洛溪大橋拓寬工程疊合梁施工方案比選研究

文潔平, 李 諫, 周黎明, 吳文博, 張育智, 楊萬理, 3

(1.保利長大工程有限公司,廣東廣州 511431; 2.西南交通大學土木工程學院,四川成都 610031;3.抗震工程技術四川省重點實驗室,四川成都 610031)

0 引言

疊合梁斜拉橋的主梁由鋼主梁與混凝土橋面板通過剪力連接件連接為整體截面,鋼主梁與混凝土橋面板共同受力。頂推法和懸臂拼裝法是疊合梁斜拉橋主梁常用的兩種施工方法。橋面吊機懸臂拼裝法是懸臂拼裝施工技術中廣泛使用的一種方法[1],施工中橋面吊機在已架設主梁的軌道上行走,以安裝新的梁段。該方法分為整體節段安裝法和散件拼裝法兩種方法[2-3。例如平塘特大橋[4-5]與樂清灣大橋[6]主橋鋼梁采用橋面吊機整體節段吊裝法,瀾滄江大橋疊合梁主梁施工采用纜索吊機吊裝整節段安裝法[7-8],而清水浦大橋則采用散件拼裝安裝法[9]。本文將對比疊合梁斜拉橋的施工方法,討論疊合梁斜拉橋懸臂拼裝施工中不同類型橋面吊機的優缺點,對洛溪大橋拓寬工程疊合梁斜拉橋施工方案進行比選研究。

1 疊合梁施工方法

1.1 頂推法

紅水河特大橋位于貴州省羅甸縣與廣西省天峨縣交界處,該橋梁橫跨紅水河,橋位處為“U”形峽谷[10]。其孔跨布置采用(2×20) m現澆箱梁 + (213+508+185) m斜拉橋,主塔的高度為195 m,設置166根斜拉索,如圖1所示。主梁的寬度為27.8 m,采用混合梁結構形式,即:河道貴州一側邊跨和中跨采用疊合梁(鋼縱梁、鋼橫梁與混凝土橋面板疊合),施工時貴州岸邊跨疊合梁采用頂推法,中跨采用吊機逐段施工;河道廣西一側邊跨采用預應力混凝土雙肋式Π形梁,采用現澆施工。該橋疊合梁施工方案的選擇充分考慮了橋位地形、水位限制的影響。

圖1 紅水河特大斜拉橋橋型布置(單位:cm) [10]

其中貴州岸邊跨采用多點同步頂推工藝對鋼主梁進行頂推,如圖2所示。其原理:由安裝在多個支墩和承臺上的水平千斤頂提供推力,克服梁體在滑道裝置上的滑動摩擦力,推動梁體向前移動。每個千斤頂提供的水平推力不同,基本上與千斤頂所在墩臺受到的滑動摩擦力相等。剛度大的墩臺上的千斤頂提供的推力大,而柔性墩提供的推力小,各個千斤頂同步工作。通常會在主梁的前端設導梁,以方便主梁跨上前方墩臺[10]。

圖2 紅水河特大斜拉橋頂推施工示意(單位:m) [10]

紅水河特大橋頂推施工難點[11]:

(1)需要設計4個臨時墩,臨時墩不僅要滿足頂推受力要求,還需要有足夠剛度、強度和穩定性。

(2)在墩頂需要設計帶0.8%縱坡的滑道,并要求較高的施工進度;同時鋼梁底部的拼接板和螺栓,也需要滿足拼裝和頂推要求。

(3)保證在頂推過程中多臺千斤頂協同工作是一大挑戰。最多情況下,有34臺千斤頂,并且每個橋墩上有4臺連續千斤頂。

(4)頂推過程中,鋼梁左右行程差、橫向偏位及線型的控制不容易。

疊合梁頂推施工方法所需配套設備多,包括臨時墩、頂推滑道、頂推滑板和全套頂推系統等,并且需要足夠大的場地進行現場拼裝焊接及頂推,在有河道通航要求,以及保證舊橋交通不中斷的施工場地,很難滿足頂推施工所需的條件。

1.2 整節段吊裝

疊合梁整節段吊裝施工主要有2種:一是橋面吊機整體吊裝法,如平塘特大橋[5]與蘇拉馬都跨海大橋[12]的主橋鋼梁施工;二是整節段纜索吊裝安裝法,比如瀾滄江大橋[8]疊合梁主梁施工。上述橋梁吊裝施工示意如圖3～圖5所示,上述吊裝方法是比較成熟、應用比較廣泛的施工方法。

圖3 平塘特大橋整節段吊裝施工示意(單位:cm) [5]

圖4 蘇拉馬都跨海大橋整節段吊裝施工示意 [12]

圖5 瀾滄江大橋纜索吊裝整節段安裝法施工 [8]

當橋面高度大、預制所需部件不方便運輸、不適宜采用散件懸拼時,一般采用整體節段吊裝施工法。例如平塘特大橋,主梁橋位高度180 m,并且位于狹窄陡峭的山區環境,風大且風速多變,主梁部件運輸相當困難。不論是采用部件懸臂拼裝還是纜索吊裝施工方法,風荷載對超高空施工的安全帶來極大的隱患,對拼裝線型的質量控制帶來不利影響,而且主梁部件運輸也相當艱難。因此該橋主梁最終采用整體吊裝施工,將鋼梁整體節段一次性拼裝到懸臂前端,一次性將安裝標高調整到位,有利于線形控制。

整體吊裝法的缺點是對施工器械的吊裝能力要求較高。以平塘特大橋為例[4],整體吊裝節段包括主梁、橫梁和小縱梁,最終的是邊跨合龍段,達到360 t,比單個散件荷載重量大很多,對橋面吊機的額定吊重要求高,平塘特大橋橋面吊機前支腿荷載總計大于400 t;并且吊機自重也會成倍增加,對鋼箱梁施工階段承載能力也有較高的要求。

因此,整體吊裝施工的優點為節段安裝周期短、節段匹配簡便,缺點為需要多套吊裝、運輸設備,且設備負載大,設備投入較高,并且需要占用較高的航道凈空。

1.3 散件懸臂拼裝

如果施工中不能中斷橋下交通,施工環境中存在河道水流湍急不利于節段運輸,一般采用散件懸臂拼裝的施工方法。該方法將組成鋼梁的散件逐一起吊上橋,利用橋面吊機在主梁上的工作平臺上完成拼裝。應用該種施工方法的橋梁工程有清水浦大橋[9]、西固黃河特大橋[13]和青州閩江大橋[14]等。

清水浦大橋位于寧波市繞城高速公路,為連體索塔分幅組合梁斜拉橋,跨徑組成為(54+166 +468+166+54)=908 m。主梁由箱形截面鋼縱梁 (鋼錨箱、風嘴附著在其外側腹板上)、工字形截面鋼橫梁、C60預應力混凝土橋面板(預制+現澆) 等組成,各構件重量如表1所示。

表1 梁段起重參數

由表1可知,清水浦大橋主梁標準節段重量為115 t,最重的散件重58 t,前者遠大于后者。如果整節段吊裝,吊機的起吊能力應該至少是散件拼裝吊機起吊能力的2倍。因此,散件懸拼施工法相較于整節段吊裝施工法更經濟,對施工安全和精度控制更加有利。

2 洛溪大橋拓寬工程疊合梁施工方案比選

2.1 工程概況

如圖6所示,廣州洛溪大橋擴寬工程主橋設計為(30+95+305+110+30)m 雙塔雙索面疊合梁斜拉橋,采用五跨連續半漂浮體系,空間密索型布置,單幅橋寬14.5 m。

圖6 洛溪大橋主橋

主梁施工主要難點:大風天氣多;施工工期緊、任務重;主橋0#、1#塊高空大噸位疊合梁整體吊裝,施工精度要求高;塔、梁同步作業,施工組織難度大;施工環境條件復雜,安全風險高;多區域施工,組織協調、管理難度大。

考慮到洛溪大橋擴寬工程主梁施工主要難點,如果采用整體吊裝方法,則對施工設備及航道通航要求高,投資大,且整片主梁在運輸及吊裝過程中的變形不易有效控制,運輸及吊裝期間對主梁結構產生的影響可能會對整座橋梁的施工進度產生重大影響。如果采用纜索吊裝整節段安裝法,不僅對施工環境及施工設備要求更高,甚至大風、大雨都會嚴重影響施工進度及施工精度,而且纜索吊裝施工法一般針對大跨橋梁,且橋梁選址在山谷或比較寬的河流區域。因此相對來講,通過橋塔附近提梁站將散件運至橋面,再對散件進行懸臂拼裝的方案更加適合本項目的實際情況。

下面通過對幾款橋面吊機的綜合對比,為懸臂散拼法施工選擇一款合適的橋面吊機。

2.2 橋面吊機選型

2.2.1 克靈吊

在早期橋面吊機中,大多都采用克靈吊式橋面吊機。如南浦[15]、楊浦[16]和徐浦[17]3座大橋主梁施工中,橋面吊機均采用壓桿臂架、旋轉平臺式克靈吊機。這類橋面吊機通過吊機4個支點支承在路基梁上,底盤與橋面板接觸,能保持自身平衡,無需提供專門的軌道。在南浦橋主梁施工過程中,吊機2個前支點的反力分別達到70 t與40 t,仍然小于橫梁的容許值,不需要再設置臨時加強結構,避免對橋面板造成損害。上述3座大橋使用的橋面吊機如圖7所示,具有起升、變幅和回轉3種功能。回轉功能通過擺線針輪減速器實現,起升和變幅通過卷揚機實現,起重機行走由卷揚機牽引。

圖7 克靈吊式橋面吊機[18]

如果本項目采用克靈吊式橋面吊機施工,雖然具有工作效率較高,安全風險較低的優點,但是存在一些缺點:

(1)吊機自重大,一般為起重量的3～4倍,導致施工階段梁體上施工荷載大,不利于受力控制。

(2)如果吊機走行在邊箱梁上(采用大下盤),結構龐大,吊機自重增大,受力更大。

(3)如果吊機走行在小縱梁上(采用小底盤),需要對臨時走道梁加固和臨時錨固,增加工序和費用。

(4)起重操作安全管理要求高,對濕接縫施工會產生一定的影響,必須后移錨固點,增加工序。

(5)需要在待安裝梁段下單獨設工作平臺, 特別是主梁構件之間采用焊接連接時。

2.2.2 整節段吊裝橋面吊機

通常是預制廠將預制拼裝節段制作好,通過運梁車或運梁船運送到現場,再借助于橋面吊機整體吊裝。整體吊裝重量大,對橋梁線形、高程等控制精度要求較高,早期的克靈吊式橋面吊機無法滿足施工要求。因此,如果橋址位于運梁車可以到達或者所跨越的河流具有通航條件,采用橋面吊機垂直起吊節段安裝主梁是一個合適的選擇。

整節段懸拼施工所采用的橋面吊機有2種:一種是橋上行走的橋面吊機;一種是纜索吊機。下面分別以鰲江特大橋和瀾滄江大橋為例介紹2種橋面吊機及其施工應用。

鰲江特大橋主橋為(52+88+320+88+52) m雙塔雙索面疊合梁斜拉橋,主梁采用鋼梁與混凝土橋面板疊合,鋼梁部分由縱梁、橫梁及小縱梁共同組成鋼梁格體系[19]。主梁梁段采用橋面吊機整體提升法施工,如圖8所示。

圖8 鰲江特大橋梁體節段整體提升[19]

此外當地受臺風、雨霧、雷暴等自然環境影響較大,如果選擇散件橋上拼裝,施工節奏、施工工期很難掌握。另外,該橋在施工方面還有較高的要求,比如要求在風浪環境下橋面錨固和吊裝起重具有較高的穩定性,吊裝過程縱橫向的運動調整的控制性以及吊具具有對梁端縱坡的可調整性等。綜合考慮該橋主梁節段的重量以及對施工過程的要求,采用橋面吊機整體提升施工更符合該橋標準梁段懸臂拼裝要求。

瀾滄江大橋為七跨雙塔雙索面疊合梁斜拉橋斜拉橋,其跨徑布置為(150+400+150)m。該橋主塔采用“H”形結構,塔高118.6 m。該橋橋位較高,主梁散件運輸可達性較差,鋼主梁單元吊裝重量達到95 t,因此施工安全風險較高。另外,該橋施工現場用地范圍小,不利于大量散件存放和上部結構施工組織開展,散件拼裝法并不適合于該橋。該橋最終采用纜索吊機整體吊裝施工,如圖9所示[7]。

圖9 瀾滄江大橋纜索吊機施工[7]

2.2.3 多功能散件懸拼吊機

采用懸拼吊裝施工時,相較于采用克靈吊式橋面吊機,具備三向調整拼裝平臺的多功能懸拼吊機具有施工更簡便、靈活、高效的優點。2011年,這種懸拼吊機在寧波清水浦大橋中首次使。在清水浦大橋主梁施工中,對懸拼吊機的設計和功能提出了4點要求:

(1)應用廣泛性。能夠用于節段整體吊裝,桁架節點宜采用銷接方式,以便拆解后的桿件可以在其他方面重復利用;吊機安裝、拆除方便。

(2)良好的抗風性能。工作狀態抗8級風,非工作狀態抗14級風,縱梁帶風嘴安裝。

(3)工作平臺設置。該橋主梁采用全焊結構,在盡量少占航道凈空的情況下,在懸臂安裝梁段下設置工作平臺。

(4)具有多功能吊具:吊具能夠完成所有構件(帶風嘴的縱梁、橫梁、預制橋面板)的安裝,吊具的設計要考慮被吊物體的平衡。

清水浦大橋主梁施工選用散件上橋,在橋面吊機工作平臺上進行現場拼裝的方式進行施工,如圖10所示[9]。

圖10 清水浦大橋懸拼吊機安裝中跨主梁示意[9]

2.2.4 洛溪大橋拓寬工程橋面吊機選擇

2.2.4.1 3種施工方案

根據洛溪大橋主梁結構形式,有3類施工方案可選:

(1)采用舊式克靈吊式橋面吊機進行散件拼裝工作。該方案缺點顯而易見,克靈吊式吊機相較于多功能散件懸拼吊機吊裝效率低且需定制施工平臺,無法重復利用。

(2)借鑒臺灣高屏溪斜拉橋主梁安裝方案,即“整段懸拼”。該方案在索塔區域的主梁下方地面上進行整段拼裝,懸掛在主梁下方的運輸桁架懸掛整段主梁,運輸主梁至最前面,然后用橋面吊機與運輸桁架進行轉換懸掛主梁,最后橋面吊機提升主梁直至安裝到位。該方案雖然有“節段安裝周期短、節段匹配好”的優點,但不足之處也明顯,如需要吊裝、運輸等設備,設備負載大,相較于散拼多功能吊機資金投入較高;需要占用較高的航道凈空[20]。

(3)散件上橋后,利用多功能散件懸拼吊機進行懸臂拼裝。

2.2.4.2 施工方案確定

結合清水浦大橋的施工經驗,本項目最終采用DQP30多功能散件懸拼吊機進行懸臂拼裝法施工。該吊機是專門為本項目設計的一種新型橋面吊機。本項目中采用的DQP30多功能散件懸拼吊機主要功能構件如圖11所示,包括:

圖11 DQP30多功能橋面吊機結構

(1)主框架。主框架是設備的主要承載構件,它是天車的支撐基礎。由2個平行的棱形桁架通過聯系撐桿連接成整體。2個平行的棱形桁架中心距11.92 m,中心桁高3.87 m。主框架由主梁、立柱、斜撐、橫聯等幾部分組成,總重約 21 t。各桿件的連接采用高強螺栓和銷軸連接。各桿件尺寸外形尺寸不超過12 m×2.5 m ×3.2 m,重量不超過10 t。

(2)天車。天車主要由縱移天車、橫移天車組成,不僅可實現梁段的起降和縱橫移,還可以實現梁段在空中的姿態調整。

(3)縱移機構。縱移機構指的是鋼梁以上部分縱移系統,它是整機縱向前移驅動裝置,也是縱移軌道向前縱移的驅動裝置。縱移系統整機共2套,每套由油缸、銷軸、縱移滑靴(半自動拔插機構)和縱移軌道鉤掛裝置組成。分別布置于桁架的2個下弦桿下方,一端固定在下弦桿上,另一端通過滑座與縱移軌道連接。油缸驅動整機縱向移動,實現整機的前移動作。

(4)可調支撐。可調支撐是整機的支撐裝置,也是其底面整機縱移的滑動面。配合支撐油缸可實現整機的姿態調整。可調支撐整機共4件,主要由螺桿、螺母和支撐座等組成。

(5)后錨固。后錨固是重載時防止整機前傾的裝置。主要有錨桿、錨座和錨銷組成。錨座固定于主框架下弦,其位于前支點后端8 m位置處。

(6)拼裝平臺。拼裝平臺包括縱向橫跨底籃、下層滑動支架、上層滑動支架,各支架結構主要由縱梁及小橫梁拼裝形成。上、下層滑動支架前、后與縱向橫跨底籃采用銷軸連接,將載荷傳遞到縱向橫跨底籃上。縱向橫跨底籃主要功能是提供散件拼裝的平臺,承載工作載荷所有的重量。上、下層滑動支架中的滑軌前部與縱向橫跨底籃連接,后部采用掛輪掛在維修小車軌道上,其主要功能是整機行走時帶動拼裝平臺行走。縱向橫跨底籃與上、下層滑動支架相連位置安裝有千斤頂,其主要功能是采用液壓系統移動滑動支架并傳遞工作載荷。上、下層滑動支架的設計保證了主梁構件縱移及頂升的同時也提高了鋼箱梁安裝對位的精準度。拼裝平臺細部示意如圖12所示。

圖12 DQP30多功能橋面吊機拼裝平臺細部示意

3 洛溪大橋拓寬工程疊合梁施工步驟

洛溪大橋拓寬工程疊合梁采用DQP30多功能散件懸拼吊機進行懸臂拼裝施工的步驟:

(1)安裝懸拼吊機主框架、縱移機構、拼裝平臺,并用拉桿進行錨固。

(2)將分段構件運輸至懸拼吊機的吊裝范圍,將構件與吊車牢靠連接,起吊構件,起重機向前行駛至安裝位置,調節拼裝平臺上層支撐滑動架,確保分段構件下放到滑動架上,分段構件后端與已完成分段構件前端在縱橋向保持一定可調節的凈距。

(3)緩慢下落構件,放置構件于拼裝平臺上層支撐滑動架上。構件在支撐滑動架上準備就位后,即可用設置在下層滑動架上的千斤頂橫向移動滑動架,2個滑動架應同時滑動,確保負載平衡均勻。

(4)滑動架橫移至最終位置,在上層滑動架處用千斤頂進行水平調節,使構件精確安裝就位。

(5)單節段構件安裝施工完成。重復以上步驟,完成新的分段構件安裝。

DQP30橋面吊機不僅能夠滿足節段梁在懸臂端進行縱移、轉體、懸拼,同時可用于橋面板安裝,且結構體系相對簡單,后錨系統牢固可靠,安全監控系統全面。主體結構采用倒梯形結構,在實現天車在橋面吊機后部提梁、前部旋轉功能的同時增加整體抗傾覆能力。在同類設備中處于領先地位。

采用橋面吊機進行標準梁段施工的工藝流程如圖13所示。

4 結論

(1)結合已建橋梁,討論了疊合梁施工方法中頂推法、整節段吊裝法和散件懸臂拼裝法的優缺點,并選擇散件上橋之后懸臂拼裝作為背景工程的施工方法。

(2)結合已建橋梁,對斜拉橋疊合梁施工中橋面吊機,包括克靈吊式橋面吊機、整節段吊裝橋面吊機和多功能散件懸拼吊機優缺點進行了闡述,選擇并專門定制DQP30多功能散件懸拼吊機服務于背景工程。

(3)闡述了洛溪大橋拓寬工程疊合梁采用DQP30多功能散件懸拼吊機進行懸臂拼裝施工的步驟和標準梁段施工工藝流程。

本文背景工程疊合梁施工方案比選方法,以及為本工程定制的DQP30多功能散件懸拼吊機,可為類似項目提供參考。