沁伊黃河大橋主梁施工方案研究*

閆生龍,張 波,王 健,宋松林

(1.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司,陜西 西安 710065; 2.中交第二航務(wù)工程局有限公司,湖北 武漢 430040)

0 引言

鋼混組合梁充分發(fā)揮了混凝土的抗壓性能和鋼材的抗拉性能,憑借其承載力高、抗疲勞性能好、結(jié)構(gòu)剛度大、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點,近幾年被廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域[1-2]。

本文以沁伊黃河大橋100m跨徑組合梁為研究對象,針對黃河河道中既不具備水上的運輸條件,又無陸地施工環(huán)境,大型施工設(shè)備無用武之地,橋下喂梁困難的施工條件對黃河淺灘區(qū)100m大跨徑組合梁的施工方案進(jìn)行了對比研究。參考國內(nèi)外施工經(jīng)驗[3-5],本文對頂推法施工、架橋機(jī)逐孔架設(shè)施工、大節(jié)段吊裝施工進(jìn)行了綜合分析,從而確定了適合本項目的施工方案。

1 工程概況

沁伊黃河大橋位于黃河孟津—桃花峪段,于河南省焦作市和鞏義市交界處跨越黃河,是河南省“13445”工程沁陽—伊川高速公路的控制性工程。本著工廠化、裝配化的設(shè)計理念,黃河主橋采用鋼混組合梁,灘地引橋采用預(yù)制T梁?？紤]黃河河道沖刷大、游蕩擺動性強(qiáng)的實際特點,主橋宜等跨布設(shè);結(jié)合本項目行洪、通航和周圍機(jī)場限高要求,經(jīng)綜合比選,大橋由黃河主橋、跨北大堤橋、南灘地引橋、北灘地引橋和堤外引橋5部分組成,全橋總長7 198.5m, 橋跨組成為12×40m預(yù)制T梁(堤外引橋)+(75m+125m+75m)鋼混組合梁(跨北大堤橋)+(20×40m+4×50m+20×40m)預(yù)制T梁(北灘地橋)+(85m+25×100m)組合梁(黃河主橋)+25×50m預(yù)制T梁(南灘地橋)。

2 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

黃河主橋采用標(biāo)準(zhǔn)跨徑為100m的等截面鋼混組合梁,全長2 585m,橋跨布置為(85+4×100)m+4×(4×100)m+(5×100)m。上部結(jié)構(gòu)采用開口槽型箱組合梁,主梁總高4.8m,其中鋼主梁高4.5m,通過腹板變高度實現(xiàn)橋面橫坡,跨間標(biāo)準(zhǔn)段每隔4m設(shè)置1道桁架式橫隔板,支點位置處采用實腹式橫隔板,主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖1所示。

圖1 主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位:cm)

橋面板采用C55混凝土,板厚0.28m,縱向濕接縫寬105cm、橫向濕接縫寬47cm,橋面板與鋼主梁間采用φ20×200焊釘連接,焊釘在鋼主梁翼緣頂面均勻布置。為減小支點鋼梁底板厚度,在主墩兩側(cè)各14m范圍內(nèi),通過在鋼梁底板上澆筑混凝土形成“雙結(jié)合”截面,改善鋼主梁局部受力[6-7]。

下部結(jié)構(gòu)采用薄壁空心墩,矩形截面,墩身尺寸為6.5m(橫橋向)×3.5m(縱橋向),承臺厚3.5m,下設(shè)6根直徑1.6m的鉆孔灌注樁?？紤]美觀、降低阻水等因素,橋墩采用流線型斷面,橫向設(shè)置刻槽裝飾。

3 主橋施工方案比選

本項目河道中既不具備水上運輸條件,又無陸地施工環(huán)境,大型施工設(shè)備無用武之地,橋下喂梁困難。根據(jù)國內(nèi)外施工經(jīng)驗,跨徑約為100m的鋼混組合梁,可供選擇的施工方法主要有頂推法施工、架橋機(jī)逐孔架設(shè)施工和大節(jié)段吊裝施工。國內(nèi)典型的主要工程案例如表1所示,由表可知,在有水運條件的跨江、跨海通道中,多采用帶橋面板整孔吊裝的施工工藝,如港珠澳非通航孔橋采用85m鋼混組合梁、上海長江大橋采用整孔105m鋼混組合梁等;內(nèi)陸非航運環(huán)境下,受橋址區(qū)運輸條件影響,多采用頂推法施工,如武漢二七大橋采用90m鋼混組合梁、銀川濱河黃河大橋采用80m組合梁[6-9]。

表1 國內(nèi)跨徑約100m組合梁施工案例

3.1 頂推法施工

頂推施工技術(shù)是一種使用多點頂推裝備將在固定工位上組拼或澆筑完成的梁體結(jié)構(gòu)逐節(jié)向前推移或拖拉的橋梁裝配化施工方法,頂推施工速度可達(dá)到0.6～0.8m/h。

本橋位于小浪底水利樞紐下游約40km處,受黃河小浪底庫區(qū)每年調(diào)水調(diào)沙影響較大,為了最大限度降低施工對黃河主河道的影響,本橋采用雙向無支墩頂推法施工,水中不設(shè)置臨時墩,從黃河兩岸向河心方向同步頂推。施工時,在黃河南岸和北岸最后一跨主橋處搭設(shè)拼裝支架及平臺,在支架上安裝導(dǎo)梁,通過永久墩上的步履式千斤頂同步啟動,逐段頂推施工到位。

3.2 架橋機(jī)逐孔架設(shè)

鋼梁和預(yù)制橋面板采用運梁車運至橋位處,通過專業(yè)制造的架橋機(jī)逐跨安裝鋼梁,左、右幅同時架設(shè)。一跨鋼梁、預(yù)制板架設(shè)完成后,澆筑濕接縫,待強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求后再架設(shè)下一孔。

此方案對架橋機(jī)的性能要求較高,根據(jù)調(diào)研,目前陸域非航運條件下,最大的鋼混組合梁架橋機(jī)為孟州黃河大橋采用的LG550特大型架橋機(jī)(見圖2),國內(nèi)陸域環(huán)境暫無跨徑100m、反力提升>20 000kN 的架橋機(jī)設(shè)備,需進(jìn)一步研發(fā)。

圖2 架橋機(jī)施工

3.3 大節(jié)段吊裝施工

大節(jié)段整孔吊裝多應(yīng)用于水上運輸和起吊能力較好的海域,內(nèi)陸非通航水域無法利用駁船等大型起吊設(shè)備整孔吊裝,需利用棧橋作為施工平臺,并配合拼裝平臺、臨時墩及門式起重機(jī)等臨時設(shè)施進(jìn)行施工。鋼結(jié)構(gòu)主梁節(jié)段通過棧橋運送至橋位處后,在水中搭設(shè)臨時支架,采用門式起重機(jī)進(jìn)行大節(jié)段現(xiàn)場吊裝,架設(shè)主梁。此方法經(jīng)常需配置大量臨時墩及大噸位吊裝設(shè)備,并在現(xiàn)場施工平臺上完成大量焊接工作。

3.4 施工方案比選

從結(jié)構(gòu)受力、施工措施費及工期等多方面對幾種施工方法進(jìn)行對比,如表2所示。

表2 施工方法綜合比選

由對比可知,頂推法施工方案中,水中無須設(shè)置臨時墩,措施費較少,同時水上干擾也較小,采用雙側(cè)頂推施工,施工周期短。但頂推過程中主梁受力支點不斷變化,梁體局部受力較大,需設(shè)置額外的頂推加勁構(gòu)造,保證支點局部受力。

架橋機(jī)逐孔架設(shè)方案中,水中也無須設(shè)置臨時墩,施工干擾小。但由于本橋箱梁自重大,單跨質(zhì)量約750t,目前國內(nèi)還沒有與之相適應(yīng)的架橋機(jī)產(chǎn)品,需單獨研發(fā),成本較高,同時,結(jié)構(gòu)未形成連續(xù)體系前,需承受梁上運梁車荷載,控制結(jié)構(gòu)設(shè)計,不經(jīng)濟(jì),施工周期較長。

大節(jié)段吊裝施工方案中,技術(shù)較成熟,多用于橋下交通便利的地段,且需大量臨時墩,考慮到本橋位于黃河主河槽,又無通航能力,水中臨時墩與河道干擾較大,且棧橋要加強(qiáng)設(shè)計,成本較高。

綜上所述,沁伊黃河大橋主橋推薦采用頂推法施工。

4 主橋頂推法施工

沁伊黃河大橋主橋全長2 585m,共分為6聯(lián),計劃總工期36個月(不含停工期),結(jié)合橋梁主體結(jié)構(gòu)形式和施工方案,在黃河南、北兩岸各設(shè)置1處施工場區(qū),主要用于主橋南、北側(cè)的鋼結(jié)構(gòu)加工、拼裝及橋面板預(yù)制和存放。兩岸間設(shè)置貫通主河道的鋼棧橋,總長2 703m、寬8.0m,主要供施工人員和運輸車輛使用。

4.1 鋼主梁頂推施工

主橋鋼混組合梁采用無支墩步履式頂推施工法,頂推過程中無須搭設(shè)施工臨時墩,減小了對黃河河道的干擾。施工時,在黃河南、北岸主橋橋頭分別設(shè)置拼裝平臺,雙側(cè)同步頂推。拼裝平臺設(shè)在南、北岸黃河主橋橋頭附近,在拼裝平臺附近布置門式起重機(jī),依次提升鋼梁節(jié)段上橋。施工時,主梁采用分聯(lián)頂推方案,每聯(lián)為1組設(shè)置前后導(dǎo)梁,分批頂推到位。導(dǎo)梁根部高4.8m、端部高2.0m,長70m,總重210t。

施工采用多點自平衡頂推工藝,標(biāo)準(zhǔn)步距0.35m,頂推裝置位于各永久墩(包括永久墩上安裝的支架)頂部,由水平及豎向2套千斤頂系統(tǒng)組成,分別控制前進(jìn)和升降工作。頂推設(shè)備具備豎向調(diào)節(jié)和橫向糾偏功能,可確保頂推過程中各頂推裝置同步工作。在豎向千斤頂與鋼梁間設(shè)置有支撐鋼墊梁,使集中力分布均勻。

鋼墊梁回縮時,鋼梁支撐于前、后臨時支座,臨時支座下配備千斤頂,用于主動調(diào)整支撐力,防止前、后支座反力不均勻甚至脫空。頂推過程中,單個支點最大支反力為4 824kN,為防止局部板件失穩(wěn),在千斤頂施頂范圍內(nèi)設(shè)置局部支撐加勁肋,增強(qiáng)板件局部穩(wěn)定性。頂推支撐加勁肋標(biāo)準(zhǔn)縱向間距為350mm,板厚20mm。

4.2 橋面板施工

鋼主梁頂推到位后,按中支點預(yù)抬升20cm、邊支點預(yù)抬升25cm的原則,落梁至指定高度,然后澆筑墩頂?shù)装咫p結(jié)合段,以此來提高橋面板負(fù)彎矩區(qū)的抗裂性能[10-11]。待底板混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度,采用橋面運梁小車將預(yù)制橋面板按編號運至設(shè)計位置進(jìn)行安裝,橋面板后澆部分采用“皮爾格”法施工,即先澆筑正彎矩范圍,后澆筑負(fù)彎矩范圍,以此來盡量降低負(fù)彎矩區(qū)現(xiàn)澆混凝土橋面板的拉應(yīng)力水平。

4.3 頂推計算

本橋采用無支墩頂推,頂推跨度大,隨著頂升支點位置的變化,鋼梁內(nèi)力狀態(tài)不斷變化,支撐處腹板承受巨大的局部豎向壓力和負(fù)彎矩造成的縱向壓應(yīng)力,合理設(shè)置腹板縱向及豎向加勁肋,防止腹板局部屈曲尤為關(guān)鍵。

通過建立全橋頂推模型(見圖3),對頂推過程中鋼梁及導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和支點反力進(jìn)行計算。鋼梁及導(dǎo)梁采用梁單元模擬,全橋分為63個關(guān)鍵頂推工況分別進(jìn)行計算。

圖3 有限元模型

計算時,鋼導(dǎo)梁總長70m、重210t,鋼梁、鋼導(dǎo)梁采用梁單元模擬,板件間焊縫及螺栓連接采用共結(jié)點方式模擬,頂推過程按0.35m步距分階段模擬,從而對頂推過程中鋼梁及導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和支點反力進(jìn)行驗算。通過頂推全過程仿真模擬計算可知:

1)頂推施工過程中各墩臺的反力列于表3,單個橋墩最大反力為9 216kN,出現(xiàn)在90號墩處,最小反力為5 382kN,出現(xiàn)在南岸首孔位置。

表3 頂推過程中各橋墩處支反力

2)考慮局部穩(wěn)定、剪力滯影響后,頂推過程中,鋼梁上緣最大拉應(yīng)力為197.1MPa、最大壓應(yīng)力為78.7MPa,下緣最大拉應(yīng)力為54.0MPa、最大壓應(yīng)力為157.8MPa;鋼梁頂推到位后,鋼梁上緣最大拉應(yīng)力為80.9MPa、最大壓應(yīng)力為68.7MPa,下緣最大拉應(yīng)力為49.8MPa、最大壓應(yīng)力為62.3MPa,頂推過程中鋼主梁應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

3)頂推過程中,鋼導(dǎo)梁最大應(yīng)力為196.3MPa,最大向下豎向變形為-1 768.8mm,最大向上豎向變形為-253.6mm,滿足受力要求。

4)主梁頂推過程中支點附近的局部穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖4所示。分析表明,主梁頂升時局部一階穩(wěn)定系數(shù)為9.56,主梁落梁時局部一階穩(wěn)定系數(shù)為4.78,均滿足要求。

圖4 鋼梁腹板局部典型失穩(wěn)模態(tài)

5)鋪設(shè)橋面板階段(混凝土板未結(jié)合),鋼主梁上緣最大壓應(yīng)力為162.2MPa、最大拉應(yīng)力為177.0MPa,下緣最大壓應(yīng)力為101.8MPa、最大拉應(yīng)力為129.9MPa,均小于鋼材設(shè)計允許應(yīng)力。

6)考慮不同預(yù)頂升量后,支點落梁階段鋼主梁上緣最大壓應(yīng)力為167.8MPa、最大拉應(yīng)力為171.3MPa,下緣最大壓應(yīng)力為118.4MPa、最大拉應(yīng)力為141.5MPa,均小于鋼材設(shè)計允許應(yīng)力。

5 結(jié)語

綜合考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性、施工工期及各工藝對黃河河道的影響程度等因素,沁伊黃河大橋采用頂推法施工工藝。該方法無須在黃河主河道設(shè)置臨時墩,最大限度地降低了橋梁施工對河道行洪的干擾,降低了施工風(fēng)險。主橋采用南、北岸雙向頂推,增加了工作面,大幅度提升了施工速度。頂推過程中,主梁各關(guān)鍵位置受力均滿足要求,通過設(shè)置頂推加勁肋和優(yōu)化橋面板架設(shè)順序,進(jìn)一步提高了主梁穩(wěn)定性,降低了橋面板負(fù)彎矩區(qū)的開裂風(fēng)險。沁伊黃河大橋于2022年開工建設(shè),預(yù)計2025年建成通車,大橋頂推方案的實施將為國內(nèi)大跨徑橋梁頂推施工提供一定的借鑒和參考。