架橋機(jī)踩雙架單施工加固方案研究

姜 敏

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600)

1 前言

2017年4月1日，中共中央、國務(wù)院決定成立雄安新區(qū)，為滿足雄安新區(qū)運(yùn)輸要求，將原京霸城際鐵路新機(jī)場至霸州段調(diào)整至新機(jī)場至雄安新區(qū)。京雄城際鐵路是承載千年大計(jì)運(yùn)輸任務(wù)、支撐國家戰(zhàn)略的重要干線，對于促進(jìn)京津冀協(xié)同發(fā)展和支撐建設(shè)雄安國家級新區(qū)具有重要意義。線路建成后，雄安站將成為雄安新區(qū)路網(wǎng)性主客站、地面綜合交通樞紐，主要服務(wù)新區(qū)中長途客流，提高新區(qū)對全國的輻射能力，促進(jìn)京津冀協(xié)同發(fā)展。

京雄、津九城際鐵路與京港臺高鐵都將通過雄安站，其中津九下聯(lián)引入雄安站前，先采用單線橋設(shè)計(jì)，再與按雙線橋設(shè)計(jì)的京雄左線接駁?，F(xiàn)在雙線橋所用雙線箱梁已經(jīng)架設(shè)完畢，根據(jù)現(xiàn)場施工條件決定通過架橋機(jī)架設(shè)單線箱梁。如何用現(xiàn)有常規(guī)單線運(yùn)架設(shè)備通過雙線箱梁段精準(zhǔn)架設(shè)單線箱梁，且保證雙線箱梁的安全是困擾施工單位的一個(gè)難題，如果此問題不解決將造成箱梁預(yù)制完成而不能架設(shè)的窘境。

2 運(yùn)梁車及架橋機(jī)選型

津九XLD2K3＋696.56～津九XLD2K4＋285.34段與京雄左線橋上并線，由單線橋漸變成雙線橋。單線橋跨布置為預(yù)制無砟軌道31.5 m后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，橋?qū)?.6 m；雙線橋跨布置為預(yù)制無砟軌道31.5 m后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，橋?qū)?2.6 m。采用YL550型運(yùn)梁車及JQ550型架橋機(jī)運(yùn)架單線梁。

YL550型運(yùn)梁車適用于高鐵550 t級單線混凝土箱梁的運(yùn)輸并能與JQ550型架橋機(jī)配合完成箱梁架設(shè)作業(yè)，能夠方便快捷地把梁片從預(yù)制場地運(yùn)至架梁工位，為架橋機(jī)喂梁配合架橋機(jī)完成相應(yīng)的架梁作業(yè)。運(yùn)梁車的技術(shù)參數(shù)和要求滿足相應(yīng)架橋機(jī)的要求，且能馱運(yùn)架橋機(jī)實(shí)現(xiàn)橋間短途運(yùn)輸。運(yùn)梁車具有雙向作業(yè)功能，即無需調(diào)頭即可運(yùn)梁和架橋機(jī)轉(zhuǎn)場馱運(yùn)[1]。

JQ550型架橋機(jī)用于高速鐵路、客運(yùn)專線單線箱梁的架設(shè)施工，與YL550型運(yùn)梁車配合完成單線箱梁的運(yùn)輸架設(shè)作業(yè)。JQ550型架橋機(jī)為雙主梁三支腿結(jié)構(gòu)，可以架設(shè)32 m、24 m、20 m等跨及變跨高速鐵路、客運(yùn)專線預(yù)應(yīng)力混凝土單線單箱梁。JQ550型架橋機(jī)主要由機(jī)臂、輔助支腿、前支腿、后支腿、前起重小車、后起重小車、卷揚(yáng)系統(tǒng)、電氣液壓系統(tǒng)、走行系統(tǒng)等組成，見圖1。

圖1 JQ550型單線箱梁架橋機(jī)結(jié)構(gòu)示意

3 施工難點(diǎn)及雙線梁加固方案比選

3.1 施工難點(diǎn)分析

既有單線架橋機(jī)踩雙線箱梁架設(shè)單線箱梁時(shí)，雙線箱梁結(jié)構(gòu)承受較大的施工機(jī)械偏載作用，超出了普通雙線梁常規(guī)適用范圍，應(yīng)對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析?？刂乒r為橋間轉(zhuǎn)移后支腿臨時(shí)支撐、架橋機(jī)過孔、后小車取梁。

(1)橋間轉(zhuǎn)移后支腿臨時(shí)支撐

運(yùn)梁車馱架橋機(jī)就位后，放下前支腿的折翻柱體并支撐在橋墩墊石上，支撐并鎖定斜撐桿，通過專用錨定裝置將前支腿柱體與橋墩錨固，后起重小車行走至后支腿中心處，降下前后馱架，使后支腿的馱運(yùn)支撐落放到支撐墊上支撐住架橋機(jī)(馱運(yùn)支撐處墊80 mm枕木)，運(yùn)梁車退出。此時(shí)后支腿位于距梁端1.7 m的位置，后支腿橫向間距5.0 m，橫向偏心2.5 m，單個(gè)后支腿受力為1 100 kN(見圖2)。

圖2 轉(zhuǎn)場后支腿橫向布置(單位:mm)

(2)架橋機(jī)過孔

后支腿驅(qū)動(dòng)架橋機(jī)向前走行，輔助支腿到達(dá)前方墩臺上的支撐位置后停車，支撐輔助支腿，使前支腿脫離墩臺，整機(jī)轉(zhuǎn)換成輔助支腿和后支腿支撐。此時(shí)后支腿位于梁部跨中，后支腿橫向間距3.4 m，橫向偏心2.5 m，單個(gè)后支腿受力為1 400 kN(見圖3)。

圖3 過孔、取梁后支腿橫向布置(單位:mm)

(3)后小車取梁

架橋機(jī)由前、后支腿支撐，前起重小車和馱梁臺車同步吊梁拖拉取梁，到達(dá)后起重小車取梁位后，保證第二吊點(diǎn)距離后支腿不大于4.6 m，后起重小車取梁，運(yùn)梁車返回梁場[2]。此時(shí)后支腿位于距梁端1.7 m的位置，后支腿橫向間距3.4 m，橫向偏心2.5 m，單個(gè)后支腿受力為2 900 kN(見圖3)。

由于箱梁承受橫向偏載，箱梁線單元模型無法體現(xiàn)出箱梁局部變形和應(yīng)力，故采用實(shí)體單元模型進(jìn)行分析。在三種控制工況下，雙線箱梁頂板橫向應(yīng)力較大，均已超過混凝土極限抗拉強(qiáng)度，故對其進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算。根據(jù)《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10092-2017)第6.2.7條規(guī)定計(jì)算鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫寬度，過孔時(shí)頂板下緣裂縫寬度達(dá)到0.57 mm，后小車取梁及轉(zhuǎn)場時(shí)懸臂根部上緣裂縫寬度分別為0.21 mm、0.16 mm[3]。對于架橋機(jī)過孔及后小車取梁應(yīng)采取加固改造措施加以控制[4]。

3.2 加固方案比選

對于架橋機(jī)過孔工況而言，架橋機(jī)的后支腿作用于頂板及翼緣板上方，集中力為1 400 kN，跨中頂板厚28.5 cm。主拉應(yīng)力過大的原因?yàn)榧辛^大，頂板厚度較薄，所以可采取運(yùn)梁車馱運(yùn)架橋機(jī)后支腿過孔，這樣可把后支腿的力分布于運(yùn)梁車上。

后小車提梁可采取的加固措施:

(1)由于拉應(yīng)力出現(xiàn)在懸臂根部上緣，懸臂下?lián)现递^大，故可在懸臂下設(shè)置支架，限制其向下的位移。

方案優(yōu)缺點(diǎn):箱梁與臨時(shí)支架同時(shí)受力，可減小箱梁支座反力；搭設(shè)臨時(shí)支架不僅影響工期，還會使工程造價(jià)有所提高；箱梁與臨時(shí)支架受力不明確。

(2)采取架橋機(jī)后支腿下增設(shè)鋼墊梁的方案，將集中力分散到鋼墊梁上后再傳遞到斜腹板上。

方案優(yōu)缺點(diǎn):鋼墊梁在工廠加工，不會影響施工工期，工程造價(jià)較低，消除雙線梁頂板開裂風(fēng)險(xiǎn)；箱梁受力明確；缺點(diǎn)為箱梁支座反力較大，支座型號應(yīng)考慮是否滿足要求。

通過對兩方案從工期、造價(jià)、結(jié)構(gòu)安全方面的比選，最終選取鋼墊梁方案，并就鋼墊梁方案采用有限元軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)計(jì)算分析[5]。傳統(tǒng)基于桿系及橫向分布理論的分析方法逐漸無法滿足工程設(shè)計(jì)需要，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間內(nèi)力分析已成為必然[6]，故本文采用MIDAS FEA大型有限元軟件建立精細(xì)化實(shí)體有限元模型進(jìn)行受力分析[7-8]。

4 工況驗(yàn)算

各支撐載荷說明及支撐面積見表1。

表1 支撐載荷相關(guān)參數(shù)

工況1:運(yùn)梁車馱架頂起機(jī)臂尾部，架橋機(jī)前支腿支撐，運(yùn)梁車輔助整機(jī)縱移。荷載分布情況見圖4，其中Py1＝38 kN，Py2＝14 kN，Pjq＝2 470 kN，Pyh＝Pyq＝0。此工況集中力Pjq＝2 470 kN較為不利，采用FEA建立實(shí)體模型進(jìn)行驗(yàn)算。架橋機(jī)前支腿提供支撐反力，單個(gè)支撐面積為500 mm×1 000 mm(縱向×橫向)，支撐數(shù)量2個(gè)，2個(gè)支撐橫向間距為3 m。

圖4 工況1荷載分布(單位:mm)

工況2:馱架頂起機(jī)臂尾部，前輔助支腿支撐，前支腿縱移?？v橫向荷載分布情況見圖5，其中Py1＝67 kN，Py2＝9 kN，Pjf＝946 kN，Pyh＝Pyq＝0。 此工況集中力Py1＝67 kN較為不利，采用FEA建立模型進(jìn)行驗(yàn)算。

工況3:馱架頂起機(jī)臂尾部，前輔助支腿支撐，前支腿縱移到位。荷載分布情況見工況2，其中Py1＝61 kN，Py2＝10 kN，Pjf＝1 240 kN，Pyh＝Pyq＝0。此工況集中力Pjf＝1 240 kN較為不利，采用FEA建立模型進(jìn)行驗(yàn)算。架橋機(jī)輔助支腿提供支撐反力，單個(gè)支撐面積為360 mm×400 mm(縱向×橫向)，數(shù)量2個(gè)，2個(gè)支撐橫向間距為2.36 m。

圖5 工況2荷載分布(單位:mm)

工況4:運(yùn)梁。荷載分布情況見圖6，其中Py1＝Py2＝56 kN。

圖6 工況4荷載分布(單位:mm)

工況5:前小車取梁。荷載分布情況見圖7，其中Py1＝4.4 kN，Py2＝41 kN，Pyh＝650 kN，Pyq＝0，Pjhf1＝200 kN，Pjhf2＝5 200 kN。 此工況在荷載Py2＝41 kN、Pyh＝650 kN作用下較為不利，采用FEA建立模型進(jìn)行驗(yàn)算。

圖7 工況5荷載分布(單位:mm)

工況6:后小車取梁。荷載分布情況見圖7，其中Py1＝Py2＝13 kN，Pyh＝Pyq＝0，Pjhf1＝220 kN，Pjhf2＝5 780 kN。

工況7:馱梁轉(zhuǎn)場。荷載分布情況見圖6，其中Py1＝47 kN，Py2＝46 kN。

針對踩雙線梁架設(shè)單線梁的7種工況[9]，采用MIDAS FEA建立實(shí)體單元模型，節(jié)點(diǎn)14 196個(gè)，單元12 264個(gè)。實(shí)體模型及預(yù)應(yīng)力布置見圖8。

在自重、預(yù)應(yīng)力及施工荷載作用下，前6個(gè)工況為最不利荷載工況。在運(yùn)架梁施工過程中，對箱梁混凝土應(yīng)力、抗裂進(jìn)行驗(yàn)算[10]，結(jié)果見表2。

圖8 雙線梁實(shí)體模型

根據(jù)最不利工況計(jì)算結(jié)果，在運(yùn)、架過程中，最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在支座節(jié)點(diǎn)附近。工況3、工況6架設(shè)過程中頂板橫向未開裂；工況1、工況2、工況4、工況5架設(shè)過程中頂板橫向出現(xiàn)裂縫，裂縫寬度最大為0.18 mm，滿足規(guī)范要求[11]。

5 結(jié)論

采用“踩雙架單”架橋工藝，架橋機(jī)后支腿下增設(shè)鋼墊梁分散受力，成功消除了架橋機(jī)由于支腿角度偏離對箱梁造成重壓而帶來的安全隱患，順利完成了京雄城際鐵路首個(gè)雙線變單線箱梁架設(shè)任務(wù)(跨度為31.5 m)，為京雄城際鐵路按期順利通車提供技術(shù)保證，為同類型工程施工提供參考借鑒[12]。