宜萬鐵路宜昌長江大橋鋼管拱拼裝和豎轉施工技術

劉崇亮

(中鐵大橋局集團有限公司,武漢 430050)

宜萬鐵路宜昌長江大橋鋼管拱拼裝和豎轉施工技術

劉崇亮

(中鐵大橋局集團有限公司,武漢 430050)

介紹宜昌長江大橋主橋兩跨2×275m剛構梁鋼管柔性拱先梁后拱的施工技術。在已施工的剛構梁橋面上,在邊跨梁面上設置一臺固定式吊機做提升站,兩主跨梁面上設鋼管拱拼裝支架;拱肋經汽運、水運至提升站下,由提升站將拱肋節段提升到梁上,經梁面運輸車運至拼裝位置,而后由梁面走行式龍門吊機負責將拱肋吊裝及組拼成兩個半跨,千斤頂張拉扣索豎轉鋼管拱合龍成拱。對鋼管拱豎轉施工結構進行了介紹,對鋼管拱豎轉施工方案、安裝方法步驟以及同步提升豎轉施工控制要點進行敘述。

宜萬鐵路;鋼管拱橋;豎向轉體;施工

1 工程概況

宜昌長江大橋主橋為130m+2×275m+130m雙線PC連續剛構梁鋼管柔性拱結構,鋼管拱計算跨徑264m,矢跨比1/5,矢高52.8m,拱軸線為二次拋物線(拋物線方程Y=-X2/330+0.8X),拱肋弦管采用2m左右的直管折線對接起拱。拱肋為桁架式全焊鋼管混凝土結構,每肋由4根弦管、橫向平聯板和豎向腹桿組成,弦桿為φ750mm鋼管,腹桿為φ450mm鋼管。每肋弦管橫向中心距1.7m,豎向中心距由拱腳處4.0m漸變到拱頂處3.0m。兩拱肋中心距為12.35m,每跨以11道橫向風撐連接,橫撐主管規格為弦管φ500 mm×12mm,其分為φ350mm×12mm、φ300mm×10 mm、φ200mm×10mm3種規格。弦管及橫向平聯板內填充C50微膨脹混凝土。

吊桿索為雙根規格為9φ15.24mm、15φ15.24mm鋼絞線拉索,采用鍍鋅、PE護套等四重防護。吊索縱向間距10m,2根一組垂直錨于拱肋和梁內橫隔板處。

2 鋼管拱拼裝和豎轉施工方案及步驟

由于運輸和吊裝的需要,將每個拱肋分為16個吊裝節段(不含預埋鋼管、合龍段),最長段長為22.39m,最重段重617kN。拱腳預埋段上弦長4.6m (下弦長度3.4m),單節重184kN,共計8節在武漢加工;其余64節段和橫撐均在橋位下游的宜昌市郊區的臨江坪施工場地內加工。拱肋節段接頭均布置了400mm長的嵌補段。

鋼管拱安裝方法:在10號～11號墩梁面上設置1臺固定式吊機做提升站,加工好的拱肋裝上平板車汽運至碼頭,上汽渡船水運至提升站下,由提升站將拱肋節段提升到梁上;在提升站到13號墩設置1臺梁面運輸車,負責兩跨鋼管拱拱節段、橫撐節段等的運輸;在2個主跨上設置2臺梁面走行式龍門吊機,負責將拱肋吊裝及組拼成兩個半跨,并負責風撐起吊安裝;在11、12、13號墩頂墩中心處設扣索塔架,利用350t提升千斤頂張拉扣索牽引兩半跨鋼管拱豎轉到位并進行合龍。兩跨鋼管拱先后施工,逐一豎轉,先11號～12號墩、后12號～13號墩。

單跨鋼管拱安裝步驟:(1)主橋剛構梁施工期間完成扣索塔架和所有有關的預埋件安裝,預拼提升站、架拱門吊和架拱支架;(2)剛構梁合龍后,安裝提升站、梁面運輸車、架拱門吊和架拱支架,同時安裝拱腳處的鉸座;(3)部分架拱支架和梁面運輸車、提升站、架拱門吊檢查驗收及后兩者試吊合格后,進行拱肋節段及風撐的安裝,邊安裝邊調整線形。拱肋第二段安裝后,按設計要求對第一段鉸軸和腹桿鋼管人工灌注混凝土;(4)繼續安裝剩余架拱支架,安裝拱肋節段和風撐并調整線形,同時安裝塔架風纜和扣、錨索;(5)解除拱肋與支架間的臨時連接;(6)鋼管拱、豎轉系統檢查驗收合格后進行豎轉,豎轉到位后調整線形;(7)焊接拱頂弦管,再焊接拱腳弦管,形成兩鉸拱;(8)待兩跨拱都形成兩鉸拱后,放松扣索、錨索,再焊接拱腳合龍口實現永久合龍并澆筑拱腳二期混凝土,然后拆除塔架纜風、提升站、門吊、塔架等。

3 鋼管拱拼裝

3.1 鋼管拱拼裝施工臨時結構

宜昌長江大橋鋼管拱拼裝臨時結構包括架拱支架,80t固定式懸臂提升站、2臺80t走行龍門吊機等。所有結構均為N型萬能桿件構架和型鋼分配梁。

3.1.1 架拱支架

架拱支架由萬能桿件和部分新制鋼結構組拼而成,并與剛構梁頂面預埋件連結牢固,支架頂面安裝[36或[40分配梁、鞍座及拱肋調整設施,形成上層操作平臺,以方便拱肋拼裝。

3.1.2 提升站

提升站為萬能桿件拼裝而成的固定式單向單側懸臂起吊設備,靠橫移大梁移動實現重物的橫橋向移動,大梁由4個單軌雙輪箱支承并在構架走道上移動。提升站上的吊點為2個40t的固定吊點,每個吊點配1臺10t快速卷揚機。其結構詳見圖1。

圖1 80t提升站結構布置(單位:m)

由于提升站為下游側懸臂吊裝,故在上游側柱腳位置設置錨固筋。

3.1.3 橋面龍門吊機

橋面龍門吊機為移動式雙懸臂起吊設備,通過大車及橫移大梁的移動實現吊重物拱肋的縱橫向移動,門吊構架由8個雙軌雙輪箱支承并在梁面走道上移動,橫移大梁由4個單軌雙輪箱支承并在構架走道上移動。門吊橫移大梁中間以14m的距離設2個40t固定吊點。根據門吊橫向穩定性需要,在每個支腿底部縱聯處放置10t混凝土塊進行壓重,1臺門吊共計壓重40t。其結構詳見圖2。

3.2 鋼管拱運輸

鋼管拱在橋位下游約7km處的加工廠內制造、預拼合格后,按施工順序分節段依次通過汽車運輸至下河碼頭,上汽渡船水運至橋位提升站下,利用橋位處提升站下江面設置的靠幫船固定汽渡船,用提升站將拱肋提離運輸船,待運輸船離開后將拱肋提至橋面并進行反轉,放置于橋面運輸車運至安裝位置,然后由龍門吊機起吊拱節段安放于相應架拱支架上。

鋼管拱陸地運輸、水上運輸、提升及橋面運輸詳見圖3。

3.3 鋼管拱拼裝

3.3.1 鋼管拱拼裝順序

同一跨的兩個半跨拱各節段及風撐按下面順序拼裝:邊、中墩側拱肋第1段～第4段→邊、中墩側2號風撐→邊、中墩側拱肋第5段→邊、中墩側3號風撐→邊、中墩側拱肋第6段、第7段→邊墩側4號風撐,中墩側拱肋第8段→邊墩側拱肋第8段→邊墩側5號、6號風撐→中墩側4號、5號風撐,拆除架拱門吊→中墩側6號風撐→邊、中墩側1號風撐。

拱肋第2段拼裝完畢后,對鉸軸及其附近的加強腹管人工灌注C50微膨脹混凝土,混凝土配合比同拱肋內的壓注混凝土,混凝土通過攪拌車運至碼頭,經串筒放入船上混凝土罐內,再運至墩旁利用塔吊吊到拱腳處澆筑。混凝土須灌滿并振搗密實,完畢后補好灌注孔、振搗孔。當混凝土強度超過設計強度的85%后才能進行豎轉施工,見圖4。

3.3.2 鋼管拱拼裝要點

(1)拱肋第一段吊裝前應對鉸座進行檢查并抹好黃油,吊裝并調整好線形后,對鉸軸進行橫向臨時固定,防止產生橫向位移和轉角。

(2)拱肋線形的調整靠支架上面的分配梁、鞍座及調整油頂來實現,吊裝前應準確設置支架高度和合適的預抬變形值,避免大幅度的調整,鋼管拱節段拼裝通過測量組實時監控確保拱肋線形。

(3)鋼管拱節段拼裝前,需經檢驗檢測,如不合格的不得進行下一道工序。鋼管拱工地組拼半跨拱肋的允許偏差為:節段間接縫錯邊量,中間鋼管Δ≤3mm、其余鋼管Δ≤2mm;拱肋軸線橫向偏量Δ≤±12mm,拱肋軸線豎向偏量-6mm≤Δ≤+12mm。

4 鋼管拱豎轉

4.1 鋼管拱豎轉步驟

圖2 龍門吊機結構布置(單位:m)

圖3 鋼管拱運輸及提升

鋼管拱豎轉施工步驟:豎轉前的準備工作→11號墩半跨預張拉、啟動及脫架(靜置數小時結構觀察)→12號墩宜昌側半跨預張拉、啟動及脫架→11號墩半跨轉體到位→12號墩宜昌側半跨轉體到位→11～12號墩跨調整線形,合龍→13號墩半跨預張拉、啟動及脫架→12號墩萬州側半跨預張拉、啟動及脫架→13號墩半跨轉體到位→12號墩萬州側半跨轉體到位→12～13號墩跨調整線形,合龍。

圖4 鋼管拱拼裝施工

鋼管拱豎轉方案詳見圖5。

4.2 鋼管拱豎轉施工臨時結構

鋼管拱豎轉施工所用臨時結構有扣索塔架、后錨固結構、扣點結構以及預應力體系結構。

4.2.1 扣索塔架結構

扣索塔架在北引橋7～8號墩之間的空地處散拼,再用16t汽車起重機和運輸車將萬能桿件構架單元運至碼頭,倒運到各墩點利用塔吊進行主拼。

圖5 主橋鋼管拱豎轉施工(單位:m)

扣索塔架設置在11號墩、12號墩、13號墩墩頂0號塊拱腳處,與梁頂面預埋件焊縫連接,塔架為萬能桿件組拼的桁架結構,其尺寸為:12m(縱橋向)× 14.6m(橫橋向)×62.8m(高);塔頂先順橋向螺栓連接10根 2I56弦梁,弦梁上橫橋向螺栓連接 2根2I50分配梁A,再于分配梁A頂面順橋向螺栓連接用于安裝扣索及纜風繩的6根吊掛分配梁B。

3個塔架拼裝完畢后,安裝壓塔索和后纜風,并張拉到設計噸位,形成穩定體系。

4.2.2 后錨固結構

利用10號墩、14號墩墩頂連續剛構邊跨端隔墻實心段(厚度 1.6m)預設預應力索,利用 10組18φ15.24mm鋼絞線將后錨分配梁錨固在箱梁頂面上。為克服鋼管拱豎轉過程中引起的豎向反力,在10號、14號墩墩頂預埋4組9φ15.24mm鋼絞線,在邊跨剛構合龍后,鋼管拱豎轉前,對鋼鉸線進行張拉。

4.2.3 扣點結構

主拱肋處扣索錨固端錨于經鋼板加勁的上弦管和腹桿間的臨時錨固反力梁上。主拱扣索角度在豎轉過程中不斷變化,為適應角度變化,在主拱肋錨固前端設置由鋼板焊成的轉向架。

前扣索錨于主拱肋第5節段5號橫撐中橫桿附近,后扣索錨于第4節段3號橫撐中橫桿附近。

4.2.4 鋼管拱豎轉扣、錨索預應力體系

在11、13號墩塔架頂岸側布置有后纜風(2-2φ52mm鋼絲繩)、錨索1(2×2×21φ15.24mm鋼絞線)、錨索2(2×28φ15.24mm鋼絞線),與主體箱梁端錨梁連在一起,江側有壓塔索(2-2φ52mm鋼絲繩)與12號墩塔架頂連接,江側另有扣索 1、7(2×2× 21φ15.24mm鋼絞線)和扣索2、8(2×28φ15.24mm鋼絞線)與待豎轉的半跨拱肋連接。

在12號墩塔頂除有壓塔索(2-2φ52mm鋼絲繩)與11、13號墩塔架頂連接外,另有扣索3、5(2×2× 21φ15.24mm鋼絞線)和扣索4、6(2×28φ15.24mm鋼絞線)與兩側待豎轉的半跨拱肋連接。

后錨索在塔頂處與扣索對應,共有6束,用P錨通過錨箱、銷軸固定在分配梁B上。為改善后錨梁受力情況,將從塔頂下來的6束錨索共140根鋼絞線分成10束(每束14根)均勻分布與后錨梁連接。后錨固、后錨索結構布置詳見圖6。

圖6 后錨固、后錨索結構布置

4.3 鋼管拱豎轉施工方法及控制要點

4.3.1 鋼管拱豎轉提升千斤頂和液壓泵站技術參數

豎轉施工時單塔扣索使用6臺350t提升千斤頂,其中前扣索用4臺,后扣索用2臺,另備用1臺。350t提升千斤頂油缸最大行程250mm,每小時張拉行程3～5m,主要技術參數及外形尺寸見表1。

液壓泵站采用型號為:TX -80 -P -D,此泵站為雙泵、雙比例閥和雙路液壓泵站,兩路既能夠獨立使用,也能夠合并使用。本工程兩路獨立使用,分別控制前扣索 和后扣索。液壓泵站的技術參數和外形尺寸見表2。

表1 350t提升千斤頂主要技術參數及外形尺寸

表2 液壓泵站的技術參數和外形尺寸

豎轉提升350t千斤頂詳見圖7。

圖7 豎轉提升350t千斤頂

4.3.2 豎轉施工操作程序和要點

11號～12號墩一孔兩半拱豎轉合龍后進行13號～12號墩一孔兩個半拱豎轉,邊塔半跨提升設備布置于邊塔塔頂上,錨索錨固于10、14號墩頂;中塔半跨提升設備布置于中塔塔頂,錨索錨固于中塔另一側已合龍的半跨拱肋上(利用第一孔轉體的扣點)。

鋼管拱豎轉以鉸軸為中心,并作為鋼管拱的支承點;鉸軸為φ1000mm×36mm×2450mm的鋼管,鉸軸內及其附近的加強腹管灌注C50微膨脹混凝土,以增強鉸軸的強度和剛度。

豎轉過程中,施工監控以吊索塔架塔頂位移為主要控制對象,各豎轉過程須對塔頂位移進行嚴格控制,防止塔架偏位過大,造成塔架結構破壞。

扣索和錨索的張拉端均設置在塔架頂端,錨索采用普通27t穿心式千斤頂張拉,扣索采用350t連續提升千斤頂張拉。11號、13號邊塔側半跨拱肋豎轉角度約為16.505°豎轉到位;12號中塔兩側豎轉角度約為21.059°豎轉到位。半跨鋼管拱肋通過6臺350t連續千斤頂張拉牽引扣索提升豎轉。

4.3.2.1 11號～12號墩孔跨拱肋豎轉

(1)后錨索1(扣索5為12號墩宜昌側半跨拱肋的錨索)、2(扣索6為錨索)及扣索1(3)、2(4)張拉索力均分成10個荷載等級,開動塔頂扣、錨索張拉千斤頂,分級同步加載。實際操作時同步進行難度較大,可先錨索,后扣索,交替進行,級差不得超過1級。錨索張拉至設計噸位后,鎖定后錨索1(扣索5)、后錨索2(扣索6)。

(2)張拉扣索1(3)、扣索2(4)至設計噸位,使邊跨(中跨)半拱脫架。停頓靜置數小時,并進行檢測,無異常情況后,啟動塔頂350t千斤頂,分步張拉扣索1(3)、2(4)、分步檢查塔頂位移和索力,鋼管拱開始豎轉,直至豎轉到位。豎轉過程中要同步觀測塔頂水平位移、扣索索力、扣點位移和索力。嚴格執行各個施工階段連續千斤頂的設計張拉行程,保證扣索張拉行程誤差控制在±10mm,扣索的張拉速度控制在3～5 m/h;整個豎轉過程中當塔頂位移超出允許范圍時,應立即停止豎轉,并根據位移方向和索力情況調整扣索張拉千斤頂張拉力。

(3)11號～12號孔兩半跨拱肋合龍

①兩個半跨豎轉到位后,對合龍口順橋向位移x、橫橋向位移y、豎向位移z和轉角進行觀測。根據位移情況,通過微調扣索1、扣索3索力來調整拱肋線形,準備合龍11號～12號墩拱肋。

②在合龍口兩端面利用糾偏設施及4個微調對頂裝置微調合龍口偏差,在合龍口調整到位后,線形滿足設計文件、相關規定以及合龍要求立即進行合龍鎖定工作。

4.3.2.2 12號～13號墩孔跨拱肋豎轉

(1)后錨索3(扣索3為12號墩萬州側半跨拱肋的錨索)、4(扣索4為錨索)及扣索7(扣索5)、8(扣索6)張拉索力均分成10個荷載等級,開動13號塔頂扣、錨索張拉千斤頂,分級同步加載。扣、錨索張拉至設計噸位后,鎖定后錨索3、后錨索4。解除12號墩萬州側半跨拱肋與支架的錨固。

(2)張拉扣索7(5)、扣索8(6)使邊跨(中跨)半拱脫架。

(3)扣索1、扣索2及后錨索1、2保持第一孔拱肋合龍狀態,不對其進行調整;扣索3～6同時進行張拉,以達到12號～13號孔中塔拱肋豎轉啟動所需索力,扣索3～6張拉至設計噸位后。

(4)拱肋豎轉

各部位觀測無誤后開始豎轉,啟動扣索3～8處塔頂350t千斤頂,開始豎轉,直至豎轉到位。

(5)12號～13號孔兩半跨拱肋合龍

通過微調扣索5、扣索7索力來調整拱肋線形,在合龍口利用糾偏設施及微調裝置微調合龍口偏差,在合龍口調整到位后,立即進行合龍鎖定工作。

4.3.2.3 施工要點

(1)控制指標

①塔架偏位

張拉過程中要嚴格控制塔頂偏位,任何情況下,相對于塔架纜風張拉之前的初始位置,11、13號墩塔架頂向岸側偏位≤70mm,塔架頂向江側偏位≤30mm; 12號墩塔架頂順橋向偏位≤30mm;塔架頂上、下游偏位≤20mm。轉體過程中塔頂位移允許值,中塔±30mm,邊塔±50mm。

②扣索索力

任何情況下,同一半拱拱肋上的扣索,塔頂不平衡力≤200kN,扣索索力施工誤差≤2%。

③鋼管拱a.兩半跨對稱點高程差:偏差同號且Δ≤20mm; b.拱腳拱頂豎向偏差:＜L/4000(66mm),橫向偏差:＜L/6000(44mm)。

c.合龍口高差控制在5mm以內。

(2)扣錨索安裝時要對鋼絞線進行編號,按編號穿索避免鋼絞線打絞,11、13號墩后錨索張拉端和錨固端附近位置設置防抖動措施,避免因鋼絞線抖動使夾片松動而滑脫。

(3)后錨索27t普通千斤頂單頂單束張拉時所有操作人員同步操作,同步加載,避免塔架的扭轉;后錨索普通千斤頂張拉采取單根一次張拉到位,通過張拉根數實現分級加載。

(4)后錨固張拉時應做好記錄,并對箱內鋼絞線進行檢查,確保鋼絞線全部受力;后錨梁、后錨索預應力束張拉完成后通過彈簧對后錨索夾片進行頂壓和增加蓋板,將夾片頂緊固定牢靠,確保后錨索的安全。

(5)扣索張拉牽引時以索力控制為主,索長控制為輔。豎轉開始時,嚴格控制各個施工階段的張拉千斤頂油壓、張拉行程。豎轉到位時,以合龍高程控制為主,索力控制為輔。

(6)施工過程中,對扣索塔架的位移和應力進行嚴格監控,并連續觀測豎轉的兩個半跨拱肋各3個點(前扣點、后扣點、拱肋前端點)的豎向和水平向位移,對張拉行程進行校核,控制拱肋線形,確保拱肋應力在安全范圍內。在鋼管拱轉體過程中對各部位進行全程監控,確保整個系統處于安全狀態。

鋼管拱豎轉見圖8。

鋼管拱合龍施工允許偏差與合龍精度見表3。

5 結語

(1)后錨索在張拉過程中通過頂壓器和工具夾片彈簧頂壓的方式有效地解決了鋼絞線在低應力狀態滑絲的問題,并在脫架后增加蓋板,將夾片頂緊固定牢靠,確保后錨索的安全。

圖8 鋼管拱豎轉施工

表3 鋼管拱合龍施工允許偏差與合龍精度 mm

(2)根據線形要求,通過計算將前后扣索及對應錨索索力比例在第二孔豎轉時進行了調整,并在豎轉施工過程中保證該比值不變,確保線形滿足設計要求;減少了合龍前線形調整時間,縮短了鎖定的時間。

(3)每跨鋼管拱豎轉時,中塔另一跨的扣索成為其錨索,扣錨索功能互換,節約了工程成本和發揮了兩跨連續鋼管拱的結構優點。

(4)豎轉過程采用計算機控制,達到提升時350t連續提升千斤頂油缸動作同步控制、載荷均衡和位置同步控制、絕對位移跟蹤控制方式實現各吊點位置同步等技術措施。

(5)宜昌長江大橋11～12號墩第一孔鋼管拱豎轉施工于2007年11月18日至24日完成。在第一孔鋼管拱豎轉時遇到了滑絲,前、后扣索索力與拱肋線形不匹配等問題,通過分析研究總結并進行改進完善前、后扣索比例和加載方案。12～13號墩第二孔鋼管拱豎轉于2007年12月7日至10日安全順利完成。

(6)本工程采用雙懸臂龍門吊機架拱有效地解決了橋面場地狹小等因素的影響,有效采用了先梁后拱的施工條件,對類似工程積累了成功的經驗。

(7)宜昌長江大橋鋼管拱豎轉施工方案合理可行,確保了兩跨鋼管拱安全保質順利完成。

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U448.22

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1004 -2954(2010)08 -0158 -06

2010 05 17

劉崇亮(1961—),男,高級工程師,畢業于長沙鐵道學院,工學學士。