龔國(guó)鋒

(中鐵大橋局集團(tuán)有限公司,武漢 430050)

1 工程概況

南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋工程位于既有南京長(zhǎng)江大橋上游約20 km的大勝關(guān)橋位,距南京長(zhǎng)江三橋約1.55 km,是京滬高速鐵路及規(guī)劃中滬漢蓉鐵路于南京跨越長(zhǎng)江的越江通道,同時(shí)搭載雙線過(guò)江地鐵。其全長(zhǎng)9 273.237 m,由北向南的孔跨布置為：2聯(lián)(84+84) m連續(xù)鋼桁梁+(108+192+336+336+192+108) m六跨連續(xù)鋼桁拱。全橋鋼梁布置見(jiàn)圖1。

2 施工方案研究

2.1 2×336 m主跨鋼梁架設(shè)總體方案

6跨連續(xù)鋼桁拱采用從兩側(cè)往跨中架設(shè)、跨中合龍的總體施工方法。6、7、8號(hào)主墩墩頂2個(gè)節(jié)間鋼梁采用浮吊架設(shè),調(diào)整鋼梁中線、高程并與墩旁托架固結(jié),6、8號(hào)墩其余節(jié)間采用一側(cè)700 kN爬坡架梁吊機(jī),一側(cè)4 000 kN或2 000 kN浮吊(施工現(xiàn)場(chǎng)僅有2臺(tái)可用于鋼梁架設(shè)的大型浮吊)雙懸臂對(duì)稱(chēng)架設(shè),邊跨合龍后,3層吊索塔架輔助安裝主跨鋼梁并合龍,7號(hào)墩其余節(jié)間鋼梁采用2臺(tái)700 kN爬坡架梁吊機(jī)雙懸臂架設(shè),3層水平索輔助架設(shè)與合龍。6跨連續(xù)鋼桁拱共設(shè)4個(gè)合龍口,兩側(cè)192 m 邊跨、336 m主跨各1個(gè),先合龍邊跨,后合龍主跨,先拱桁合龍,后系桿合龍。全橋鋼梁架設(shè)總體布置見(jiàn)圖2、圖3。

圖1 大勝關(guān)大橋主橋立面布置(單位：m)

圖2 鋼梁架設(shè)總體布置(192 m跨合龍)

圖3 鋼梁架設(shè)立面總體布置(336 m主跨合龍)

2.2 7號(hào)墩平索與吊索塔架+斜拉索方案比選

根據(jù)總體施工方案,6、7、8號(hào)主墩鋼梁均采用雙懸臂架設(shè),6、8號(hào)墩鋼梁最大懸臂長(zhǎng)度168 m,7號(hào)墩鋼梁最大懸臂長(zhǎng)度156 m。為控制鋼梁大懸臂安裝時(shí)桿件應(yīng)力和懸臂端撓度,按照鋼梁架設(shè)的傳統(tǒng)方法,6、8號(hào)墩均設(shè)置3層吊索塔架輔助單懸臂架設(shè),7號(hào)墩采用鋼梁與墩旁托架固結(jié),設(shè)置水平拉索或吊索塔架輔助雙懸臂架設(shè)。綜合考慮鋼梁架設(shè)總體方案、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、施工工期、施工結(jié)構(gòu)工程量及主跨跨中合龍需要,對(duì)7號(hào)墩鋼梁架設(shè)采用以下3種方案進(jìn)行比選,如圖4所示。

方案1為3層吊索塔架方案,通過(guò)在墩頂節(jié)點(diǎn)頂設(shè)置1臺(tái)3層吊索塔架輔助鋼梁雙懸臂架設(shè)。本方案的優(yōu)點(diǎn)為鋼梁懸臂架設(shè)的常用方法,施工工法比較成熟,安全風(fēng)險(xiǎn)小,操作簡(jiǎn)便；缺點(diǎn)是需增加1臺(tái)塔架,臨時(shí)結(jié)構(gòu)工程量較大,并且受塔架安裝的影響,7號(hào)墩鋼梁架設(shè)工期增加2個(gè)月(增加了大型浮吊使用數(shù)量與成本),直接影響了全橋總工期。

方案2為單層平索方案,鋼梁合龍口設(shè)置在第10節(jié)間(方案1和方案3的鋼梁合龍口均設(shè)置第13節(jié)間),減少了懸臂長(zhǎng)度,因此只設(shè)了1層平索輔助懸臂架設(shè)。本方案的優(yōu)點(diǎn)是省去了1臺(tái)塔架,7號(hào)墩鋼梁架設(shè)的工期較短,較好地解決了7號(hào)墩滯后于6、8號(hào)墩開(kāi)工帶來(lái)的總工期影響；缺點(diǎn)是因6/8號(hào)墩鋼梁懸臂長(zhǎng)度增加,斜拉索索力較大,塔架高度增加,斜拉索和塔架工程量增加較多,6/8號(hào)墩鋼梁架設(shè)工期加長(zhǎng),總工期安排不盡合理。7號(hào)墩僅設(shè)1層平索,鋼梁前端的豎向位移和轉(zhuǎn)角無(wú)法同時(shí)調(diào)整到位,鋼梁合龍困難。此方案在初期研究時(shí),將合龍口設(shè)置在第13節(jié)間,這樣可以減小6/8號(hào)墩的拉索索力,但7號(hào)墩平索索力達(dá)到40 000 kN/桁以上,給鋼梁架設(shè)合龍及平索施工帶來(lái)很大難度。

方案3為3層平索方案,共設(shè)置3層平索輔助鋼梁懸臂架設(shè),并通過(guò)拉索進(jìn)行合龍口豎向位移和轉(zhuǎn)角的調(diào)整。本方案的優(yōu)點(diǎn)是省去了1臺(tái)塔架,加快了工期,鋼梁合龍口豎向位移和轉(zhuǎn)角的調(diào)整較為方便,合龍風(fēng)險(xiǎn)可控；缺點(diǎn)是索的工程量相對(duì)較大,為達(dá)到同樣的位移調(diào)整效果,平索索力較斜拉索索力增加15%左右。

圖4 7號(hào)墩鋼梁拉索布置方案比選

在3層平索研究方案過(guò)程中,對(duì)2層平索方案也進(jìn)行了研究,主要缺點(diǎn)是平索索力較大,達(dá)到32 000 kN/桁以上,給施工帶來(lái)很大難度。

在方案確定前對(duì)各方案進(jìn)行了詳細(xì)的研究計(jì)算,并對(duì)各方案的臨時(shí)工程量及臨時(shí)結(jié)構(gòu)的最大內(nèi)力進(jìn)行比較,各項(xiàng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1～表3。

表1 方案1吊索塔架、斜拉索、平索最大內(nèi)力及工程數(shù)量

總計(jì)：鋼材4 490 t,拉索1 396 t

表2 方案2吊索塔架、斜拉索、平索最大內(nèi)力及工程數(shù)量

總計(jì)：鋼材4 300 t,拉索1 655 t

通過(guò)以上各項(xiàng)數(shù)據(jù)的列表比較,方案2缺點(diǎn)較為明顯,方案1與方案3均可行,經(jīng)過(guò)多次專(zhuān)家評(píng)審,綜合考慮總體工期安排、總的用鋼量、大型浮吊數(shù)量與使用成本及合龍口位移調(diào)整,最終采用方案3,即3層平索方案。7號(hào)墩平索立面見(jiàn)圖5。

表3 方案3吊索塔架、斜拉索、平索最大內(nèi)力及工程數(shù)量

總計(jì)：鋼材2 880 t,拉索1 523 t

注：表1～表3中均未包括錨箱質(zhì)量。

方案3在實(shí)施過(guò)程中,經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì),最后臨時(shí)工程量為鋼材2 622 t,斜拉索1 254 t。鋼梁的合龍也很順利,驗(yàn)證了選擇方案3的合理性。

圖5 7號(hào)墩平索立面(墩旁托架未示)(單位：mm)

3 7號(hào)墩平索設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)對(duì)7號(hào)墩鋼梁全懸臂架設(shè)中最不利工況計(jì)算及比選,水平索需設(shè)置3層,錨固點(diǎn)分別設(shè)置在鋼梁A45、A43及A41節(jié)點(diǎn)。單桁單層由4根拉索組成,共3桁。水平索通過(guò)錨箱錨固于鋼梁上弦預(yù)留燕子板上。水平索均采用高強(qiáng)平行鋼絲,鋼絲強(qiáng)度為1 770 MPa,外包PE保護(hù)層,水平索截面為4×151φ7 mm；平索的正常使用應(yīng)力不超過(guò)高強(qiáng)鋼絲標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的50%,并預(yù)留10%的調(diào)索儲(chǔ)備方便鋼梁合龍,即拉索最大容許應(yīng)力[σ]≤0.45Rb。錨具為PESM151-φ7型冷鑄錨具,錨固端錨具設(shè)計(jì)長(zhǎng)度480 mm,張拉端錨具設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1 000 mm。

驗(yàn)算考慮了兩種組合對(duì)索力的影響。

組合Ⅰ(控制施工狀態(tài)組合)：鋼梁自重+索力+架梁吊機(jī)+運(yùn)梁道+安裝平臺(tái)+上弦人行走道+臺(tái)車(chē)+六級(jí)風(fēng)+索梁溫差5 ℃。

組合Ⅱ(非施工狀態(tài)組合)：鋼梁自重+索力+架梁吊機(jī)+運(yùn)梁道+安裝平臺(tái)+上弦人行走道+十年一遇風(fēng)+索梁溫差5 ℃。

經(jīng)驗(yàn)算,以上2種組合的計(jì)算值比正常施工狀態(tài)組合的計(jì)算值索力增加4%左右,索力安全系數(shù)控制在2.4以上。

4 7號(hào)墩平索施工

4.1 掛索施工

放索：第1層放索滑道直接布置在鋼桁拱上弦頂面,第2及第3層水平索的放索平臺(tái)則布置在前一層索的索面上,僅兩端頭小部分布置于鋼桁拱上弦桿件頂面。將梁端(張拉端)錨頭放于錨頭小船上,在錨杯前安裝夾具及放索錨座,用卷?yè)P(yáng)機(jī)配合滑車(chē)組牽引梁端錨頭,直至索在放索滑道上全部展開(kāi)。

錨固端錨頭掛設(shè)：錨固端錨頭掛設(shè)采用吊機(jī)法,由架梁吊機(jī)尾部吊機(jī)提升錨頭,利用吊架及倒鏈配合將錨頭喂入錨箱,直至錨固端錨頭戴帽,并旋緊螺帽至設(shè)計(jì)位置。

張拉端錨頭掛設(shè)：用錨頭小船將張拉端錨杯牽引至一定位置,安裝夾具,將錨頭臨時(shí)打梢,然后在錨杯上安裝張拉桿和張拉桿牽引錨座及牽引頭,根據(jù)單索安裝索力計(jì)算結(jié)果確定用200 kN滑車(chē)組牽引張拉桿所能達(dá)到的位置,分別采用不同的方法張拉張拉桿,直至錨杯帶帽。張拉桿長(zhǎng)度為2 m,截面尺寸與水平索張拉端錨頭錨杯尺寸相配套,材質(zhì)為40Cr。

張拉端錨頭掛設(shè)的關(guān)鍵是平索的戴帽索力的計(jì)算確定,計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖6。

圖6 斜拉索計(jì)算示意

式中L0——上下兩端索孔錨板中心的幾何距離；

L——斜拉索的長(zhǎng)度；

Lx——L0的水平投影長(zhǎng)度；

E——垂直索的彈性模量；

W——鋼索單位長(zhǎng)度質(zhì)量；

A——鋼索中鋼絲的截面積；

T—牽引力。

平索計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 7號(hào)墩平索計(jì)算參數(shù)

注：吊索截面積為鋼絲束公稱(chēng)截面積；吊索單位質(zhì)量含保護(hù)層質(zhì)量；吊索長(zhǎng)度取穿絲板間索長(zhǎng)。

根據(jù)以上公式及參數(shù),計(jì)算每層平索的戴帽索力及張拉索力變化見(jiàn)表5～表7。

表5 第1層平索張拉索力變化

表6 第2層平索張拉索力變化

表7 第3層平索張拉索力變化

注：穿絲板距錨板距離為0時(shí),錨頭正好戴帽。

4.2 平索張拉

張拉端錨頭戴帽后,利用6 500 kN穿心式千斤頂配張拉桿張拉索力至設(shè)計(jì)噸位,擰緊錨固螺母。平索的張拉作業(yè)遵循“平衡、對(duì)稱(chēng)、同步、分級(jí)”的原則。

張拉過(guò)程千斤頂要分級(jí)加載,分級(jí)值為500 kN,張拉結(jié)束后各平索索力誤差值控制在5%以?xún)?nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

大跨度鋼桁拱懸臂架設(shè)時(shí),為減小鋼梁在施工階段的應(yīng)力及懸臂端的最大撓度,實(shí)現(xiàn)鋼梁順利合龍,通常采用吊索塔架輔助懸臂架設(shè)。如果兩側(cè)鋼梁結(jié)構(gòu)形式對(duì)稱(chēng),經(jīng)過(guò)方案比選,可采用水平拉索代替吊索塔架,雖然索的用鋼量稍有增加,但減少了1臺(tái)吊索塔架,總用鋼量大大減小,同時(shí)節(jié)省了塔架安裝的工期,為同類(lèi)型鋼梁架設(shè)提供了有益借鑒。

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