客運專線大跨度、大噸位鋼桁梁頂推架設(shè)技術(shù)及應(yīng)用

張立青,隋明國

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044；2.中鐵十三局集團(tuán)第四工程有限公司,哈爾濱 150001)

1 概述

正在大規(guī)模興建中的鐵路客運專線橋梁上部結(jié)構(gòu)以標(biāo)準(zhǔn)跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁為主,但是在跨越公路、鐵路、市政道路和其他設(shè)施由于條件限制無法采用連續(xù)梁施工時,鋼桁梁亦被采用,特別是在64 m至96 m跨度間,鋼桁梁具有較強競爭性,因此其在各客運專線中也有相當(dāng)數(shù)量的應(yīng)用。相對于傳統(tǒng)鐵路單線鋼桁梁,客運專線鋼桁梁具有跨度大，同時更有噸位高、安裝精度高等特點,采用何種架設(shè)方法也為業(yè)內(nèi)所關(guān)注。本文依托國內(nèi)京津、京滬和京石等線鋼桁梁頂推架設(shè)工程技術(shù)積累,以京滬高速鐵路某84 m跨鋼桁梁工程為例,對客運專線大跨度、大噸位鋼桁梁頂推架設(shè)技術(shù)進(jìn)行分析和論述。

2 總體頂推方案

2.1 工程概況

2.1.1 橋梁概況

京滬高速鐵路跨某橋主橋上部結(jié)構(gòu)為下承式雙線簡支鋼桁梁,跨徑84 m(39號墩～40號墩)。設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為雙線,線間距4.2 m,該橋位于15 000 m半徑豎曲線上,鋼桁梁斜置,線下為104國道立交橋,寬度32 m,斜交角36.83°,橋左側(cè)為四線運營鐵路；主桁采用無豎桿三角桁架布置,鋼桁梁總重10 858 kN。全橋平立面如圖1所示。

圖1 橋梁概況[1](單位：mm)

2.1.2 鋼梁結(jié)構(gòu)

主梁采用無豎桿三角桁,桁高12.3 m,節(jié)間長度12 m,主桁中心距10.6 m；上、下弦桿采用箱形截面,上弦桿高約1 000 mm,下弦桿高約1 500 mm,上、下弦桿內(nèi)寬均為800 mm；主桁節(jié)點采用整體節(jié)點,鋼梁結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鋼梁結(jié)構(gòu)[2](單位：mm)

2.2 整體頂推方案

2.2.1 技術(shù)設(shè)計主要范圍

鋼梁頂推法是指在橋位后方沿橋縱軸線方向?qū)摿浩囱b完畢后頂推,從而使之就位的架設(shè)方法,適用水深、橋高或橋下交通繁忙等條件的鋼梁架設(shè)；頂推法來源于鋼橋的縱向拖拉技術(shù),1959年前在建造奧地利阿格爾橋時首次使用；頂推設(shè)計內(nèi)容主要包括拼裝系統(tǒng)、導(dǎo)梁(鼻梁)系統(tǒng)、滑道系統(tǒng)(包括上滑道和下滑道)、頂推系統(tǒng)和落梁系統(tǒng)。

2.2.2 初步方案與計算

(1)初步架設(shè)方案

在進(jìn)行頂推設(shè)計時,應(yīng)根據(jù)工程實際初步提出多種方案,經(jīng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合比較后確定最終方案。由于本橋所跨國道為立交橋,國道上不具備搭設(shè)臨時支墩條件。結(jié)合其他鋼桁梁頂推經(jīng)驗,故建議采用長導(dǎo)梁頂推方案,并以此進(jìn)行設(shè)計和計算分析。

(2)模型建立與分析

根據(jù)鋼梁頂推架設(shè)流程,每頂推一個節(jié)間和每個滑道上下主橋永久墩側(cè)排架墩,均考慮為一個工況,分析共存在18個工況。鋼梁頂推計算模型節(jié)點如圖3所示,鋼桁梁考慮為三維空間桁架結(jié)構(gòu),各上滑道墊墩邊界條件考慮為單向支座,荷載主要考慮結(jié)構(gòu)自重,分別對18個工況建立模型進(jìn)行計算和分析。

圖3 鋼梁頂推模型節(jié)點

計算的主要內(nèi)容包括鋼桁梁各節(jié)點在各工況下的反力,各支墩在各工況下的豎向荷載,鋼桁梁結(jié)構(gòu)在各工況下的內(nèi)力、變形和穩(wěn)定性,導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)在各工況下的內(nèi)力、變形和穩(wěn)定性,結(jié)構(gòu)整體抗傾覆穩(wěn)定性和抗風(fēng)穩(wěn)定性,并以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行導(dǎo)梁系統(tǒng)、滑道系統(tǒng)等的結(jié)構(gòu)設(shè)計和驗算。如,以第15工況為例計算其模型和鋼桁梁各節(jié)點反力結(jié)果如圖4所示。

圖4 工況15上滑道節(jié)點反力(單位：kN)

統(tǒng)計各工況各節(jié)點上滑道墊墩反力計算結(jié)果如表1所示。

表1 各工況各節(jié)點上滑道墊墩反力統(tǒng)計 kN

根據(jù)頂推過程18個工況的計算結(jié)果,統(tǒng)計各支墩(支墩編號可參考圖1)在其最不利工況下的最大荷載結(jié)果見表2。

表2 各工況下支墩最大荷載統(tǒng)計 kN

各工況下鋼桁梁主梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形和穩(wěn)定性,鋼梁整體抗風(fēng)穩(wěn)定性均在規(guī)范以內(nèi)；同時在縱向抗傾覆穩(wěn)定性計算上,在第8工況下,即最大懸臂狀態(tài)下,抗傾覆系數(shù)K=4.9>1.3[3], 抗傾覆穩(wěn)定滿足要求,計算過程、結(jié)果不再詳述。

2.2.3 整體方案確定

根據(jù)上述計算,最終確定鋼桁梁架設(shè)采用長導(dǎo)梁頂推方案,在兩主墩靠路側(cè)設(shè)置排樁臨時支墩減少導(dǎo)梁懸臂長度,通過長導(dǎo)梁整體頂推完成鋼桁梁架設(shè)。結(jié)合現(xiàn)場條件,在頂推流程上首先進(jìn)行臨時支墩、拼裝平臺、頂推系統(tǒng)和滑道系統(tǒng)的施工,再進(jìn)行導(dǎo)梁和主梁前4個節(jié)間拼裝,第一次頂推；進(jìn)行主梁后3個節(jié)間拼裝,第二次頂推到位,落梁施工。在其他頂推工程中,如果條件許可,采用一次性拼裝完畢一次性頂推方案更佳。

3 重點分項工程

3.1 滑道

傳統(tǒng)頂推一般為設(shè)置在支墩臨時墊塊上,由光滑的不銹鋼板與組合的聚四氟乙烯滑塊組成(由四氟板與具有加勁鋼板的橡膠塊構(gòu)成)。頂推時,組合的聚四氟乙烯滑塊在不銹鋼板上滑動,并在前方滑出,通過不斷喂入滑塊,帶動梁身前進(jìn)[4]。針對大噸位的客運專線鋼桁梁,如何安全快速、有效控制方向地頂推鋼梁,傳統(tǒng)技術(shù)方案仍有研究空間；根據(jù)京津城際和南京地鐵等鋼桁梁頂推經(jīng)驗,并根據(jù)本鋼桁架梁結(jié)構(gòu)受力要求,上滑道采用間斷滑道,下滑道采用連續(xù)滑道形式；上滑道設(shè)置于主桁和導(dǎo)梁下弦桿大節(jié)點下,考慮下弦螺栓拼接和預(yù)拱度設(shè)置,將鋼梁整體墊高,且使上滑道底面處于同一水平面；導(dǎo)梁(受力較小)節(jié)點上滑道長度為2 m,主梁(受力較大)上滑道長度3.5 m,下滑道用多道50 kg/m鋼軌,確保在快速頂推的同時,實現(xiàn)較為準(zhǔn)確的控制頂推方向目標(biāo),其布置見圖1。

3.1.1 梁部

頂推施工下滑道梁部根據(jù)表2鋼桁梁頂推各工況下的滑道反力值,分別采用貝雷梁及型鋼。在跨104國道兩側(cè)主橋墩之間采用I45b型鋼,其余均采用貝雷梁。

(1)貝雷梁滑道

貝雷梁采用的片數(shù)根據(jù)滑道反力值進(jìn)行設(shè)計,受力較小的3號～7號支墩滑道部分橫向共8片貝雷梁(單側(cè)4片,采用橫連槽鋼[14a聯(lián)接),受力較大的7號～9號支墩滑道部分橫向共16片貝雷梁(單側(cè)8片,采用橫連[14a聯(lián)接)；貝雷梁上每個節(jié)點處均鋪I20a橫梁,橫梁兩端與貝雷梁上弦桿之間采用U形螺栓聯(lián)接,在橫梁上鋪設(shè)滑道鋼軌,軌道與橫梁之間采用鋼軌扣件聯(lián)接；架設(shè)貝雷梁時須使橫梁及橫墊梁位于節(jié)點上,保證貝雷梁的受力點與設(shè)計吻合；貝雷梁下采用八三墩做橫墊梁,貝雷梁下弦桿與八三墩橫墊梁兩端之間采用U形螺栓聯(lián)接。

(2)型鋼滑道

從計算結(jié)果可知,在跨104國道兩側(cè)主橋墩之間滑道(9號～12號支墩滑道部分)受力相當(dāng)集中,故采用橫向10排I45b作為下滑道以確保受力要求,其上滿鋪八三墩做橫梁,確保鋼軌橫向分配荷載。

3.1.2 下滑道支墩和基礎(chǔ)

一般來說下滑道支墩僅在施工中使用,在符合要求的前提下要造價底,便于拆裝。支墩根據(jù)鋼桁梁頂推各工況下的滑道反力值,分別采用制式器材八三墩及鋼管排樁結(jié)構(gòu)形式：在跨104國道兩側(cè)主橋墩之間采用鋼管排樁；其余均采用八三墩,橋墩之間采用2×2截面形式,墩頂直接采用八三墩墊梁。

(1)八三墩臨時支墩

根據(jù)表2計算結(jié)果,采用八三墩的臨時支墩荷載最大為1 150 kN,故設(shè)計采用2×2截面形式可以滿足工程要求；2×2截面形式臨時支墩布置形式為橫橋向1.75 m,縱橋向1.5 m,按規(guī)定布置橫向連接系,由于臨時支墩較高,故高度方向上每6 m左右設(shè)置1道水平連接系,同時下部設(shè)置了變截面保持臨時墩穩(wěn)定性,為保證施工中對臨時支墩的抗縱向水平力,在臨時支墩墩頂附近設(shè)置鋼絞線與永久墩有效連接。

(2)排樁支墩

根據(jù)表2計算結(jié)果,在跨104國道兩側(cè)主橋墩之間支墩荷載最大為3 850 kN,故設(shè)計采用鋼管排樁形式臨時支墩，以滿足頂推鋼梁對下滑道支墩的要求；排樁支墩基本截面形式為3×2,鋼管截面采用1 020 mm×12 mm。為保證排樁自身的穩(wěn)定性設(shè)計,采用I20b焊接件做水平連接系,支墩高度方向上不大于5 m設(shè)置1道。

3.2 導(dǎo)梁

導(dǎo)梁的結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行受力狀態(tài)分析和內(nèi)力計算,一般來說導(dǎo)梁的長度可取頂推跨徑的0.6～0.7倍,較長的導(dǎo)梁可以減小主梁懸臂負(fù)彎矩,但過長的導(dǎo)梁也會導(dǎo)致導(dǎo)梁與鋼梁接頭處負(fù)彎矩和支反力的增加。本橋?qū)Я涸O(shè)置在主梁的前端,采用易拼裝、剛度大的八七式搶修鋼梁,導(dǎo)梁由過渡段,導(dǎo)梁主體和上墩頂升牛腿(由于在大懸臂上墩過程中前端下?lián)峡赡茌^大,導(dǎo)梁最前端設(shè)置頂梁上墩結(jié)構(gòu))組成,采用直線桁架結(jié)構(gòu),長度為48 m,“米”字形桁架,為減小導(dǎo)梁自重,采用變高度形式,高8 680 mm和4 340 mm,節(jié)間長8.00 m,主桁中心距5 182×2=10 364 mm,總質(zhì)量約170 t。

為了有利于上滑道,在導(dǎo)梁前端設(shè)有上墩頂升牛腿缺口,當(dāng)鋼導(dǎo)梁即將到達(dá)前方39號橋墩時,利用牛腿上放置500 kN液壓千斤頂接引鋼導(dǎo)梁上滑道,上墩頂升牛腿為結(jié)合工程特別設(shè)計。

3.3 頂推系統(tǒng)

根據(jù)計算設(shè)置4臺1 500 kN水平頂推千斤頂,采用多點頂推方式：2套千斤頂安裝在40號橋墩,另2套設(shè)置在39號橋墩上,在鋼梁橫梁下左右布置,中心距離為7.77 m,拉桿采用鋼鉸線,拉錨器設(shè)置于梁底端橫梁接縫處。

3.3.1 計算

對頂推工程施工設(shè)計,頂推摩擦力的確定和控制是其第一控制要素,按主梁和導(dǎo)梁全部拼裝完進(jìn)行頂推,頂推力12 408 kN,頂推力計算公式[5～6]如下

H=K×G×f+G×I

式中H——頂推力；

K——安全系數(shù),一般取1.2～1.5；

G——頂推鋼梁總重；

f——滑道摩擦系數(shù),一般取0.2；

I——頂推桁梁的設(shè)計坡度；安全系數(shù)K取1.2。

得H約為2 980 kN。需要特別注意的是在方案中應(yīng)該對摩擦力有充分的估計,技術(shù)設(shè)計中應(yīng)確保足夠的頂推力儲備,在客運專線鋼桁梁頂推中,采用數(shù)量少的鋼軌在重大的移動荷載下,鋼軌和上滑道的壓強很大,直接增加摩擦因數(shù)和摩擦力。因此必須選用合理數(shù)量的鋼軌(增加下滑道面積,減小壓強),必要時取消鋼軌方案,直接鋪設(shè)連續(xù)鋼板加設(shè)聚四氟乙烯滑塊做下滑道,甚至采用如MGE高分子材料(MGE具有高抗壓承載能力和耐磨、摩擦因數(shù)小的特點,抗壓強度超過25 MPa,與不銹鋼板的摩擦因數(shù)為0.03～0.05)做滑板材料[7],合理、適當(dāng)增加的投入直接減少工期,實際上在總體上降低了工程造價。

3.3.2 頂推系統(tǒng)及相關(guān)配置

傳統(tǒng)頂推裝置分2種,一是水平千斤頂設(shè)置于鋼梁后側(cè),通過夾持鋼軌頂推鋼梁,多用于單點頂推；二是直接設(shè)置穿心式千斤頂,通過張拉錨固于后錨裝置的鋼絞線束完成鋼梁的頂推,可單點頂推,也可多點頂推。對客運專線鋼桁梁頂推,建議采用第二種方式,同時采用連續(xù)千斤頂確保頂推的連續(xù)性和平穩(wěn)性。

(1)頂推千斤頂和鋼托架

根據(jù)計算結(jié)果,設(shè)計采用ZLD150型連續(xù)頂推千斤頂4臺,在40號和39號墩頂各安裝2臺。頂推千斤頂安裝在鋼托架上,鋼托架錨固在橋墩預(yù)埋件上。頂推托架為組焊件,鋼托架結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 鋼托架結(jié)構(gòu)(單位：mm)

(2)拉錨器和牽引裝置

拉錨器設(shè)置在梁底端橫梁拼接板處,為組焊件,采用高強螺栓安裝在端橫梁上；拉錨器采用夾片式錨具；鋼絞線束根數(shù)依頂推力確定(使其彈性伸長值小于50 mm為準(zhǔn),本橋采用9束),采用抗拉強度1 860 MPa的9-7φ5鋼絞線；拉錨器和鋼絞線安裝好后,采用單束張拉千斤頂進(jìn)行預(yù)緊,以保證頂推過程中鋼絞線受力均勻和頂推的連續(xù)性,拉錨器布置見圖6。

圖6 拉錨器布置(單位：mm)

4 結(jié)語

本文依托我院近年對國內(nèi)客運專線大跨度、大噸位鋼桁梁頂推技術(shù)研究成果,結(jié)合多條客運專線鋼桁梁頂推工程實例,對鋼桁梁頂推技術(shù)進(jìn)行了較為深入的分析,通過在京津、京滬、京石等線鋼桁梁頂推工程實例證明,采用本頂推技術(shù)可實現(xiàn)技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用、快速有效的鋼桁梁架設(shè)目標(biāo),為后續(xù)的鋼桁梁架設(shè)安裝工程提供參考。

[1]中鐵五院集團(tuán)公司技術(shù)研究院.濟(jì)南至上海新建高速鐵路跨104國道特大橋84 m鋼桁梁頂推施工設(shè)計圖[Z].北京：2009．

[2]鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司. 京滬橋通61-Ⅰ-00 84 m鋼桁梁[Z].天津：2008．

[3]TB 10123—2002，鐵路橋涵施工規(guī)范[S].

[4]馬如嶺.跨鐵路線78 m鋼桁梁頂推施工[J].鐵道建筑,2006(2)．

[5]董啟軍.連續(xù)鋼箱梁頂推施工[J].施工技術(shù),2005(5)．

[6]彭仁國.跨鐵路鋼箱梁頂推施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2009(7)：45-46.

[7]涂滿明,姚發(fā)海.超大跨連續(xù)鋼桁梁多點頂推架設(shè)施工技術(shù)[J].交通科技,2009(1)．