雙層鋼桁梁三矮塔斜拉橋頂推工藝設(shè)計(jì)

周勝利，張科龍，劉 洋

（中建三局第一建設(shè)工程有限責(zé)任公司，武漢 430040）

鋼桁梁頂推與鋼箱梁頂推存在較大區(qū)別，最大不同之處為頂推必須鋼桁梁節(jié)點(diǎn)受力，采用在節(jié)點(diǎn)處設(shè)置專用滑塊實(shí)現(xiàn)鋼桁梁節(jié)點(diǎn)受力[1-2]。鋼桁梁前進(jìn)動(dòng)力采用拖拉形式和限壓千斤頂形式[3]。隨著工程應(yīng)用的增多，研究者對(duì)實(shí)現(xiàn)鋼桁梁節(jié)點(diǎn)受力提出了在步履式頂推設(shè)備上增加一個(gè)上層支撐框架，可很好地實(shí)現(xiàn)鋼桁梁節(jié)點(diǎn)跟隨[4-5]。考慮到鋼桁梁結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)形式、頂推系統(tǒng)尺寸、設(shè)備同步性、頂推偏差和拼裝誤差等因素影響，研究者對(duì)節(jié)點(diǎn)受力性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究[6-7]。研究者對(duì)鋼桁梁頂推糾偏控制提出了解決措施[8-9]。

從設(shè)計(jì)、深化、制作、拼裝及頂推等全過(guò)程的角度闡述自適應(yīng)步履式頂推裝置在鋼桁梁施工中的應(yīng)用，為類似項(xiàng)目提供借鑒。

1 工程概況

蟠龍大橋是贛州市首座雙層橋景觀橋。道路按城市主干路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)速度50 km/h。考慮機(jī)動(dòng)車與人非分離，主橋采用雙層橋面設(shè)計(jì)，上層車行橋按雙向六車道設(shè)計(jì)；下層單側(cè)人行通道寬度2.5 m，非機(jī)動(dòng)車道寬度3.5 m。主橋范圍橋梁總寬26.5 m，高約6.1 m，主橋上層典型橫斷面：0.5 m（防撞護(hù)欄）+11 m（機(jī)動(dòng)車道）+3.5 m（索塔區(qū)）+11 m（機(jī)動(dòng)車道）+0.5 m（防撞護(hù)欄）=26.5 m；主橋下層橋面：2.5 m（人行道）+3.5 m（非機(jī)動(dòng)車道）+1.5 m（中桁結(jié)構(gòu)區(qū)）+3.5 m（非機(jī)動(dòng)車道）+2.5 m（人行道）=13.5 m。

主橋全長(zhǎng)396 m，采用（54+63+108+108+63）=396 m橋跨布置的鋼桁梁矮塔斜拉橋（如圖1所示），橋塔由主塔與裝飾板共同組成，均為鋼結(jié)構(gòu)。主塔與主梁在橋面處固結(jié)形成塔梁固結(jié)體系。索塔采用鋼柱式索塔，主桁采用兩片主桁的純?nèi)A倫桁架（三角桁），拉索采用單索面形式，包含3個(gè)橋塔，每個(gè)橋塔均設(shè)置5對(duì)斜拉索，拉索間距為2 m，橋塔索塔錨固采用單錨拉板錨固形式。

圖1 橋型布置圖

2 頂推工藝設(shè)計(jì)

鋼桁梁沿縱橋向分成44個(gè)節(jié)段，主桁上弦桿中心線橫線間距17.545 2 m，主桁下弦桿中心線橫向間距為15 m，主桁斜腹桿為空間桿件，斜腹桿在斷面圖上外傾15°，桁架理論桁高4.749 5 m。

按照線路總圖布置，主橋桁架位于-0.5%的單向縱坡上。在不考慮預(yù)拱度情況下，鋼桁梁的上、下弦桿與上、下層橋面設(shè)計(jì)線平行，沿道路縱坡-0.5%方向投影，桁架的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)度為9 m，在桁架端部，上層節(jié)間長(zhǎng)度為8.3 m，下層間距長(zhǎng)度為7.6 m，沿道路縱坡-0.5%方向投影，橫梁的標(biāo)準(zhǔn)間距為3.0 m，在塔梁固結(jié)范圍內(nèi)及桁架端部橫梁間距為非標(biāo)準(zhǔn)值，支座墊板設(shè)計(jì)成楔形墊板，板厚30 mm，使支座頂面保持水平。

主桁預(yù)拱度設(shè)置：主桁設(shè)計(jì)考慮廠設(shè)預(yù)拱度，廠設(shè)預(yù)拱度=－（施工過(guò)程恒載累計(jì)位移+0.5×活載位移）；下層橋面板考慮橫向預(yù)拱度，跨中預(yù)拱值為7.5 mm，板面板橫向端部為0，其余范圍預(yù)拱數(shù)值按照二次拋物線擬合。上層橋面橫向根據(jù)構(gòu)造已經(jīng)設(shè)置了2%雙坡，有索區(qū)和無(wú)索區(qū)變形不一致，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)上層橋面板不設(shè)置橫向預(yù)拱度。

在武漢完成單元件制造，片桁預(yù)拼完成后，陸運(yùn)至贛州，在南岸拼裝區(qū)進(jìn)行匹配總裝，單向下坡分5輪次帶塔身頂推。制造廠設(shè)置有鋼板存放區(qū)、下料車間、制造車間、涂裝車間及存梁場(chǎng)，占地面積約6萬(wàn)m2。橋位拼裝區(qū)設(shè)置2臺(tái)龍門吊。選擇與主橋毗鄰的主線第四聯(lián)預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁區(qū)域作為拼裝區(qū)，此區(qū)域墩柱和梁預(yù)留，待主橋施工完成后施工。按照功能將拼裝區(qū)劃分為存梁區(qū)、主桁片體拼裝區(qū)、運(yùn)梁通道、總裝頂推區(qū)等4塊，總占地面積約7 000 m2。頂推區(qū)設(shè)置9處臨時(shí)墩，最大跨度54 m。

采用節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)步履式頂推工藝，小循環(huán)每次30 cm，8 h可完成2個(gè)節(jié)間距（18 m）。

3 方案比選

橋梁施工與設(shè)計(jì)的高耦合性，進(jìn)行多方案比選。設(shè)計(jì)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和地質(zhì)條件，會(huì)在藍(lán)圖中給出建議總平布置圖。采用頂推工藝，利用永久墩，臨時(shí)墩最大跨度54 m，拼裝區(qū)設(shè)置在北岸，單向下坡頂推。

首先進(jìn)行施工總平面布置比選，對(duì)臨時(shí)墩數(shù)量、跨度、導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)及長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)懸伸長(zhǎng)度、利用永久墩情況、利用既有臨時(shí)樁情況、雙層鋼桁梁分段圖、制造思路、拼裝思路、拼裝胎架長(zhǎng)度、預(yù)留主線橋現(xiàn)澆箱梁聯(lián)次、吊裝設(shè)備選型、存梁區(qū)面積、運(yùn)梁通道面積、地面拼裝區(qū)面積、支棧橋、頂推輪次、頂推方向及頂推坡度等關(guān)鍵項(xiàng)進(jìn)行比選，詳見表1。

表1 方案比選

評(píng)價(jià)原則：

（1）考慮到鋼桁梁頂推就位后，鋼棧橋橋面距離梁底凈空高度為2.9～4.9 m。下方臨時(shí)措施不便拆除，為減小拆除成本，提前拆除不考慮利用臨時(shí)樁和支棧橋作為臨時(shí)墩基礎(chǔ)。支棧橋隨臨時(shí)墩安裝進(jìn)度拆除僅預(yù)留臨時(shí)墩之間小塊區(qū)域作為液壓泵站放置區(qū)，不考慮作為拆除臨時(shí)墩平臺(tái)使用。

（2）為保證項(xiàng)目整體形象進(jìn)度，南岸第六聯(lián)預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁提前施工，不考慮預(yù)留。北岸第四聯(lián)預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁不影響整體進(jìn)度，考慮預(yù)留至最后1輪地面拼裝完成后，場(chǎng)地空出即插入施工。

（3）鋼桁梁結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算，最大伸臂長(zhǎng)度36 m。

（4）選擇工藝先進(jìn)、控制精度高、安全可靠的自適應(yīng)頂推裝置。

（5）鋼桁梁頂推過(guò)程必須節(jié)點(diǎn)受力，故頂推支架長(zhǎng)度須不小于一個(gè)節(jié)間長(zhǎng)度（大于9 m），永久墩蓋梁寬度僅4 m。若縱梁頂標(biāo)高與蓋梁齊平，需在墩頂預(yù)留2個(gè)1.5 m×1.0 m×0.8 m槽口以安裝頂推縱梁，后期處理困難，影響外觀和永久墩后續(xù)受力，落梁高度1 m。若縱梁直接落在永久墩蓋梁時(shí)，鋼桁梁頂推軌跡線距離蓋梁頂面距離為縱梁高度+轉(zhuǎn)換柱高度（大于2.8 m），鋼桁梁設(shè)計(jì)線形梁底與蓋梁凈空為800 mm，故需要落梁至少2 m。當(dāng)利用永久墩時(shí)，墊石和支座后做，并屬于高位落梁，落梁工藝復(fù)雜。鋼桁梁載荷轉(zhuǎn)換支點(diǎn)必須位于節(jié)點(diǎn)處，橋墩節(jié)點(diǎn)大里程相鄰節(jié)點(diǎn)設(shè)置轉(zhuǎn)換柱和頂推千斤頂，橋墩節(jié)點(diǎn)小里程相鄰節(jié)點(diǎn)設(shè)置落梁千斤頂，故利用永久墩臨時(shí)墩縱梁長(zhǎng)度至少21 m（節(jié)間距9 m+節(jié)間距9 m+轉(zhuǎn)換柱一側(cè)寬0.65 m+千斤頂一側(cè)寬度1.66 m=20.31 m）。抄墊鋼板用量增加，均由人工抄墊。增加落梁千斤頂和落梁轉(zhuǎn)換柱。綜上所述，不考慮利用永久墩。

（6）河道地質(zhì)為薄覆蓋中分化巖層，振動(dòng)錘和柴油錘均不滿足打設(shè)鋼管樁的需求。采用泥漿護(hù)壁混凝土灌注樁，成孔采用沖擊鉆，內(nèi)插鋼管重疊5 m，形成樁基，作用臨時(shí)墩承載。

（7）蟠龍大橋跨章水，北岸開闊平坦，南岸起伏山地，選擇開闊平坦區(qū)域作為拼裝區(qū)，減少土方工程量。

（8）片桁9 m一段在工廠匹配制造，陸運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)地面拼裝為18 m片桁，再上總裝胎架匹配總裝。拼裝長(zhǎng)度和頂推輪次劃分需考慮模數(shù)要求。吊裝機(jī)械選擇為龍門吊，滿足長(zhǎng)度方向吊裝需求，設(shè)置2臺(tái)滿足總裝、地面拼裝和抬吊需求。由于第四聯(lián)長(zhǎng)度有限，需考慮增加寬度，考慮選擇跨度大龍門吊。鋼塔考慮汽車吊上橋面吊裝，需考慮龍門吊吊鉤至橋面8 m凈空。

4 細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

4.1 鋼導(dǎo)梁設(shè)計(jì)

鋼導(dǎo)梁主要作用是減小頂推懸臂長(zhǎng)度，降低懸臂狀態(tài)下負(fù)彎矩峰值，引導(dǎo)主梁上墩，便于頂推主梁糾偏，導(dǎo)梁設(shè)計(jì)長(zhǎng)度選取為最大跨度的0.6～0.7倍左右[10]，提供首輪頂推縱向抗傾覆力矩，減少臨時(shí)墩支反力，減小鋼桁梁應(yīng)力和變形。

頂推最大跨度為54 m，為滿足頂推需要并盡量減小導(dǎo)梁重量，導(dǎo)梁設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為30 m，主體為桁架式結(jié)構(gòu)，上下弦桿總體為變截面工字梁，桁架縱向節(jié)間距與鋼桁梁節(jié)間距相一致為9 m，下弦桿橫向間距與鋼桁梁下弦桿間距一致為15 m，上弦桿橫向間距與鋼桁梁上弦桿橫向間距一致為17.545 m。導(dǎo)梁根部為方便與鋼桁梁連接，設(shè)計(jì)為箱型形式，箱型結(jié)構(gòu)截面為平行四邊形，與鋼桁梁下弦桿截面相適應(yīng)，箱型結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度約為2 m，其他位置為工字型截面，為保證箱型截面與工字型截面的可靠連接，將工字型截面腹板插入箱型截面內(nèi)，與箱型截面上下翼緣板焊接并適量增加橫隔板，以保證連接可靠性。工字型截面與箱型截面翼緣板對(duì)接，為保證對(duì)接可靠性，對(duì)接焊縫為一級(jí)焊縫，焊后需進(jìn)行探傷檢測(cè)。

4.2 臨時(shí)墩設(shè)計(jì)

灌注樁全長(zhǎng)下放鋼筋籠。河道中鋼管立柱插入混凝土灌注樁中5 m，形成臨時(shí)墩的樁基礎(chǔ)。陸地上在混凝土灌注樁樁頂設(shè)置承臺(tái)，承臺(tái)上設(shè)置埋件，采用焊接將鋼管立柱與埋件連接在一起，形成臨時(shí)墩的樁基礎(chǔ)。承臺(tái)上采用雙管作為臨時(shí)墩樁基礎(chǔ)。單個(gè)臨時(shí)墩設(shè)置為6根鋼管柱，之間采用鋼管平聯(lián)和斜撐形成整體。立柱上設(shè)置專用柱帽，消除局部應(yīng)力集中。柱帽以上部件全在工廠制作完成。柱帽上設(shè)置橫梁，橫梁設(shè)置縱梁，縱梁四周設(shè)置操作平臺(tái)，縱梁上放置步履式頂推裝置。

4.3 支棧橋設(shè)計(jì)

為方便河道中臨時(shí)墩樁基施工，設(shè)置支棧橋，作為臨時(shí)墩樁基施工和柱帽以上施工平臺(tái)，并預(yù)留頂推液壓泵站區(qū)域。

4.4 拼裝平臺(tái)設(shè)計(jì)

設(shè)置橋面系和片桁地面拼裝區(qū)，臨時(shí)墩區(qū)域設(shè)置鋼桁梁總裝胎架。

總裝胎架頂部滿鋪花紋鋼板作為人員施工操作平臺(tái)，下部承載結(jié)構(gòu)采用鋼管格構(gòu)柱形式，基礎(chǔ)采用素混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)，對(duì)應(yīng)地基采用碎石樁換填。為防止片桁傾倒，在平臺(tái)兩側(cè)設(shè)置三腳架。胎架長(zhǎng)度考慮單次拼裝90 m，沿橋梁設(shè)計(jì)坡度設(shè)置橫向分配梁，調(diào)節(jié)短管高度考慮為700 mm，方便人員通過(guò)，并考慮支座提前安裝，調(diào)節(jié)短管高程比轉(zhuǎn)換柱高程高7 cm，保證頂推軌跡線高于調(diào)節(jié)短管，避免割調(diào)節(jié)短管增加不必要工作量。

頂推軌跡線高程比支座上調(diào)平鋼板高程高5 cm，轉(zhuǎn)換柱高程比支座上調(diào)平鋼板高程低5 cm。減少抄墊工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度，單塊墊板重量宜限制在25 kg以內(nèi)，10 cm墊墩重量宜限制在45 kg以內(nèi)。墊板材質(zhì)可以用鋼板或支座用橡膠板。墊墩可以用鋼板組焊或鋼管內(nèi)灌混凝土。

5 施工

5.1 臨時(shí)措施施工

采用沖擊鉆，施工泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁，汽車吊放鋼筋籠和鋼管立柱。

將鋼管立柱連接為整體的平聯(lián)和斜撐采用汽車吊進(jìn)行安裝，汽車吊在支棧橋上施工。

除陸地部分采用龍門吊安裝外，剩余采用汽車吊在支棧橋上安裝分配梁、轉(zhuǎn)化柱、步履式千斤頂、泵站、抄墊鋼板、操作平臺(tái)、護(hù)欄、爬梯及通道。

采用汽車吊和龍門吊施工拼裝胎架，先進(jìn)行地基處理，墊層施工，混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)施工，格構(gòu)柱施工，分配梁施工，平臺(tái)花紋鋼板施工，三腳架施工。

采用龍門吊在地面完成鋼導(dǎo)梁總裝，總裝完成后，采用雙機(jī)抬吊完成龍門吊安裝。

5.2 臨時(shí)措施拆除

拼裝胎架采用氣割切除，化整為零。

鋼桁梁整體頂推到位后，導(dǎo)梁輔助完成落梁后，可進(jìn)行導(dǎo)梁拆除。采用氣割方式進(jìn)行拆除。按照導(dǎo)梁節(jié)段長(zhǎng)度，先割除上層橫梁，再割除下層橫梁，最后割除導(dǎo)梁主梁，輔助汽車吊和平板車將割除下來(lái)廢料運(yùn)至指定位置。依次同法安裝剩余2節(jié)導(dǎo)梁，導(dǎo)梁拆除完成后，需對(duì)導(dǎo)梁與鋼桁梁對(duì)接處進(jìn)行氣刨、打磨和補(bǔ)涂。

鋼桁梁頂推到位，完成落梁施工后，需拆除頂推設(shè)備。鋼桁梁臨時(shí)墩部位處挑臂后裝，且臨時(shí)墩橫梁橋側(cè)向段適當(dāng)加長(zhǎng)。由于頂推設(shè)備整體位于下弦桿下方，將其滑移出，采用橋面汽車吊就能拆除。分配梁、轉(zhuǎn)換柱、操作平臺(tái)、抄墊鋼板、護(hù)欄及爬梯采用同樣的思路拆除。混凝土基礎(chǔ)采用啄木鳥破除外運(yùn)。

6 精度控制

6.1 臨時(shí)墩施工精度

臨時(shí)墩結(jié)構(gòu)是頂推施工過(guò)程中最重要的受力構(gòu)件，其加工制作安裝精度對(duì)結(jié)構(gòu)受力安全有重要影響，因此應(yīng)嚴(yán)格控制臨時(shí)墩加工制作安裝精度。臨時(shí)墩樁檢查表見表2，臨時(shí)墩縱梁檢查表見表3。

表2 臨時(shí)墩樁檢查表

表3 臨時(shí)墩縱梁檢查表

6.2 頂推精度控制

將下弦桿理論中心線測(cè)設(shè)至縱向分配梁上，便于看頂人員觀察梁體偏位情況；下弦桿、移動(dòng)式轉(zhuǎn)換柱、千斤頂、縱梁四者是否與理論中心對(duì)齊，及時(shí)反饋偏差給主控；預(yù)警值：超過(guò)3 cm預(yù)警，達(dá)到5 cm立即停止頂推，進(jìn)行糾偏，糾偏至1 cm以內(nèi)。反力點(diǎn)偏距預(yù)警值：移動(dòng)式轉(zhuǎn)換柱中心距離鋼桁梁節(jié)點(diǎn)在1 m以內(nèi)方能起頂，防止將鋼桁梁頂變形。同一臨時(shí)墩兩頂壓力預(yù)警值：同一橫斷面千斤頂偏載不超過(guò)100 t。所有千斤頂反力不得超過(guò)臨時(shí)墩單點(diǎn)支反力。

頂推過(guò)程中進(jìn)行主梁應(yīng)力和線形監(jiān)控，導(dǎo)梁應(yīng)力和變形監(jiān)控，拼裝胎架沉降監(jiān)控，臨時(shí)墩立柱沉降和應(yīng)力監(jiān)控，臨時(shí)墩縱梁應(yīng)力和變形監(jiān)控。

6.3 橋梁線形控制

（1）根據(jù)第三方監(jiān)控單位提供的監(jiān)控線形指令，將桁架節(jié)點(diǎn)起拱值疊加至-0.5%縱坡中，通過(guò)相對(duì)高程控制拼裝時(shí)的梁體姿態(tài)。

（2）頂推完每輪次后，采用步履式千斤頂三向調(diào)節(jié)功能，將上、下弦節(jié)點(diǎn)高程和橋梁軸線調(diào)整至設(shè)計(jì)位置，后續(xù)拼裝在同一線形姿態(tài)，按照相對(duì)高差進(jìn)行定位。

（3）落梁采用步履式頂推三向精調(diào)，由于臨時(shí)墩布置在支座和跨中附近，能進(jìn)行輔助斜拉索張拉。

7 結(jié)束語(yǔ)

（1）自適應(yīng)步履式頂推裝置的應(yīng)用，需從項(xiàng)目設(shè)計(jì)、深化、制造、拼裝、頂推等方面統(tǒng)籌考慮，與項(xiàng)目高度融合，使應(yīng)用效果最佳。

（2）節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)步履式頂推工藝是未來(lái)鋼桁梁頂推發(fā)展趨勢(shì)。