高速鐵路非標(biāo)準(zhǔn)跨徑梁架設(shè)工藝研究

劉學(xué)忠

(中鐵三局第六工程有限公司，山西晉中 030600)

1 概述

近年來，我國高速鐵路發(fā)展迅速，已成為世界上運(yùn)營高速鐵路最多的國家。受高速鐵路沉降控制嚴(yán)格的條件限制，線下工程多選擇沉降易控制的橋梁結(jié)構(gòu)形式。在橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，出于標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化生產(chǎn)的需要，一般盡可能設(shè)計(jì)以預(yù)制架設(shè)標(biāo)準(zhǔn)跨徑簡支梁為主。以大西客專為例，全線橋梁總長495.9 km，占線路總長的73.1%。其中制架標(biāo)準(zhǔn)跨徑簡支箱梁14 369孔，長456.3 km，占橋梁總長的93%。我國高速鐵路簡支梁標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)跨度主要有32.7 m，24.7 m，20.7 m 三種。上述三種跨徑均有部頒發(fā)的相應(yīng)通用設(shè)計(jì)圖。目前國內(nèi)各個(gè)運(yùn)架梁設(shè)備制造商家，也是針對(duì)上述三種跨度設(shè)計(jì)制造運(yùn)架設(shè)備，使同一套設(shè)備具備完成上述三種跨徑梁的運(yùn)輸和架設(shè)能力。當(dāng)遇到以上三種跨度以外簡支梁時(shí)，一般設(shè)計(jì)施工均采用原位現(xiàn)澆法。

鐵路梁預(yù)制架設(shè)施工工藝，無論施工成本、質(zhì)量、進(jìn)度控制，還是施工安全、環(huán)保、文明的管理，都具有原位現(xiàn)澆施工工藝無法比擬的優(yōu)勢(shì)。本文以中鐵三局承建的大西鐵路客運(yùn)專線工程為背景，探討采用常規(guī)900 t下導(dǎo)梁式架橋機(jī)架設(shè)非標(biāo)梁施工工藝。

2 工程概況

新建鐵路大同～西安客運(yùn)專線站前施工七標(biāo)段由中鐵三局承建。起訖里程為DK442+546.69～DK497+170.42，位于山西省臨汾霍州市、洪洞縣境內(nèi)。標(biāo)段內(nèi)設(shè)計(jì)橋梁共29座計(jì)39 849.84 m，占標(biāo)段總長的71.8%。橋梁以簡支梁為主，共計(jì)1 181孔。其中設(shè)計(jì)制架標(biāo)準(zhǔn)簡支梁1 175孔，梁型為高速鐵路廣泛采用的“通橋(2008)2322A”系列。現(xiàn)澆非標(biāo)梁6孔，其基本情況見表1。

表1 非標(biāo)梁信息表 m

由于本標(biāo)段非標(biāo)梁數(shù)量相對(duì)較多，考慮到原位現(xiàn)澆施工質(zhì)量不易控制、安全風(fēng)險(xiǎn)高、投入施工成本高、個(gè)別橋墩高度達(dá)41.5 m支架現(xiàn)澆難度等不利因素，為優(yōu)質(zhì)、安全的完成施工任務(wù)，經(jīng)研究分析，決定對(duì)設(shè)計(jì)采用支架現(xiàn)澆的6孔非標(biāo)梁，采用預(yù)制架設(shè)工藝施工。

3 需要解決的問題

非標(biāo)梁跨度、自重介于標(biāo)準(zhǔn)跨徑梁24 m～32 m之間，處于架橋機(jī)、運(yùn)梁車工作范圍之內(nèi)。以上兩個(gè)因素為預(yù)制架設(shè)非標(biāo)梁提供了有利條件。

下導(dǎo)梁式架橋機(jī)架設(shè)標(biāo)準(zhǔn)跨徑梁時(shí)，主梁和下導(dǎo)梁的前支腿、后支腿之間的長度固定，支腿在橋梁支撐位置也固定，如圖1所示。部發(fā)通用圖設(shè)計(jì)中，對(duì)架橋機(jī)支腿作用于墩臺(tái)、橋面所特定的支撐位置工況下，墩臺(tái)、梁體的受力狀況均進(jìn)行過設(shè)計(jì)檢算，施工荷載作用下墩臺(tái)、梁體能夠滿足要求。

圖1 架設(shè)標(biāo)準(zhǔn)梁時(shí)主梁及輔助導(dǎo)梁支腿支撐位置示意圖（單位：m）

然而，當(dāng)架設(shè)非標(biāo)梁時(shí)，由于跨徑不同，下導(dǎo)梁前支腿無設(shè)計(jì)支撐位置，主梁后支腿將支撐于梁跨中間，如圖2所示。因此，需解決的問題有:1)主梁后支腿支撐于已架前一孔梁跨中間部位時(shí)，架梁作業(yè)各種工況下是否會(huì)對(duì)已架前一孔梁產(chǎn)生不利影響。2)如何為下導(dǎo)梁前支腿提供支撐點(diǎn)。

圖2 架設(shè)機(jī)架設(shè)非標(biāo)梁時(shí)支腿位置示意圖（單位：m）

4 架設(shè)非標(biāo)梁工藝

4.1 架設(shè)非標(biāo)梁時(shí)對(duì)已架前一孔梁體作用影響分析

如圖2“架橋機(jī)架設(shè)非標(biāo)梁時(shí)支腿位置示意圖”所示，當(dāng)要實(shí)現(xiàn)架設(shè)非標(biāo)梁時(shí)，后支腿支撐于已架前一孔梁梁端的要求(即梁頂設(shè)計(jì)架橋機(jī)支腿作用位置)，需改移架橋機(jī)后支腿與主梁連接位置，將架橋機(jī)后支腿前移。然而，后支腿與主梁連接復(fù)雜，改變位置改造成本高、改造復(fù)雜、所需時(shí)間長，可實(shí)施性差。如果后支腿支撐位置后移，支撐于已架前一孔梁偏移向跨中時(shí)，再分析研究架設(shè)非標(biāo)梁工況下，是否會(huì)對(duì)已架前一孔梁產(chǎn)生不利影響。若經(jīng)檢算梁體承載力能滿足要求，則架橋機(jī)就可像建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)梁一樣來完成非標(biāo)梁架設(shè)。分析方法:采用MIDAS-CIVIL結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)，將已架前一孔梁體沿縱向分割成桿系單元建立有限元計(jì)算模型(如圖3所示梁體有限元模型)計(jì)算。計(jì)算中考慮的荷載有梁體自重、預(yù)應(yīng)力、架橋機(jī)作用、運(yùn)梁車作用。

分析運(yùn)架梁過程，確定五種荷載工況進(jìn)行檢算，具體如表2所示。對(duì)每種工況下各截面混凝土應(yīng)力、抗裂性、正截面抗彎強(qiáng)度按照規(guī)范要求進(jìn)行檢算。每種工況的荷載組合見表3。

通過有限元分析計(jì)算，架梁過程中，前一孔非標(biāo)梁各截面強(qiáng)度、抗裂性、混凝土應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，說明架設(shè)非標(biāo)梁時(shí)前一孔已架梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)是安全的。

圖3 梁體有限元模型

表2 非標(biāo)梁檢算荷載工況

表3 非標(biāo)梁檢算荷載組合

4.2 下導(dǎo)梁前作用點(diǎn)支撐工藝研究

通過對(duì)非標(biāo)梁孔徑、地形條件、下導(dǎo)梁機(jī)械的分析研究，選定3種下導(dǎo)梁支撐解決方案。各孔非標(biāo)梁下導(dǎo)梁支撐方案見表4。

表4 非標(biāo)梁檢算荷載組合

1)直接架設(shè)。

跨徑為32.12 m和32.29 m的梁孔，和標(biāo)準(zhǔn)跨徑32.7 m相差較小，分別比標(biāo)準(zhǔn)跨徑小0.58 m和0.41 m。通過分析，將下導(dǎo)梁前支腿支撐位置向前橋墩外側(cè)偏移、后支腿向后墩中心靠攏，則在一定范圍內(nèi)，可滿足在跨徑變化較小時(shí)下導(dǎo)梁的支撐要求，如圖4所示。

圖4 下導(dǎo)梁支撐布置圖

其中，Lmin為不改變下導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)可架設(shè)簡支梁的最小標(biāo)準(zhǔn)跨徑;L1為下導(dǎo)梁后外邊緣與前支腿支撐外側(cè)之間的距離，反映了下導(dǎo)梁實(shí)際需要的工作長度。本架梁裝備3 340 cm;d1為后側(cè)待架梁體與下導(dǎo)梁后外邊緣之間的安全距離，反映了在架梁落梁時(shí)保證梁體不碰撞下導(dǎo)梁的安全距離，取10 cm;d2為下導(dǎo)梁前支腿外邊緣與橋墩邊緣之間的的安全距離，取10 cm;B2為下導(dǎo)梁前支撐橋墩寬。本項(xiàng)目所施工橋梁橋墩寬度均為300 cm。

通過計(jì)算，下導(dǎo)梁直接支撐于墩頂?shù)淖钚蛄嚎鐝絃min=3 340+(10－5)－(300/2－10)=3 205 cm。比標(biāo)準(zhǔn)跨徑小32.7－32.05=0.65 m。

結(jié)論:跨徑為32.12 m和32.29 m的梁孔跨徑介于32.05 m～32.7 m之間。不采取其他任何措施，下導(dǎo)梁能夠滿足架設(shè)跨徑為32.12 m和32.29 m非標(biāo)梁的需要。

2)臨時(shí)簡易支撐+下導(dǎo)梁后移。

根據(jù)廠家提供架橋機(jī)相關(guān)資料得知，下導(dǎo)梁前支腿支撐反力，在下導(dǎo)梁自重作用下，前支腿反力為19.0 t，而在架橋機(jī)過孔狀態(tài)時(shí)前支腿最大反力為141 t。由此可見，前支腿支撐對(duì)地基基礎(chǔ)的要求，架橋機(jī)過孔工況遠(yuǎn)大于自重作用時(shí)工況。

李澗2號(hào)特大橋非標(biāo)梁所處位置橋墩較矮，高度只有3.5 m。利用該有利條件，基于上述考慮，下導(dǎo)梁支撐采取方案為:在待架梁前一孔橋下臨時(shí)填筑土堆，下導(dǎo)梁過孔后前支腿臨時(shí)支撐于土堆上(見圖5)。

然后架橋機(jī)按照正常工況架梁。架梁完畢架橋機(jī)過孔前，拆除下導(dǎo)梁后支腿，在下導(dǎo)梁天車和輔助支腿傳動(dòng)鏈作用下，將下導(dǎo)梁后移，使下導(dǎo)梁后端支撐于已架梁面、前腿支撐于前方墩頂(見圖6)。

圖5 下導(dǎo)梁前支腿支撐于墩前土堆

圖6 下導(dǎo)梁后移，后端支撐于梁面

然后架橋機(jī)過孔。過孔完畢，重新安裝下導(dǎo)梁后支腿，下導(dǎo)梁前移過孔，恢復(fù)正常作業(yè)狀態(tài)。當(dāng)下吊梁僅承受自重時(shí)，其前支腿支撐于臨時(shí)土堆上。當(dāng)需要過孔時(shí)，前支腿支撐于橋墩上。臨時(shí)輔助工程僅為堆2.5 m高的一土堆，施工簡單，成本低。方法流程如圖7所示。

圖7 臨時(shí)簡易支撐+下導(dǎo)梁后移流程示意圖（單位：cm）

3)改變下導(dǎo)梁前支腿位置。

下導(dǎo)梁梁體為鋼結(jié)構(gòu)箱室結(jié)構(gòu)，前支腿與導(dǎo)梁通過螺栓連接，連接構(gòu)造較為簡單。連接位置處在導(dǎo)梁箱室內(nèi)設(shè)置支撐加勁肋。當(dāng)架設(shè)非標(biāo)梁特殊跨度時(shí)，通過自行改造改變下導(dǎo)梁前支腿支撐位置簡單易行。

為此，在架設(shè)跨度為25.38 m，26.50 m，29.00 m 的三孔非標(biāo)梁時(shí)，采用了改造導(dǎo)梁改變前支腿在導(dǎo)梁上支撐位置的方法。該方法相當(dāng)于下導(dǎo)梁支腿在原有能夠架設(shè)跨徑為32.7 m，24.7 m，20.7 m簡支梁的基礎(chǔ)上，又增加了能夠架設(shè) 25.38 m，26.5 m，29 m簡支梁的功能，如圖8，圖9所示。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)梁下導(dǎo)梁支撐布置圖（單位：m）

圖9 非標(biāo)梁下導(dǎo)梁支撐布置圖（單位：m）

改造方案:根據(jù)非標(biāo)梁不同跨徑，在下導(dǎo)梁前端重新標(biāo)定前支腿安裝位置。在對(duì)應(yīng)位置導(dǎo)梁箱室結(jié)構(gòu)內(nèi)部加焊支撐加勁肋、底板位置新鉆孔以便與支腿連接。改造后3個(gè)下導(dǎo)梁新端支撐設(shè)置方式與原有端支撐相同，實(shí)現(xiàn)了架設(shè)上述3孔梁時(shí)下導(dǎo)梁前移的需要。

5 制架非標(biāo)梁與原位現(xiàn)澆方案的比較

非標(biāo)簡支梁原位現(xiàn)澆與預(yù)制架設(shè)的對(duì)比分析如表5所示。通過對(duì)比可得知，實(shí)現(xiàn)非標(biāo)梁的預(yù)制架設(shè)施工，綜合效益和經(jīng)濟(jì)效益都得到提高。

表5 非標(biāo)梁原位現(xiàn)澆與預(yù)制架設(shè)對(duì)比分析表

6 結(jié)語

建議:在項(xiàng)目實(shí)施過程中，建議在工程設(shè)計(jì)需設(shè)置非標(biāo)梁孔跨時(shí)，將該孔梁布置于沿架梁前進(jìn)方向所通過的連續(xù)梁的前一孔，如此便可將下導(dǎo)梁前支腿直接支撐于前方已現(xiàn)澆完成的連續(xù)梁橋面上，為下導(dǎo)梁過孔時(shí)提供了前支腿臨時(shí)支撐位置。

通過以上工藝論述，利用輔助導(dǎo)梁式架橋機(jī)在架設(shè)本項(xiàng)目6孔非標(biāo)準(zhǔn)跨徑簡支梁過程中，各荷載工況不會(huì)對(duì)工程結(jié)構(gòu)、設(shè)備本身產(chǎn)生不利影響，各種臨時(shí)工程措施安全可行。施工安全隱患小，施工成本低于原位現(xiàn)澆，施工質(zhì)量更容易控制。本工藝的研究應(yīng)用，為今后類似工程提供了借鑒和經(jīng)驗(yàn)。