鄭州黃河公鐵兩用橋主橋鋼桁梁支架拼裝及頂推技術

董 政,張 鵬

(中鐵大橋局集團第一工程有限公司,鄭州 450037)

1 工程概況

石武客運專線鄭州黃河公鐵兩用橋主橋第一聯采用(120+5×168+120)m的六塔連續鋼桁結合梁斜拉橋,其橋跨布置見圖1。2號～5號墩位于黃河主河槽,其余墩位于灘地。

鋼桁梁采用無豎桿的三角形桁式,桁高14 m,節間間距12 m。橫向布置為3片桁,中桁垂直,邊桁傾斜,傾角為14.036°。下弦桁間距8.5m,桁寬17 m,上弦桁間距12 m,桁寬24 m。上層公路橋面寬32.5 m。下層鐵路橋面為雙線客運專線,線間距7 m。該結構體系用于公鐵兩用橋尚屬世界首次。

鐵路橋面為正交異性整體鋼橋面板。節點處設節點橫梁,間距12 m,橋面板與主桁的連接在工地現場完成。橋面板頂板連接采用焊接,橫梁腹板、底板和縱肋連接采用栓接。上弦平面在節點處設置橫撐桿連接3片桁,橫撐采用工字形截面。公路橋面板與橫撐不結合。普通節點處不設橫向聯結系,只在支點處設橋門架。上弦平面考慮施工時的安全,設置臨時平面聯結系。為交叉形式的平面聯結系。第一聯鋼梁總質量近2.6萬t。3片主桁在中主桁布置橋塔,橋塔采用鋼箱結構,塔梁固結。塔高37 m,每個主塔布置5對拉索。主塔立面布置為“人”字形,從塔頂的單箱截面向塔根漸變為雙箱截面。

圖1 鄭州黃河公鐵兩用橋第一聯橋跨布置(單位:cm)

根據工程結構及所處的環境特點,第一聯鋼梁施工采用在岸上固定的拼裝平臺上散拼成整體節間,分階段頂推到位的方法架設。鋼梁頂推到位后再安裝公路橋面板、鋼塔和掛設斜拉索。

2 施工方案的比選及確定

2.1 施工方案的優點和難點

在方案討論階段曾提出過3種方案:第一種是采用雙棧橋龍門吊機懸臂架設方案;第二種是采用架梁吊機懸臂架設施工;第三種是采用頂推法施工。

由于本橋跨越黃河,黃河灘地風力較大,采用梁頂移動式鋼梁架設吊機懸臂拼裝時,安全條件較差,且拼裝對點困難,尤其是斜邊桁桿件,起吊對點更加困難;同時因鋼梁跨度較大,為滿足結構安全必須在水中設置強大的臨時墩,臨時墩在使用完畢按河務部門要求必須全部清除至局部沖刷線以下,費用較高。架梁吊機懸臂拼裝施工速度較慢,施工均為高空水上作業,施工安全風險較大,加上施工工期較緊,架梁吊機懸臂拼裝整體施工效率不高。鋼梁頂推與懸拼施工方案比較見表1。

經過多次研討和反復優化,最終確定主橋第一聯鋼梁采用多點同步頂推施工方案。該方案為在岸上設置鋼梁拼裝平臺,鋼梁全部在平臺上拼裝,分批次拼裝和頂推,直至全聯完成。經過業主組織專家評審,認為該方案先進、可行,適應本橋工程特點。

表1 鋼梁頂推與懸拼方案優缺點對比

2.2 頂推施工方案的優點和難點

由于本橋為鋼桁梁,只能節點受力,且跨度較大,為168m,鋼梁第一聯聯長達1 080 m,質量近3萬t,其頂推施工科技含量高,頂推架設的規模和施工難度大;在散拼支架上拼裝鋼桁梁,能實現工廠化作業,支架上設置的防雨棚,可避免因雨季、冬季的天氣變化對焊接、高強度螺栓施擰的不利影響,能保證拼裝質量;同時采用多點同步頂推施工,不需要在河中間設臨時墩,減少了高空作業和水上作業,不僅有利于保障施工安全,而且減少了對河道的干擾。

第一聯采用多點同步頂推方案,因鐵路橋面無縱梁,其頂推跨度、頂推總噸位和頂推長度大,施工過程中如何保證長大桿件的吊裝和空間斜邊桁的定位、多點頂推同步性、桁片受力均勻性、墩頂滑道的精確定位及墩旁托架頂推過程中的安全性,是頂推方案實施的難點。

2.3 頂推施工總體步驟

首先在第一聯鋼梁南端(7號～8號墩間)設置鋼梁拼裝平臺,并拼裝65 t跨線龍門吊機。在支架上逐節間從前到后連續安裝前導梁,前端部分導梁采用懸拼,在導梁后面接拼鋼梁桿件。拼裝7個節間鋼桁梁后移出拼裝墊塊,利用千斤頂在滑動墊塊兩側頂起鋼桁梁,移出滑動墊塊頂的鑄鋼墊塊,使鋼桁梁下落至滑動墊塊頂面,滑動墊塊支撐在鋼梁節點處。安裝頂推反力裝置和牽引鋼絞線,通過布置在墩頂的連續千斤頂張拉鋼絞線使鋼桁梁實現前移。每頂推1個節間需在墩頂起落頂鋼梁1次,以便將滑塊轉換至下一節間后繼續頂推。鄭州黃河公鐵兩用橋一次頂推循環圖示見圖2。

圖2 鄭州黃河公鐵兩用橋一次頂推循環圖示

循環進行以上步驟,每次頂推7～8個節間,直至除S(M)E0節段外的第一聯全部鋼桁梁拼裝完成、頂推到位。導梁在過1號墩后,即可分節段拆除導梁。用輪胎吊機拼裝最后半節間鋼桁梁直至全部桿件拼裝完成。最后依次拆除墩頂滑道梁,進行鋼桁梁體系轉換并且安裝正式支座。

3 主要臨時設施和設備

3.1 拼裝支架

第一聯鋼梁拼裝支架位于主橋7號～8號墩之間,下部采用鋼管樁基礎,樁間設置聯結系。鋼管樁頂擺放分配梁,在分配梁上安裝滑道梁,頂面設置不銹鋼板滑動面。用65 t龍門吊機在支架上進行鋼桁梁桿件的散拼工作,拼裝支架每次可拼裝8個節間的鋼桁梁。

3.2 龍門吊機

由于鋼梁單個桿件最大質量為63 t,現場設置1臺65 t橫跨拼裝支架的龍門吊機,采用雙軌輪箱式走行結構,跨度為36m,高度為36 m,以滿足上弦桿拼裝的凈空要求。為加快施工進度,后期又增加了1臺65 t龍門吊機,2臺同時進行桿件拼裝。

3.3 墩旁托架(圖3)

在每個墩身兩側布置頂推托架。托架分兩部分組成:立柱和滑道梁。托架立柱采用鋼管混凝土,直接支撐于承臺上;滑道梁一端與墩身頂預埋件焊接,另一端與立柱頂焊接。一個墩旁頂推托架上設3片滑道梁,與鋼桁梁下弦桿中心對應。頂推過程中鋼桁梁每個節點均要設滑塊抄墊,滑道梁縱橋向長度大于12 m,以確保鋼桁梁頂推過程中節點受力。邊滑道梁上設頂推反力座,將頂推反力通過墊石傳遞給墩身。

為了減少滑動時摩擦力,滑道梁頂面焊接不銹鋼板,鋼桁梁與滑道梁之間設滑塊。滑道梁與托架及墩身連接成一體,滑道梁箱內預留索道管,以便于頂推鋼絞線束穿過。每片桁各布置4臺豎向起頂千斤頂,每個墩頂邊桁滑道梁側面均設導向裝置,在兩側邊桁各布置1臺350 t水平連續千斤頂。

圖3 墩旁托架圖示

3.4 前導梁

為減小鋼梁頂推過程中前端懸臂,改善結構受力,在鋼梁前端設置導梁與鋼梁通過節點板聯接成整體。前導梁質量為750 t,材質采用Q345b鋼;導梁長108 m,設過渡節與主體結構連接,導梁結構采用桁架結構形式,高度14 m,節間長度12 m;前導梁采用兩片桁架,桁間距16.64m。

3.5 頂推連續千斤頂及控制系統

由于鋼梁質量較大,頂推所需的水平力也較大,在1號～7號墩頂兩邊桁各布置1臺新研制的350 t連續千斤頂,固定在邊桁滑道梁的前端,共設置14臺。為保證連續頂工作的同步性,每臺連續頂配套設置的有液壓泵站、位移傳感器和油泵壓力傳感器等信號采集元件。

3.6 多點同步控制系統

第一聯鋼梁頂推同步控制系統包括主控單元、總線通訊和現場控制單元的多級計算機結構。主控單元包括主控計算機、主控接口單元和主控操作單元,用于采集主控操作指令,對整個系統的信號進行集中處理,兩邊桁設位移編碼器直接連接在主控接口單元,用于兩邊桁頂推過程中的同步控制。現場控制單元通過總線與主控計算機進行數據通訊,接受主控計算機的控制指令,控制現場執行機構(如電磁閥等)完成相應動作。現場控制單元同時采集現場數據,通過總線傳回主控計算機,由主控計算機完成對設備狀態的監控,并實現對設備的自動保護。

4 主要施工工藝

4.1 鋼桁梁支架拼裝

鋼桁梁桿件進場后及時組織對桿件進行驗收,檢查桿件尺寸、噴鋁層和螺栓孔等質量情況以及檢查運輸過程中桿件有無變形、損傷,噴鋁層及油漆有無破損,合格后進入預拼場存放。為便于鋼梁安裝,架設前需要在鋼梁存放場將部分零小桿件組拼成一大部件,以減少橋上安裝難度,便于安裝。桿件預拼后,由于質量不對稱,應根據重心參數表中所示的重心位置,在桿件上用油漆標出,以便鋼梁平穩起吊。

正式吊裝前,對桿件、節點板及孔眼中的浮銹、灰塵、浮土,用刷子、抹布等工具進行清除,處理合格后方能組拼,各桿件根據重心安裝吊具或鋼絲繩,起吊后確認桿件平衡或角度滿足安裝要求且牢固可靠、安全無誤后,方可起吊提升安裝。

拼裝前在拼裝支架對應鋼梁節點位置擺放墊塊,抄墊高度要滿足設計線形要求,同時保證3片桁的偏差不大于2mm。拼裝順序為先進行中桁下弦桿、邊桁下弦桿安裝;再安裝鐵路鋼橋面板;繼續進行中桁斜桿、邊桁斜桿安裝,使每片桁的桿件形成閉合三角形結構;再安裝中桁上弦桿、邊桁上弦桿;最后安裝橫撐、臨時平聯,使3片鋼桁梁形成整體穩定結構。檢查鋼桁梁中線及高程,確認符合要求后開始高強螺栓施擰和鐵路橋面板焊接。

4.2 高強螺栓施擰

鋼桁梁主桁桿件拼接采用M30高強度螺栓連接,鐵路橋面板橫梁腹板和底板連接采用M24高強螺栓連接,鐵路橋面板縱肋連接采用M22高強度螺栓。

螺栓進場后,按規定進行抽樣復驗,復驗項目包括扭矩系數、螺栓楔負載、螺母保證荷載、螺母及墊圈的硬度。螺栓拼接摩擦面處理采用表面噴砂后電弧噴鋁,出廠時栓接板面抗滑移系數試驗值不得小于0.55。工地復驗抗滑移系數不得小于0.45。高強螺栓連接副的擰緊方法為扭矩法,施擰分初擰、終擰兩部分進行,初擰和終擰均應使用定扭矩扳手。終擰扭矩值由試驗數據確定,初擰扭矩為終擰扭矩的50%。

對初擰后的全部高強螺栓連接副,用質量約0.3 kg的小錘敲擊螺母對邊的一側,用手指緊按住螺母對邊的另一側進行檢查,如顫動較大者即認為不合格,應予再初擰。終擰檢查在螺栓終擰4 h之后、24 h以內完成。檢查方法為緊扣檢查法,檢查頻率為每一栓群高強螺栓連接副總數的5%,但不少于2套。

4.3 同步頂推施工

鋼梁拼裝之前,在拼裝支架滑道上各支點處將拼裝墊塊裝好、鎖定,最末端節點作為頂推滑移支承點,需設置滑動墊塊。鋼梁拼裝完成后,在頂推滑移支承點處布置千斤頂將該段鋼梁頂起,退出所有拼裝墊塊,同時落梁于滑動墊塊上,將鋼桁梁頂推反力座設在鋼桁梁邊桁下弦桿底板位置,在墩旁托架上設千斤頂反力座,在每個墩旁滑道設置1套頂推設備(2臺350 t連續千斤頂,一套主控泵站控制系統),頂推牽引采用19φ 15.24mm的鋼絞線,頂推反力座為固定端,張拉端設在托架頂滑道梁的前端。

利用墩頂邊桁滑道梁上的各1臺350 t連續千斤頂頂推,在頂推過程中,邊桁主動頂推,中桁被動滑移,墩頂滑塊同鋼桁梁3片桁的下弦桿一起滑移。在墩頂上的每一節間鋼桁梁頂推到位后,利用每片桁下的4臺600t千斤頂起頂,將墩頂滑塊托空后向鋼桁梁頂推反方向滑移350 mm,拆除滑塊間的連接銷軸,滑塊分別向外側的滑道梁附加滑道上滑移,從附加滑道避開鋼桁梁桿件連接處的下弦節點螺栓群后,再向內滑移至滑道梁,安裝滑塊間連接銷軸,繼續向后端滑移至預定位置,準備下一節間鋼桁梁頂推。

當導梁前端到達墩頂滑道梁后,通過設置在導梁U0節點處的長行程液壓千斤頂,反頂活塞,活塞向下移動,將導梁起頂至設計位置后,把導梁前端活塞固定。繼續頂推鋼桁梁向前移動,導梁前端支撐到滑道梁上后,即可將千斤頂活塞收起,進入正常頂推滑移狀態。

每次頂推7～8個節間的鋼桁梁,正常頂推速度控制在10m/h。完成一次頂推之后,在支點處起頂,退出滑動墊塊(縱移退回至起點位置),換上相應位置的拼裝墊塊、落頂,準備下一輪鋼梁拼裝。抄墊高程結合實際安裝情況和預拱度要求確定。循環進行上述步驟,直至第一聯鋼桁梁頂推到位。

每次鋼梁頂推前,應橫移調整鋼梁中線至設計位置,并在兩側設置限位,以保證起落鋼梁時千斤頂對準鋼梁下弦桿腹板和加筋板。橫移用施加外力法進行,通過焊接在墩頂滑道梁側面的牛腿施加外力來調節橫移量。

4.4 頂推過程中的糾偏系統

鋼桁梁多點同步連續水平頂推系統由液壓泵站、連續千斤頂和計算機自動控制系統3部分組成,具有兩側同步、單側單動、單點單動及點動限位功能。通過調整液壓油缸2組千斤頂不同的行程,一組千斤頂多走一段行程,另一組暫停,來達到糾偏目的。調整同步后再同時頂推。

為限制鋼梁在頂推過程中偏位,在每個墩頂的滑道梁兩側焊接強制限位器,限位器由槽鋼和鋼板組焊,同時在限位器內側與滑塊和鋼梁接觸部位設置摩擦系數較小的不銹鋼板或者MGE板,以實現鋼梁在頂推過程中的偏位調整。

4.5 滑道梁拆除及支座安裝

鋼梁頂推架設到位后,頂起鋼梁,調整鋼梁縱橫向位置滿足設計要求,拆除墩頂滑道梁,將事先存放在墩頂的支座吊起側移至墊石上進行安裝。鋼梁采用球形支座,僅在4號墩中桁處設置縱向限位支座,其余為縱向活動支座;橫向僅在中桁下設置橫向限位支座,邊桁為橫向活動支座。支座側移至墊石上后要全面復核支座底板四角高差及設計預偏量,符合設計要求并經檢查簽證后用自流平砂漿灌漿固定。

5 結語

鄭州黃河公鐵兩用橋是目前在黃河上修建最長的公鐵兩用橋,其主橋鋼梁首次采用三主桁斜邊桁的空間桁架形式,結構新穎,架設施工難度大。采用多點縱向頂推方案來架設跨越黃河主河槽的第一聯鋼桁梁,充分保證了空間三主桁的拼裝精度和鐵路橋面正交異性板的焊接質量,有效的減輕了嚴寒、大雨、大風等惡劣氣候對施工的影響,科技含量高,施工自動化程度高,保證了施工進度,提高操作人員的安全性。同時取消了常規方案在黃河主河槽所設的許多臨時墩,節省了大量的人力、物力和財力,即保證了施工區段的黃河渡汛,又大大減少了后期河道清理工作及費用,經濟效益和社會效益顯著,為類似工程的施工提供了寶貴的經驗。

[1]周孟波,秦順全.蕪湖長江大橋大跨度低塔斜拉橋板桁組合結構建造技術[M].北京:中國鐵道出版社,2004.

[2]TBJ214—92,鐵路鋼橋高強度螺栓連接施工規定[S].

[3]楊文淵,徐 D,等.橋梁施工工程師手冊[M].北京:人民交通出版社,2003.

[4]王國周,瞿履謙.鋼結構原理及設計[M].北京:清華大學出版社,2007.