大跨度鋼桁梁頂推墩旁支架設(shè)計與施工

王希崗

（中鐵十四局集團第三工程有限公司,山東 濟南 250300）

0 引言

頂推施工法因施工機械設(shè)備簡便、結(jié)構(gòu)整體性好、節(jié)省施工用地等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于橋梁建設(shè)過程中。頂推法在橋梁施工領(lǐng)域經(jīng)過多年的應(yīng)用和改進，根據(jù)采用的設(shè)備和受力原理不同逐步發(fā)展成楔進式、拖拉式（擦滑式）和步履式三種方式[1-2]。目前拖拉式設(shè)備在國內(nèi)鐵路鋼桁梁施工中應(yīng)用較多[3]，步履式頂推設(shè)備在國內(nèi)公路鋼箱梁施工中應(yīng)用廣泛[4-6]。由于設(shè)備的選擇不同，對于鋼梁受力與頂推臨時結(jié)構(gòu)支撐體系要求均不相同，針對不同橋型的施工需要進行單獨研究與設(shè)計[7]。

黃大鐵路黃河特大橋主梁為梯形桁架，鑒于鋼桁梁只能是大節(jié)點受力，無法采用步履式頂推，只能采用多點連續(xù)頂推法進行施工。墩旁支架作為鋼桁梁的頂推和支撐平臺，其施工質(zhì)量是頂推施工能否安全、順利完成的重要影響因素。因此該文基于鋼桁梁頂推施工，系統(tǒng)地探究了墩旁支架的設(shè)計與安裝等施工工藝和關(guān)鍵技術(shù)，該方法具有結(jié)構(gòu)簡單、施工快捷、成本較低等特點。

1 工程概況

新建黃大鐵路黃河特大橋主橋全長960 m，兩側(cè)120 m邊跨連接引橋，4 聯(lián)180 m 主跨橫跨黃河，主橋上部結(jié)構(gòu)采用下承式連續(xù)鋼桁梁，橋墩基礎(chǔ)采用直徑1.8 m 的鉆孔灌注樁，群樁承臺，橋墩為圓端型實體橋墩，上游側(cè)設(shè)計有破冰體。

主梁的兩片主桁均為高18.0 m 的梯形桁架，兩桁片中心距11.0 m，通過下橫梁、上下平聯(lián)連接為整體，桁片采用斜腹桿交錯式，節(jié)間長度10 m，桁架結(jié)構(gòu)特點，鋼桁梁只有下弦大節(jié)點處能滿足頂推法施工的集中荷載，無法采用步履式頂推工藝進行施工，而多點連續(xù)頂推法可充分利用桁架結(jié)構(gòu)特點，并在鋼桁梁前端設(shè)120 m 長變截面的桁架式鋼導(dǎo)梁，進行鋼桁梁頂推施工。在114～115墩之間設(shè)置拼裝平臺，在115～116墩之間設(shè)置一個臨時墩，各主墩兩側(cè)設(shè)置墩旁托架，用以布置頂推體系。鋼桁梁頂推施工臨時結(jié)構(gòu)布置如圖1 所示。

圖1 鋼桁梁頂推臨時結(jié)構(gòu)布置圖(單位：m)

2 墩旁托架設(shè)計概述

根據(jù)鋼桁梁的自身結(jié)構(gòu)特點，在主桁正下方布置支架，支架之間通過橫向連接系連成一個整體，支架通過預(yù)埋件跟主墩連接，墩身兩側(cè)的墩旁支架通過精軋螺紋鋼對拉成一個整體。

墩旁托架的立柱采用φ1 220×12 mm 的鋼管混凝土柱，之間的連結(jié)系采用φ630×8 mm 鋼管；墩身兩側(cè)的托架在柱頂采用4 根φ32 精軋螺紋鋼對拉，使之與墩身連成整體。鋼管上搭設(shè)高150 cm 的滑道梁，滑道梁與柱頂采用限位鋼板連接牢固。為保證在鋼桁梁頂推過程中至少有一個下弦桿上的大節(jié)點位于滑道梁上方，最終確定滑道梁設(shè)計長度為2.5 倍腹桿節(jié)間長度，即25 m。結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2 所示。

圖2 墩旁托架側(cè)立面圖（單位：cm）

3 墩旁托架設(shè)計計算

3.1 墩旁支架計算荷載取值

在鋼桁梁頂推施工過程中，隨著頂推的進行及后端梁段的不斷安裝，鋼桁梁的懸臂長度與固定長度不斷變化，導(dǎo)致墩旁支架上用以支撐鋼梁的滑塊位置及對墩旁支架的作用力大小也隨之改變。因此，在進行墩旁支架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗算時，須對整個鋼梁的頂推過程進行分析，取得該過程中滑塊所受最大荷載，以此為控制荷載，將其以移動荷載的方式施加到Midas Civil 建立的墩旁支架整體模型上。

3.2 計算假定

3.2.1 邊界條件

墩旁支架的立柱與承臺上的預(yù)埋鋼板焊接，并增加加勁肋，限制其轉(zhuǎn)角及位移，其底部按固結(jié)進行約束；滑道梁一端牢固地焊接在橋墩托盤頂?shù)念A(yù)埋鋼板上，同樣以固結(jié)對其進行約束；滑道梁與鋼管立柱、鋼管立柱與縱橫向連接系均采用焊接方式連接并用加勁肋加強，故桿件連接節(jié)點均采用剛接，有限元軟件可根據(jù)各構(gòu)件的剛度進行彎矩傳遞及荷載分配。

3.2.2 單元類型

整體計算模型中φ1 220×12 mm 鋼管混凝土立柱、φ820×20 mm 鋼管斜撐、φ630×8 mm 鋼管平聯(lián)、滑道梁均采用梁單元進行模擬。

3.3 計算結(jié)果

3.3.1 應(yīng)力計算

各桿件的組合應(yīng)力和剪應(yīng)力均小于材料強度的設(shè)計值（如表1）。

表1 頂推階段各桿件受力結(jié)果

3.3.2 位移計算

根據(jù)各工況分析計算，支架最大變形值為5.5 mm。

3.3.3 整體穩(wěn)定性計算

采用Midas 對整個墩旁支架進行線性屈曲分析，得到結(jié)構(gòu)的10 個屈曲模態(tài)，其中一階屈曲的Md-XYZ 模態(tài)如圖3。

圖3 一階屈曲的Md-XYZ 模態(tài)

臨界荷載的特征值為68.7，遠大于規(guī)范規(guī)定的系數(shù)4，結(jié)構(gòu)不會發(fā)生整體失穩(wěn)。

4 墩旁支架施工

墩旁支架的施工工藝：預(yù)埋鋼板施工→安裝內(nèi)側(cè)鋼立柱→安裝連墻件→安裝外側(cè)斜鋼管立柱→安裝連接系→鋼管立柱灌注混凝土→精軋螺紋鋼張拉→滑道梁安裝。

4.1 桿件加工

墩旁托架的立柱和連接系均為圓鋼管，為保證圓管相貫處尺寸的精確度，在相貫口切割之前，利用計算機三維建模與展開，做出圓管節(jié)相貫處的平面展開圖。并按照1 ∶1 的比例將平面展開圖在專用樣板紙上繪制、裁剪。將裁剪成型的樣板紙圈在管壁外且保證緊貼，并臨時固定，根據(jù)展開線形狀用記號筆在圓管上繪制出相貫線，繪制時注意樣板紙折卷后的閉合狀態(tài)及不與鋼管發(fā)生滑移。

相貫線繪制完成后，按照標(biāo)記對鋼管進行切割。為使圓管之間接觸面良好，使用氣割對相貫處圓管邊緣向外打坡口。

4.2 預(yù)埋件施工

墩旁托架的滑道梁通過預(yù)埋鋼板與墩頂進行連接。墩頂預(yù)埋鋼板尺寸為1 000 mm*800 mm，20 mm 厚。預(yù)埋板下方設(shè)長度為650 mm 的錨筋，錨筋要采用Φ22 的圓鋼加工，與錨板之間開孔塞焊。主墩墩身施工時，在墩身頂部混凝土澆筑前測量放樣出預(yù)埋件位置，錨板底面位于頂層鋼筋上，將錨板與頂層鋼筋焊接。預(yù)埋件埋設(shè)時要求焊接牢固，混凝土澆筑完成后表面平整、密實。為保證預(yù)埋鋼板底部的混凝土澆灌的密實，在鋼板中部設(shè)置直徑150 mm 的澆灌孔。為使振搗時氣泡能夠排出，在鋼板角部設(shè)置Φ25 mm 的排氣溢漿圓孔。

4.3 鋼管立柱安裝

墩身施工完成后，通過棧橋?qū)⒍张酝屑軜?gòu)件運輸至墩附近。QUY75 履帶吊吊住鋼管上部，25 t 汽車吊吊住鋼管底部，通過兩臺吊車的起鉤和落鉤配合完成鋼管空中豎轉(zhuǎn)作業(yè)，轉(zhuǎn)體至豎直狀態(tài)后由QUY75 履帶吊提吊。

在預(yù)埋鋼板上設(shè)置導(dǎo)向、定位、反拉裝置，精確對位后進行臨時固定。安裝過程中使用兩臺經(jīng)緯儀做垂直度角觀察立柱垂直度，發(fā)現(xiàn)不垂直及時進行調(diào)整。墩旁托架安裝時，先安裝遠離便橋一側(cè)的鋼立柱和連接系，再安裝靠近棧橋一側(cè)的鋼立柱和連接系。

4.4 鋼管混凝土灌注

混凝土由立柱頂部灌注，由于立柱高度超過2 m 且直徑較大，為防止混凝土澆筑時摔落離析，采用串桶輸送至立柱內(nèi)，混凝土一次性澆筑高度不大于1 m，并使用加長的插入式振動器進行振搗，振動時間20～30 s，并以混凝土不再明顯下沉，開始泛漿為準(zhǔn)?；炷了冶炔灰舜笥?.4，坍落度不宜大于240 mm，待混凝土澆至柱頂后，將頂部的浮漿清除，并使用等強的細(xì)石混凝土澆筑至柱頂。

4.5 精軋螺紋鋼張拉

當(dāng)滑塊移動到滑道梁前端時，滑塊會對托架外側(cè)立柱產(chǎn)生較大的水平力，因此在托架立柱側(cè)面設(shè)置6 根Φ32精軋螺紋鋼使墩身兩側(cè)的托架與主墩形成一個整體，以抵抗該水平力。

當(dāng)鋼管內(nèi)混凝土強度達到75%時，進行精軋螺紋鋼的橫向張拉。張拉時，鋼管兩側(cè)的精軋螺紋鋼對稱同步進行。張拉時按照0→10%σ→20%σ→100%σ 分三級進行加載，每級加載持荷不少于2 min。精軋螺紋鋼張拉以張拉應(yīng)力和伸長值雙控，并以張拉應(yīng)力控制為主，伸長量校核為輔，當(dāng)張拉實際伸長值與理論伸長值偏差超過6%時，應(yīng)立即停止張拉，待查明原因并采取措施后再進行施工。

4.6 滑道梁安裝

滑道梁設(shè)計長度為25 m，受運輸和安裝條件限制，將其劃分為5 個節(jié)段，進行分節(jié)加工、制作，其中最大節(jié)段長6 m，重15 t，并委托專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)加工廠加工制作。

滑道梁采用75 t 履帶式起重機安裝。吊裝前，使用噴漆在滑道梁兩端標(biāo)出中心位置，并分別在柱頂鋼板上、墩柱托盤上標(biāo)出滑道梁的中心線、兩側(cè)邊線以及梁端位置，作為控制點，便于安裝過程中滑道梁的位置確定（如圖4）。

圖4 滑道梁分段示意圖

總體安裝按照由內(nèi)而外的順序：首先吊裝滑道梁HDL-3 到墩頂設(shè)計位置處，其次吊裝中間的HDL-2，最后吊裝位于最外側(cè)的HDL-1 至設(shè)計位置。根據(jù)放出的中心線及邊緣線，將滑道梁位置調(diào)整完成后，施擰高強螺栓對滑道梁進行節(jié)段連接，安裝完成后使用液壓千斤頂對滑道梁的空間姿態(tài)進行微調(diào)，使滑道梁中心線位置和滑道頂面標(biāo)高滿足設(shè)計要求，校驗合格后，在墩旁支架的柱頂鋼板上、托盤頂預(yù)埋鋼板上焊接梯形加勁板以固定滑道梁。

5 結(jié)束語

帶導(dǎo)梁的鋼桁梁多點連續(xù)頂推施工方案在東營黃大鐵路黃河特大橋的成功應(yīng)用，不僅克服了鋼梁懸拼法施工安全風(fēng)險高、工藝復(fù)雜的缺點，還根據(jù)鋼桁梁的受力特點，充分發(fā)揮了多點連續(xù)頂推的優(yōu)勢，同時也極大地加快了施工進度，成功解決了同步頂推控制的施工難題。在施工過程中，通過施工方案多次優(yōu)化，將施工工序一再簡化，尤其是該文的墩旁支架設(shè)計，充分利用永久結(jié)構(gòu)，“永臨結(jié)合”，減少臨時結(jié)構(gòu)材料用量，大大降低了臨時結(jié)構(gòu)的施工成本。該案例的成功實施，可以為同類工程提供借鑒。