跨線連續(xù)梁墩頂轉(zhuǎn)體與懸臂澆筑組合施工技術(shù)研究

劉志如

(中鐵三局集團有限公司， 太原 030001)

隨著我國高速鐵路的蓬勃發(fā)展，上跨鐵路、道路等立體交叉工程的數(shù)量日益增多，使橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計能力及施工技術(shù)水平也不斷創(chuàng)新和提升。目前，高速鐵路上跨既有運營鐵路線路時，通常采用大跨連續(xù)梁、斜拉橋等具有跨度優(yōu)勢的特殊結(jié)構(gòu)形式?？紤]環(huán)境條件、質(zhì)量安全、工期進度等因素，施工方法一般采用鐵路線路上方懸臂澆筑、運營鐵路線路外側(cè)現(xiàn)澆后轉(zhuǎn)體、封鎖線路原位支架現(xiàn)澆等技術(shù)完成跨線施工[1-6]。本文針對新建京張鐵路新保安高架特大橋的特殊施工條件，提出了支架現(xiàn)澆墩頂轉(zhuǎn)體與懸臂澆筑組合施工的新方法，實現(xiàn)了精確合龍、營業(yè)線安全、滿足架梁工期等方面的既定目標(biāo)。

1 工程概況

新建京張鐵路新保安高架特大橋全長15 km，位于河北省懷來縣，主橋采用(69+112+69)m懸澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，30～31號墩跨越沙西貨場遷出線、31～32號墩跨越沙西貨場到發(fā)線三股道、京包下行線，31～32號墩之間為112 m主跨。連續(xù)梁主跨立面如圖1所示。原設(shè)計采用掛籃懸臂對稱澆筑，依次完成邊跨合龍段、中跨合龍段施工，完成體系轉(zhuǎn)化，拆除掛籃，全橋張拉壓漿后完成全橋施工。

圖1 (69+112+69) m連續(xù)梁主跨立面圖(m)

1.1 特殊環(huán)境條件

新保安高架特大橋主橋(69+112+69)m連續(xù)梁31號主墩上方有110 kV和35 kV高壓線穿過，受高壓線路遷改延遲的影響，待31號主墩具備施工條件時，32號墩已按設(shè)計方案懸臂澆筑施工完成至8號塊。若31號墩仍按懸臂澆筑法施工，將面臨架梁工期、混凝土齡期差異等諸多不利因素。為此，需對新保安高架特大橋(69+112+69)m連續(xù)梁31號主墩的設(shè)計、施工方案進行系統(tǒng)分析和研究。

1.2 31號主墩側(cè)梁部施工方案比選

為確保架橋機順利通過主跨，對31號主墩側(cè)梁部施工提出兩種方案，方案一即原位支架現(xiàn)澆法，方案二即線外支架現(xiàn)澆后墩頂轉(zhuǎn)體法。從工期、技術(shù)可行性方面進行比選，選取最為合適的施工方案。

(1)工期對比。在不考慮高壓線影響、協(xié)調(diào)封鎖沙西貨場到發(fā)線、京包下行線的情況下，原位支架現(xiàn)澆法工期較短；支架現(xiàn)澆后墩頂轉(zhuǎn)體法施工工期比原位支架現(xiàn)澆法多15 d。

(2)技術(shù)可行性。原位支架現(xiàn)澆法需在31號、32號墩之間封鎖沙西貨場3股到發(fā)線、京包下行線，且在31號墩小里程側(cè)需占用沙西貨場遷出線。因沙西貨場牽出線、到發(fā)線均屬地方鐵路公司所有，封鎖占用線路面臨大額補償費用、拆除并恢復(fù)接觸網(wǎng)等經(jīng)濟及安全風(fēng)險。支架現(xiàn)澆后墩頂轉(zhuǎn)體法可避免占用沙西貨場牽出線、到發(fā)線，封鎖京包線等一系列問題。

經(jīng)綜合比選，方案二可同時保證施工的經(jīng)濟性和安全性，為最為合適的施工方案。

2 連續(xù)梁及31號主墩設(shè)計優(yōu)化

通過上述比選，施工方案調(diào)整為31號主墩側(cè)梁部采用支架現(xiàn)澆后墩頂轉(zhuǎn)體法、32號主墩側(cè)梁部采用懸臂澆筑法的組合施工方法進行全橋施工，同時優(yōu)化、調(diào)整相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.1 基礎(chǔ)檢算

31號墩基礎(chǔ)原設(shè)計采用18根1.6 m鉆孔樁，樁長為66 m，梁部設(shè)計方案改成現(xiàn)澆轉(zhuǎn)體施工后，墩身及梁部變化使得上部荷載重量增加。經(jīng)復(fù)核檢算，31號墩樁基承載力在地震力作用下仍滿足要求，樁基設(shè)計不調(diào)整。

2.2 墩身優(yōu)化

新保安高架特大橋31號墩墩頂梁段采用支架現(xiàn)澆墩頂轉(zhuǎn)體施工后，由于增設(shè)墩頂轉(zhuǎn)盤設(shè)計，需對原橋墩設(shè)計方案進行調(diào)整。橋墩墩頂帽需在縱向和橫向加長，原方案橫橋向為11 m，順橋向為5 m，調(diào)整后橫橋向為12 m，順橋向為11.4 m。

圖2 31號主墩分段設(shè)計圖

2.3 梁部優(yōu)化

原設(shè)計連續(xù)梁在31號墩和32號墩墩頂均采用掛籃懸臂澆筑法施工，梁段分為現(xiàn)澆段0號塊，掛籃懸臂澆筑1～15號塊，共計16個梁段。31號墩采用支架現(xiàn)澆墩頂轉(zhuǎn)體施工后，主梁梁體現(xiàn)澆段劃分為4段，如圖2所示。

其中，0號段(原懸臂澆筑0～3號塊)，分段總長為29 m；1號段(原懸臂澆筑4～9號塊)，分段總長為17.5 m；2號段(原懸臂澆筑10～12號塊)，分段總長為11.0 m；3號段(原懸臂澆筑13～15號塊)，分段總長為12.0 m。

2.4 預(yù)應(yīng)力鋼束布置

考慮節(jié)段長度調(diào)整、主墩梁段混凝土齡期差異，預(yù)應(yīng)力鋼束布置需重新調(diào)整，部分頂板預(yù)應(yīng)力鋼束通過鋸齒塊錨到頂板外，腹板鋼束部分錨固在腹板節(jié)段內(nèi)，部分通過鋸齒塊錨到腹板外。

3 連續(xù)梁墩頂轉(zhuǎn)體與懸臂澆筑組合施工技術(shù)

3.1 施工總體方案

連續(xù)梁整體方案為32號主墩懸臂側(cè)施工澆筑至10號塊時，31號主墩墩身、預(yù)埋墩頂轉(zhuǎn)體部分同步施工完畢。因此32號主墩懸臂段的10號塊開始澆筑時，進行31號墩轉(zhuǎn)體0號塊的現(xiàn)澆施工，并搭接支架。墩頂轉(zhuǎn)體施工共分4段進行澆筑，整個轉(zhuǎn)體段澆筑完畢且養(yǎng)護14 d后進行轉(zhuǎn)體作業(yè)，并進行邊跨現(xiàn)澆合龍以及與已施工完成懸臂段的跨中合龍施工。

3.2 墩頂轉(zhuǎn)體與懸臂澆筑組合施工仿真分析

采用有限元分析軟件 MIDAS/Civil 進行建模。全橋劃分成87個節(jié)點，86個單元。仿真分析過程中未考慮預(yù)拱度，實際施工時，立模標(biāo)高應(yīng)在有限元分析結(jié)果基礎(chǔ)上考慮預(yù)拱度。

新保安高架特大橋主橋 (69+112+69) m 連續(xù)梁工程為一側(cè)半跨主梁轉(zhuǎn)體與另外一側(cè)半跨主梁懸臂澆筑的組合施工。不同施工工藝下主梁受力與變形存在一定差異，合龍后的收縮徐變變形同樣存在差異。大橋施工全過程兩側(cè)主梁受力與變形結(jié)果如表1所示。

表1 全橋各施工階段最大應(yīng)力及撓度情況表

由表1可知，在施工全過程中，懸臂施工側(cè)梁體截面上緣最大壓應(yīng)力為 -14.2 MPa，下緣最大壓應(yīng)力為 -11.0 MPa，轉(zhuǎn)體側(cè)梁體截面上緣最大壓應(yīng)力為 -16.0 MPa，下緣最大壓應(yīng)力為 -11.0 MPa。兩側(cè)主梁受力有一定差異，但均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。兩側(cè)主梁在施工過程中的變形同樣也存在一定差異。成橋三年后，現(xiàn)澆施工側(cè)梁體的上拱最大累計撓度值為22.6 mm，懸臂施工側(cè)梁體的最大上拱累計撓度值為21.8 mm，懸臂施工側(cè)梁體的最大下?lián)侠塾嫇隙戎禐?.4 mm。主梁變形的差異可通過在施工監(jiān)控中調(diào)整立模標(biāo)高予以調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)成橋達到設(shè)計線形。

3.3 墩頂轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工技術(shù)

(1)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)設(shè)計

橋梁平轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)體系設(shè)計主要包括墩底轉(zhuǎn)體和墩頂轉(zhuǎn)體兩種。本工程采用墩頂轉(zhuǎn)體體系，主墩31號墩墩頂轉(zhuǎn)體重量 72 000 kN，轉(zhuǎn)體長度110 m。墩頂轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)由下轉(zhuǎn)盤、球鉸、上轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)體牽引系統(tǒng)組成，如圖3所示。下轉(zhuǎn)盤為支承轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)全部重量的基礎(chǔ)，采用C50混凝土澆筑，下轉(zhuǎn)盤上設(shè)有下球鉸；中心球鉸球面半徑為4.5 m，球鉸分為凹凸面的上下球鉸；上轉(zhuǎn)盤設(shè)有撐腳和上球鉸，上球鉸分上下兩節(jié)；牽引力系統(tǒng)主要包括牽引力反力座、牽引索。

圖3 轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

(2)墩頂轉(zhuǎn)動體系結(jié)構(gòu)安裝

①下球鉸安裝

將下球鉸及滑道精調(diào)、固定完成后，采用C50混凝土澆筑下轉(zhuǎn)盤；澆筑牽引索反力座混凝土；然后安裝中心套筒內(nèi)的銷軸，清理下球鉸和滑板表面并涂抹黃油，銷軸放入前需預(yù)留繩索，轉(zhuǎn)體完成后，通過繩索將銷軸從鋼管通道內(nèi)取出。

②上球鉸安裝

上球鉸分兩節(jié)，先安裝上球鉸下節(jié)，在凸球面上涂抹黃油，將上球鉸下節(jié)對準(zhǔn)中心銷軸輕落至下球鉸上，用寬膠帶將球鉸結(jié)合邊緣縫隙密封，然后通過預(yù)留的灌注孔灌注微膨脹混凝土，最后吊裝夾層鋼板及上球鉸上節(jié)，用高強螺栓連接上球鉸的上下節(jié)，待上轉(zhuǎn)盤混凝土澆筑時，一同澆筑。

③轉(zhuǎn)動系統(tǒng)安裝

上轉(zhuǎn)盤同步將預(yù)埋轉(zhuǎn)體牽引系統(tǒng)、撐腳安裝。轉(zhuǎn)體系統(tǒng)及上球鉸安裝完畢后，同0號段連接鋼筋整體澆筑完成。

(3)稱重配重實施

選用梁體縱向傾斜配重方式進行稱重、配重[7-8]。稱重試驗的核心是通過試驗測試豎向不平衡力矩MG、摩阻力矩MZ。再通過計算球鉸靜摩阻系數(shù)μ和轉(zhuǎn)動體偏心距e進行梁體實際配重。

(1)

式中：R——球鉸球面半徑(m)；

N——轉(zhuǎn)體重量(kN)。

經(jīng)過兩次稱重、兩次配重(試驗數(shù)據(jù)如表2所示)，最終確定轉(zhuǎn)體前31號墩偏心距實際為5.2 cm，遠離既有線方向。

表2 試驗數(shù)據(jù)表

(4)轉(zhuǎn)體施工

正式轉(zhuǎn)體前進行試轉(zhuǎn)，對角速度、線速度、牽引力等數(shù)據(jù)進行初步采集及分析。試轉(zhuǎn)結(jié)束后，做好限位控制體系(包括轉(zhuǎn)體限位和微調(diào)裝置)，然后正式轉(zhuǎn)體，全程監(jiān)測梁體軸線、高程。轉(zhuǎn)體到位后，在上下轉(zhuǎn)盤、撐腳之間設(shè)置千斤頂，精調(diào)轉(zhuǎn)體梁端的中線、高程，然后臨時鎖定，準(zhǔn)備合龍段施工。

3.4 永久支座安裝

邊跨合龍后進行球鉸體系轉(zhuǎn)換，安裝永久支座，最后施工中跨合龍段，完成連續(xù)梁施工。永久支座安裝時，首先將上球鉸上下節(jié)之間的高強螺栓解開，抽出定位銷軸，在墩頂設(shè)置12個800 t千斤頂，同步將梁體頂升5 mm，抽掉上球鉸上下節(jié)之間的夾層鋼板，然后再將上球鉸上下節(jié)重新用高強螺栓鎖緊，使上球下節(jié)通過螺栓作用提升，從而實現(xiàn)上球鉸與下球鉸脫離。在墩頂旁搭設(shè)支座頂推裝置，將永久支座頂推就位，并灌注高強砂漿完成墊石施工。高強砂漿強度達到設(shè)計要求后，卸落千斤頂，完成體系轉(zhuǎn)換。支座頂推示意如 圖4所示。

圖4 支座頂推示意圖

4 結(jié)束語

本工程采用墩頂轉(zhuǎn)體與懸臂澆筑組合技術(shù)順利完成了(69+112+69) m連續(xù)梁的合龍成橋施工，克服了因外部電力高壓線遷改延遲導(dǎo)致的工期延誤問題，同時規(guī)避了封鎖鐵路營業(yè)線、占用地方鐵路賠償費用高等問題，開創(chuàng)了國內(nèi)首座連續(xù)梁半懸臂半轉(zhuǎn)體組合施工的技術(shù)先河，為今后同類工程的施工提供了新思路、新方向。