊化組合梁施工周期較傳統(tǒng)混合梁的邊跨混凝土施工周期縮短20%以上,臨時(shí)支架措施費(fèi)降低30%以上。

3)主跨標(biāo)準(zhǔn)化脊骨模塊構(gòu)造簡潔,節(jié)段加工效率提高10%,拼裝效率提高5%,總體工期可縮短10%以上。