大跨度斜拉橋鋼箱桁梁架設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究

郭星亮

(中鐵三局集團(tuán)有限公司， 太原 030001)

1 工程概況

商合杭鐵路裕溪河特大橋主橋?yàn)?60+120+324+120+60) m的雙塔鋼箱桁梁斜拉橋，是目前國(guó)內(nèi)時(shí)速350 km高速鐵路最大跨度的鋼箱桁梁斜拉橋，施工技術(shù)難度極大。主塔采用“H”型索塔，塔底以上索塔高為123.00 m，橋面以上塔高105.801 m；斜拉索為平行鋼絲拉索、空間雙索面，每塔兩側(cè)共13條對(duì)索，橋址處地勢(shì)較為平坦，兩個(gè)主塔墩均位于裕溪河大壩外側(cè)，主橋立面示意如圖1所示。

圖1 裕溪河主橋立面示意圖(m)

主梁鋼箱梁桁梁結(jié)構(gòu)，由主桁和鋼箱組成，斷面示意如圖2所示。主桁采用兩片平行布置的華倫式桁架，橫向間距14.0 m，桁高12.0 m，節(jié)間長(zhǎng)12.0 m；下弦鋼箱梁采用帶風(fēng)嘴的單箱七室截面，為正交異性板結(jié)構(gòu)，梁高2.5 m，梁頂板寬17.64 m。

圖2 鋼箱桁梁斷面示意圖(mm)

2 鋼箱桁梁架設(shè)難點(diǎn)

斜拉橋主梁為箱桁組合結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)新穎，為同類橋梁中首次采用，可借鑒的施工經(jīng)驗(yàn)較少。架設(shè)難點(diǎn)主要有：

(1)合理架設(shè)方案選擇難度大

目前，雙塔五跨鋼桁梁斜拉橋通常采用對(duì)稱懸臂架設(shè)法施工，具有先塔后梁、中期塔梁同步、后期有多個(gè)合龍口等特點(diǎn)，施工速度較慢，因此尋找一種又快又好的鋼箱桁梁架設(shè)方法是一大難點(diǎn)。

(2)經(jīng)濟(jì)型鋼箱桁梁架橋機(jī)研發(fā)難度大

根據(jù)主梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可采用“橋面吊機(jī)+桅桿吊機(jī)”、“回轉(zhuǎn)吊機(jī)”等方式進(jìn)行架設(shè)，吊機(jī)的成本較高且架設(shè)工序復(fù)雜，因此，研制一種適用本橋鋼箱桁梁架設(shè)的經(jīng)濟(jì)型架梁吊機(jī)是另一大難點(diǎn)。

(3)架設(shè)中變形協(xié)調(diào)控制難

鋼桁梁安裝的節(jié)點(diǎn)允許誤差為2 mm。斜拉索掛索后，各個(gè)節(jié)段鋼箱梁會(huì)產(chǎn)生壓縮變形，將對(duì)上部鋼桁梁的安裝產(chǎn)生影響。鋼箱梁合龍后再安裝鋼桁梁，此時(shí)，鋼箱梁已產(chǎn)生縱向變形而鋼桁梁無(wú)變形。鋼箱梁與鋼桁梁間存在縱向變形差，當(dāng)兩者縱向變形差超過(guò)2 mm時(shí)，鋼桁梁桿件的安裝存在較大困難。

3 鋼箱桁梁架設(shè)方案比選

針對(duì)鋼箱桁梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，架設(shè)可采用兩種工法。

(1)工法一：鋼箱梁全部架設(shè)完后再架設(shè)鋼桁梁。該工法具有運(yùn)輸?shù)跹b方便、高空作業(yè)量小、鋼桁梁多作業(yè)面拼裝、進(jìn)度快等優(yōu)點(diǎn)，但因鋼桁梁安裝于合龍后的鋼箱梁上，節(jié)點(diǎn)對(duì)接對(duì)變形較為敏感，調(diào)索較為頻繁。

(2)工法二：架設(shè)若干節(jié)間鋼箱梁后待有作業(yè)空間再架設(shè)鋼桁梁。該工法具有鋼箱梁與鋼桁梁變形協(xié)調(diào)、鋼桁梁安裝方便、調(diào)索工作量小等優(yōu)點(diǎn)，但因鋼箱梁與鋼桁梁同時(shí)安裝，需研制經(jīng)濟(jì)型架橋機(jī)，且斜拉索展索較麻煩，作業(yè)較為復(fù)雜。

為確保后期鋼箱桁梁線形及受力狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求，對(duì)比兩種工法的優(yōu)缺點(diǎn)，建議采用工法二。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形地貌、鋼箱桁梁運(yùn)輸、拼裝吊機(jī)選型、鋼箱與鋼桁的變形協(xié)調(diào)等因素，工法二可采用兩種方案實(shí)現(xiàn)。

(1)對(duì)稱懸臂拼裝方案(方案一)：主塔、輔助墩、邊墩施工完成后,在塔旁支架上安裝5個(gè)節(jié)間鋼箱桁梁，掛設(shè)兩側(cè)1對(duì)斜拉索后，兩側(cè)對(duì)稱安裝橋面吊機(jī)，對(duì)稱懸臂架設(shè)鋼箱梁至輔(邊)墩墩旁支架的鋼箱桁合龍口處，利用橋面吊機(jī)完成輔(邊)跨的鋼箱合龍，繼續(xù)架設(shè)中跨鋼箱梁直至合龍，整個(gè)架設(shè)過(guò)程中滯后1個(gè)節(jié)間掛設(shè)1對(duì)斜拉索及安裝鋼桁梁。

(2)邊跨頂推、中跨單向懸臂拼裝方案(方案二)：主塔(或施工至一定節(jié)段)、輔助墩、邊墩施工完成后，安裝拼裝平臺(tái)、頂推支架及頂推設(shè)備,利用浮吊安裝前導(dǎo)梁及3個(gè)節(jié)間鋼箱桁梁,安裝橋面吊機(jī)吊裝鋼箱桁梁，向邊跨側(cè)頂推24個(gè)節(jié)間后,單向懸臂架設(shè)中跨鋼箱桁梁直至合龍，鋼箱桁梁懸拼至一定位置后掛設(shè)斜拉索，頂推和單向懸拼過(guò)程鋼桁梁安裝同步或滯后少量節(jié)間。

從技術(shù)可行性、施工成本、施工工期等方面對(duì)方案一和方案二進(jìn)行比選，結(jié)果如表1所示。

表1 鋼箱桁梁架設(shè)方案比選表

針對(duì)斜拉橋施工環(huán)境、地理位置和設(shè)計(jì)要求，經(jīng)方案比選，最終確定方案二為鋼箱桁梁最終的架設(shè)方案：邊輔跨頂推，中跨懸拼， 跨中合龍，鋼箱梁與鋼桁梁同步安裝，塔梁同步。邊跨鋼桁梁同鋼箱梁同步拼裝頂推到位，然后單向懸臂繼續(xù)同步拼裝鋼桁梁及鋼箱梁，同時(shí)掛設(shè)斜拉索結(jié)構(gòu)，直至鋼箱桁梁合龍。

4 鋼箱桁梁架設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 頂推支架結(jié)構(gòu)

頂推支架由拼裝平臺(tái)支架和臨時(shí)支墩兩部分組成[2]，縱向示意如圖3所示。

拼裝平臺(tái)支架為鋼管立柱結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)30 m，寬10.6 m,縱向?yàn)?排鋼管立柱，間距為5.0 m、13.0 m、5.0 m，橫向?yàn)?排鋼管立柱，間距均為3.0 m，立柱型號(hào)為φ1 000 mm×12 mm鋼管，其頂部依次設(shè)3I63b、3HN900×300分配梁。臨時(shí)支墩為鋼管立柱結(jié)構(gòu)，縱向?yàn)殚g距5.0 m的2排鋼管立柱，橫向設(shè)4排立柱，間距為2.6 m、3.4 m、2.6 m，立柱型號(hào)為φ630 mm×16 mm鋼管，其頂部依次設(shè)3I63b、3HN900×300分配梁。

鋼箱梁架設(shè)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)所受荷載為鋼梁及導(dǎo)梁自重、架梁吊機(jī)自重和吊重、橫橋向風(fēng)荷載。鋼箱梁截面較小，風(fēng)載對(duì)鋼箱梁頂推與架設(shè)受力影響很小，可忽略不計(jì)。整個(gè)鋼箱梁按靜力學(xué)計(jì)算，不考慮鋼箱梁所受頂推力及摩阻力[3-4]。

根據(jù)步履式頂推千斤頂?shù)墓ぷ髑闆r，對(duì)鋼箱桁梁頂推施工進(jìn)行有限元模擬分析，以各臨時(shí)墩受力最不利為原則，得出鋼箱桁梁頂推施工過(guò)程的各控制工況如表2所示。

表2 墩頂最不利受力結(jié)果表

將表2計(jì)算所得的最不利反力施加于頂推支架結(jié)，有限元模擬計(jì)算結(jié)果表明：拼裝平臺(tái)分配梁受到的最大正應(yīng)力為176 MPa(Q345材質(zhì))，最大剪應(yīng)力59 MPa，鋼管立柱考慮穩(wěn)定后的最大組合應(yīng)力為100 MPa；臨時(shí)支墩分配梁受到的最大正應(yīng)力為154 MPa(Q345材質(zhì))，最大剪應(yīng)力58 MPa，鋼管立柱考慮穩(wěn)定后的最大組合應(yīng)力為99 MPa。頂推支架結(jié)構(gòu)受力滿足要求。

4.2 架橋機(jī)研制

4.2.1 傳統(tǒng)架橋機(jī)實(shí)現(xiàn)方案

在鋼桁梁橋懸臂拼裝的基礎(chǔ)上，鋼箱桁梁可采用“回轉(zhuǎn)吊機(jī)”“橋面吊機(jī)+桅桿吊機(jī)”進(jìn)行架設(shè)：(1)將回轉(zhuǎn)吊機(jī)安裝在鋼桁梁上弦桿頂面，沿線路方向左右各旋轉(zhuǎn)90°能滿足架設(shè)線路左右側(cè)鋼梁桿件的要求，考慮經(jīng)濟(jì)效益和利用現(xiàn)有設(shè)備的原則，根據(jù)架設(shè)要求，拼裝吊機(jī)可采用半回轉(zhuǎn)體系(旋轉(zhuǎn)180°)或全回轉(zhuǎn)體系(旋轉(zhuǎn)360°)；(2)在橋面板位置設(shè)置1個(gè)橋面架梁吊機(jī)，同時(shí)在桁架上方設(shè)置1個(gè)小噸位的桅桿吊機(jī)，實(shí)現(xiàn)橋面板、鋼桁梁的同步架設(shè)。

4.2.2 經(jīng)濟(jì)型鋼箱桁梁架橋機(jī)

針對(duì)“回轉(zhuǎn)吊機(jī)”“橋面吊機(jī)+桅桿吊機(jī)”成本較高、架設(shè)工序復(fù)雜等缺點(diǎn)，圍繞本橋鋼箱桁梁的特點(diǎn)，從豎向起吊、縱向倒運(yùn)等方面展開架橋機(jī)的研究。

(1)設(shè)計(jì)原則

架梁吊機(jī)的設(shè)計(jì)吊重為230 t，能起吊主梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)度為8 m、9 m、10 m、11 m、12 m的鋼箱梁，能滿足從水面運(yùn)輸船上起吊鋼箱梁、鋼桁梁的高度，能架設(shè)相鄰鋼箱梁節(jié)段并完成鋼桁梁主桁和平聯(lián)桿件的倒運(yùn)作業(yè)。

(2)BL230橋面吊機(jī)

橋面吊機(jī)主要由機(jī)架金屬結(jié)構(gòu)、吊具縱橫移機(jī)構(gòu)、吊具、軌道及前移機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、錨固支撐系統(tǒng)、雙電葫蘆輔助起重系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、司機(jī)室、電氣系統(tǒng)等組成。采用單機(jī)雙吊點(diǎn)抬吊施工工法，將鋼箱梁節(jié)段安全準(zhǔn)確地提升至橋面，并依靠吊具縱橫移機(jī)構(gòu)和吊具調(diào)平機(jī)構(gòu)的配合進(jìn)行對(duì)位和拼接。此外橋面吊機(jī)配有1套雙電葫蘆輔助起重系統(tǒng)，用于倒運(yùn)鋼桁梁主桁和平聯(lián)桿件。BL230橋面吊機(jī)縱向及橫向示意如圖4所示。

圖4 BL230橋面吊機(jī)示意圖(cm)

4.3 鋼箱桁梁架設(shè)技術(shù)

4.3.1 頂推施工技術(shù)

1～24節(jié)間鋼箱梁采用頂推架設(shè)方案，首先由浮吊架設(shè)起始3個(gè)節(jié)間鋼箱梁，并安裝邊跨方向的導(dǎo)梁，然后在安裝完成的鋼箱梁上拼裝230 t橋面吊機(jī)，后續(xù)鋼箱梁節(jié)段由橋面吊機(jī)從運(yùn)梁船上直接起吊拼裝，每拼裝完1個(gè)節(jié)間鋼箱梁，整體向邊跨方向頂推1個(gè)節(jié)間。邊跨鋼梁頂推作業(yè)過(guò)程中，為保證各個(gè)臨時(shí)墩受力滿足設(shè)計(jì)要求，縱橋向各個(gè)支點(diǎn)的各組頂推器及墊座間的高差應(yīng)控制在1 cm以內(nèi)，單個(gè)支點(diǎn)橫橋向兩組頂推器及墊座間的高差應(yīng)控制在2 mm以內(nèi)[5-6]。

4.3.2 單向懸拼技術(shù)

NJ9-NJ13、NJH鋼梁采用懸臂架設(shè)方案，邊跨鋼箱梁頂推到位后，對(duì)稱掛設(shè)邊跨和主跨已安裝完成鋼箱梁的斜拉索[7-10]，同時(shí)利用橋面吊機(jī)單懸臂架設(shè)主跨下1節(jié)間鋼箱梁。其步驟為：

(1)運(yùn)輸船到達(dá)指定位置并定位后，根據(jù)待吊梁段的重心位置，將橋面吊機(jī)滑車調(diào)整到指定位置。

(2)橋面吊機(jī)空鉤下放，檢查吊具各插銷位置是否適合該節(jié)間重心位置，調(diào)整平油缸長(zhǎng)度，吊具與待起吊的節(jié)段插銷連接，解除待吊梁段四周錨繩，整體提升10 cm,調(diào)平后整體起升到鋼梁平面準(zhǔn)備進(jìn)行精確對(duì)位。

(3)整節(jié)段鋼箱梁起吊至已架設(shè)鋼箱梁平齊時(shí)，停止起升，利用頂部油缸向后縱移吊點(diǎn)，使鋼梁節(jié)段端部靠近已架設(shè)鋼梁的節(jié)點(diǎn)前端。微調(diào)起升裝置和吊點(diǎn)橫移裝置，使鋼梁節(jié)段端部與已架鋼梁節(jié)點(diǎn)前端準(zhǔn)確對(duì)位，檢查并開始鋼箱梁接口焊接，焊接完成并探傷合格后，橋面吊機(jī)松鉤，整節(jié)段鋼箱梁安裝完成。

(4)鋼桁梁桿件通過(guò)橋面吊機(jī)提升至橋面，雙電葫蘆輔助起重系統(tǒng)倒運(yùn)鋼桁梁主桁和平聯(lián)桿件，通過(guò)運(yùn)梁車運(yùn)輸至待架位置，由50 t汽車吊滯后鋼箱梁3個(gè)節(jié)間進(jìn)行架設(shè)，鋼桁梁安裝順序：先安裝斜腹桿，形成正三角結(jié)構(gòu)，再安裝上弦桿，然后安裝平聯(lián)撐桿，最后整體安裝平聯(lián)斜桿。

4.3.3 鋼箱梁精確對(duì)位測(cè)量技術(shù)

利用“激光跟蹤、縱向調(diào)位、中線精調(diào)、標(biāo)高調(diào)位”的測(cè)量定位方法，實(shí)現(xiàn)鋼箱桁梁的精確測(cè)量定位，步驟如下：(1)全站儀立在混凝土梁端，利用激光朝向正在吊裝的梁段中線3點(diǎn)來(lái)控制中軸線，將中軸線粗調(diào)至2 cm誤差以內(nèi)；(2)利用橋面吊機(jī)的伸縮功能調(diào)整前后距離(順橋向)，即下弦節(jié)間栓孔間距12 m；(3)精調(diào)待吊裝梁段中軸線至設(shè)計(jì)要求，用少量碼板固定前后左右防止錯(cuò)位；(4)將待吊裝梁段測(cè)點(diǎn)全部調(diào)整至設(shè)計(jì)標(biāo)高；(5)檢查軸線、孔距、標(biāo)高是否符合設(shè)計(jì)要求，合格后即可開始從梁面、腹板、底板開始碼板固定。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以商合杭鐵路裕溪河特大橋鋼箱桁梁架設(shè)為工程實(shí)例，針對(duì)鋼箱桁梁的架設(shè)難點(diǎn)，通過(guò)對(duì)鋼箱與鋼桁架設(shè)協(xié)調(diào)性對(duì)比、頂推支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)型鋼箱桁梁架橋機(jī)研制、鋼箱梁節(jié)段精確對(duì)位測(cè)量等關(guān)鍵技術(shù)的研究，高質(zhì)量完成了大跨度斜拉橋鋼箱桁梁的架設(shè)，得出主要結(jié)論如下：

(1)針對(duì)鋼箱桁梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)橋址現(xiàn)場(chǎng)施工條件，首次提出了“邊輔跨頂推、中跨懸拼、跨中合龍、鋼箱梁與鋼桁梁同步安裝、塔梁同步”的鋼箱桁梁架設(shè)技術(shù)，可為同類斜拉橋主梁的架設(shè)提供參考。

(2)針對(duì)“回轉(zhuǎn)吊機(jī)”“橋面吊機(jī)+桅桿吊機(jī)”成本較高、架設(shè)工序復(fù)雜等缺點(diǎn)，圍繞本橋鋼箱桁梁的特點(diǎn)，研制了具有“豎向起吊、縱向倒運(yùn)”等功能的經(jīng)濟(jì)型架橋機(jī)。

(3)提出了“激光跟蹤、縱向調(diào)位、中線精調(diào)、標(biāo)高調(diào)位”的測(cè)量定位方法，實(shí)現(xiàn)了鋼箱桁梁的快速精確測(cè)量定位。