跨運(yùn)河鋼桁梁拖拉系統(tǒng)優(yōu)化及施工技術(shù)研究

鄧圣賢

（中鐵二十四局集團(tuán)上海鐵建工程有限公司 上海 200070）

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，交通路網(wǎng)建設(shè)日趨密集交錯(cuò)，跨河跨線(xiàn)鋼梁橋建設(shè)十分普遍，這也促使了其施工技術(shù)的不斷發(fā)展。如今拖拉施工作為鋼桁梁架設(shè)施工的主要方法之一，也在實(shí)踐中不斷地改進(jìn)優(yōu)化。結(jié)合無(wú)錫市京滬鐵路無(wú)錫北至無(wú)錫段改造工程項(xiàng)目部跨錫澄運(yùn)河80m鋼桁梁拖拉施工的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹拖拉施工的關(guān)鍵工藝處理，施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)安全的驗(yàn)算及應(yīng)對(duì)措施。

2 工程概況

錫澄運(yùn)河特大橋水中墩鋼桁梁位于江蘇省無(wú)錫市境內(nèi)，位于既有京滬線(xiàn)右側(cè)與既有京滬線(xiàn)平行，跨越既有錫澄運(yùn)河，跨錫澄運(yùn)河橋?yàn)?80 m雙線(xiàn)簡(jiǎn)支鋼桁結(jié)合梁，鋼桁梁橋中心設(shè)計(jì)里程為DK1322+854.905，對(duì)應(yīng)京滬鐵路上行線(xiàn)里程為K1322+762。

本橋?yàn)?-80 m無(wú)豎桿整體節(jié)點(diǎn)平行弦三角桁架下承式鋼桁結(jié)合梁，共8個(gè)節(jié)段，每個(gè)節(jié)間長(zhǎng)度為10m，桁高11.6 m；結(jié)構(gòu)采用兩片主桁，主桁中心距11.8 m，鋼桁梁全長(zhǎng)82 m，梁端距支座中心1 m。主桁采用栓焊結(jié)合的整體節(jié)點(diǎn)，在工廠(chǎng)內(nèi)將桿件和節(jié)點(diǎn)板加工完成，運(yùn)到工地架設(shè)時(shí)，除橋面板和下弦桿頂板采用熔透焊連接外，其余板件均在節(jié)點(diǎn)外采用高強(qiáng)度螺栓連接。

鋼桁梁靠近鐵路側(cè)外邊緣在9#墩離既有京滬鐵路線(xiàn)上行線(xiàn)中線(xiàn)距離為17.36 m；在10#墩離既有京滬鐵路上行線(xiàn)中線(xiàn)距離為17.19 m。

3 鋼桁梁架設(shè)方案選取

既有錫澄運(yùn)河航道通航緊張、繁忙，無(wú)法在航道中直接搭設(shè)支墩，故本鋼桁梁架設(shè)采用岸上拼裝，因拖拉動(dòng)力系統(tǒng)安裝在岸上，以及本方案不采用后導(dǎo)梁增設(shè)動(dòng)滑輪組，所以架設(shè)方案采用鋼桁梁前端加導(dǎo)梁懸臂拖拉和頂推的組合方式。

拖拉系統(tǒng)優(yōu)化：與以往施工方法不同，重物移運(yùn)器正放與鋼支架為一整體，鋼梁在上面滑動(dòng)，兩臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)間隔距離較近、鋼梁自身結(jié)構(gòu)以及動(dòng)力系統(tǒng)不同步等原因，導(dǎo)致在拖拉過(guò)程中鋼梁出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，難以限位糾偏。本方案根據(jù)鋼桁梁本身結(jié)構(gòu)，采用重物移運(yùn)器倒放，在鋼桁梁下弦節(jié)點(diǎn)增加連接板，將重物移運(yùn)器和鋼桁梁本身采用高強(qiáng)度螺栓連接，而且重物移運(yùn)器增加四個(gè)導(dǎo)向輪進(jìn)行限位糾偏，減少操作。

鋼桁梁橋面板及其余附屬設(shè)施施工過(guò)程中存在物品墜落的可能，影響航道的通航安全；鋼桁梁架設(shè)過(guò)程中需對(duì)航道進(jìn)行臨時(shí)封航，鋼桁梁施工對(duì)既有錫澄運(yùn)河通航影響較大。此方案充分利用了鋼桁梁自身結(jié)構(gòu)和拖拉系統(tǒng)設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，拖拉施工速度能夠控制在0.6 m/min以上，在保證安全的前提下縮短時(shí)間可以最大程度上減少封航帶來(lái)的影響。

4 鋼桁梁拖拉施工設(shè)計(jì)

4.1 支架與基礎(chǔ)施工，如圖1、圖2所示

圖1 鋼支架平面圖

圖2 鋼支架立面圖

本工程鋼支架分為陸地鋼支架和水中鋼支架，鋼管采用Φ609×12mm的螺旋鋼管，為增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，需在鋼管之間設(shè)剪刀撐，剪刀撐規(guī)格為[16#槽鋼，橫梁、縱梁均采用I45c工字鋼，橫向、縱向都采用平坡。陸地鋼支架基礎(chǔ)采用12 m深的Φ800 mm鉆孔樁，鉆孔樁頂面為3 m×1.5 m的系梁，鋼支架采用50 t履帶吊配合人工進(jìn)行安裝。水中鋼支架采用150 t履帶吊和DZ60振動(dòng)錘配合人工進(jìn)行安裝，經(jīng)計(jì)算鋼管樁入土深度至少16 m，施工時(shí)分段下沉。

4.2 鋼桁梁拖拉動(dòng)力系統(tǒng)

4.2.1 重物移運(yùn)器布置，如圖3所示

圖3 重物移運(yùn)器設(shè)計(jì)

鋼桁梁在拼裝鋼支架上安裝完成，分別在E0、E1、E2、E3、E4、E3’、E2’、E1’、E0’以及導(dǎo)梁 5個(gè)節(jié)點(diǎn)雙側(cè)安裝 400 t重物移運(yùn)器裝置，共計(jì)28個(gè)重物移運(yùn)器，鋼桁梁下弦有預(yù)拱度，通過(guò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的重物移運(yùn)器上的鋼墊箱高低來(lái)調(diào)整，重物移運(yùn)器倒放在滑道上，上方設(shè)置鋼墊箱通過(guò)高栓與鋼桁梁連接為整體，重物移運(yùn)器四周設(shè)置導(dǎo)向輪來(lái)進(jìn)行限位糾偏，隨著拖拉依次將動(dòng)滑輪組安裝在鋼桁梁E0、E2、E2’、E0’節(jié)點(diǎn)橫梁位置，動(dòng)滑輪組與鋼桁梁采用高栓連接，在10’#墩頂安裝定滑輪組，在地面設(shè)置兩臺(tái)80 kN卷?yè)P(yáng)機(jī)和導(dǎo)向輪，安裝好完整的拖拉體系。

4.2.2 滑輪組設(shè)置，如圖4所示

圖4 動(dòng)滑輪組

本次拖拉工程采用滑輪組型號(hào)為80 t級(jí)6門(mén)滑輪組，每套卷?yè)P(yáng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)由10根鋼絲繩并聯(lián)，鋼桁梁橫梁共設(shè)置4處安裝動(dòng)滑輪組，動(dòng)滑輪安裝在鋼桁梁大節(jié)點(diǎn)橫梁上，分別設(shè)置在E0、E2、E2’、E0’四處節(jié)點(diǎn)，用8套10.9級(jí)M24高強(qiáng)度螺栓將動(dòng)滑輪組固定在橫梁上，兩套拖拉系統(tǒng)間隔8.74 m,對(duì)稱(chēng)布置在本鋼桁梁最大間隔距離處，更有利于拖拉的同步性。

動(dòng)滑輪組通過(guò)高強(qiáng)螺栓固定在鋼桁梁節(jié)點(diǎn)橫梁上，固定螺栓主要承受剪力，8套10.9級(jí)M24高強(qiáng)度螺栓的屈服強(qiáng)度為940 MPa,抗剪強(qiáng)度為310 MPa，總的抗剪力為：

式中，n——M24螺栓數(shù)量；

fbv——10.9級(jí)M24高強(qiáng)度螺栓的抗剪強(qiáng)度；

Ae——M24螺栓有效截面面積；

ψ——螺栓受力非均勻系數(shù)，取0.9。

N=8×310×3.14×20.752^2/4×0.9=754 416 N≈754 kN

固定動(dòng)滑輪組采用8套10.9級(jí)M24螺栓滿(mǎn)足要求，兩組動(dòng)滑輪抗剪力為1 508 kN大于最大啟動(dòng)靜摩擦力864 kN（見(jiàn)4.2.4拖拉力計(jì)算）。

4.2.3 卷?yè)P(yáng)機(jī)施力同步控制

拖拉系統(tǒng)采用兩套80 kN卷?yè)P(yáng)機(jī)和動(dòng)、定滑輪組組成，為使實(shí)際拖拉施工中兩套動(dòng)力系統(tǒng)能夠統(tǒng)一，采取兩套動(dòng)力系統(tǒng)鋼絲繩串聯(lián)方式，以保證兩套動(dòng)力系統(tǒng)施力的同步性，以確保鋼桁梁行走按照預(yù)定軸線(xiàn)，大大減少實(shí)際拖拉過(guò)程中的糾偏工作量。

圖5 鋼桁梁頂推布置圖

實(shí)際拖拉施工中，鋼桁梁下方兩條行走軌跡出現(xiàn)不平衡摩擦、卷?yè)P(yáng)機(jī)回縮鋼絲繩不平衡等情況時(shí)，鋼桁梁可能出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)情況，此時(shí)采用扣件將8 t轉(zhuǎn)向輪處鋼絲繩扣緊，可以將原本為一體的動(dòng)、定滑輪組拖拉系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成兩套獨(dú)立系統(tǒng)，此時(shí)通過(guò)開(kāi)、停左右兩套動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)鋼桁梁進(jìn)行糾偏。

4.2.4 拖拉、頂推裝置以及動(dòng)力計(jì)算，如圖5所示

（1）卷?yè)P(yáng)機(jī)選配、動(dòng)力計(jì)算

拖拉總重量：最大總拖拉重量約1 200 t，該重量包含82 m長(zhǎng)鋼桁梁1 050 t，36 m長(zhǎng)導(dǎo)梁92 t，28個(gè)節(jié)點(diǎn)的400 t重物移運(yùn)器裝置共58 t，根據(jù)重物移運(yùn)器廠(chǎng)家提供參數(shù)及以往鋼梁拖拉經(jīng)驗(yàn)，滑道與重物移運(yùn)器之間的靜摩擦系數(shù)為0.06，滾動(dòng)摩擦系數(shù)約為0.033，在地面砼基礎(chǔ)上固定兩臺(tái)8 t卷?yè)P(yáng)機(jī)作為動(dòng)力。

1）①拖拉力計(jì)算（最大啟動(dòng)靜摩擦力）

式中：K—安全系數(shù)，取1.2；

G—頂推結(jié)構(gòu)重量，1 200 t；

f—摩擦系數(shù)，靜摩擦系數(shù)取0.06，動(dòng)摩擦系數(shù)取0.033；

經(jīng)計(jì)算：F靜=1.2×1 200×10×0.06=864 kN

②拖拉力計(jì)算（滾動(dòng)摩擦力）

經(jīng)計(jì)算：F動(dòng)=1.2×1200×10×0.033=475.2 kN

2）鋼絲繩選用規(guī)格為6×19+FC纖維芯鋼絲繩，直徑為φ21.5 mm，長(zhǎng)度為460 m，鋼絲繩公稱(chēng)抗拉強(qiáng)度為1 770 MPa，鋼絲繩最小破斷拉力為263 kN，每套拖拉系統(tǒng)由10根鋼絲繩并聯(lián)，受力遠(yuǎn)小于破斷拉力。

3）拖拉速度

選用8t慢速JM電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)兩臺(tái)，每臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)的容繩量為460 m，平均出繩速度為6 m/min，每臺(tái)配置動(dòng)、定6門(mén)輪滑輪組穿繞牽引鋼絲繩拖拉鋼梁，牽引力的估算：

鋼絲繩倍率：i=2×5=10

牽引力：2×8 t×10×10=1 600 kN >864 kN

卷?yè)P(yáng)機(jī)出繩速度：6 m/min，滑輪組鋼絲繩倍率i=10。因此，選擇電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引速度：6÷10=0.6 m/min。

（2）頂推千斤頂選配

因拖拉動(dòng)力系統(tǒng)安裝在岸上，以及本方案不采用后導(dǎo)梁增設(shè)動(dòng)滑輪組，所以鋼桁梁拖拉步驟中，最后一步采用兩臺(tái)千斤頂頂推7.1 m，采用兩臺(tái)500 t千斤頂，最大頂程為1 700 mm。千斤頂?shù)姆戳芎附釉阡撹炝何膊康目v向滑道上，當(dāng)千斤頂頂出1 600 mm后，千斤頂油缸回縮，在前端放置1 500 mm頂鐵，繼續(xù)向前頂推，這樣循環(huán)連續(xù)頂推，直到頂推設(shè)計(jì)位置為止。

4.2.5 導(dǎo)梁設(shè)置，如圖6所示

圖6 導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

導(dǎo)梁采用兩片主桁架結(jié)構(gòu)，總長(zhǎng)度36 m，分6個(gè)節(jié)段，采用300×300 mm型鋼桿件，橫向間距為11.8 m。導(dǎo)梁總重約92 t，在導(dǎo)梁最前端設(shè)置接應(yīng)支撐點(diǎn)，鋼桁梁的導(dǎo)梁即將到達(dá)9#墩鋼支架時(shí)，在9#墩鋼支架的縱梁端頭位置各設(shè)置一臺(tái)200 t重物移運(yùn)器，在其上面放一臺(tái)50 t千斤頂，當(dāng)導(dǎo)梁到達(dá)9#墩鋼支架時(shí)用50t千斤頂將導(dǎo)梁頂起，使200 t重物移運(yùn)器、50 t千斤頂和導(dǎo)梁跟著鋼桁梁一起向前移動(dòng)，直到導(dǎo)梁的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)上400 t重物移運(yùn)器裝置爬上到9#鋼支架的縱梁上去。

4.3 鋼桁梁拖拉施工

初始狀態(tài)：在鋼桁梁E2節(jié)點(diǎn)橫梁位置安裝動(dòng)滑輪組，在10#墩頂安裝定滑輪組，定、動(dòng)滑輪組間距為39.8 m，在地面安裝兩臺(tái)8 t卷?yè)P(yáng)機(jī)，安裝好完整的拖拉體系。

步驟一：利用兩臺(tái)8t卷?yè)P(yáng)機(jī)將鋼桁梁向前拖拉35 m，鋼桁梁導(dǎo)梁前端懸挑30 m。拆除E2節(jié)點(diǎn)位置的動(dòng)滑輪組，安裝到E3’節(jié)點(diǎn)位置橫梁，定、動(dòng)滑輪組間距34.8 m。

步驟二：鋼桁梁繼續(xù)向前拖拉30 m，拆除E3’節(jié)點(diǎn)位置的動(dòng)滑輪組，安裝到E0’節(jié)點(diǎn)位置橫梁，定、動(dòng)滑輪組間距34.8 m。

步驟三：鋼桁梁繼續(xù)向前拖拉30 m，拆除定、動(dòng)滑輪組裝置。

步驟四：在鋼桁梁尾部的縱梁上設(shè)置反力架，在每根縱梁上方設(shè)置一臺(tái)500 t千斤頂，千斤頂每次頂升1.5 m，縮回千斤頂活塞后，在前端安放1.5 m頂鐵，千斤頂繼續(xù)頂升，總共頂升7.1 m鋼桁梁到達(dá)設(shè)計(jì)位置。

步驟五：鋼桁梁拖拉到位后，分別在9#、10#墩上設(shè)置兩臺(tái)400 t千斤頂在千斤頂下方設(shè)置頂鐵，在上方用鋼墊塊和鋼板抄墊，將鋼桁梁頂起10 cm，拆除導(dǎo)梁、9#臨時(shí)鋼支架和與10#墩之間的水中鋼支架縱梁、橫梁以及影響落梁施工的所有附屬構(gòu)件。通過(guò)兩個(gè)橋墩上的4臺(tái)400 t千斤頂將鋼桁梁下落至支座上，9#墩端鋼桁梁下落1.326 m，10#，墩端鋼桁梁下落1.005 m。

4.4 鋼桁梁試驗(yàn)方案

4.4.1 鋼桁梁懸臂試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康模?鋼桁梁懸臂最大跨度56m時(shí)，鋼桁梁導(dǎo)梁的最大撓度值。

試驗(yàn)過(guò)程： 2019.1.28下午，天氣晴，溫度13℃，試驗(yàn)采用10臺(tái)油壓千斤頂，分別布置在E0、E2、E3、E2’、E0’鐵路側(cè)和便道側(cè)，E0位置采用320t油頂，E2、E3、E2’ 位置采用500t油頂，E0’位置采用200t油頂，鐵路側(cè)和便道側(cè)對(duì)稱(chēng)布置，油頂上方抄墊鋼板，油頂從無(wú)錫北依次往無(wú)錫方向頂升2cm左右，循環(huán)頂升直至10cm左右，鋼桁梁各點(diǎn)頂升高度一致，拆除E0位置千斤頂，此時(shí)形成鋼桁梁懸臂最大跨度56m。

試驗(yàn)結(jié)果：最大懸臂狀態(tài) 56m時(shí)，便道側(cè)導(dǎo)梁前端最大撓度 85mm，鐵路側(cè)導(dǎo)梁前端最大撓度80mm，與MIDAS有限元建模計(jì)算撓度值75.4mm相近。

4.4.2 鋼桁梁整體強(qiáng)度試驗(yàn)：

試驗(yàn)?zāi)康模?鋼桁梁導(dǎo)梁上9#墩支架滑道時(shí)，需要在導(dǎo)梁前端設(shè)置千斤頂，頂升導(dǎo)梁使小坦克順利上9#墩滑道，導(dǎo)梁強(qiáng)度是否滿(mǎn)足。

試驗(yàn)過(guò)程： 2019.1.28下午，天氣晴，溫度13℃，試驗(yàn)采用兩臺(tái)50t油壓千斤頂，分別布置在導(dǎo)梁最前端三腳架下方，往上頂升8cm左右，持續(xù)15分鐘。

試驗(yàn)結(jié)果：導(dǎo)梁沒(méi)有異響、油漆無(wú)剝落，導(dǎo)梁無(wú)明顯變化。

4.4.3 鋼桁梁與導(dǎo)梁焊接強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康模?鋼桁梁拖拉懸臂過(guò)孔步驟中，鋼桁梁支座支點(diǎn)還沒(méi)有到達(dá) 9#墩支架上時(shí)，導(dǎo)梁的第6個(gè)支點(diǎn)反力最大，通過(guò)有限元建模計(jì)算，該支點(diǎn)單邊反力值為158.97t，導(dǎo)梁桿件所受的應(yīng)力值最大，導(dǎo)梁與鋼桁梁前端連接處的焊縫強(qiáng)度是否滿(mǎn)足進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)過(guò)程：2019.1.29上午，天氣陰，溫度8℃，拆除導(dǎo)梁第六個(gè)重物移運(yùn)器，在支撐點(diǎn)位置設(shè)置兩臺(tái)500t油壓千斤頂，左右分別各設(shè)置一臺(tái)，根據(jù)頂升力換算成油壓表讀數(shù)，頂升至200t。

試驗(yàn)結(jié)果：持壓 15分鐘左右，導(dǎo)梁無(wú)明顯變化、焊接縫無(wú)開(kāi)裂、沒(méi)有異響，油漆沒(méi)有剝落等現(xiàn)象，導(dǎo)梁與鋼桁梁焊縫強(qiáng)度滿(mǎn)足使用要求。

5 結(jié)語(yǔ)

鋼桁梁橋在跨河跨線(xiàn)建設(shè)中應(yīng)用及其廣泛，通常采用拖拉施工的方法，本工程跨越繁忙的錫澄運(yùn)河，寬度大，又鄰近營(yíng)業(yè)線(xiàn)施工，施工風(fēng)險(xiǎn)較大，本工程采用拖拉施工，通過(guò)合理布置水中支架及陸地支架、優(yōu)化拖拉系統(tǒng)并建立有限元模型進(jìn)行受力計(jì)算，通過(guò)對(duì)不利工況進(jìn)行試驗(yàn)，確保拖拉施工的安全，通過(guò)本工程的實(shí)施，鋼桁梁拖拉系統(tǒng)設(shè)計(jì)及施工技術(shù)對(duì)今后跨河跨線(xiàn)的鋼梁施工具有一定的參考價(jià)值。