王立學,曾海權
(蘭州市政建設集團有限責任公司,甘肅 蘭州 730050)
在既有電氣化鐵路運輸繁忙區(qū)段修建跨鐵路橋梁,車輛行車速度快、間隔短,難以提供鋼桁梁架設施工的場地、時間,且存在施工和行車安全等風險[1]。采用鋼桁梁頂推施工技術,利用場外施工場地,優(yōu)化工藝流程,可以規(guī)避風險,減少施工與運輸?shù)南嗷ビ绊慬2,3]。橋梁施工方案的合理性是關系到工程安全、建設成本的重要環(huán)節(jié)。頂推施工過程中需要架設平臺、安裝鋼導梁等多種臨時結構[4-6]。由此,本文旨在研究跨鐵路大跨度鋼桁梁頂推施工技術與工藝流程要點,優(yōu)化施工過程中結構的受力狀態(tài),并節(jié)約工程造價,做到施工過程安全可控。
本項目為蘭州市北環(huán)線西延段工程。采用雙幅鋼桁梁,主梁全長59.8 m,計算跨度59 m,簡支于兩側橋臺墩上。主桁桁高8 m,桁寬19.8 m,節(jié)間長度5.9 m。上下弦弦桿均采用箱形截面,腹桿采用工形截面,平聯(lián)橫撐采用箱形截面,其余平聯(lián)及橫聯(lián)采用工形截面。本次采用端部加裝導梁頂推安裝到位,頂推總重量約為1 389 t,累積頂推距離為94.4 m。鋼桁梁立面布置見圖1,橫斷面布置見圖2。
圖1 鋼桁梁立面圖
圖2 鋼桁梁橫截面圖(單位:mm)
蘭州樞紐組鐵路為電氣化鐵路,車輛行車速度快。工程施工涉及工務段、電務段、供電段、通信段、車務段等多個部門,協(xié)調(diào)難度大.蘭州北濱河1號橋跨鐵路60 m先懸臂后簡支,鋼梁跨度大,重量大,施工難度大。施工設備鄰近既有線,防止設備侵限,防止墜物,確保行車安全是本工程的重點。
1.3.1 拖拉式多點頂推施工
目前國內(nèi)橋梁較常用的頂推施工工藝一般采用拖拉式多點連續(xù)頂推法(簡稱拖拉法),拖拉法通過張拉千斤頂牽拉鋼絞線,拖動梁段在臨時支墩頂設置的滑道上滑移,牽引梁體安裝就位。
頂推施工需要設置滑道系統(tǒng)(四氟滑板、鋼墊梁等)、牽引系統(tǒng)(穿心式連續(xù)液壓千斤頂、頂推反力架、牽引索、拉錨器等)和豎向調(diào)節(jié)系統(tǒng)(豎向千斤頂、鋼墊塊)等,見圖3~圖5。
圖3 拖拉法頂推施工圖
圖4 拖拉法施工滑道系統(tǒng)圖
圖5 拖拉法施工千斤頂
拖拉法施工優(yōu)缺點:
(1)通過鋼絞線牽引的方式實現(xiàn)鋼箱梁的平移,橋墩所受的水平載荷為支反力與摩擦力抵消后的合力,理論上該合力較小,但由于各支點受力不均,存在一定的水平力。
(2)在鋼箱梁的平移過程中,每個橋墩承受的豎向載荷不斷變化,摩擦力也會相應變化,需要根據(jù)摩擦力的大小來不斷調(diào)整牽引力,以防止水平載荷過大,所以必須嚴格保證泵站調(diào)壓的獨立性。
(3)工藝成熟,施工速度較快。
1.3.2 技術難點及應對措施
(1)鋼梁的安裝、頂推線形
在安裝頂推過程中,由于豎曲線的影響會導致頂推滑道與鋼梁之間出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。通過按鋼梁線形設置不同高度的滑靴,讓滑靴底面在同一水平高度,使鋼梁在行進過程中保持水平,滿足頂推線形。
(2)頂推墩水平力控制
初步考慮設置1個頂推墩,為1號主墩處頂推墩。在頂推前一階段,1號主墩處頂推墩不起作用,拼裝平臺上的頂推設備起到水平頂推作用,此時各個頂推滑道上均受到大小不一的水平力,需要對水平力進行計算和監(jiān)控,防止某處承受過大的水平力。在拖拉過程中通過調(diào)節(jié)泵站油壓閥,使油壓控制在安全值內(nèi),防止壓力過大。
(3)主梁鋼結構局部失穩(wěn)
鋼結構在拖拉施工過程中,鋼梁腹板不僅受彎曲壓應力和剪應力作用,而且受支承反力的集中的荷載。尤其是59 m跨度的頂推施工,需要對腹板做屈曲計算分析。
1.3.3 頂推施工工藝流程
頂推施工工藝流程見圖6。
圖6 頂推施工工藝流程
工序1:安裝拼裝平臺、滑道梁、墩旁支架。
工序2:拼裝全部鋼桁梁及42 m鋼導梁。
工序3:啟動拖拉設備試拖拉,正常后開始正式拖拉。拖拉8 m后停止拖拉,過程中割除滑靴1件。此時進入鐵路保護線內(nèi)導梁重量約24.3 t,外側重量約791.9 t。
工序4:拖拉16 m后停止拖拉。過程中割除滑靴1件。此時進入鐵路保護線內(nèi)導梁重量約72.9 t,外側重量約743.3 t。導梁前端下?lián)霞s71 mm。
工序5:拖拉16 m后停止拖拉。過程中割除滑靴1件。此時進入鐵路保護線內(nèi)導梁重量約121.7 t,外側重量約694.5 t。導梁前端下?lián)霞s100 mm。
工序6:拖拉16 m后停止拖拉。通過手搖千斤頂輔助導梁上1號墩,導梁上墩后即可松開塔架鋼絲繩并拆除。過程中割除滑靴2件。此時進入鐵路保護線內(nèi)導梁重量約330.1 t,外側重量約486.1 t。導梁上墩前,前端最大下?lián)?42 mm。
工序7:拖拉16 m后停止拖拉,在1號墩處利用液壓千斤頂頂升鋼梁,通過人工將隨鋼梁滑移至前端的滑靴拉回滑道梁后端并重復。過程中割除滑靴1件。
工序8:拖拉16 m后停止拖拉,在1號墩處利用液壓千斤頂頂升鋼梁,通過人工將隨鋼梁滑移至前端的滑靴拉回滑道梁后端并重復。過程中割除滑靴1件。
工序9:拖拉6.4 m后拖拉到位,在1號墩處利用液壓千斤頂頂升鋼梁,通過人工將隨鋼梁滑移至前端的滑靴拉回滑道梁后端并重復。過程中割除滑靴1件。
工序10:分段拆除導梁(南側鋼梁進入橫移階段,北側鋼梁進入落梁階段)。
工序11:通過落梁千斤頂及鋼墊塊進行落梁完成。
1.4.1 頂推施工總體布置
(1)頂推平臺縱向長度確定
該項目需要根據(jù)場地及交通條件,綜合選定頂推平臺的跨度布置;如果頂推平臺太短,則需要多次頂推和拼裝施工,鋼梁在鐵路上空懸空的時間過長。由于60 m鋼桁梁一次拼完,及導梁長度42 m,擬設置拼裝平臺為104 m。
(2)頂推施工對鋼主梁的影響
在頂推施工過程中,當導梁即將上到1號墩時,此時懸臂最大。主梁承受最大的負彎矩和剪力。需要對主梁,尤其是腹板的屈曲進行分析和計算。
1.4.2 頂推施工關鍵工藝流程
(1)橫移主要流程
南側鋼梁因為拼裝場地原因,需在拖拉到位后進行橫移使鋼梁到達設計位置。橫移與縱向拖拉方法一致,利用橫向滑道梁、滑靴及拖拉千斤頂將鋼梁橫向移動。
步驟1:通過豎向千斤頂將鋼梁頂起,取出縱向滑靴,并在橫向滑道梁上放置橫向滑靴,落下鋼梁在橫向滑靴上并焊接固定。
步驟2:分別安裝0號臺和1號墩兩側拖拉千斤頂及鋼鉸線并預緊。
步驟3:同步啟動千斤頂開始拖拉2.7 m。
步驟4:拖拉到位后拆除千斤頂及鋼鉸線進入落梁階段。
(2)卸載落梁主要流程
利用單液壓頂落梁施工,須根據(jù)墊石支座高度、梁底部標高,配置合適的裝備。在鋼桁梁完成所有拼裝和拖拉后進行整聯(lián)落梁。鋼桁梁在落梁前需完成支座的安裝,利用墩蓋梁放置落梁千斤頂進行落梁。用高度為YS-DS-350型超高壓千斤頂進行落梁。其本體高度為285 mm,行程50 mm,能滿足落梁要求。
步驟1:桁頂推滑移到位后在距離支座1.3m位置橫梁處(橫梁此處提前加固)安裝卸載墊塊和4臺卸載油缸。
步驟2:利用4臺卸載油缸將桁頂推頂起,脫離滑道,拆除滑道和臨時支架。
步驟3:安裝支座,在主梁起頂鋼墊板下方放置鋼墊板。
步驟4:利用鋼墊板和卸載油缸下兩組墊塊交替抽取將桁頂推落梁到位。
(3)導梁拆除主要流程
鋼梁頂推到位后,需要對導梁進行拆除。導梁的拆除采用75 t汽車吊吊裝,分節(jié)段拆除的方法。每一吊裝分段重約20 t。
導梁拆除步驟如下:
步驟1:利用汽車吊吊裝節(jié)段一上下平聯(lián)、橫聯(lián),將平橫聯(lián)與主桁架焊縫割開后吊至地面。
步驟2:利用汽車吊吊裝節(jié)段一主桁架,將節(jié)段一與節(jié)段二焊縫割開后吊至地面。
步驟3:利用汽車吊吊裝節(jié)段二上下平聯(lián)、橫聯(lián),將平橫聯(lián)與主桁架焊縫割開后吊至地面。
步驟4:利用汽車吊吊裝節(jié)段二主桁架,將節(jié)段二與主梁焊縫割開后吊至地面。
荷載:軟件自動計算自重,通過修改容重使模型重量與實際鋼梁重量相符。
荷載組合:1.2自重+1.0風荷載(按該處常年風速27 m/s計算)。
采用有限元進行建模計算[7],具體模型和計算如下所述。
(1)主梁
全橋為桁架式結構,主梁全長59.8 m,計算頂推跨度57 m,簡支于兩側橋臺墩上。主桁桁高8 m,桁寬19.8 m,節(jié)間長度5.9 m。上下弦弦桿均采用箱形截面,腹桿采用工形截面,平聯(lián)橫撐采用箱形截面,其余平聯(lián)及橫聯(lián)采用工形截面。其計算模型見圖7。
圖7 主梁計算模型
(2)導梁
導梁由2片變高度H形鋼主梁桁架組成,橫向中心距19.8 m,導梁縱向長41.3 m,尾端高度與鋼桁梁上下桁對應一致。前端設置臺階逐級抬高300 mm,便于導梁上墩。兩片主梁之間設有圓管組成的橫向聯(lián)系和上、下平面聯(lián)系,將整個導梁形成整體。其計算模型見圖8。
圖8 導梁計算模型
(3)計算工況
臨時墩及滑靴主要為主橋頂推時,用于支撐主橋、滑移施工的臨時支撐體系。根據(jù)臨時墩及滑靴布置情況,進行以下七種工況計算.
工況1:主桁梁及導梁拼裝完;
工況2:導梁完全懸臂;
工況3:導梁即將上1號墩;
工況4:導梁完成上1號墩;
工況5:主梁即將上1號墩;
工況6:主梁完成上1號墩;
工況7:導梁完全拆除。
(4)各工況計算結果
各個工況下,主梁及導梁應力及變形計算結果見圖9~圖22。
圖9 梁單元應力計算
圖10 變形計算
圖11 梁單元應力計算
圖12 變形計算
圖13 梁單元應力計算
圖14 變形計算
圖15 梁單元應力計算
工況1:主桁梁及導梁拼裝完
工況2:導梁完全懸臂
圖16 變形計算
圖17 梁單元應力計算
圖18 變形計算
圖19 梁單元應力計算
圖20 變形計算
圖21 梁單元應力計算
工況3:導梁即將上1號墩;
工況4:導梁完成上1號墩;
工況5:主梁即將上1號墩;
工況6:主梁完成上1號墩;
工況7:導梁完全拆除。
(5)各工況計算結果分析
各工況應力及位移計算結果匯總見表1。
由表1分析可得如下結果:
(1)導梁最大應力184.1 MPa(工況六);導梁最大位移:142.3 mm(工況三導梁聯(lián)接系)。
(2)主梁最大應力94.4 MPa(工況四);主梁最大位移:38.7 mm(工況五)。
(3)主梁、導梁主桁架材質為Q345,其容許應力為210 MPa,導梁聯(lián)接系材質為Q235,其容許應力為160 MPa,均滿足要求。
(1)針對跨既有鐵路蘭州市北濱河西延段工程,采用大跨度鋼桁梁頂推施工技術,有效的利用場外施工場地,優(yōu)化工藝流程,較大程度的規(guī)避了風險,減少施工與運輸?shù)南嗷ビ绊憽?/p>
(2)通過對頂推施工技術與工藝流程的詳細分析,確定了重點和難點,抓關鍵工序,做到施工過程安全可控。
(3)基于對頂推結構施工過程中各工況受力計算分析,對主梁和導梁布置及結構局部節(jié)點進行了優(yōu)化設計。計算結果表明結構設計滿足需要,并相對節(jié)約了工程造價。
(4)由于施工過程相對復雜,在總體施工方案確定的情況下,還應當加強各個具體施工環(huán)節(jié)的檢查和監(jiān)測,尤其注意以下關鍵問題,如:頂推過程中頂推力監(jiān)控;梁體的中線偏移和墩頂?shù)乃?、豎向位移,在頂推過程需用千斤頂及時調(diào)整;墩頂位移觀測;鋼梁結構出現(xiàn)異響或者明顯變形情況;頂推速度控制,以便糾偏及縱移到位。