大跨度窄箱式鋼混組合梁施工技術(shù)

鄧小峰

（中國水利水電第十一工程局有限公司，鄭州 450000）

1 工程概況

包家莊特大橋橋梁全長1 006 m，橋面寬11.5 m，全橋左線共6聯(lián)，右線共7聯(lián)；主橋采用3聯(lián)3×70 m窄箱式鋼混組合梁，重7 362 t；主橋跨越?jīng)_溝和山谷處采用空心薄壁墩，群樁基礎(chǔ)，墩身最大高度123.5 m；引橋位于山體陡坡區(qū)域，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土（后張）T梁，先簡支連續(xù)，下部結(jié)構(gòu)橋臺采用樁柱式橋臺，橋墩采用雙肢圓柱墩，橋臺、橋墩均采用樁基礎(chǔ)。

鋼梁為邊主梁形式，中間用橫聯(lián)連接。每幅鋼梁由兩片箱型邊主梁組成，邊主梁中心線間距6.7 m。每片邊主梁頂板寬1.5 m，底板寬1.6 m，腹板間距1.4 m，中心線處梁高3.5 m。其內(nèi)側(cè)布置橫隔板，梁端橫隔板間隔為3.08 m，其余橫隔板間隔為3.5 m。邊主梁間采用工字形斷面橫聯(lián)連接，橫聯(lián)除梁端間距為3.08 m外，其余間距均為7.0 m。鋼梁結(jié)構(gòu)三維圖見圖1。

圖1 鋼梁三維效果圖

橫聯(lián)分為普通橫聯(lián)、加強橫聯(lián)、支座橫聯(lián)3種。橫聯(lián)與邊主梁連接采用栓焊組合形式，邊主梁腹板上預(yù)留有接頭，橫聯(lián)腹板與接頭栓接，頂?shù)装迮c接頭焊接。

2 工程地形條件

橋址區(qū)地處斜坡地帶，中間低兩端高，呈“凹”狀，橋梁主要沿斜坡展布。橋位軸線地表高程1 350～1 503 m，相對高差153 m。橋址區(qū)隧道出口段基巖大部分出露，植被少量發(fā)育，槽谷到隧道進(jìn)口段基巖少量出露，植被發(fā)育。個舊岸橋臺位于斜坡中上部，斜坡較陡，坡度30°～35°，元陽岸橋臺分布于整個斜坡，地形坡度較個舊岸橋臺斜坡要緩，坡度約為8°～12°。

3 施工工藝

3.1 頂推方法選擇

包家莊特大橋主橋為直線橋梁，引橋段處于圓曲線上，由于小樁號側(cè)靠近隧道出口，且地勢陡峻無法修筑頂推平臺，大樁號側(cè)引橋橋墩高度在30～15 m不等，在引橋段施作頂推平臺臨時鋼結(jié)構(gòu)工程量較大，現(xiàn)場根據(jù)地形情況將頂推平臺設(shè)置在大樁號引橋尾部的路基上，考慮到鋼梁直線頂推需對路基段邊坡進(jìn)行開挖，造成新增征地且開挖量較大，工期較長。結(jié)合鋼梁結(jié)構(gòu)特點、道路線性等因素，經(jīng)綜合考慮，采用拖拉式與步履式頂推法組合施工，在設(shè)計路基開挖范圍內(nèi)設(shè)置縱向拖拉平臺，引橋部位沿主橋軸線方向設(shè)置橫移平臺，將主梁在拼裝平臺拼接好后先進(jìn)行縱移拉出拼裝平臺，再橫向移位至頂推平臺，在頂推平臺前端設(shè)置拼接區(qū)進(jìn)行二次拼接。

3.2 鋼梁施工工藝

施工準(zhǔn)備→頂推設(shè)備安裝調(diào)試→第一段鋼梁焊接→前導(dǎo)梁安裝→向前拖拉70 m→橫向拖拉至設(shè)計軸線→第一段鋼梁頂推→第二段鋼梁焊接、縱向拖拉、橫向移動→循環(huán)頂推至設(shè)計位置→拆除前導(dǎo)梁→安裝支座→落梁。

3.2.1 鋼梁制造

本工程鋼梁制造分為兩個階段，即“工廠完成構(gòu)件制作，現(xiàn)場完成節(jié)段連接和頂推就位”。

全橋構(gòu)件在工廠車間下料、制作，在涂裝車間進(jìn)行噴砂除銹和涂裝，在預(yù)拼裝場地進(jìn)行預(yù)拼裝，構(gòu)件制作完成后，由汽車運輸至現(xiàn)場拼裝場進(jìn)行連接。

3.2.2 鋼梁預(yù)拼裝

對鋼橋按照規(guī)范要求全部進(jìn)行預(yù)拼裝，本橋有邊主梁、端支座橫聯(lián)、中支座橫聯(lián)、加強橫聯(lián)、普通橫聯(lián)等，組裝匹配件后，以中間測量塔確定的縱基線為基準(zhǔn)，反畫出橋軸中心線，并在兩端頭打上樣沖，作為橋位精確對位的基準(zhǔn)。采用平面連續(xù)匹配預(yù)拼裝，使梁段處于無應(yīng)力狀態(tài)，每批試拼裝的梁段數(shù)不少于3段，試拼裝檢查合格后，留下最后一個梁段參與下一批次拼裝。場內(nèi)預(yù)拼裝完成并合格后采用平板運輸車運輸至現(xiàn)場進(jìn)行現(xiàn)場拼裝。

3.2.3 頂推裝置選擇

包家莊特大橋單幅鋼箱梁重約3 800 t，根據(jù)模擬計算，頂推施工中各墩最大支反力約為4 410 kN（441 t），單個墩采用2臺600 t級步履頂推裝置。

步履頂推裝置是一套集頂升、平移、橫向調(diào)整于一體的頂推設(shè)備，可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的順橋向、豎向、橫橋向的移動或調(diào)整，從而保證頂推施工的順利進(jìn)行。

3.2.4 大噸位鋼梁連續(xù)滑道制作

連續(xù)梁頂推滑道裝置，由下部承力箱型結(jié)構(gòu)、MGE板滑塊、不銹鋼板、滑道基礎(chǔ)組成。

下部承力箱型結(jié)構(gòu)由鋼板焊接組成，MGE板與承力箱型結(jié)構(gòu)采用螺栓固定，另一面與不銹鋼板接觸，整個裝置坐落在連續(xù)混凝土基礎(chǔ)上?；炷翖l形基礎(chǔ)頂面標(biāo)高控制使用兩道角鋼通長連接，精調(diào)到位后焊接固定，誤差保證在±1 mm。角鋼上滿鋪12 mm厚調(diào)平鋼板并與角鋼焊接固定，鋼板上部滿鋪不銹鋼板焊接固定，鋼板兩側(cè)采用10 cm高通長鋼板焊接固定作為限位裝置，可達(dá)到鋼梁連續(xù)滑動的目的。

3.2.5 鋼梁拖拉與步履組合頂推施工

為節(jié)約成本，頂推平臺設(shè)置在路基段，同時結(jié)合主橋為直線線形的特性，頂推平臺軸線需與主橋中心線保持一致，設(shè)置在主橋直線延伸線上。由于受圓曲線段路基影響，頂推平臺延主橋直線延伸后入侵邊坡超過30 m，石方開挖量較大，邊坡破壞嚴(yán)重，結(jié)合現(xiàn)場地形，最終確定頂推施工分為鋼梁拼裝、縱向拖拉、橫移、頂推四步走。在路基段設(shè)置拼裝區(qū)，焊接拼裝鋼梁，在右幅引橋18號墩大樁號側(cè)LK9+681至路基段LK8+056設(shè)置頂推平臺，長72 m（路基段19.4 m），引橋段設(shè)置臨時墩安放頂推設(shè)備，鋼梁拼裝完成后，先采用連續(xù)千斤頂通過預(yù)應(yīng)力鋼絞線與拉錨器[1]縱向拖拉至頂推平臺左側(cè)，然后橫移至頂推平臺，橫移距離19 m，再進(jìn)行頂推施工。

3.2.6 無臨時墩長懸臂頂推及臺階式短導(dǎo)梁施工

由于橋梁處于山區(qū)，地形高差大，在頂推臺座前方設(shè)置小間距臨時墩成本過高。鋼主梁在頂推施工中，鋼結(jié)構(gòu)的最大懸臂長度為70 m，此時鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移值最大，充分利用鋼主梁結(jié)構(gòu)自身剛度高的特點，采用長6 m的臺階式短導(dǎo)梁[2]減少臨時導(dǎo)梁用鋼量，優(yōu)化上墩方式，利用導(dǎo)梁前端下?lián)希档土寺淞猴L(fēng)險。

當(dāng)導(dǎo)梁前段第一臺階臨近頂推設(shè)備時，將其頂起,采取導(dǎo)梁過墩措施,待導(dǎo)梁平穩(wěn)落頂就位于頂推設(shè)備上，再開始正式頂推。導(dǎo)梁臨時起頂采用100 t螺旋頂。短導(dǎo)梁構(gòu)造如圖2所示。

圖2 短導(dǎo)梁構(gòu)造（單位：mm)

3.3 頂推施工控制計算及監(jiān)測

組合梁鋼梁頂推全過程結(jié)構(gòu)安全復(fù)核是鋼梁頂推施工監(jiān)控的重點內(nèi)容之一，其具體內(nèi)容包括：鋼梁及導(dǎo)梁整體應(yīng)力（穩(wěn)定性）驗算、鋼箱梁局部應(yīng)力驗算。

3.3.1 鋼箱梁及導(dǎo)梁整體應(yīng)力驗算

依據(jù)設(shè)計圖紙和施工方案，采用空間三維桿系程序進(jìn)行鋼箱梁頂推全過程的鋼箱梁及導(dǎo)梁整體應(yīng)力驗算。

計算模型選擇的單元包括梁單元、單向受壓桿單元。計算模型參與結(jié)構(gòu)包括鋼箱梁、導(dǎo)梁和等效支承體系。其中，鋼箱梁、導(dǎo)梁個頂推平臺等使用空間梁單元模擬。等效支承體系包括拼裝平臺墊塊、支架和臨時墩。

按照“一次落架”+“強迫位移”模擬頂推施工過程，采用“梁不動、支承動”的方法建模。

通過頂推全過程整體應(yīng)力驗算，獲取的結(jié)果包括各計算工況下鋼箱梁及導(dǎo)梁各截面的彎矩、應(yīng)力和撓度、支點反力。統(tǒng)計鋼箱梁及導(dǎo)梁最大應(yīng)力、頂推支點最大反力等，通過分析，驗算頂推全過程的鋼梁及導(dǎo)梁整體應(yīng)力的安全性。

3.3.2 鋼箱梁局部應(yīng)力（含穩(wěn)定性）及驗算

通過鋼梁頂推全過程的施工驗算，獲取鋼箱頂推過程中的最不利工況，如鋼箱梁最大應(yīng)力、頂推支點最大反力等。將鋼箱梁整體應(yīng)力驗算的計算結(jié)果作為邊界條件，進(jìn)行鋼梁局部應(yīng)力（含穩(wěn)定性）驗算。

在頂推施工過程中，每個斷面都將承受來自臨時支承處的支點反力；腹板板件處于彎曲正應(yīng)力、剪應(yīng)力和豎向正應(yīng)力的復(fù)合受力狀態(tài)，在不配置支承加勁肋的情況下，如果腹板受力過大，會出現(xiàn)局部塑性破壞或腹板側(cè)鼓失穩(wěn)的現(xiàn)象。因此，需要加強對腹板的強度和穩(wěn)定性驗算。

4 結(jié)語

施工過程中，充分利用現(xiàn)狀地形和鋼梁自身結(jié)構(gòu)特點，依托曲線路基和引橋段設(shè)置縱向拖拉+橫向平移頂推平臺，解決了空間受限鋼梁拼裝及拖拉就位難題；步履式頂推采用電液比例同步控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了過程同步動作；充分利用鋼主梁抗彎強度，采用臺階式短導(dǎo)梁引導(dǎo)上墩，減少了臨時導(dǎo)梁的用鋼量。

1）在“高墩+窄箱式鋼混組合梁橋”的情況下，采用頂推法施工，完成了深山區(qū)裝配式橋跨上部結(jié)構(gòu)施工問題。

2）在窄箱大跨度長距離鋼混組合梁頂推施工中，采用曲線路基和引橋段設(shè)置“縱向拖拉+橫向平移”頂推平臺，解決了平曲線處鋼梁拼裝平臺、頂推平臺與主橋中心線不同軸及頂推場地受限的問題。

3）頂推施工中同一墩頂設(shè)置一套液壓泵站與一套液壓千斤頂裝置串聯(lián)，相鄰墩柱處液壓泵站相互串聯(lián)，采用電液比例同步控制步履式頂推系統(tǒng)，實現(xiàn)了高墩大跨度窄箱式鋼梁頂推過程中無水平推力，同步動作，確保頂推千斤頂同步工作，保證鋼梁各向位移一致。

4）充分利用鋼主梁抗彎強度，用臺階式短導(dǎo)梁代替?zhèn)鹘y(tǒng)導(dǎo)梁，采用臺階式短導(dǎo)梁引導(dǎo)上墩，減少臨時導(dǎo)梁鋼材用量及落梁高度，節(jié)約臨時工程造價的同時增加了梁的安全系數(shù)。

通過此次關(guān)鍵點的技術(shù)創(chuàng)新，包家莊特大橋窄箱式大跨度鋼混組合梁頂推施工得以優(yōu)質(zhì)、快速地完成，同時節(jié)約了投資成本，值得其他類似工程借鑒和參考。