跨運河鋼桁梁拖拉系統優化及施工技術研究

鄧圣賢

（中鐵二十四局集團上海鐵建工程有限公司 上海 200070）

1 引言

隨著社會經濟發展，交通路網建設日趨密集交錯，跨河跨線鋼梁橋建設十分普遍，這也促使了其施工技術的不斷發展。如今拖拉施工作為鋼桁梁架設施工的主要方法之一，也在實踐中不斷地改進優化。結合無錫市京滬鐵路無錫北至無錫段改造工程項目部跨錫澄運河80m鋼桁梁拖拉施工的應用，重點介紹拖拉施工的關鍵工藝處理，施工過程中結構安全的驗算及應對措施。

2 工程概況

錫澄運河特大橋水中墩鋼桁梁位于江蘇省無錫市境內，位于既有京滬線右側與既有京滬線平行，跨越既有錫澄運河，跨錫澄運河橋為 80 m雙線簡支鋼桁結合梁，鋼桁梁橋中心設計里程為DK1322+854.905，對應京滬鐵路上行線里程為K1322+762。

本橋為1-80 m無豎桿整體節點平行弦三角桁架下承式鋼桁結合梁，共8個節段，每個節間長度為10m，桁高11.6 m；結構采用兩片主桁，主桁中心距11.8 m，鋼桁梁全長82 m，梁端距支座中心1 m。主桁采用栓焊結合的整體節點，在工廠內將桿件和節點板加工完成，運到工地架設時，除橋面板和下弦桿頂板采用熔透焊連接外，其余板件均在節點外采用高強度螺栓連接。

鋼桁梁靠近鐵路側外邊緣在9#墩離既有京滬鐵路線上行線中線距離為17.36 m；在10#墩離既有京滬鐵路上行線中線距離為17.19 m。

3 鋼桁梁架設方案選取

既有錫澄運河航道通航緊張、繁忙，無法在航道中直接搭設支墩，故本鋼桁梁架設采用岸上拼裝，因拖拉動力系統安裝在岸上，以及本方案不采用后導梁增設動滑輪組，所以架設方案采用鋼桁梁前端加導梁懸臂拖拉和頂推的組合方式。

拖拉系統優化：與以往施工方法不同，重物移運器正放與鋼支架為一整體，鋼梁在上面滑動，兩臺卷揚機動力系統間隔距離較近、鋼梁自身結構以及動力系統不同步等原因，導致在拖拉過程中鋼梁出現扭轉，難以限位糾偏。本方案根據鋼桁梁本身結構，采用重物移運器倒放，在鋼桁梁下弦節點增加連接板，將重物移運器和鋼桁梁本身采用高強度螺栓連接，而且重物移運器增加四個導向輪進行限位糾偏，減少操作。

鋼桁梁橋面板及其余附屬設施施工過程中存在物品墜落的可能，影響航道的通航安全；鋼桁梁架設過程中需對航道進行臨時封航，鋼桁梁施工對既有錫澄運河通航影響較大。此方案充分利用了鋼桁梁自身結構和拖拉系統設備的優點，拖拉施工速度能夠控制在0.6 m/min以上，在保證安全的前提下縮短時間可以最大程度上減少封航帶來的影響。

4 鋼桁梁拖拉施工設計

4.1 支架與基礎施工，如圖1、圖2所示

圖1 鋼支架平面圖

圖2 鋼支架立面圖

本工程鋼支架分為陸地鋼支架和水中鋼支架，鋼管采用Φ609×12mm的螺旋鋼管，為增加結構穩定性，需在鋼管之間設剪刀撐，剪刀撐規格為[16#槽鋼，橫梁、縱梁均采用I45c工字鋼，橫向、縱向都采用平坡。陸地鋼支架基礎采用12 m深的Φ800 mm鉆孔樁，鉆孔樁頂面為3 m×1.5 m的系梁，鋼支架采用50 t履帶吊配合人工進行安裝。水中鋼支架采用150 t履帶吊和DZ60振動錘配合人工進行安裝，經計算鋼管樁入土深度至少16 m，施工時分段下沉。

4.2 鋼桁梁拖拉動力系統

4.2.1 重物移運器布置，如圖3所示

圖3 重物移運器設計

鋼桁梁在拼裝鋼支架上安裝完成，分別在E0、E1、E2、E3、E4、E3’、E2’、E1’、E0’以及導梁 5個節點雙側安裝 400 t重物移運器裝置，共計28個重物移運器，鋼桁梁下弦有預拱度，通過各個節點的重物移運器上的鋼墊箱高低來調整，重物移運器倒放在滑道上，上方設置鋼墊箱通過高栓與鋼桁梁連接為整體，重物移運器四周設置導向輪來進行限位糾偏，隨著拖拉依次將動滑輪組安裝在鋼桁梁E0、E2、E2’、E0’節點橫梁位置，動滑輪組與鋼桁梁采用高栓連接，在10’#墩頂安裝定滑輪組，在地面設置兩臺80 kN卷揚機和導向輪，安裝好完整的拖拉體系。

4.2.2 滑輪組設置，如圖4所示

圖4 動滑輪組

本次拖拉工程采用滑輪組型號為80 t級6門滑輪組，每套卷揚機動力系統由10根鋼絲繩并聯，鋼桁梁橫梁共設置4處安裝動滑輪組，動滑輪安裝在鋼桁梁大節點橫梁上，分別設置在E0、E2、E2’、E0’四處節點，用8套10.9級M24高強度螺栓將動滑輪組固定在橫梁上，兩套拖拉系統間隔8.74 m,對稱布置在本鋼桁梁最大間隔距離處，更有利于拖拉的同步性。

動滑輪組通過高強螺栓固定在鋼桁梁節點橫梁上，固定螺栓主要承受剪力，8套10.9級M24高強度螺栓的屈服強度為940 MPa,抗剪強度為310 MPa，總的抗剪力為：

式中，n——M24螺栓數量；

fbv——10.9級M24高強度螺栓的抗剪強度；

Ae——M24螺栓有效截面面積；

ψ——螺栓受力非均勻系數，取0.9。

N=8×310×3.14×20.752^2/4×0.9=754 416 N≈754 kN

固定動滑輪組采用8套10.9級M24螺栓滿足要求，兩組動滑輪抗剪力為1 508 kN大于最大啟動靜摩擦力864 kN（見4.2.4拖拉力計算）。

4.2.3 卷揚機施力同步控制

拖拉系統采用兩套80 kN卷揚機和動、定滑輪組組成，為使實際拖拉施工中兩套動力系統能夠統一，采取兩套動力系統鋼絲繩串聯方式，以保證兩套動力系統施力的同步性，以確保鋼桁梁行走按照預定軸線，大大減少實際拖拉過程中的糾偏工作量。

圖5 鋼桁梁頂推布置圖

實際拖拉施工中，鋼桁梁下方兩條行走軌跡出現不平衡摩擦、卷揚機回縮鋼絲繩不平衡等情況時，鋼桁梁可能出現偏轉情況，此時采用扣件將8 t轉向輪處鋼絲繩扣緊，可以將原本為一體的動、定滑輪組拖拉系統轉化成兩套獨立系統，此時通過開、停左右兩套動力系統對鋼桁梁進行糾偏。

4.2.4 拖拉、頂推裝置以及動力計算，如圖5所示

（1）卷揚機選配、動力計算

拖拉總重量：最大總拖拉重量約1 200 t，該重量包含82 m長鋼桁梁1 050 t，36 m長導梁92 t，28個節點的400 t重物移運器裝置共58 t，根據重物移運器廠家提供參數及以往鋼梁拖拉經驗，滑道與重物移運器之間的靜摩擦系數為0.06，滾動摩擦系數約為0.033，在地面砼基礎上固定兩臺8 t卷揚機作為動力。

1）①拖拉力計算（最大啟動靜摩擦力）

式中：K—安全系數，取1.2；

G—頂推結構重量，1 200 t；

f—摩擦系數，靜摩擦系數取0.06，動摩擦系數取0.033；

經計算：F靜=1.2×1 200×10×0.06=864 kN

②拖拉力計算（滾動摩擦力）

經計算：F動=1.2×1200×10×0.033=475.2 kN

2）鋼絲繩選用規格為6×19+FC纖維芯鋼絲繩，直徑為φ21.5 mm，長度為460 m，鋼絲繩公稱抗拉強度為1 770 MPa，鋼絲繩最小破斷拉力為263 kN，每套拖拉系統由10根鋼絲繩并聯，受力遠小于破斷拉力。

3）拖拉速度

選用8t慢速JM電動卷揚機兩臺，每臺卷揚機的容繩量為460 m，平均出繩速度為6 m/min，每臺配置動、定6門輪滑輪組穿繞牽引鋼絲繩拖拉鋼梁，牽引力的估算：

鋼絲繩倍率：i=2×5=10

牽引力：2×8 t×10×10=1 600 kN >864 kN

卷揚機出繩速度：6 m/min，滑輪組鋼絲繩倍率i=10。因此，選擇電動卷揚機牽引速度：6÷10=0.6 m/min。

（2）頂推千斤頂選配

因拖拉動力系統安裝在岸上，以及本方案不采用后導梁增設動滑輪組，所以鋼桁梁拖拉步驟中，最后一步采用兩臺千斤頂頂推7.1 m，采用兩臺500 t千斤頂，最大頂程為1 700 mm。千斤頂的反力架焊接在鋼桁梁尾部的縱向滑道上，當千斤頂頂出1 600 mm后，千斤頂油缸回縮，在前端放置1 500 mm頂鐵，繼續向前頂推，這樣循環連續頂推，直到頂推設計位置為止。

4.2.5 導梁設置，如圖6所示

圖6 導梁結構設計圖

導梁采用兩片主桁架結構，總長度36 m，分6個節段，采用300×300 mm型鋼桿件，橫向間距為11.8 m。導梁總重約92 t，在導梁最前端設置接應支撐點，鋼桁梁的導梁即將到達9#墩鋼支架時，在9#墩鋼支架的縱梁端頭位置各設置一臺200 t重物移運器，在其上面放一臺50 t千斤頂，當導梁到達9#墩鋼支架時用50t千斤頂將導梁頂起，使200 t重物移運器、50 t千斤頂和導梁跟著鋼桁梁一起向前移動，直到導梁的第一個節點上400 t重物移運器裝置爬上到9#鋼支架的縱梁上去。

4.3 鋼桁梁拖拉施工

初始狀態：在鋼桁梁E2節點橫梁位置安裝動滑輪組，在10#墩頂安裝定滑輪組，定、動滑輪組間距為39.8 m，在地面安裝兩臺8 t卷揚機，安裝好完整的拖拉體系。

步驟一：利用兩臺8t卷揚機將鋼桁梁向前拖拉35 m，鋼桁梁導梁前端懸挑30 m。拆除E2節點位置的動滑輪組，安裝到E3’節點位置橫梁，定、動滑輪組間距34.8 m。

步驟二：鋼桁梁繼續向前拖拉30 m，拆除E3’節點位置的動滑輪組，安裝到E0’節點位置橫梁，定、動滑輪組間距34.8 m。

步驟三：鋼桁梁繼續向前拖拉30 m，拆除定、動滑輪組裝置。

步驟四：在鋼桁梁尾部的縱梁上設置反力架，在每根縱梁上方設置一臺500 t千斤頂，千斤頂每次頂升1.5 m，縮回千斤頂活塞后，在前端安放1.5 m頂鐵，千斤頂繼續頂升，總共頂升7.1 m鋼桁梁到達設計位置。

步驟五：鋼桁梁拖拉到位后，分別在9#、10#墩上設置兩臺400 t千斤頂在千斤頂下方設置頂鐵，在上方用鋼墊塊和鋼板抄墊，將鋼桁梁頂起10 cm，拆除導梁、9#臨時鋼支架和與10#墩之間的水中鋼支架縱梁、橫梁以及影響落梁施工的所有附屬構件。通過兩個橋墩上的4臺400 t千斤頂將鋼桁梁下落至支座上，9#墩端鋼桁梁下落1.326 m，10#，墩端鋼桁梁下落1.005 m。

4.4 鋼桁梁試驗方案

4.4.1 鋼桁梁懸臂試驗

試驗目的： 鋼桁梁懸臂最大跨度56m時，鋼桁梁導梁的最大撓度值。

試驗過程： 2019.1.28下午，天氣晴，溫度13℃，試驗采用10臺油壓千斤頂，分別布置在E0、E2、E3、E2’、E0’鐵路側和便道側，E0位置采用320t油頂，E2、E3、E2’ 位置采用500t油頂，E0’位置采用200t油頂，鐵路側和便道側對稱布置，油頂上方抄墊鋼板，油頂從無錫北依次往無錫方向頂升2cm左右，循環頂升直至10cm左右，鋼桁梁各點頂升高度一致，拆除E0位置千斤頂，此時形成鋼桁梁懸臂最大跨度56m。

試驗結果：最大懸臂狀態 56m時，便道側導梁前端最大撓度 85mm，鐵路側導梁前端最大撓度80mm，與MIDAS有限元建模計算撓度值75.4mm相近。

4.4.2 鋼桁梁整體強度試驗：

試驗目的： 鋼桁梁導梁上9#墩支架滑道時，需要在導梁前端設置千斤頂，頂升導梁使小坦克順利上9#墩滑道，導梁強度是否滿足。

試驗過程： 2019.1.28下午，天氣晴，溫度13℃，試驗采用兩臺50t油壓千斤頂，分別布置在導梁最前端三腳架下方，往上頂升8cm左右，持續15分鐘。

試驗結果：導梁沒有異響、油漆無剝落，導梁無明顯變化。

4.4.3 鋼桁梁與導梁焊接強度試驗

試驗目的： 鋼桁梁拖拉懸臂過孔步驟中，鋼桁梁支座支點還沒有到達 9#墩支架上時，導梁的第6個支點反力最大，通過有限元建模計算，該支點單邊反力值為158.97t，導梁桿件所受的應力值最大，導梁與鋼桁梁前端連接處的焊縫強度是否滿足進行試驗。

試驗過程：2019.1.29上午，天氣陰，溫度8℃，拆除導梁第六個重物移運器，在支撐點位置設置兩臺500t油壓千斤頂，左右分別各設置一臺，根據頂升力換算成油壓表讀數，頂升至200t。

試驗結果：持壓 15分鐘左右，導梁無明顯變化、焊接縫無開裂、沒有異響，油漆沒有剝落等現象，導梁與鋼桁梁焊縫強度滿足使用要求。

5 結語

鋼桁梁橋在跨河跨線建設中應用及其廣泛，通常采用拖拉施工的方法，本工程跨越繁忙的錫澄運河，寬度大，又鄰近營業線施工，施工風險較大，本工程采用拖拉施工，通過合理布置水中支架及陸地支架、優化拖拉系統并建立有限元模型進行受力計算，通過對不利工況進行試驗，確保拖拉施工的安全，通過本工程的實施，鋼桁梁拖拉系統設計及施工技術對今后跨河跨線的鋼梁施工具有一定的參考價值。