董 政,張 鵬

(中鐵大橋局集團(tuán)第一工程有限公司,鄭州 450037)

1 工程概況

石武客運(yùn)專線鄭州黃河公鐵兩用橋主橋第一聯(lián)采用(120+5×168+120)m的六塔連續(xù)鋼桁結(jié)合梁斜拉橋,其橋跨布置見圖1。2號(hào)～5號(hào)墩位于黃河主河槽,其余墩位于灘地。

鋼桁梁采用無豎桿的三角形桁式,桁高14 m,節(jié)間間距12 m。橫向布置為3片桁,中桁垂直,邊桁傾斜,傾角為14.036°。下弦桁間距8.5m,桁寬17 m,上弦桁間距12 m,桁寬24 m。上層公路橋面寬32.5 m。下層鐵路橋面為雙線客運(yùn)專線,線間距7 m。該結(jié)構(gòu)體系用于公鐵兩用橋尚屬世界首次。

鐵路橋面為正交異性整體鋼橋面板。節(jié)點(diǎn)處設(shè)節(jié)點(diǎn)橫梁,間距12 m,橋面板與主桁的連接在工地現(xiàn)場(chǎng)完成。橋面板頂板連接采用焊接,橫梁腹板、底板和縱肋連接采用栓接。上弦平面在節(jié)點(diǎn)處設(shè)置橫撐桿連接3片桁,橫撐采用工字形截面。公路橋面板與橫撐不結(jié)合。普通節(jié)點(diǎn)處不設(shè)橫向聯(lián)結(jié)系,只在支點(diǎn)處設(shè)橋門架。上弦平面考慮施工時(shí)的安全,設(shè)置臨時(shí)平面聯(lián)結(jié)系。為交叉形式的平面聯(lián)結(jié)系。第一聯(lián)鋼梁總質(zhì)量近2.6萬t。3片主桁在中主桁布置橋塔,橋塔采用鋼箱結(jié)構(gòu),塔梁固結(jié)。塔高37 m,每個(gè)主塔布置5對(duì)拉索。主塔立面布置為“人”字形,從塔頂?shù)膯蜗浣孛嫦蛩鶟u變?yōu)殡p箱截面。

圖1 鄭州黃河公鐵兩用橋第一聯(lián)橋跨布置(單位:cm)

根據(jù)工程結(jié)構(gòu)及所處的環(huán)境特點(diǎn),第一聯(lián)鋼梁施工采用在岸上固定的拼裝平臺(tái)上散拼成整體節(jié)間,分階段頂推到位的方法架設(shè)。鋼梁頂推到位后再安裝公路橋面板、鋼塔和掛設(shè)斜拉索。

2 施工方案的比選及確定

2.1 施工方案的優(yōu)點(diǎn)和難點(diǎn)

在方案討論階段曾提出過3種方案:第一種是采用雙棧橋龍門吊機(jī)懸臂架設(shè)方案;第二種是采用架梁吊機(jī)懸臂架設(shè)施工;第三種是采用頂推法施工。

由于本橋跨越黃河,黃河灘地風(fēng)力較大,采用梁頂移動(dòng)式鋼梁架設(shè)吊機(jī)懸臂拼裝時(shí),安全條件較差,且拼裝對(duì)點(diǎn)困難,尤其是斜邊桁桿件,起吊對(duì)點(diǎn)更加困難;同時(shí)因鋼梁跨度較大,為滿足結(jié)構(gòu)安全必須在水中設(shè)置強(qiáng)大的臨時(shí)墩,臨時(shí)墩在使用完畢按河務(wù)部門要求必須全部清除至局部沖刷線以下,費(fèi)用較高。架梁吊機(jī)懸臂拼裝施工速度較慢,施工均為高空水上作業(yè),施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大,加上施工工期較緊,架梁吊機(jī)懸臂拼裝整體施工效率不高。鋼梁頂推與懸拼施工方案比較見表1。

經(jīng)過多次研討和反復(fù)優(yōu)化,最終確定主橋第一聯(lián)鋼梁采用多點(diǎn)同步頂推施工方案。該方案為在岸上設(shè)置鋼梁拼裝平臺(tái),鋼梁全部在平臺(tái)上拼裝,分批次拼裝和頂推,直至全聯(lián)完成。經(jīng)過業(yè)主組織專家評(píng)審,認(rèn)為該方案先進(jìn)、可行,適應(yīng)本橋工程特點(diǎn)。

表1 鋼梁頂推與懸拼方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

2.2 頂推施工方案的優(yōu)點(diǎn)和難點(diǎn)

由于本橋?yàn)殇撹炝?只能節(jié)點(diǎn)受力,且跨度較大,為168m,鋼梁第一聯(lián)聯(lián)長達(dá)1 080 m,質(zhì)量近3萬t,其頂推施工科技含量高,頂推架設(shè)的規(guī)模和施工難度大;在散拼支架上拼裝鋼桁梁,能實(shí)現(xiàn)工廠化作業(yè),支架上設(shè)置的防雨棚,可避免因雨季、冬季的天氣變化對(duì)焊接、高強(qiáng)度螺栓施擰的不利影響,能保證拼裝質(zhì)量;同時(shí)采用多點(diǎn)同步頂推施工,不需要在河中間設(shè)臨時(shí)墩,減少了高空作業(yè)和水上作業(yè),不僅有利于保障施工安全,而且減少了對(duì)河道的干擾。

第一聯(lián)采用多點(diǎn)同步頂推方案,因鐵路橋面無縱梁,其頂推跨度、頂推總噸位和頂推長度大,施工過程中如何保證長大桿件的吊裝和空間斜邊桁的定位、多點(diǎn)頂推同步性、桁片受力均勻性、墩頂滑道的精確定位及墩旁托架頂推過程中的安全性,是頂推方案實(shí)施的難點(diǎn)。

2.3 頂推施工總體步驟

首先在第一聯(lián)鋼梁南端(7號(hào)～8號(hào)墩間)設(shè)置鋼梁拼裝平臺(tái),并拼裝65 t跨線龍門吊機(jī)。在支架上逐節(jié)間從前到后連續(xù)安裝前導(dǎo)梁,前端部分導(dǎo)梁采用懸拼,在導(dǎo)梁后面接拼鋼梁桿件。拼裝7個(gè)節(jié)間鋼桁梁后移出拼裝墊塊,利用千斤頂在滑動(dòng)墊塊兩側(cè)頂起鋼桁梁,移出滑動(dòng)墊塊頂?shù)蔫T鋼墊塊,使鋼桁梁下落至滑動(dòng)墊塊頂面,滑動(dòng)墊塊支撐在鋼梁節(jié)點(diǎn)處。安裝頂推反力裝置和牽引鋼絞線,通過布置在墩頂?shù)倪B續(xù)千斤頂張拉鋼絞線使鋼桁梁實(shí)現(xiàn)前移。每頂推1個(gè)節(jié)間需在墩頂起落頂鋼梁1次,以便將滑塊轉(zhuǎn)換至下一節(jié)間后繼續(xù)頂推。鄭州黃河公鐵兩用橋一次頂推循環(huán)圖示見圖2。

圖2 鄭州黃河公鐵兩用橋一次頂推循環(huán)圖示

循環(huán)進(jìn)行以上步驟,每次頂推7～8個(gè)節(jié)間,直至除S(M)E0節(jié)段外的第一聯(lián)全部鋼桁梁拼裝完成、頂推到位。導(dǎo)梁在過1號(hào)墩后,即可分節(jié)段拆除導(dǎo)梁。用輪胎吊機(jī)拼裝最后半節(jié)間鋼桁梁直至全部桿件拼裝完成。最后依次拆除墩頂滑道梁,進(jìn)行鋼桁梁體系轉(zhuǎn)換并且安裝正式支座。

3 主要臨時(shí)設(shè)施和設(shè)備

3.1 拼裝支架

第一聯(lián)鋼梁拼裝支架位于主橋7號(hào)～8號(hào)墩之間,下部采用鋼管樁基礎(chǔ),樁間設(shè)置聯(lián)結(jié)系。鋼管樁頂擺放分配梁,在分配梁上安裝滑道梁,頂面設(shè)置不銹鋼板滑動(dòng)面。用65 t龍門吊機(jī)在支架上進(jìn)行鋼桁梁桿件的散拼工作,拼裝支架每次可拼裝8個(gè)節(jié)間的鋼桁梁。

3.2 龍門吊機(jī)

由于鋼梁?jiǎn)蝹€(gè)桿件最大質(zhì)量為63 t,現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置1臺(tái)65 t橫跨拼裝支架的龍門吊機(jī),采用雙軌輪箱式走行結(jié)構(gòu),跨度為36m,高度為36 m,以滿足上弦桿拼裝的凈空要求。為加快施工進(jìn)度,后期又增加了1臺(tái)65 t龍門吊機(jī),2臺(tái)同時(shí)進(jìn)行桿件拼裝。

3.3 墩旁托架(圖3)

在每個(gè)墩身兩側(cè)布置頂推托架。托架分兩部分組成:立柱和滑道梁。托架立柱采用鋼管混凝土,直接支撐于承臺(tái)上;滑道梁一端與墩身頂預(yù)埋件焊接,另一端與立柱頂焊接。一個(gè)墩旁頂推托架上設(shè)3片滑道梁,與鋼桁梁下弦桿中心對(duì)應(yīng)。頂推過程中鋼桁梁每個(gè)節(jié)點(diǎn)均要設(shè)滑塊抄墊,滑道梁縱橋向長度大于12 m,以確保鋼桁梁頂推過程中節(jié)點(diǎn)受力。邊滑道梁上設(shè)頂推反力座,將頂推反力通過墊石傳遞給墩身。

為了減少滑動(dòng)時(shí)摩擦力,滑道梁頂面焊接不銹鋼板,鋼桁梁與滑道梁之間設(shè)滑塊?；懒号c托架及墩身連接成一體,滑道梁箱內(nèi)預(yù)留索道管,以便于頂推鋼絞線束穿過。每片桁各布置4臺(tái)豎向起頂千斤頂,每個(gè)墩頂邊桁滑道梁側(cè)面均設(shè)導(dǎo)向裝置,在兩側(cè)邊桁各布置1臺(tái)350 t水平連續(xù)千斤頂。

圖3 墩旁托架圖示

3.4 前導(dǎo)梁

為減小鋼梁頂推過程中前端懸臂,改善結(jié)構(gòu)受力,在鋼梁前端設(shè)置導(dǎo)梁與鋼梁通過節(jié)點(diǎn)板聯(lián)接成整體。前導(dǎo)梁質(zhì)量為750 t,材質(zhì)采用Q345b鋼;導(dǎo)梁長108 m,設(shè)過渡節(jié)與主體結(jié)構(gòu)連接,導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)采用桁架結(jié)構(gòu)形式,高度14 m,節(jié)間長度12 m;前導(dǎo)梁采用兩片桁架,桁間距16.64m。

3.5 頂推連續(xù)千斤頂及控制系統(tǒng)

由于鋼梁質(zhì)量較大,頂推所需的水平力也較大,在1號(hào)～7號(hào)墩頂兩邊桁各布置1臺(tái)新研制的350 t連續(xù)千斤頂,固定在邊桁滑道梁的前端,共設(shè)置14臺(tái)。為保證連續(xù)頂工作的同步性,每臺(tái)連續(xù)頂配套設(shè)置的有液壓泵站、位移傳感器和油泵壓力傳感器等信號(hào)采集元件。

3.6 多點(diǎn)同步控制系統(tǒng)

第一聯(lián)鋼梁頂推同步控制系統(tǒng)包括主控單元、總線通訊和現(xiàn)場(chǎng)控制單元的多級(jí)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)。主控單元包括主控計(jì)算機(jī)、主控接口單元和主控操作單元,用于采集主控操作指令,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行集中處理,兩邊桁設(shè)位移編碼器直接連接在主控接口單元,用于兩邊桁頂推過程中的同步控制。現(xiàn)場(chǎng)控制單元通過總線與主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊,接受主控計(jì)算機(jī)的控制指令,控制現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如電磁閥等)完成相應(yīng)動(dòng)作?，F(xiàn)場(chǎng)控制單元同時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),通過總線傳回主控計(jì)算機(jī),由主控計(jì)算機(jī)完成對(duì)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控,并實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的自動(dòng)保護(hù)。

4 主要施工工藝

4.1 鋼桁梁支架拼裝

鋼桁梁桿件進(jìn)場(chǎng)后及時(shí)組織對(duì)桿件進(jìn)行驗(yàn)收,檢查桿件尺寸、噴鋁層和螺栓孔等質(zhì)量情況以及檢查運(yùn)輸過程中桿件有無變形、損傷,噴鋁層及油漆有無破損,合格后進(jìn)入預(yù)拼場(chǎng)存放。為便于鋼梁安裝,架設(shè)前需要在鋼梁存放場(chǎng)將部分零小桿件組拼成一大部件,以減少橋上安裝難度,便于安裝。桿件預(yù)拼后,由于質(zhì)量不對(duì)稱,應(yīng)根據(jù)重心參數(shù)表中所示的重心位置,在桿件上用油漆標(biāo)出,以便鋼梁平穩(wěn)起吊。

正式吊裝前,對(duì)桿件、節(jié)點(diǎn)板及孔眼中的浮銹、灰塵、浮土,用刷子、抹布等工具進(jìn)行清除,處理合格后方能組拼,各桿件根據(jù)重心安裝吊具或鋼絲繩,起吊后確認(rèn)桿件平衡或角度滿足安裝要求且牢固可靠、安全無誤后,方可起吊提升安裝。

拼裝前在拼裝支架對(duì)應(yīng)鋼梁節(jié)點(diǎn)位置擺放墊塊,抄墊高度要滿足設(shè)計(jì)線形要求,同時(shí)保證3片桁的偏差不大于2mm。拼裝順序?yàn)橄冗M(jìn)行中桁下弦桿、邊桁下弦桿安裝;再安裝鐵路鋼橋面板;繼續(xù)進(jìn)行中桁斜桿、邊桁斜桿安裝,使每片桁的桿件形成閉合三角形結(jié)構(gòu);再安裝中桁上弦桿、邊桁上弦桿;最后安裝橫撐、臨時(shí)平聯(lián),使3片鋼桁梁形成整體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。檢查鋼桁梁中線及高程,確認(rèn)符合要求后開始高強(qiáng)螺栓施擰和鐵路橋面板焊接。

4.2 高強(qiáng)螺栓施擰

鋼桁梁主桁桿件拼接采用M30高強(qiáng)度螺栓連接,鐵路橋面板橫梁腹板和底板連接采用M24高強(qiáng)螺栓連接,鐵路橋面板縱肋連接采用M22高強(qiáng)度螺栓。

螺栓進(jìn)場(chǎng)后,按規(guī)定進(jìn)行抽樣復(fù)驗(yàn),復(fù)驗(yàn)項(xiàng)目包括扭矩系數(shù)、螺栓楔負(fù)載、螺母保證荷載、螺母及墊圈的硬度。螺栓拼接摩擦面處理采用表面噴砂后電弧噴鋁,出廠時(shí)栓接板面抗滑移系數(shù)試驗(yàn)值不得小于0.55。工地復(fù)驗(yàn)抗滑移系數(shù)不得小于0.45。高強(qiáng)螺栓連接副的擰緊方法為扭矩法,施擰分初擰、終擰兩部分進(jìn)行,初擰和終擰均應(yīng)使用定扭矩扳手。終擰扭矩值由試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定,初擰扭矩為終擰扭矩的50%。

對(duì)初擰后的全部高強(qiáng)螺栓連接副,用質(zhì)量約0.3 kg的小錘敲擊螺母對(duì)邊的一側(cè),用手指緊按住螺母對(duì)邊的另一側(cè)進(jìn)行檢查,如顫動(dòng)較大者即認(rèn)為不合格,應(yīng)予再初擰。終擰檢查在螺栓終擰4 h之后、24 h以內(nèi)完成。檢查方法為緊扣檢查法,檢查頻率為每一栓群高強(qiáng)螺栓連接副總數(shù)的5%,但不少于2套。

4.3 同步頂推施工

鋼梁拼裝之前,在拼裝支架滑道上各支點(diǎn)處將拼裝墊塊裝好、鎖定,最末端節(jié)點(diǎn)作為頂推滑移支承點(diǎn),需設(shè)置滑動(dòng)墊塊。鋼梁拼裝完成后,在頂推滑移支承點(diǎn)處布置千斤頂將該段鋼梁頂起,退出所有拼裝墊塊,同時(shí)落梁于滑動(dòng)墊塊上,將鋼桁梁頂推反力座設(shè)在鋼桁梁邊桁下弦桿底板位置,在墩旁托架上設(shè)千斤頂反力座,在每個(gè)墩旁滑道設(shè)置1套頂推設(shè)備(2臺(tái)350 t連續(xù)千斤頂,一套主控泵站控制系統(tǒng)),頂推牽引采用19φ 15.24mm的鋼絞線,頂推反力座為固定端,張拉端設(shè)在托架頂滑道梁的前端。

利用墩頂邊桁滑道梁上的各1臺(tái)350 t連續(xù)千斤頂頂推,在頂推過程中,邊桁主動(dòng)頂推,中桁被動(dòng)滑移,墩頂滑塊同鋼桁梁3片桁的下弦桿一起滑移。在墩頂上的每一節(jié)間鋼桁梁頂推到位后,利用每片桁下的4臺(tái)600t千斤頂起頂,將墩頂滑塊托空后向鋼桁梁頂推反方向滑移350 mm,拆除滑塊間的連接銷軸,滑塊分別向外側(cè)的滑道梁附加滑道上滑移,從附加滑道避開鋼桁梁桿件連接處的下弦節(jié)點(diǎn)螺栓群后,再向內(nèi)滑移至滑道梁,安裝滑塊間連接銷軸,繼續(xù)向后端滑移至預(yù)定位置,準(zhǔn)備下一節(jié)間鋼桁梁頂推。

當(dāng)導(dǎo)梁前端到達(dá)墩頂滑道梁后,通過設(shè)置在導(dǎo)梁U0節(jié)點(diǎn)處的長行程液壓千斤頂,反頂活塞,活塞向下移動(dòng),將導(dǎo)梁起頂至設(shè)計(jì)位置后,把導(dǎo)梁前端活塞固定。繼續(xù)頂推鋼桁梁向前移動(dòng),導(dǎo)梁前端支撐到滑道梁上后,即可將千斤頂活塞收起,進(jìn)入正常頂推滑移狀態(tài)。

每次頂推7～8個(gè)節(jié)間的鋼桁梁,正常頂推速度控制在10m/h。完成一次頂推之后,在支點(diǎn)處起頂,退出滑動(dòng)墊塊(縱移退回至起點(diǎn)位置),換上相應(yīng)位置的拼裝墊塊、落頂,準(zhǔn)備下一輪鋼梁拼裝。抄墊高程結(jié)合實(shí)際安裝情況和預(yù)拱度要求確定。循環(huán)進(jìn)行上述步驟,直至第一聯(lián)鋼桁梁頂推到位。

每次鋼梁頂推前,應(yīng)橫移調(diào)整鋼梁中線至設(shè)計(jì)位置,并在兩側(cè)設(shè)置限位,以保證起落鋼梁時(shí)千斤頂對(duì)準(zhǔn)鋼梁下弦桿腹板和加筋板。橫移用施加外力法進(jìn)行,通過焊接在墩頂滑道梁側(cè)面的牛腿施加外力來調(diào)節(jié)橫移量。

4.4 頂推過程中的糾偏系統(tǒng)

鋼桁梁多點(diǎn)同步連續(xù)水平頂推系統(tǒng)由液壓泵站、連續(xù)千斤頂和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)3部分組成,具有兩側(cè)同步、單側(cè)單動(dòng)、單點(diǎn)單動(dòng)及點(diǎn)動(dòng)限位功能。通過調(diào)整液壓油缸2組千斤頂不同的行程,一組千斤頂多走一段行程,另一組暫停,來達(dá)到糾偏目的。調(diào)整同步后再同時(shí)頂推。

為限制鋼梁在頂推過程中偏位,在每個(gè)墩頂?shù)幕懒簝蓚?cè)焊接強(qiáng)制限位器,限位器由槽鋼和鋼板組焊,同時(shí)在限位器內(nèi)側(cè)與滑塊和鋼梁接觸部位設(shè)置摩擦系數(shù)較小的不銹鋼板或者M(jìn)GE板,以實(shí)現(xiàn)鋼梁在頂推過程中的偏位調(diào)整。

4.5 滑道梁拆除及支座安裝

鋼梁頂推架設(shè)到位后,頂起鋼梁,調(diào)整鋼梁縱橫向位置滿足設(shè)計(jì)要求,拆除墩頂滑道梁,將事先存放在墩頂?shù)闹ё跗饌?cè)移至墊石上進(jìn)行安裝。鋼梁采用球形支座,僅在4號(hào)墩中桁處設(shè)置縱向限位支座,其余為縱向活動(dòng)支座;橫向僅在中桁下設(shè)置橫向限位支座,邊桁為橫向活動(dòng)支座。支座側(cè)移至墊石上后要全面復(fù)核支座底板四角高差及設(shè)計(jì)預(yù)偏量,符合設(shè)計(jì)要求并經(jīng)檢查簽證后用自流平砂漿灌漿固定。

5 結(jié)語

鄭州黃河公鐵兩用橋是目前在黃河上修建最長的公鐵兩用橋,其主橋鋼梁首次采用三主桁斜邊桁的空間桁架形式,結(jié)構(gòu)新穎,架設(shè)施工難度大。采用多點(diǎn)縱向頂推方案來架設(shè)跨越黃河主河槽的第一聯(lián)鋼桁梁,充分保證了空間三主桁的拼裝精度和鐵路橋面正交異性板的焊接質(zhì)量,有效的減輕了嚴(yán)寒、大雨、大風(fēng)等惡劣氣候?qū)κ┕さ挠绊?科技含量高,施工自動(dòng)化程度高,保證了施工進(jìn)度,提高操作人員的安全性。同時(shí)取消了常規(guī)方案在黃河主河槽所設(shè)的許多臨時(shí)墩,節(jié)省了大量的人力、物力和財(cái)力,即保證了施工區(qū)段的黃河渡汛,又大大減少了后期河道清理工作及費(fèi)用,經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著,為類似工程的施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

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