大跨度上承式鐵路鋼桁梁懸臂架設施工技術研究

趙前進,李敬偉

(1.中南大學,長沙 410083； 2.中國鐵路昆明鐵路局集團公司,昆明 650011)

1 工程概況

元江雙線特大橋位于云南省玉溪市元江哈尼族彝族傣族自治縣境內，是新建玉溪至磨憨鐵路的重點控制性工程之一。該橋跨越紅河深切“V”形峽谷，橋址存在破碎，有背斜、斷層、順層、滑坡體等不良地質；峽谷兩岸最大自然橫坡60°，地勢陡峭，施工場地狹窄，交通運輸困難；橋區雨季長達6個月，峽谷瞬時風力最高達10級，對施工有較大影響。

該橋全長768 m，主跨布置為(108+151.5+249+151.5+108) m上承式連續鋼桁梁，總質量約2.1萬t。主橋為變高度上承式鋼桁梁，桁寬16 m，鋼桁梁下弦采用圓曲線形由橋臺支點及邊墩支點處桁高16 m勻順過渡至中支點處36 m；鋼桁桁式采用N形及K形桁式；普通節間長度為13.5 m，在主墩雙側兩個節間為15 m；每個節間設置鋼橫梁5道，主桁下弦桿節間設置交叉式平聯；車行道橋面板設置在主桁上弦面。橋梁立面布置見圖1，橫斷面布置見圖2。

圖1 元江雙線特大橋連續鋼桁梁立面布置(單位：cm)

圖2 元江雙線特大橋連續鋼桁梁斷面布置(單位：cm)

2 鋼桁梁架設總體施工方案

2.1 制造總體方案

主桁、縱橫梁及聯結系桿件均在工廠加工為成品運輸至現場，桿件最大運輸尺寸為：2.2 m寬×2.5 m高×15 m長。橋面板在工廠橫向分4段加工，在現場組拼及焊接成整體吊裝單元。現場最大桿件吊裝質量為65 t。

2.2 運輸總體方案

桿件使用汽車通過公路運輸至臨時存放場集中存放，再由臨時存放場倒運至橋位。主桁、縱橫梁及聯結系桿件最大運輸尺寸為：2.2 m×2.5 m×15 m，橋面板單元最大運輸尺寸為：0.5 m×3.0 m×15 m。

2.3 臨建方案

小里程端設置1處鋼梁拼裝場，因自然坡度較小，采用填挖土的形式建設；大里程端因地勢較陡峭，采用鋼桁架平臺的形式建設1處鋼梁拼裝平臺。

2.4 鋼梁架設總體方案

針對鋼橋構造形式，結合橋位地形特征，經多次方案比選，采用由邊跨向主跨雙向對稱懸臂架設，在跨中進行合龍的方案。兩岸鋼橋面上各設置運梁臺車，用于構件水平運輸。邊跨起始3個節間使用汽車吊或龍門吊安裝，起始節段鋼桁梁安裝完成后在兩側鋼梁上弦上各安裝1臺70 t架梁吊機，后續鋼梁利用架梁吊機從邊跨向主跨雙向懸臂架設，直至主跨跨中合龍。橋梁合龍時，保持主墩支點不動，通過在0號、5號橋臺及1號、4號邊墩進行落梁，使跨中進入合龍口狀態，實現鋼梁跨中合龍。橋梁合龍后安裝永久支座及其他附屬工程施工。鋼桁梁架設總體布置見圖3，鋼桁梁架設施工步驟見圖4。

圖3 鋼桁梁架設總體布置

3 鋼梁架設關鍵技術研究

3.1 主要輔助工程

(1)施工便道及鋼棧橋

新建施工便道采用泥結碎石路面，局部陡峭位置采用混凝土路面。單車道+錯車平臺，路面寬度一般3.5 m，錯車平臺段加寬2 m；路面厚8 cm。便道高程高于自然地面0.2～0.3 m，道路雙側設置排水溝，溝深和底寬超過0.4 m。2號、3號墩之間跨江位置設置臨時鋼棧橋，寬6.0 m，全長約200 m。磨憨側鋼梁構件需通過鋼棧橋運輸過江，鋼棧橋承載能力按照不低于1 000 kN。施工便道布置見圖5。

圖4 鋼桁梁架設總體施工步驟

圖5 施工便道布置示意

(2)鋼梁拼裝場

在山下項目部駐地設置一處構件臨時存放場，主要用于構件存放和倒運。在玉溪側和磨憨側各設置1處預拼裝場，用于橋面板預組拼及桿件臨時存放。拼裝場尺寸均為38 m×140 m，場內布置1臺80 t/26 m龍門吊，場內分為板單元半成品存放區、橋面板雙拼區、橋面板總拼區、橋面板成品區、拼接板存放區、桿件存放區及起吊區。玉溪側場地布置見圖6，磨憨側場地布置見圖7。

臨時用電在附近10 kV元磨線引入，在拼裝場地內布置1臺630 kVA變壓器。在拼裝場地一端設置30 m×12 m辦公區及庫房。

圖6 玉溪側拼裝場地

圖7 磨憨側拼裝場地

(3)臨時墩

根據鋼桁梁架設需要，全橋需布置11組臨時支墩，臨時墩上部結構采用鋼管支架，由鋼管立柱、連接系、分配梁及操作平臺組成，材質均為Q345B。臨時墩基礎形式為人工挖孔灌注樁，混凝土強度等級為C30。邊跨臨時墩高度43 m，次邊跨臨時墩高度為110，133 m。

(4)架梁吊機

常規橋梁架梁吊機采用抱箍連接在鋼橋上弦桿，本橋為上承式結構，上弦橋面無法通過抱箍連接架梁吊機。通過研究對原有架梁吊機進行改造，新增錨固分配梁、支撐分配梁和行走軌道。錨固分配梁和支撐分配梁均帶有2組接口，以適應鋼梁節間長度變化時，架梁吊機能夠與鋼橋面內進行連接錨固。架梁吊機通過行走軌道和行走油缸，能夠自行走，避免了軌道額外吊運的繁瑣工序。

3.2 鋼桁梁桿件安裝工藝

3.2.1 拼裝次序

一般由下而上進行安裝，先下平面，后立面，盡快形成閉合穩定的結構體系，先安裝桿件不影響后安裝桿件。安裝順序依次為下弦桿、下平聯、斜腹桿、上弦桿、豎腹桿、橫聯、橋面板塊，安裝順序見圖8。

圖8 鋼梁桿件拼裝順序

3.2.2 上、下弦桿安裝

(1)上、下弦桿件用專用吊具固定，起吊時確保桿件處于水平。安裝所需的操作平臺應起吊前固定在節點一側。起吊前必須試吊，狀態穩定后方能升鉤。

(2)下弦桿應在起吊至設計位置附近后進行對孔，當連接板與桿件開孔相對位置不超過10 mm時采用特制小型撬棍撥正，并配合吊鉤起落和桿件轉動依次進行對孔，對合順序由下端至上端。對合桿件可根據具體情況分別采用扁鏟式小撬棍、牽引器以及導鏈滑車進行桿件引導。

(3)對孔完成后立即在螺栓群四角位置穿入4枚定位沖釘進行桿件定位，應首先根據螺栓孔的分布，均勻打入50%孔數的沖釘，并在剩余位置處安裝≮25%孔數的高強螺栓并進行初擰，沖釘及螺栓初擰完成后，吊車松鉤。松鉤完成后，依次繼續安裝其余高強螺栓。

3.2.3 橋面板安裝

(1)橋面板安裝前對鋼梁上弦桿直線度、桁寬及預拱度進行復測，滿足相關要求后方可進行橋面板安裝。

(2)一個節間的橋面板制造分為4塊寬度2～3 m的橋面板單元，以便于運輸。在兩岸的鋼梁拼裝場設置拼裝胎架，對橋面板單元和橫梁進行整體拼焊，拼焊后尺寸為：3 m(高)×13.3 m(寬)×13.5 m(長)。整體橋面板塊通過運梁小車運輸至橋位進行整體安裝。

(3)每個橋面板在板面對角線端部預焊4個吊耳便于吊裝。安裝時先將橋面板橫梁高栓與下弦伸出肢利用沖釘及普栓進行定位，再進行U肋及I肋接頭定位，最后對橋面板接頭焊縫進行精調。

(4)橋位焊縫的焊接采用“先栓后焊”，即將橋面板高強螺栓全部施擰完成后，再進行橋位焊縫的焊接。

3.3 鋼桁梁架設線形控制

為便于鋼桁梁架設過程中鋼桁梁線形監測，包括鋼桁梁的高程、軸偏及里程等，在鋼桁梁上布置相應的臨時測點，臨時測點在鋼梁制造廠內采用銃點的方式進行制作。臨時測點縱向布置在每段鋼梁節點中心線處，上弦桿橫向布置在主桁中心處，下弦桿橫向布置在距主桁中心1.0 m處。主梁用于線形監測的測點橫向布置見圖9。

圖9 主梁線形監測點布置

鋼桁梁安裝過程中因結構剛度、重力及環境因素等多方面的影響，將導致鋼桁梁線形存在一定的誤差，所以，在施工過程中需綜合考慮各項因素，采用有限的控制和調整措施，嚴格控制當前梁段的安裝線形、轉角、三桁高差及軸偏等。

高程控制：懸臂架設主桁桿件拼裝時，按孔眼總數的50%均勻分布打入沖釘，沖釘直徑比理論孔徑小0.3 mm，通過沖釘和孔徑之間間隙，施加外力調整兩桁的高差，同時加強兩桁橫向連接的剛度，減少整個框架的扭轉。

拼裝線形的確定：鋼梁節段拼裝高程采用監控單位發布的監控指令。監控單位根據現場每節間的測量數值并結合施工階段模型，計算下一節間構件拼裝高程。梁段拼裝高程應通過多方數據及不同軟件進行對比和驗證，實際拼裝過程應通過有效措施進行控制，避免線形偏差。當一個節間架設完成，鋼桁梁的實測數據與監控單位計算數據有偏差時，應查找偏差出現原因，分析解決對策。

3.4 鋼桁梁合龍

主跨合龍段設在磨憨側，靠近3號墩A28A27′(A28A29)節間。合龍口共2根上弦桿、2根下弦桿、2根斜腹桿。

在各橋墩的墩頂布置三維千斤頂和抄墊鋼板等，三維千斤頂選用調整范圍為豎向50～300 mm、縱橫向50～200 mm，超出調整范圍的，可通過改變整體抄墊高度調整。

橋梁合龍時，保持主墩支點不動，通過在0號、5號橋臺及1號、4號邊墩進行落梁，使合龍口由閉口狀態變化為開口狀態，消除合龍口豎向偏差。再利用墩頂布置的三維千斤頂調整合龍口縱向偏差，達到合龍條件。

合龍前通過詳細觀測合龍口狀態隨溫度變化情況，分析變化趨勢及溫度對合龍口影響的敏感性。采用降邊墩、次邊墩鋼梁調整合龍口，并配合使用合龍口頂拉裝置、沖釘、溫差等進行微調。

3.5 鋼桁梁架關鍵控制點

(1)單桿件拼裝應保證拼裝拱度，終擰前應沖釘數量不應小于孔數50%，并應確保有25%～30%孔數高強度螺栓完成初擰后方能松鉤。松鉤后首先補足剩余孔數螺栓，并按照一次20%沖釘總數的數量分步完成沖釘與高強螺栓的替換。全部替換完成后，按照中心向四周的順序完成高強螺栓的終擰。

(2)拼裝下一懸臂節間前應保證前一節間的全部節點已完成高強螺栓施擰。吊機完成吊裝向前移動前，必須經過值班工程師簽證。

(3)臨近主墩節間時，主桁結構變化為“K”形雙層斜腹桿結構。安裝時優先拼裝下弦、下層斜腹桿、下層直腹桿，使結構形成封閉體系。鋼桁梁架設超過主墩1個節間，并完成所有節點高強螺栓終擰后，主墩節點可進行起頂操作。

(4)架梁吊機根據節間距離精確前移，保證移機后吊裝狀態與設計值一致。

(5)鋼梁監測及測量頻率不小于每節間1次，測量部位選取節點及中線；架設過程中高頻率監測桿件應力，確保施工安全。

(6)鋼梁抄墊利用正式支座并根據監測和測量選取相應的抄墊方式，確保抄墊密實并提供足夠的三向承載力。

(7)高栓施擰應制定嚴格的施工交底程序，施工過程嚴格進行旁站和檢查，避免遺漏施擰及重復施擰。

4 結語

玉磨鐵路元江雙線特大橋上承式連續鋼桁梁橋，采用借助輔助墩由兩岸邊跨向主跨雙向懸臂拼裝在跨中合龍的施工方案，通過對施工現場進行詳盡調查，采取因地制宜的拼裝場和臨時墩，合適的鋼桁梁桿件懸臂拼裝順序，有效的合龍和施工監控方法，解決了山區大跨度上承式鐵路鋼桁梁橋的架設施工難題。

元江雙線特大橋已合龍并鋪軌，該橋的成功實踐，為山區鐵路大跨度上承式連續鋼桁梁橋建設提供了參考和借鑒。