鄭州黃河特大橋40 m鐵路簡支箱梁預制架設關鍵技術

王 勇 劉 澤 林國輝

(中鐵二局集團有限公司， 成都 610031)

目前，基礎建設行業勞動力逐漸呈現老齡化趨勢，同時由于其工作環境差，工作強度高，且伴隨著較高的風險，導致了基礎建設行業勞動力流失。因此，勞動密集型的高速鐵路施工須積極發展自動化和智能化，推動機械化換人和自動化減人。

高速鐵路橋梁簡支梁具有工廠化預制、機械化運輸與架設的良好條件。國內外高速鐵路橋梁設計采用簡支梁結構居多，其中普遍使用的24 m、32 m預應力混凝土簡支梁具有受力明確、構造簡單、耐久性好、施工便捷等優點。當簡支梁橋跨度大于32 m時，主要采用原位澆筑連續梁、連續鋼構橋的形式，與預制架設相比，造價較高，且質量難以控制。因此，開展40 m跨度預應力混凝土簡支梁設計與應用的研究是一項大膽的探索與創新。中國鐵道科學研究院聯合相關單位研發了高速鐵路跨度40 m 后張法預應力混凝土簡支箱梁，并于2016年在中鐵房山橋梁場試制成功[1-2]，但工程化應用還面臨諸多具體問題。

在鄭濟鐵路鄭州黃河特大橋北岸引橋工程中，貫徹綠色發展理念，提升了箱梁預制自動化與信息化水平，創新采用簡支箱梁正位提梁上橋及架設方法，推進了40 m鐵路簡支箱梁標準化生產與工程化應用。

1 工程概況

新建鄭州至濟南鐵路連接山東、河南兩省省會，線路呈西南走向。鄭州至濮陽段東起濮陽市濮陽東站，終至鄭州東站。線路正線全長197.279 km，橋梁共7座，長178.342 km，橋梁比為90.4%。鄭州黃河特大橋北岸引橋為公鐵兩用橋梁，最大坡度為9.5‰，北岸引橋186～371號墩線路長度 7 804 m，預制架設箱梁采用40 m簡支箱梁。

鐵路40 m簡支箱梁可應用于350 km/h高速鐵路和160 km/h市域鐵路，兩者的外形結構相似，參數略有不同。350 km/h無砟軌道采用的40 m簡支箱梁，單片梁長40.6 m，計算跨度39.3 m，梁高3.235 m，頂板寬度12.6 m，底板寬5.4 m，跨中截面頂板厚 285 mm，底板厚280 mm，腹板厚360 mm，支點截面頂板變厚至685 mm，底板變厚至700 mm，腹板變厚至 950 mm。腹板預應力束為22孔預應力束單排布置，單片簡支箱梁混凝土為370 m3，單片預制箱梁重 925 t。其橫斷面布置如圖1所示。

圖1 鐵路40 m簡支箱梁橫斷面圖布置示意圖(cm)

2 鐵路40 m簡支箱梁特點

合寧鐵路客運專線32 m簡支箱梁試驗成功后，在我國鐵路橋梁建設中得到推廣應用。對比分析 350 km/h無砟軌道采用的32 m和40 m簡支箱梁，得到40 m簡支箱梁的特征，針對性地開展技術攻關與創新，解決40 m箱梁預制、運輸及架設的技術難題。

2.1 結構尺寸比較

與常規32 m、900 t級預制箱梁相比，40 m、1 000 t級預制箱梁具有跨度大、重量重、高度高、寬度寬等特點。鐵路32 m和40 m簡支箱梁結構尺寸對比如表1所示。

表1 鐵路32 m和40 m簡支箱梁結構尺寸對比表

鐵路40 m簡支箱梁跨中橫斷面如圖2所示。通過計算可知，40 m預制簡支箱梁重925 t，而32 m箱梁只有790.25 t。由于相關規范要求須在6 h以內完成預制箱梁混凝土的澆注，在單孔40 m預制簡支箱梁混凝土增加17%的情況下，就必須創新澆注工藝，提高工效。同時，40 m預制箱梁自重近 1 000 t，傳統的32 m預制箱梁搬運設備無法滿足要求，須研制 1 000 t級的箱梁運架設備，才能滿足40 m預制箱梁的運架。

圖2 鐵路40 m簡支箱梁跨中橫斷面圖(mm)

2.2 結構設計對比

與常規32 m、900 t級預制箱梁相比，40 m預制箱梁腹板采用22孔的錨具，腹板比32 m預制簡支箱梁薄；同時，跨中抗裂安全系數僅為1.32，而32 m箱梁的跨中安全系數為1.40，這就要求40 m預制簡支箱梁混凝土澆注質量和有效預應力施加必須更加精確，以保證箱梁的受力狀態。

3 箱梁預制關鍵技術[3]

3.1 綠色梁場建設

運用BIM技術輔助梁場規劃建設，貫徹“四節一環保”的綠色施工理念，建立梁場可視化BIM模型，進行施工過程模擬、虛擬漫游、工程量精確計算，輔助梁場布置方案的論證及優化調整，指導現場施工。原陽制梁場采用縱列式布置，分為6個區域，即生活辦公區、制梁區、存梁區、提梁區、拌合站、生產輔助區。箱梁預制采用裝配式鋼構制梁臺座、裝配式鋼筋預扎架、鋼筋整體吊架、裝配式箱梁預制模型，最大限度地實現收轉重復利用；優化給排水系統，實現施工用水回收再利用，盡可能地節約資源和減少環境污染，推動鐵路橋梁預制綠色施工技術的發展。

3.2 箱梁預制模具

基于40 m預制簡支箱梁結構特點，開發了預制簡支箱梁自驅式液壓內模系統。模型由底模、側模、內模、端模等構件組成。底模和側模采用固定式，底模固定在鋼性制梁臺座上，側模調整到位后與底模連接形成整體；內模采用自驅式走行液壓設計，通過內模的周轉提高模板的使用率，高效利用實現節能環保并降低成本。

自驅式內模采用貝雷式龍骨結構和液壓系統，液壓收放采用變徑斷面直收、自動移位和液壓系統無線搖控操作；內模行走采用電驅模式，配置1套固定托架、2套驅動托架和2套從動車架，實現箱梁內模快速安全的安裝和拆除。通過減量化設計90條螺旋支撐桿，形成管路清晰的簡明液壓系統，可減少故障、方便維護。箱梁底、側模及內模如圖3所示。

圖3 箱梁底、側模及內模圖

3.3 鋼筋數控加工及吊裝

箱梁鋼筋采用數控彎曲中心進行加工，整體綁扎，龍門吊整體吊裝。依托智能數控系統，通過觸摸屏操作面板設定鋼筋加工參數，設備按預先設定好的程序控制伺服驅動系統進行鋼筋加工，通過編碼器、位移傳感器等檢測手段實現加工精度及加工狀態的精確控制。自動完成鋼筋的調直、定尺剪切、對齊傳輸、托起移送、自動彎曲等工序。箱梁鋼筋數控加工如圖4所示。

圖4 箱梁鋼筋數控加工圖

箱梁鋼筋面積大、重量重，研制鋼筋骨架專用吊具，防止起吊時吊具及鋼筋發生過大變形；采用兩臺95 t龍門吊吊裝鋼筋骨架。

3.4 混凝土澆注

(1)箱梁混凝土澆注工藝

40 m簡支箱梁采用的高性能混凝土量較大，為縮短澆注時間，混凝土拌和站及泵送設備均配置兩套獨立系統。從梁體兩端向中間采用斜向分段、水平分層的方式連續灌筑，兩端同步對稱均勻進行，首先灌筑腹板與底板結合處及底板混凝土，然后從內模頂面預留的混凝土灌筑孔下料補澆底板混凝土，再澆注腹板，最后澆注頂板。確保連續灌筑，一次成型。

(2)混凝土養護

制梁臺座上梁體采用土工布覆蓋灑水養護，存梁區采用自動噴淋養護系統，箱梁側面、底板和頂板采用自動噴淋養護，箱梁內箱采用封閉霧化養護。

(3)張拉與壓漿

鋼絞線采用鏈式拔管穿束臺車，預應力張拉采用自動張拉系統，預應力孔道壓漿采用自動壓漿系統，自動張拉系統極大地提升了施工效率和施工質量。

3.5 試驗檢測[4-6]

為掌握40 m簡支箱梁預制過程中的結構受力變化，對箱梁混凝土水化熱、材料性能測試、預應力摩阻測試、終張拉預應力效果、靜載試驗等進行數據采集和分析，得出箱梁預制工藝滿足設計要求。

(1)梁體內溫度檢測

箱梁體內埋設溫度傳感器進行溫度檢測。測試數據表明，試驗箱梁混凝土水化熱溫度在65 ℃以內，芯表溫差在15 ℃以內；局部最大溫差出現在梁端與腹板結合部，為22.9 ℃，澆筑完成70 h后，溫差小于 15 ℃；跨中截面芯表最大溫差位于頂板與腹板結合部，最大為15.0 ℃。受環境溫度變化影響，各部位芯表溫差達到最大值的歷時差別較大，短則13 h，長則38 h，芯表溫差隨時間呈波動特性，如圖5所示。總體上，混凝土水化熱溫度發展趨勢正常，滿足技術條件相關要求。

圖5 預制箱梁混凝土跨中芯表溫差歷時曲線圖

(2)強度和彈性模量試驗

箱梁預制混凝土實測抗壓強度和彈性模量滿足規范要求。梁體初張拉時(齡期3 d)，混凝土抗壓強度約40 MPa，達到設計值的80%；梁體養護齡期至7 d時，混凝土的抗壓強度和彈性模量均達到設計值，滿足張拉條件。預制箱梁終張拉混凝土強度55～58 MPa，達到設計值110%～116%，彈模40～41 GPa，達到設計值的112%～115%，滿足規范要求。

(3)靜載試驗

采用靜載試驗自控系統和自平衡式靜載試驗臺進行預制箱梁靜載試驗，系統自動保存試驗數據，生成靜載試驗計算單和輸出靜載試驗報告。試驗預制箱梁靜活載撓跨比實測值為1/3 989～1/3 783，小于設計值 1/3 358，豎向剛度滿足設計要求；單線設計活載作用下，試驗梁扭轉角實測值在0.179‰～0.198‰之間，小于理論值0.310‰，梁體扭轉剛度符合設計要求。用1.2倍設計荷載測試處于彈性狀態的梁體，實測混凝土應力與計算值接近，跨中未發現開裂現象，抗裂安全性滿足規范要求。

4 箱梁運輸與架設[7-8]

4.1 箱梁轉運

鐵路40 m整孔箱梁的轉運包括箱梁從提梁站到運梁車的垂直運輸、運梁車到架橋機待架位置的水平運輸。通常大噸位鐵路預制簡支箱梁轉運是通過路基(馬道)運輸或輪軌式提梁機側位提升的施工方法。

鄭濟鐵路黃河特大橋北引橋采用“四線雙層”的設計方式，普通的提梁機跨度不能滿足橋梁架設的要求。為此，首次采用正位提梁新方法，通過聯合研制MG500型提梁機實現箱梁垂直運輸。正位提梁法的工藝為：在橋下提升站內設置提梁臺座，沿橋墩縱向在兩側設置提升機走行軌道并安裝提升機，搬運機將箱梁搬運至提梁臺座存放，提升機走行至提梁臺座正上方，將箱梁提升至橋面高度，縱移提升機至待架橋跨位置，架橋機架設箱梁，架設過程中，運梁車配合架橋機完成箱梁架設。為滿足高速鐵路40 m、1 000 t簡支箱梁通過復雜工況水平運輸的要求，聯合研制了低位槽型運梁車，采用四縱梁八橫梁的網格狀槽型結構，最大程度利用隧道和箱梁兩側的空間，降低運梁高度，可滿足路基、便道、橋梁、雙線隧道內預制箱梁運輸作業。

4.2 箱梁架設

基于40 m預制箱梁自重和架橋工況，聯合研制了 1 000 t級五支腿大跨度過隧架橋機。采用雙主梁四支腿結構，起重小車采用分列式結構設計，中支腿和后支腿采用可翻折式結構設計，前支腿和前輔助支腿采用多級循環伸縮結構設計。隧道內通行時拆除起重小車中支腿下橫梁，中后支腿折翻，前支腿收縮，降低高度通過隧道。

4.3 箱梁運架遠程監控

針對箱梁運架大型設備在野外復雜工況下的運維安全風險，開發了箱梁運架設備遠程監控系統，極大地提升了箱梁運架安全的管控水平。系統采用B/S架構模型，利用專屬VPN網絡，在廣域網上的任一位置通過Web瀏覽器登錄系統，即可實現對運架設備GIS地理信息的展示、運行狀態遠程視頻監控、設備數據統計分析、設備狀態及工況預警及報警分析與信息推送、設備遠程診斷與維護、現場作業流程管理、指導現場施工、設備電子檔案管理等功能。

5 結束語

2018年5月18日，鄭濟鐵路黃河特大橋北引橋成功實現首孔鐵路40 m簡支箱梁的預制，標志著我國高速鐵路40 m簡支箱梁預制技術從研究階段邁向工程化應用；從2018年9月27日成功首架，到2019年11月8日順利完成344片40 m簡支箱梁的預制，實現了我國高速鐵路預制梁建設的第三次飛躍。隨著我國高速鐵路建造技術的持續創新與工程化應用的快速推進，深度融入云計算、大數據、5G、人工智能等信息技術，將會進一步推動我國高速鐵路橋梁建設邁向智能化建造的新高度。