平潭海峽公鐵兩用大橋大小練島水道橋主墩墩旁托架設計

頓 琳 沈大才

(1.中鐵大橋局集團有限公司 武漢 430000； 2.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室 武漢 430000)

1 項目概況

平潭海峽公鐵兩用大橋FPZQ-3標段全長11 149.7 m，由3座航道橋(元洪航道橋、鼓嶼門水道橋和大小練島水道橋，均為雙塔鋼桁混合梁斜拉橋)、119孔(46孔跨度為40.7 m、73孔跨度為49.2 m)非通航孔橋(均為混凝土梁橋)和34孔(26孔跨度為80 m、8孔跨度為88 m)引橋(均為簡支鋼桁結合梁橋)組成。大橋采用雙層橋面布置，上層橋面布置6車道公路、下層通行雙線鐵路[1]。

大小練島水道橋為80 m+140 m+336 m+140 m+80 m雙塔鋼桁混合梁斜拉橋結構，全長776 m，橋跨布置圖見圖1。

圖1 大小練島水道橋橋跨布置圖(單位：m)

本橋邊跨無索區公路橋面板為預制混凝土橋面板，輔助墩頂鐵路橋面系為正交異性鋼箱，其余公路橋面和鐵路橋面均為正交異性鋼橋面板[2]。

斜拉橋主梁為帶斜副桁的板桁結合鋼桁梁結構，主桁架中心間距15.0 m，桁高13.5 m，鋼梁全寬36.8 m，節間長度為14.0 m及12.0 m 2種。

2 總體施工步驟

全橋鋼梁架設步驟為首先采用36 000 kN浮吊吊裝邊跨E0～E6節間大節段鋼梁(質量2 730 t)，再吊裝輔助跨E7～E13節間大節段鋼梁(質量3 123 t)，然后浮吊主跨側站位依次吊裝主塔墩頂E14～E15、E16～E17、E18～E19節間鋼梁至主跨側墩旁托架滑道梁頂面，每吊裝完成1個節段后往邊跨滑移至設計位置，最后整體吊裝架梁吊機至主跨側鋼梁頂面[3]。

3 總體設計

根據全橋鋼桁梁架設步驟，主墩墩旁托架主要用于輔助安裝墩頂6節間及輔助跨7節間鋼梁，還需滿足鋼梁在其上部進行滑移施工，墩旁托架設計為鋼管支架+滑道梁結構。

根據此施工要求，首先確定支架順橋向長度不得小于84 m，橫橋向間距與鋼梁桁寬相同，為15 m。由于上部鋼梁結構荷載大，鋼管支架若采用垂直支架系統，鋼管支架底均位于水中，需要采用鉆孔樁基礎，施工十分困難，綜合考慮施工方便及結構的可靠性，將鋼管支架底部支撐于承臺混凝土頂面，若僅考慮支架縱橋向傾斜，則鋼管支架底部支撐于承臺系梁上，且縱橋向傾斜角度過大，考慮以上因素后，將鋼管支架設計為雙向傾斜的空間結構，底部支撐于啞鈴形承臺圓端上。與常規支架方案中1個節點下方設置1根鋼管立柱不同，本橋因承臺頂空間受限及考慮材料用料，支架采用縱橋向4根鋼管立柱，部分節點支撐于滑道梁上。結構形式見圖2。

圖2 墩旁托架布置圖(單位：m)

4 設計重難點

1) 本橋邊跨6.5節間大節段鋼梁、輔助跨7節間大節段鋼梁、主塔墩頂6節間鋼梁均采用浮吊整節段架設。由于海洋環境的風、浪影響，浮吊起吊鋼梁后需落梁于墩頂或墩旁托架上，落梁過程中鋼梁對支架或墩頂均有不同程度的水平和豎向沖擊作用，沖擊系數的大小關系著鋼梁、墩身結構安全，同時還影響墩旁托架的結構設計，取值太大會導致結構設計過于保守，經濟性差，取值偏小會導致安全事故發生。常規方案鋼梁落梁區一般采用硬度稍小的枕木等抄墊，落梁后再拆除部分抄墊塊，安裝千斤頂調整鋼梁位置，對于鋼桁梁結構一般為節點受力。常規的落梁方式受力不明確，加上沖擊作用，還可能造成局部變形，風險大。使用緩沖材料可以起到一定的緩沖減震作用，但需驗證其緩沖效果，明確材料的設計沖擊系數。

2) 在墩旁托架使用過程中，鋼梁和架梁吊機自重荷載會對支架產生較大的水平力，在臺風荷載同時作用下，托架會產生較大的水平扭矩。

3) 墩旁托架傳統施工方法大多采用現場散拼，因本橋為海上施工，若采用散拼，需建立拼裝平臺以滿足拼裝場地的要求，鋼結構投入較大，經濟性較差。且托架為雙向傾斜結構，現場拼裝精度控制難度較大。

5 鋼桁梁落梁沖擊試驗

為了確定浮吊吊裝鋼梁落梁時的沖擊系數，在現場進行了沖擊試驗。試驗沖擊構件選用直徑4.4 m的鋼護筒，桶內灌入4.8 m高的砂，整個試驗裝置重約1 500 kN。鋼護筒下端設置有1塊鋼墊，為模擬落梁墊塊，墊塊底面設置橡膠墊作為緩沖裝置[4-5]。試驗平臺由混凝土反力槽、豎向和橫向沖擊力傳感器和落梁鋼平臺組成。鋼平臺底座底面豎向栓接9個1 000 kN(總量程9 000 kN)測試豎向沖擊力傳感器，4個側面中心各栓接1個量程為500 kN沖擊力傳感器。實驗用見圖3、圖4。

圖3 試驗用鋼護筒結構圖(單位：mm)

圖4 試驗平臺結構圖(單位：mm)

試驗采用“雪浪”號4 000 kN浮吊進行現場吊裝，模擬落梁過程。浮吊試驗時測得現場最大波高為0.42 m，最大瞬時風速10.6 m/s，由于海況較好，為模擬實際情況，對浮吊大臂進行擺臂后再將吊鉤以不同速度下放(風浪較大時，浮吊搖擺較為明顯，此處以大臂擺動來模擬)測試其水平、豎向沖擊系數。吊鉤下放速度分為3檔，低檔(速度1.5 cm/s)、中檔(速度3.0 cm/s)、高檔(5.0 cm/s)。綜合鋼梁吊裝采用36 000 kN海鷗號作業條件及前期吊裝圍堰等數據，吊裝時重物擺幅不超過1 m。鋼護筒擺幅達到1.0 m后再以不同檔位下放沖擊。經整理，下放速度為高檔時試驗結果見表1。

表1 鋼沖擊試驗結果

由表1可見，根據36 000 kN浮吊參數，主鉤滿載速度0.15～1.5 m/min，輕載速度(小于40%額定載荷)0.15～3 m/min，即將落梁到位時，浮吊下放速度較慢，沖擊系數相當于中檔或低檔時的試驗值。試驗時當重物擺幅達到1 m時，浮吊吊鉤以高檔速度(3 m/min)下放時，鋼對鋼的豎向沖擊系數為0.318，墊塊下方增加橡膠墊后的豎向沖擊系數為0.206。后期施工中采用8 cm厚的普通橡膠墊后，豎向沖擊系數可以控制在0.2以內，橫向沖擊系數建議不大于0.1。

6 深化設計

鋼管支架頂層聯結系設置一層扶臂，為滿足海洋環境防腐要求及方便施工后期的托架拆除，扶臂及鋼管支架底部預埋件均采用爬錐預埋件。兩側墩旁托架在中橫梁處斷開，通過底部預埋件及頂層扶臂與承臺和塔柱連接。根據綠色環保的施工理念，鋼管支架材料均倒用原鉆孔平臺。

上部滑道梁為焊接鋼箱梁，鋼梁采用浮吊吊裝，考慮鋼梁縱橫橋向偏差均為1 m，滑道梁上邊跨及主跨側落梁區域處新制一段4.57 m×4.8 m的落梁及滑移平臺，其余各處滑道梁材料倒用原鉆孔平臺。

考慮海上施工便利性，墩旁托架鋼管支架邊跨側及主跨側兩部分在工廠制造，制造完成后利用浮吊整體安裝。

6.1 設計荷載

墩旁托架使用過程中，上部豎向荷載包含1/2輔助跨E7～E13節間大節段鋼梁自重及主塔墩頂E14～E15,E16～E17,E18～E19節間鋼梁自重。各節段鋼梁重量見表2。

表3 鋼梁節段統計表

主墩墩頂鋼梁節段安裝到位后，架梁吊機整體吊裝至主跨側鋼梁頂面，架梁吊機自重4 000 kN。

浮吊吊裝鋼梁落梁時縱橫向偏差按不大于1.0 m考慮，同時考慮落梁時對墩旁托架的沖擊力。該沖擊力分為豎向沖擊荷載與水平沖擊荷載，沖擊系數按鋼桁梁落梁沖擊試驗確定，其中豎向沖擊系數按0.2考慮，水平沖擊荷載按0.1考慮。計算可得，輔助跨大節段鋼梁吊裝時，單個落梁墊塊處豎向沖擊力約1 540 kN，水平沖擊力約770 kN。按照同樣方法，可分別計算得出其余托架頂兩節間鋼梁落梁時沖擊力。

墩旁托架設計時還需考慮風荷載作用，鋼梁吊裝時風力不大于7級(設計時按照8級風計算，風速20.7 m/s)；鋼梁縱橫移調整時,風力不大于8級；鋼梁吊裝至托架頂并縱橫移調整到設計位置后,考慮臺風作用(海平面10 m高度處的設計基準風速為44.8 m/s,相當于14級臺風)。根據《港口工程荷載規范》計算風荷載得到8級風工況下鋼管支架風荷載標準值約0.353 kPa，鋼梁風荷載標準值約0.429 kPa；臺風工況下鋼管支架風荷載標準值約1.65 kPa，鋼梁風荷載標準值約2.0 kPa。

6.2 最不利工況

對墩旁托架使用過程中各個施工步驟進行分析,鋼管支架及滑道梁在輔助跨大節段鋼梁即將落梁成功瞬間為最不利工況,此時鋼梁與托架不發生相對位移,僅考慮豎向力,豎向力按自重+豎向沖擊力考慮,即1.2倍鋼梁自重, 作用位置考慮平面縱橫向1 m偏位。

6.3 受力分析

采用midas Civil有限元軟件建立鋼管支架及滑道梁整體有限元模型，其中將滑道梁加寬段采用板單元模擬，其他結構均采用梁單元模擬，建立施工階段模擬墩旁托架使用過程中各個施工步驟。鋼梁自重、風荷載按節點荷載施加于落梁墊塊相對應的滑道梁上，鋼梁沖擊力按面荷載施加于滑道梁落梁及滑移平臺上，鋼管支架風荷載按線荷載加載，架梁吊機荷載按節點荷載施加于滑道梁上。計算模型見圖5。

圖5 墩旁托架計算模型

經過軟件計算，鋼管支架邊跨外側鋼管立柱需采用直徑×壁厚為2 000 mm×22 mm鋼管，其余鋼管立柱均為直徑1 500 mm×壁厚18 mm鋼管，聯結系型號為直徑1 200 mm×壁厚18 mm，直徑1 000 mm×壁厚12 mm，直徑800 mm×壁厚10 mm，直徑600 mm×壁厚10 mm鋼管。鋼管支架頂層聯結系內共設置4束對拉鋼絞線(2束為1組，單束鋼絞線設計預拉力3 650 kN，施工時的預拉力允許偏差在+5%以內)，以平衡鋼梁和架梁吊機自重荷載對鋼管支架產生的水平力及14級臺風荷載對托架產生的平面扭矩[1]。滑道梁鋼箱梁采用原鉆孔平臺軌道梁進行改制，邊跨及主跨側4.57 m×4.8 m落梁及滑移平臺新制。鋼管支架均為Q235B鋼材，滑道梁均為Q345B鋼材。

分析計算最不利工況下，新制的輔助跨側滑道梁加寬段最大組合應力為486 MPa，最大剪應力為247 MPa，超出設計強度范圍位于滑道梁和墩旁托架頂約束區域，且范圍較小，考慮為局部應力集中。其余部分滑道梁最大組合應力189.9 MPa，最大剪應力87.6 MPa，鋼管支架最大組合應力為177.7 MPa，鋼管立柱及部分連接系桿件為壓桿，進行穩定性驗算后均滿足要求。

通過對各個施工階段進行分析計算，頂層聯結系內對拉鋼絞線在鋼梁吊裝完成安裝架梁吊機后內力最大為7 760 kN，鋼絞線安全系數為2.0，滿足要求。

6.4 細節設計

墩旁托架為雙向傾斜的空間結構，為進一步增加墩旁托架鋼管支架底的抗滑移能力，鋼管支架承臺頂預埋件與塔座之間設置縱向混凝土擋塊，作為鋼管支架縱向抗滑移安全儲備，施工時現場可在承臺頂面設置隔離措施，方便后期拆除。具體結構見圖6。

圖6 墩旁托架支架底混凝土擋塊布置圖

墩旁托架鋼管支架頂層聯結系內鋼絞線對拉時，一部分對拉力將傳遞至聯結系剪刀撐，導致傳遞至下橫梁處的壓力儲備遠小于鋼絞線對拉力(考慮結構安全，除安裝工況外，要求頂層連接系與下橫梁接觸處不得出現拉力)，若進一步提高對拉力，則會導致頂層聯結系應力大大增大。為解決上述問題，將剪刀撐設置為帶套筒的特殊結構，鋼絞線張拉完成后再將套筒與聯結系鋼管焊接。具體結構見圖7。

圖7 墩旁托架頂層聯結系剪刀撐套筒結構圖(單位：mm)

7 結語

1) 平潭海峽公鐵兩用大橋大小練島水道橋鋼梁采用浮吊吊裝及架梁吊機懸臂架設，主塔墩旁托架主要用于輔助安裝主塔墩頂6節間鋼梁及輔助跨7節間大節段鋼梁，并承受斜拉索掛設前的鋼梁及主跨側架梁吊機自重，鋼梁均采用浮吊整節段架設。

2) 墩旁托架下部采用雙向傾斜的鋼管支架，上部滑道梁為焊接鋼箱梁。現場試驗確定了浮吊吊裝鋼梁落梁時的豎向及橫向沖擊系數。為平衡鋼梁及架梁吊機自重荷載對鋼管支架產生的水平力及14級臺風荷載對托架產生的平面扭矩，鋼管支架頂層連接系內共設置4束對拉鋼絞線。

3) 墩旁托架傳統施工方法大多采用現場散拼，因本橋為海上施工，場地受限，故采用浮吊整體安裝。

2018年12月28日，大小練島水道橋鋼梁已順利合龍，墩旁托架也圓滿地完成了它的使命。此種墩旁托架工廠整體制造，再利用大型浮吊整體安裝的施工技術可供其它工程參考。