跨墩龍門在跨河橋鋼梁安裝施工中的應(yīng)用

□文 /吳立波

隨著北京通州區(qū)被定位為北京市行政副中心，通州核心水系北運(yùn)河上跨河景觀橋建設(shè)如火如荼，尤其采用鋼結(jié)構(gòu)作為橋梁主跨上部結(jié)構(gòu)的構(gòu)造形式與日俱增，因此鋼構(gòu)件的安裝也就成了橋梁施工的重要環(huán)節(jié)。縱觀類似跨河橋梁，跨越干涸的河道一般在河道修筑施工路采用吊車進(jìn)行吊裝作業(yè)；跨越常年有水的河道一般在河道搭設(shè)臨時(shí)棧橋（支架），采用拖拉法、頂推法或平移法（對(duì)于等截面的鋼梁構(gòu)件）進(jìn)行安裝作業(yè)；而北京通州北關(guān)大道跨北運(yùn)河大橋的橋跨結(jié)構(gòu)為異形空間雙曲面鋼拱橋，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式和特殊的地理環(huán)境，異形鋼拱橋構(gòu)件的安裝按照上述方法均無法實(shí)施，故因地制宜，因勢(shì)利導(dǎo)創(chuàng)造性地采用了跨墩龍門進(jìn)行吊裝施工。

1 工程概況

北關(guān)大道跨北運(yùn)河橋梁位于通州運(yùn)河核心區(qū)規(guī)劃北關(guān)大道跨北運(yùn)河處，為“千荷瀉露”的梁拱組合橋。橋梁全長(zhǎng)360 m，總面積17 266 m2；其中跨越主河槽的主橋長(zhǎng)210 m，為30 m+40 m+70 m+40 m+30 m上承式鋼結(jié)構(gòu)連拱橋。橋梁橫斷面形式復(fù)雜：主橋?qū)?2.6～68 m；人行道寬度及流水平臺(tái)沿著橋梁縱向不斷變化；1#和4#墩處橋梁全寬為53.4 m；2#和3#墩處橋梁寬度全橋大，為68m。在步道及流水平臺(tái)變寬的過程中，各層步道高程逐漸分開，形成三層不同高度的步道。見圖1-圖3。

圖2 主橋三維平面

圖3 橋梁橫斷面

2 主橋鋼構(gòu)件吊裝方法的選擇

主橋鋼結(jié)構(gòu)為拱梁組合，橫斷面非等截面且橋梁跨越北運(yùn)河主河道，因此鋼構(gòu)件在施工現(xiàn)場(chǎng)的水平及垂直運(yùn)輸成為難題。鋼構(gòu)件造型奇特，采用架橋機(jī)無法進(jìn)行安裝；非等截面構(gòu)件也無法采用頂推、拖拉、平移等方法安裝；由于環(huán)保等因素制約，河道管理部門不允許在河道填筑土圍堰作為吊裝平臺(tái)；如搭建鋼棧橋作為吊裝平臺(tái)，費(fèi)用巨大且占?jí)汉拥烂娣e過大，汛期嚴(yán)重威脅行洪安全。

經(jīng)調(diào)研論證，權(quán)衡利弊，確定鋼構(gòu)件吊裝采用跨墩龍門。主橋跨越北運(yùn)河主河道，河道水深2.2 m，先行在河道內(nèi)修筑鋼棧橋，然后在棧橋上鋪設(shè)跨墩龍門軌道基礎(chǔ)，從而滿足跨墩龍門的作業(yè)條件。在搭設(shè)龍門吊基礎(chǔ)棧橋時(shí)，采用貝雷梁在上下游預(yù)留出通航孔道。這樣可以通過跨墩龍門實(shí)現(xiàn)鋼構(gòu)件在吊裝過程中的水平及垂直運(yùn)輸?shù)?，同時(shí)又保障了河道的暢通及汛期的正常安全行洪。

3 跨墩龍門的搭設(shè)

3.1 基礎(chǔ)形式設(shè)計(jì)

橋梁施工區(qū)域河底為50 cm厚鋼筋混凝土護(hù)砌。橋梁上下游棧橋呈對(duì)稱布置，棧橋鋼管柱采用直徑530 mm、壁厚14 mm的鋼管。鋼管樁橫向每排布設(shè)4根，間距為1.4 m+2 m+2 m；縱向間距為5.5 m。鋼管樁與河底護(hù)砌通過法蘭及錨栓連接。棧橋分配梁橫向采用雙拼36b工字鋼，縱向?yàn)閱纹?1根40b工字鋼，縱向分配梁上滿鋪2 cm厚鋼板，軌道采用43軌，鋼管柱之間采用12#槽鋼進(jìn)行連接[1]。見圖4和圖5。

圖4 單側(cè)棧橋橫斷面布置

圖5 龍門吊棧橋

3.2 選型

通過分析，考慮龍門吊軌道設(shè)置距離棧橋內(nèi)側(cè)邊緣1.25 m，確定龍門吊軌道間距為49.5 m，棧橋軌道頂高程為24.35 m。龍門吊主要參數(shù)：額定起質(zhì)量35 t，大車運(yùn)行速度0～10 m/min，小車運(yùn)行速度7.26 m/min，起升速度0.93～1.17 m/min，龍門吊自質(zhì)量89 t，龍門吊工作級(jí)別A3，整機(jī)功率34 kW，大車軸距6.5 m，小車軌距2 m，起升卷揚(yáng)機(jī)型號(hào)JM5?？缍正堥T安裝2臺(tái)并通過同步器滿足協(xié)同作業(yè)的需求[2]。見圖6。

圖6 龍門吊總體結(jié)構(gòu)

采用容許應(yīng)力法，根據(jù)施工實(shí)際荷載情況對(duì)2 cm鋼橋面板、順橋向40b工字鋼、橫橋向36b工字鋼、12 m貝雷梁、530mm鋼管承載力、條形基礎(chǔ)、拱肋臨時(shí)支墩受力、鋼管棧橋整體穩(wěn)定性以及龍門立柱、橫梁、吊裝用鋼絲繩、卡環(huán)、吊耳做了復(fù)核計(jì)算，均滿足要求。

4 跨墩龍門的吊裝工藝

4.1 基本原理

將跨墩龍門基礎(chǔ)延伸搭設(shè)至橋梁西岸引路區(qū)域，在引路區(qū)域搭設(shè)運(yùn)鋼構(gòu)件車輛可抵達(dá)的吊拼裝平臺(tái)；所有鋼構(gòu)件均在此平臺(tái)通過跨墩龍門起吊并運(yùn)輸至設(shè)計(jì)安裝位置進(jìn)行組焊；根據(jù)鋼構(gòu)件的具體重量等特征靈活選擇采用單臺(tái)跨墩龍門吊裝還是采用兩臺(tái)跨墩龍門協(xié)同吊裝。鑒于拱肋為空間雙曲面扭曲的奇特造型，為提高安裝精度與工作效率，構(gòu)件吊點(diǎn)位置結(jié)合構(gòu)件安裝就位后的實(shí)際空間姿態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)。利用鋼構(gòu)件CAD實(shí)體模型，確定鋼構(gòu)件的重心位置，選擇重心鉛直線與頂面交點(diǎn)作為合力點(diǎn)的吊點(diǎn)，以保證鋼構(gòu)件起吊后空間角度與理論角度吻合。

根據(jù)拱肋為空間雙曲拱軸線的具體情況，曲面的拱肋形式大大增加了測(cè)量定位難度。測(cè)量定位方式的選擇、控制點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算和預(yù)偏值計(jì)算等至關(guān)重要。采用CAD三維建模的方式輔助測(cè)量坐標(biāo)計(jì)算，通過控制分段位置四個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)及高程進(jìn)行定位。通過運(yùn)用midas計(jì)算軟件輔助計(jì)算拱肋施工各工況下的受力狀態(tài)，確定合理的預(yù)高、預(yù)偏值，以保證拱肋最終安裝精度和成橋線形。見圖7。

圖7 拱肋定位控制

4.2 吊裝步序

鋼拱肋—拱間橫梁—立柱—橋面鋼箱—人行梯道。安裝組焊方向?yàn)橛蓶|岸5#墩位置開始依次向西岸吊裝。見圖8。

圖8 鋼結(jié)構(gòu)安裝

北關(guān)大道跨北運(yùn)河大橋主橋?yàn)槲蹇缈臻g曲面連拱橋，橫斷面上布置7根拱肋，共計(jì)35根拱肋，均為鋼結(jié)構(gòu)。拱肋均為矩形斷面，根據(jù)跨徑不同，拱肋位置不同，分為不同尺寸，不同板厚。為形成橋梁空間整體變斷面效果，將拱設(shè)置成面外彎曲空間拱，見圖9。為滿足受力要求，優(yōu)化拱保證與橫梁、立柱的連接，同時(shí)降低梁高，將豎向拱進(jìn)行橫向彎曲面形成空間拱，并非將進(jìn)行水平推倒（剛體轉(zhuǎn)動(dòng)）形成的推倒拱。拱間每10 m設(shè)置一道橫梁與各主拱肋連接，橫梁斷面為矩形,根據(jù)橫梁位置及跨徑不同，橫梁尺寸及鋼板厚度有所不同。

圖9 空間拱肋構(gòu)造

由于主橋結(jié)構(gòu)的特殊性，鋼構(gòu)件吊裝步序在細(xì)節(jié)上又明顯區(qū)別于傳統(tǒng)鋼拱橋的安裝。

鋼拱肋吊裝的具體步序是順橋向從北運(yùn)河?xùn)|岸5#墩開始向橋西岸0#墩方向進(jìn)行；橫橋向先吊裝中拱肋后依次對(duì)稱吊裝上下游兩側(cè)拱肋，待單跨拱肋吊裝完成后再吊裝鋼橫梁。單跨鋼拱肋及鋼橫梁吊裝完成后，進(jìn)行鋼橫梁上立柱的吊裝；待鋼拱肋、鋼橫梁及鋼立柱焊接完成并張拉拱腳預(yù)應(yīng)力后，進(jìn)行鋼箱梁的吊裝。每塊鋼箱梁由兩臺(tái)跨墩龍門協(xié)同吊裝，順橋向安裝方向?yàn)橛蓶|向西，橫橋向安裝順序先中間后兩邊對(duì)稱進(jìn)行吊裝并焊接成型。另根據(jù)監(jiān)控單位的指令要求，鋼拱肋的吊裝組焊速度要至少比鋼箱梁超前一跨。待鋼拱肋、橫梁、立柱、鋼箱梁均完成吊裝后，最后進(jìn)行人行梯道的安裝[3]。

4.3 跨墩龍門吊裝的優(yōu)點(diǎn)

在跨越河道橋梁施工現(xiàn)場(chǎng)的水上敷設(shè)跨墩龍門并實(shí)現(xiàn)了鋼構(gòu)件在X-Y-Z三維的運(yùn)輸及準(zhǔn)確就位，這是施工工藝質(zhì)的創(chuàng)新，實(shí)踐性地促進(jìn)了施工技術(shù)的進(jìn)步；鋼構(gòu)件在施工現(xiàn)場(chǎng)由龍門吊直接起吊卸車，節(jié)約了施工成本；跨墩龍門棧橋基礎(chǔ)兼做上下游施工便道，連通了運(yùn)河兩岸極大方便了施工，顯著提高了生產(chǎn)效率；操作方便靈活的龍門吊在拱肋的合龍段施工時(shí)發(fā)揮了巨大作用；跨墩龍門促進(jìn)衍生了重心法異性空間鋼構(gòu)件定位技術(shù)，既實(shí)現(xiàn)了技術(shù)進(jìn)步又大大提升了工作效率。

5 結(jié)語

結(jié)合北京通州北關(guān)大道跨北運(yùn)河大橋涉河施工及構(gòu)造特殊的具體情況采用跨墩龍門進(jìn)行異形鋼拱梁安裝創(chuàng)新了施工工藝，成功解決了技術(shù)難題，為今后類似橋梁施工具有一定的實(shí)踐性指導(dǎo)意義。