沁伊黃河大橋主梁施工方案研究*

閆生龍,張 波,王 健,宋松林

(1.中交第一公路勘察設計研究院有限公司,陜西 西安 710065; 2.中交第二航務工程局有限公司,湖北 武漢 430040)

0 引言

鋼混組合梁充分發揮了混凝土的抗壓性能和鋼材的抗拉性能,憑借其承載力高、抗疲勞性能好、結構剛度大、經濟效益高等優點,近幾年被廣泛應用于建筑結構和橋梁結構等領域[1-2]。

本文以沁伊黃河大橋100m跨徑組合梁為研究對象,針對黃河河道中既不具備水上的運輸條件,又無陸地施工環境,大型施工設備無用武之地,橋下喂梁困難的施工條件對黃河淺灘區100m大跨徑組合梁的施工方案進行了對比研究。參考國內外施工經驗[3-5],本文對頂推法施工、架橋機逐孔架設施工、大節段吊裝施工進行了綜合分析,從而確定了適合本項目的施工方案。

1 工程概況

沁伊黃河大橋位于黃河孟津—桃花峪段,于河南省焦作市和鞏義市交界處跨越黃河,是河南省“13445”工程沁陽—伊川高速公路的控制性工程。本著工廠化、裝配化的設計理念,黃河主橋采用鋼混組合梁,灘地引橋采用預制T梁。考慮黃河河道沖刷大、游蕩擺動性強的實際特點,主橋宜等跨布設;結合本項目行洪、通航和周圍機場限高要求,經綜合比選,大橋由黃河主橋、跨北大堤橋、南灘地引橋、北灘地引橋和堤外引橋5部分組成,全橋總長7 198.5m, 橋跨組成為12×40m預制T梁(堤外引橋)+(75m+125m+75m)鋼混組合梁(跨北大堤橋)+(20×40m+4×50m+20×40m)預制T梁(北灘地橋)+(85m+25×100m)組合梁(黃河主橋)+25×50m預制T梁(南灘地橋)。

2 主橋結構設計

黃河主橋采用標準跨徑為100m的等截面鋼混組合梁,全長2 585m,橋跨布置為(85+4×100)m+4×(4×100)m+(5×100)m。上部結構采用開口槽型箱組合梁,主梁總高4.8m,其中鋼主梁高4.5m,通過腹板變高度實現橋面橫坡,跨間標準段每隔4m設置1道桁架式橫隔板,支點位置處采用實腹式橫隔板,主梁標準斷面如圖1所示。

圖1 主梁標準斷面(單位:cm)

橋面板采用C55混凝土,板厚0.28m,縱向濕接縫寬105cm、橫向濕接縫寬47cm,橋面板與鋼主梁間采用φ20×200焊釘連接,焊釘在鋼主梁翼緣頂面均勻布置。為減小支點鋼梁底板厚度,在主墩兩側各14m范圍內,通過在鋼梁底板上澆筑混凝土形成“雙結合”截面,改善鋼主梁局部受力[6-7]。

下部結構采用薄壁空心墩,矩形截面,墩身尺寸為6.5m(橫橋向)×3.5m(縱橋向),承臺厚3.5m,下設6根直徑1.6m的鉆孔灌注樁。考慮美觀、降低阻水等因素,橋墩采用流線型斷面,橫向設置刻槽裝飾。

3 主橋施工方案比選

本項目河道中既不具備水上運輸條件,又無陸地施工環境,大型施工設備無用武之地,橋下喂梁困難。根據國內外施工經驗,跨徑約為100m的鋼混組合梁,可供選擇的施工方法主要有頂推法施工、架橋機逐孔架設施工和大節段吊裝施工。國內典型的主要工程案例如表1所示,由表可知,在有水運條件的跨江、跨海通道中,多采用帶橋面板整孔吊裝的施工工藝,如港珠澳非通航孔橋采用85m鋼混組合梁、上海長江大橋采用整孔105m鋼混組合梁等;內陸非航運環境下,受橋址區運輸條件影響,多采用頂推法施工,如武漢二七大橋采用90m鋼混組合梁、銀川濱河黃河大橋采用80m組合梁[6-9]。

表1 國內跨徑約100m組合梁施工案例

3.1 頂推法施工

頂推施工技術是一種使用多點頂推裝備將在固定工位上組拼或澆筑完成的梁體結構逐節向前推移或拖拉的橋梁裝配化施工方法,頂推施工速度可達到0.6～0.8m/h。

本橋位于小浪底水利樞紐下游約40km處,受黃河小浪底庫區每年調水調沙影響較大,為了最大限度降低施工對黃河主河道的影響,本橋采用雙向無支墩頂推法施工,水中不設置臨時墩,從黃河兩岸向河心方向同步頂推。施工時,在黃河南岸和北岸最后一跨主橋處搭設拼裝支架及平臺,在支架上安裝導梁,通過永久墩上的步履式千斤頂同步啟動,逐段頂推施工到位。

3.2 架橋機逐孔架設

鋼梁和預制橋面板采用運梁車運至橋位處,通過專業制造的架橋機逐跨安裝鋼梁,左、右幅同時架設。一跨鋼梁、預制板架設完成后,澆筑濕接縫,待強度達到設計要求后再架設下一孔。

此方案對架橋機的性能要求較高,根據調研,目前陸域非航運條件下,最大的鋼混組合梁架橋機為孟州黃河大橋采用的LG550特大型架橋機(見圖2),國內陸域環境暫無跨徑100m、反力提升>20 000kN 的架橋機設備,需進一步研發。

圖2 架橋機施工

3.3 大節段吊裝施工

大節段整孔吊裝多應用于水上運輸和起吊能力較好的海域,內陸非通航水域無法利用駁船等大型起吊設備整孔吊裝,需利用棧橋作為施工平臺,并配合拼裝平臺、臨時墩及門式起重機等臨時設施進行施工。鋼結構主梁節段通過棧橋運送至橋位處后,在水中搭設臨時支架,采用門式起重機進行大節段現場吊裝,架設主梁。此方法經常需配置大量臨時墩及大噸位吊裝設備,并在現場施工平臺上完成大量焊接工作。

3.4 施工方案比選

從結構受力、施工措施費及工期等多方面對幾種施工方法進行對比,如表2所示。

表2 施工方法綜合比選

由對比可知,頂推法施工方案中,水中無須設置臨時墩,措施費較少,同時水上干擾也較小,采用雙側頂推施工,施工周期短。但頂推過程中主梁受力支點不斷變化,梁體局部受力較大,需設置額外的頂推加勁構造,保證支點局部受力。

架橋機逐孔架設方案中,水中也無須設置臨時墩,施工干擾小。但由于本橋箱梁自重大,單跨質量約750t,目前國內還沒有與之相適應的架橋機產品,需單獨研發,成本較高,同時,結構未形成連續體系前,需承受梁上運梁車荷載,控制結構設計,不經濟,施工周期較長。

大節段吊裝施工方案中,技術較成熟,多用于橋下交通便利的地段,且需大量臨時墩,考慮到本橋位于黃河主河槽,又無通航能力,水中臨時墩與河道干擾較大,且棧橋要加強設計,成本較高。

綜上所述,沁伊黃河大橋主橋推薦采用頂推法施工。

4 主橋頂推法施工

沁伊黃河大橋主橋全長2 585m,共分為6聯,計劃總工期36個月(不含停工期),結合橋梁主體結構形式和施工方案,在黃河南、北兩岸各設置1處施工場區,主要用于主橋南、北側的鋼結構加工、拼裝及橋面板預制和存放。兩岸間設置貫通主河道的鋼棧橋,總長2 703m、寬8.0m,主要供施工人員和運輸車輛使用。

4.1 鋼主梁頂推施工

主橋鋼混組合梁采用無支墩步履式頂推施工法,頂推過程中無須搭設施工臨時墩,減小了對黃河河道的干擾。施工時,在黃河南、北岸主橋橋頭分別設置拼裝平臺,雙側同步頂推。拼裝平臺設在南、北岸黃河主橋橋頭附近,在拼裝平臺附近布置門式起重機,依次提升鋼梁節段上橋。施工時,主梁采用分聯頂推方案,每聯為1組設置前后導梁,分批頂推到位。導梁根部高4.8m、端部高2.0m,長70m,總重210t。

施工采用多點自平衡頂推工藝,標準步距0.35m,頂推裝置位于各永久墩(包括永久墩上安裝的支架)頂部,由水平及豎向2套千斤頂系統組成,分別控制前進和升降工作。頂推設備具備豎向調節和橫向糾偏功能,可確保頂推過程中各頂推裝置同步工作。在豎向千斤頂與鋼梁間設置有支撐鋼墊梁,使集中力分布均勻。

鋼墊梁回縮時,鋼梁支撐于前、后臨時支座,臨時支座下配備千斤頂,用于主動調整支撐力,防止前、后支座反力不均勻甚至脫空。頂推過程中,單個支點最大支反力為4 824kN,為防止局部板件失穩,在千斤頂施頂范圍內設置局部支撐加勁肋,增強板件局部穩定性。頂推支撐加勁肋標準縱向間距為350mm,板厚20mm。

4.2 橋面板施工

鋼主梁頂推到位后,按中支點預抬升20cm、邊支點預抬升25cm的原則,落梁至指定高度,然后澆筑墩頂底板雙結合段,以此來提高橋面板負彎矩區的抗裂性能[10-11]。待底板混凝土達到設計強度,采用橋面運梁小車將預制橋面板按編號運至設計位置進行安裝,橋面板后澆部分采用“皮爾格”法施工,即先澆筑正彎矩范圍,后澆筑負彎矩范圍,以此來盡量降低負彎矩區現澆混凝土橋面板的拉應力水平。

4.3 頂推計算

本橋采用無支墩頂推,頂推跨度大,隨著頂升支點位置的變化,鋼梁內力狀態不斷變化,支撐處腹板承受巨大的局部豎向壓力和負彎矩造成的縱向壓應力,合理設置腹板縱向及豎向加勁肋,防止腹板局部屈曲尤為關鍵。

通過建立全橋頂推模型(見圖3),對頂推過程中鋼梁及導梁結構強度和支點反力進行計算。鋼梁及導梁采用梁單元模擬,全橋分為63個關鍵頂推工況分別進行計算。

圖3 有限元模型

計算時,鋼導梁總長70m、重210t,鋼梁、鋼導梁采用梁單元模擬,板件間焊縫及螺栓連接采用共結點方式模擬,頂推過程按0.35m步距分階段模擬,從而對頂推過程中鋼梁及導梁結構強度和支點反力進行驗算。通過頂推全過程仿真模擬計算可知:

1)頂推施工過程中各墩臺的反力列于表3,單個橋墩最大反力為9 216kN,出現在90號墩處,最小反力為5 382kN,出現在南岸首孔位置。

表3 頂推過程中各橋墩處支反力

2)考慮局部穩定、剪力滯影響后,頂推過程中,鋼梁上緣最大拉應力為197.1MPa、最大壓應力為78.7MPa,下緣最大拉應力為54.0MPa、最大壓應力為157.8MPa;鋼梁頂推到位后,鋼梁上緣最大拉應力為80.9MPa、最大壓應力為68.7MPa,下緣最大拉應力為49.8MPa、最大壓應力為62.3MPa,頂推過程中鋼主梁應力均滿足規范要求。

3)頂推過程中,鋼導梁最大應力為196.3MPa,最大向下豎向變形為-1 768.8mm,最大向上豎向變形為-253.6mm,滿足受力要求。

4)主梁頂推過程中支點附近的局部穩定性分析結果如圖4所示。分析表明,主梁頂升時局部一階穩定系數為9.56,主梁落梁時局部一階穩定系數為4.78,均滿足要求。

圖4 鋼梁腹板局部典型失穩模態

5)鋪設橋面板階段(混凝土板未結合),鋼主梁上緣最大壓應力為162.2MPa、最大拉應力為177.0MPa,下緣最大壓應力為101.8MPa、最大拉應力為129.9MPa,均小于鋼材設計允許應力。

6)考慮不同預頂升量后,支點落梁階段鋼主梁上緣最大壓應力為167.8MPa、最大拉應力為171.3MPa,下緣最大壓應力為118.4MPa、最大拉應力為141.5MPa,均小于鋼材設計允許應力。

5 結語

綜合考慮安全性、經濟性、施工工期及各工藝對黃河河道的影響程度等因素,沁伊黃河大橋采用頂推法施工工藝。該方法無須在黃河主河道設置臨時墩,最大限度地降低了橋梁施工對河道行洪的干擾,降低了施工風險。主橋采用南、北岸雙向頂推,增加了工作面,大幅度提升了施工速度。頂推過程中,主梁各關鍵位置受力均滿足要求,通過設置頂推加勁肋和優化橋面板架設順序,進一步提高了主梁穩定性,降低了橋面板負彎矩區的開裂風險。沁伊黃河大橋于2022年開工建設,預計2025年建成通車,大橋頂推方案的實施將為國內大跨徑橋梁頂推施工提供一定的借鑒和參考。