滬通鐵路長江大橋112m簡支鋼桁梁雙懸臂架設施工技術研究

楊繼光,韓治忠

(1.中國鐵路上海局集團有限公司,上海 200000；2.中交第二航務工程局有限公司,湖北 武漢430000)

1 工程概況

滬通長江大橋跨橫港沙水域采用21跨112m跨簡支鋼桁梁,鋼桁梁主桁采用三片桁架結構。主桁采用帶豎桿的華倫式桁架,主桁中心間距2×14.5m,中心桁高16m。每跨10個節間,中間節間長11m,端部節間長10.8m。鋼桁梁結構如圖1、圖2所示。

圖1 112m簡支鋼桁梁立面(m)

圖2 112m簡支鋼桁梁橫斷面(m)

2 鋼桁梁拼裝方案

橫港沙水域處于淺水區,低潮時平均水深僅為1m左右,大型浮吊與運梁設備無法入內；鋼桁梁跨數多,拼裝工作量大,需多個作業面同時施工。經比選,鋼桁梁起始作業面采取先連續后簡支,散件雙懸臂對稱拼裝的總體安裝方法。在鋼桁梁起始墩旁搭設支架,架設兩臺橋面吊機向兩側對稱拼裝鋼桁梁。墩旁支架在鋼桁梁拼裝過程中使中間墩與鋼桁梁形成T型剛構,傳遞鋼桁梁恒載、施工荷載、不平衡力矩。雙懸臂拼裝過程中鋼桁梁在自重作用下將發生下撓,墩旁支架內力將不斷增大,為提高支架安全儲備,采取抽取支架上墊板以降低支架內力的施工方法。大懸臂狀態下鋼桁梁應力水平較高,為降低安全風險,采取三主桁分桁片上墩的施工方法。

鋼梁拼裝過程可以分為四個階段。第一階段,利用1100t·m塔吊安裝22#墩墩旁支架。第二階段,利用塔吊完成22#墩墩頂南北兩側各兩個節間鋼桁梁安裝,期間完成墩頂臨時連接焊接；利用塔吊在墩頂兩側鋼桁梁上分別安裝橋面吊機,駐位于2#節間。第三階段,橋面吊機調試完成后,利用橋面吊機拆除1100t·m塔吊；逐步向前完成節間鋼桁梁的拼裝；

為改善支架受力,考慮分別在第五、六節間安裝完成時,分級各抽出支架頂部墊板10mm。第四階段,第八節間鋼桁梁對稱拼裝完成時,橋面吊機站位于第七節間,在此狀態下,橋面吊機繼續安裝第九節間上游半幅(即中桁+上游側邊桁及聯接系),后依次安裝第10節間中桁下弦桿和中桁斜桿,實現鋼桁梁中桁上墩；橋面吊機走行至第八節間,完成第九和第十節間其他桿件安裝。主要施工工藝流程如圖3所示。

(a)安裝墩旁托架

(b)安裝墩頂起始節間

(c)跨中節間拼裝 (d)安裝最后兩個節間圖3 鋼桁梁主要拼裝步驟

3 鋼桁梁施工

3.1 22#墩墩旁支架搭設

22#墩墩旁支架主立柱采用Φ800×8mm鋼管組成的格構柱,基礎設在承臺上,上下兩層格構柱之間通過法蘭螺栓連接。墩旁支架均由3排格構柱、承臺和墩身內預埋件、柱腳、橫向連接系、附墻、柱頂縱梁、橫梁等結構組成支撐體系。

格構柱支撐在鋼桁梁E2大節點上。為改善支架頂部和底部局部受力,在其頂部和底部3m范圍內灌注C40混凝土。鋼管立柱斜度為1∶5.1,頂部設置加勁柱帽,采用2HN900型鋼貫通對拉,如圖4所示。

圖4 22#墩墩旁支架布置

3.2 鋼梁起始段塔吊布置

鋼桁梁起始段的長度需滿足在其上面布置架梁吊機的要求,通常為2-3個節間。通常在起始段鋼桁梁的后面或側面設置提升吊機。起始段鋼桁梁常用的起吊設備有履帶吊(汽車吊)、龍門吊、桅桿吊、大型塔吊等。鑒于本工程墩身較高(22#墩達61.7m),塔吊為較為經濟的選擇。

在22#墩墩旁布設一臺1100t·m塔吊,用于墩旁支架、22#墩南北側各兩個節間鋼桁梁以及橋面吊機的安裝。塔吊基礎設置在承臺上,綜合考慮鋼桁梁與橋面吊機安裝位置,塔吊設置于22#墩南側下游,見圖3(a)。塔吊穿過鋼桁梁第一節間并保證與支架及鋼桁梁主桁桿件不沖突,相干涉的下弦平聯與公路縱梁在塔吊拆除后安裝。

3.3 墩頂臨時連接結構

21#-22#墩和22#-23#墩兩跨簡支鋼桁梁在22#墩墩頂位置非連續。為了使雙懸臂拼裝過程中22#墩兩側鋼桁梁自身形成平衡體系,在22#墩墩頂設置臨時連接。臨時連接采用焊接結構形式。

經分析鋼桁梁懸臂拼裝時前端位移主要由三個因素決定：1)結構自重導致下撓；2)預拱度導致下撓；3)兩跨間臨時連接角度的影響。為保證懸臂端鋼桁梁順利上墩,墩頂兩側鋼桁梁呈“V”形。另21#-22#墩和22#-23#墩處于平曲線范圍內,鋼桁梁在墩頂以折代曲,兩跨鋼桁梁水平面上形成夾角。上下層臨時連接如圖5、圖6所示。

圖5 下弦臨時連接示意圖

圖6 上弦臨時連接示意圖

3.3 墩頂鋼桁梁拼裝及懸臂拼裝

(1)墩頂4節間安裝

墩頂4節間鋼桁梁采用1100t·m塔吊進行安裝,總體上遵循“先主桁,后聯接系”、“先下后上”、“先近后遠”的原則。兩側下弦桿安裝調位完成后墩頂臨時連接首先采用馬板定位,不急于焊接,防止產生焊接變形。在第一節間上弦安裝完成,22#墩兩側第一節間框架均形成后進行上下弦墩頂臨時連接焊接施工。

(2)鋼桁梁懸臂拼裝

墩頂四節間鋼桁梁高強螺栓施工完成后,采用塔吊進行橋面吊機安裝。橋面吊機調試完成后,采用橋面吊機將塔吊拆除,之后橋面吊機向兩側對稱雙懸臂拼裝鋼桁梁。鋼桁梁懸臂拼裝亦遵循“先主桁,后聯接系”、“先下后上”、“先近后遠”的原則。雙懸臂拼裝過程中對不平衡荷載嚴格控制,3～6節間施工過程中不平衡荷載按照150t控制,7～8節間施工過程中不平衡荷載按照100t控制,上墩前最大懸臂狀態下不平衡荷載按照70t控制。

3.4懸臂拼裝過程中結構安全控制措施

(1)橫向傾覆穩定控制

為防止施工期間在橫風作用下鋼桁梁出現橫向側滑或傾覆,在22#墩墩頂采取橫向約束措施。墩頂施工過程在中桁支座墊石兩側設置預埋件,之后在預埋件上焊接型鋼,通過型鋼對拉結構形成橫向限位,對拉采用精軋螺紋鋼,如圖7所示。單組橫向限位按抗600t水平力設計。

(2)縱向傾覆穩定控制

雙懸臂拼裝過程中,鋼桁梁未上墩頂前,雙懸臂最大長度約100m。該工況條件下,若遭遇臺風或超強突風,整個結構體系最為不利。支座墊石施工過程在邊桁支座墊石四個角點位置設置預埋件,之后在預埋件上焊接型鋼,通過型鋼對拉結構形成縱向限位,對拉采用精軋螺紋鋼,如圖8所示。

圖7 22#墩橫向限位結構

圖8 22#墩縱向限位結構

(3)墩旁支架應力控制

鋼桁梁對稱雙懸臂拼裝過程中,在豎向由兩側墩旁支架和橋墩共三處支撐。懸臂架設時,鋼桁梁在自重作用下將發生下撓,且下撓量越來越大,最終形成類似于“⌒”形狀的拱狀結構,墩旁支架內力將不斷增大。

在此種受力狀態下,主墩和墩旁支架間所分配荷載發生協調。支架剛度越大,支架最終所分擔的荷載將越大,從而使支架處于不利狀態。

針對以上情況,提出鋼梁對稱雙懸臂拼裝時,抽取支架上墊板以降低支架內力的應對方法,即在鋼梁雙懸臂拼裝過程中,懸臂端長度達總長度一半左右時,考慮此時支點處支承力不太大,通過千斤頂頂升使得支點脫空,而后一次或者分兩次抽掉一部分墊板,以消除部分此時支架已經分擔的荷載,將荷載全部或絕大部分轉移到橋墩上,繼續對稱懸臂拼裝鋼桁梁至最大懸臂長度,進而完成上墩。采用此方法后,墩旁支架所承擔的荷載將大大減小,從而提高臨時結構安全系數,降低施工風險。

建立施工過程的有限元分析模型,考慮結構自重、施工荷載、風荷載以及溫度等荷載,計算了支承點處抽掉墊板厚度分別為0mm、10mm、15mm、20mm、25mm工況下的支點反力、前端撓度及鋼桁梁桿件應力,見表1。

表1 最大懸臂狀態下支點高度對應鋼桁梁支架敏感性分析表

由表1可知,在鋼桁梁前五個節間架設過程中,為適應鋼桁梁懸臂拼裝變形規律,逐步將支架支點處鋼板抽掉最大達到20mm,可實現支架與墩頂荷載的優化配置。即支架上單點最大荷載由6290kN減小到4214kN,提高了支架安全度；相應地,墩頂支座處單點最大荷載由4850kN增大至6814kN,進一步增強了墩頂支承的穩定性。而且通過分析,在采取該措施情況下,鋼桁梁應力變化不大,均處于較為安全的應力水平。實際施工過程中,鋼桁梁第五和第六節間安裝完成后,分兩次將支架頂E2節點處支墊各抽掉10mm(此時支架尚未脫空)。支架頂墊板的抽取通過在E2節點旁起頂實現。

4 結語

滬通長江大橋21#-22#墩和22#-23#墩鋼桁梁自2016年12月17日開始安裝；2017年3月17日完成橋面吊機調試,開始對稱懸拼；2017年4月18日完成兩跨鋼桁梁安裝。通過對鋼桁梁施工過程總結,形成以下結論：

(1)總體施工方案技術經濟合理可行。投入一套墩旁支架,在22#墩墩頂設置臨時連接,利用兩孔鋼桁梁自身形成平衡體系達到兩個作業面同時施工的目的,減小支架和鋼桁梁配重等措施材料投入。

(2)在鋼桁梁起始節段吊裝設備的選擇上,通過對墩旁塔吊選型及布置深入研究、精確模擬,實現塔吊較小吊幅即能覆蓋墩頂四節間鋼桁梁,減小對塔吊起重能力的要求。

(3)在鋼桁梁大懸臂狀態下,提出并實施了鋼梁對稱雙懸臂拼裝時支架抽墊板內力降低方法,避免支架應力過大,保證了結構安全。

(4)提出并實施了雙懸臂拼裝過程中墩頂設置縱橫向限位固定措施,保證了大懸臂狀態下鋼桁梁穩定。

以上施工工藝的成功應用,保證滬通長江大橋較好完成鋼桁梁架設任務,可為后續類似工程施工提供參考。