邱學良 曹衛(wèi)軍 白曉紅 趙 平

1. 中鐵二局集團有限公司 四川 成都 610031；

2. 中鐵二局第五工程有限公司 四川 成都 610073

近年來，隨著鋼結(jié)構(gòu)材料性能和橋梁建設(shè)施工技術(shù)的快速發(fā)展，大跨徑公鐵兩用鋼桁梁橋的建設(shè)越來越多[1]。鋼桁梁施工工藝復雜，體系轉(zhuǎn)換多，施工監(jiān)測內(nèi)容多。鋼桁梁架設(shè)施工常用的施工方法有：支架架設(shè)法、龍門吊機架設(shè)法和全回轉(zhuǎn)吊機懸臂架設(shè)法。

以往已有大量針對鋼桁梁的施工研究，李建等[2]重點對鋼桁梁施工工藝中的支架架設(shè)法進行了探討，董柏富[3]對連續(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)的龍門吊機架設(shè)法開展了深入研究。本文在以往研究的基礎(chǔ)上，以鄭濟鐵路鄭州黃河特大橋北引橋施工為例，針對其受橋址處黃河大堤及松軟不良地質(zhì)影響的特點，介紹了全回轉(zhuǎn)吊機懸臂架設(shè)的施工方法。懸臂拼裝施工，需充分考慮懸臂段的自重及施工荷載作用下的自由撓度，結(jié)合無應力狀態(tài)法理論[4]，在施工過程中加強監(jiān)控，充分考慮調(diào)整措施，并做及時調(diào)整，可更加準確地實現(xiàn)設(shè)計理論的線形、內(nèi)力[5]。懸臂拼裝施工的臨時措施，要充分考慮結(jié)構(gòu)自重和施工荷載，以及調(diào)整過程中的附加荷載，合理考慮安全富余系數(shù)，確保施工過程和調(diào)整過程中的安全[6]。

1 工程概況

鄭濟鐵路鄭州黃河特大橋為公鐵合建橋梁，上下兩層設(shè)計，下層為高速鐵路和市域鐵路四線鐵路，上層為寬32.5 m雙向六車道城市快速路。北岸引橋跨黃河大堤采用（73＋139＋73） m連續(xù)鋼桁梁，采用華倫式桁架，邊桁、中桁桁高分別為15.00、 15.24 m，包括11.5、11.6、12.0及12.2 m四種節(jié)間距，橫向布置三榀桁，桁間距13.4 m。主要弦桿、斜腹桿均采用箱形截面。鐵路橋面板采用正交異性鋼橋面板，上層公路橋面板采用混凝土橋面板，支撐于鋼梁上弦，混凝土橋面板結(jié)構(gòu)分為預制和現(xiàn)澆兩部分[7]。單個構(gòu)件最長17.15 m，最大吊重為68.62 t。鋼桁梁橋立面如圖1所示，鋼桁梁橫斷面如圖2所示。

圖1 鋼桁梁橋立面

圖2 鋼桁梁橋橫斷面

2 施工技術(shù)特點

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計新

本橋梁為鋼-混凝土結(jié)構(gòu)橋梁，混凝土橋面板采用先張法預制施工，為全預應力混凝土結(jié)構(gòu)。先張拉部分橫向預應力筋安裝后，再張拉剩余縱橫向預應力筋。公路橋面板通過剪力槽內(nèi)剪力釘、鋼桁梁預拱度變化，給予橋面板豎向錨固，形成全預應力結(jié)構(gòu)。

本橋梁為高速鐵路大跨度鋼結(jié)構(gòu)橋梁中首次采用無砟軌道，需研究與相鄰橋梁結(jié)構(gòu)的橫向調(diào)整措施，以滿足梁端轉(zhuǎn)角、伸縮變形的需求，從而保證梁端軌道的連續(xù)性、平順性和穩(wěn)定性，提高高速列車行車的舒適性和安全性。

2.2 施工工藝新

三跨連續(xù)梁一般不設(shè)置合龍段，若采用支架法單端單向架設(shè)，將導致架梁工期長、投入支架量大。為縮短施工工期，采用全回轉(zhuǎn)架梁吊機由邊跨向中跨懸臂拼裝，最后在跨中合龍的施工工藝。該施工工藝對施工安裝精度要求高，大大增加了施工難度。

2.3 架設(shè)設(shè)備新

結(jié)合本項目特點，研制最大起重量80 t，最大作業(yè)半徑30 m的全回轉(zhuǎn)架梁吊機，前后橫梁采用組裝式模塊化設(shè)計，可適用不同主桁寬度的橋梁。增設(shè)恒定中支點反力支頂，減少前后橫梁跨中彎矩，起到節(jié)約用材、減輕質(zhì)量的作用，同時減少對中桁的影響。

3 懸臂架設(shè)技術(shù)

3.1 鋼桁梁施工階段劃分及仿真分析

采用Midas Civil軟件進行計算，將鋼桁架、縱橫梁離散為梁單元，公路混凝土橋面板和鐵路鋼橋面板離散為板單元，全橋節(jié)點總數(shù)2 001個，單元總數(shù)4 030個，整體模型如圖3所示。

圖3 整體模型

按現(xiàn)場實際施工順序，分別按工況進行有限元模擬，進行施工過程分析。由計算結(jié)果可知：合龍前，最大懸臂前端下弦桿的累計豎向位移為－71 mm，最大應力78 MPa，最小應力－49 MPa；合龍時，最大應力44 MPa，最小應力－89 MPa。各施工工況計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

3.2 臨時支墩設(shè)計及施工

臨時支墩設(shè)計主要考慮鋼桁梁及橋面板的自重、全回轉(zhuǎn)架梁吊機的施工荷載、風荷載等，同時考慮地基沉降、偏心荷載等。結(jié)合本橋址區(qū)域的地質(zhì)及支墩的受力情況，確定支墩采用“樁基礎(chǔ)＋承臺＋鋼管柱＋分配梁＋抄墊（千斤頂）”的方案，設(shè)計8排臨時支墩，每排支墩橫向設(shè)置3組?；A(chǔ)采用φ1.5 m鋼筋混凝土鉆孔樁，鋼筋混凝土承臺，鋼管柱采用φ609 mm鋼管，井字形布置，中心間距2 m。臨時支墩布置如圖4所示。

圖4 臨時支墩布置

3.2.1 鋼管立柱設(shè)計

鋼管立柱臨時支墩承受的荷載主要有：臨時支墩的支反力、鋼桁梁風荷載引起的支墩反力值和鋼管受壓偏心彎矩。臨時支墩鋼管立柱承受的計算荷載取值如表1所示，計算的鋼管立柱穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

表1 臨時支墩鋼管立柱承受的計算荷載取值

3.2.2 樁基設(shè)計

本橋址區(qū)域的地質(zhì)較為松軟，壓縮系數(shù)大，不宜采用擴大基礎(chǔ)。臨時支墩均采用樁基礎(chǔ)，并參考鄰近主橋墩樁基的地質(zhì)參數(shù)，安全系數(shù)按照臨時工程來設(shè)計。根據(jù)地質(zhì)情況可知，上層地質(zhì)承載力極小，單獨增加樁基數(shù)量不經(jīng)濟，因此第1—3組臨時支墩均可以獨樁承載，第4組臨時支墩采用2根鉆孔樁承載，樁徑均采用1.5 m，計算承載力均滿足規(guī)范要求。

3.2.3 臨時支墩監(jiān)控情況

鋼桁梁1—7號節(jié)間、1'—4'號節(jié)間安裝完成后，臨時支墩的最大沉降為10.5 mm，低于設(shè)計的25.7 mm。

3.3 全回轉(zhuǎn)架梁吊機設(shè)計與施工

3.3.1 吊機設(shè)計

結(jié)合本工程特點，設(shè)計全回轉(zhuǎn)架梁吊機為單臂架全回轉(zhuǎn)式起重機，轉(zhuǎn)臺以上采用電-機傳動，轉(zhuǎn)臺以下采用電-液傳動，可實現(xiàn)80 t×30 m的最大彎矩提升，最大吊幅為39 m，具備起升、變幅、全回轉(zhuǎn)、整機前移及錨固的功能。吊機主要由吊臂、三角架、上轉(zhuǎn)臺、回轉(zhuǎn)支承、起升機構(gòu)、變幅機構(gòu)、司機室、底盤、走行機構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)等組成[8]。

全回轉(zhuǎn)架梁吊機主要站位于鋼梁的三主桁弦桿上方，底座與弦桿之間設(shè)置軌道及支頂油缸。軌道主要功能為行走時使用，軌道與上弦之間設(shè)置支墊，隔離主桁上弦剪力釘，傳遞荷載至主桁；支頂油缸分為中桁上的恒反力油缸以及邊桁上帶機械鎖定的支頂油缸。架梁吊機在工作狀態(tài)時，主要是通過恒反力油缸及支頂油缸傳遞至主桁，軌道不承受荷載。為避免荷載集中，中主桁上方采用恒定反力，超載時自動分配至邊桁的支頂油缸。

根據(jù)設(shè)計文件，鋼桁梁懸臂節(jié)間最重桿件質(zhì)量達68.62 t；橋面板最重達55.95 t，鋼桁梁橋面至地面標高最大不超過40 m。選用80 t×30 m全回轉(zhuǎn)架梁吊機，臂長41.5 m，主鉤額定起重量800 kN，起升高度30 m（軌面上）/85 m（軌面下），回轉(zhuǎn)角度0°～360°。

3.3.2 吊機安拆施工

在地面上人工配合吊裝設(shè)備組拼成組裝件，利用履帶吊拼裝，減少空中支撐平臺的承載力，縮短空中安裝時間。同時在鋼桁梁上弦設(shè)置15.0 m（縱向）×28.8 m（橫向）的操作平臺，滿足承載施工機具及人員荷載的要求，確保拼裝安全。安裝及拆卸流程：施工準備→搭設(shè)操作平臺→安裝走行機構(gòu)軌道梁→下底盤→錨固安裝→上轉(zhuǎn)臺及回轉(zhuǎn)支承→中央集電環(huán)→卷揚機→后三角支架→吊臂→穿主起升、副起升、變幅鋼絲繩→拉起吊臂→檢查試車。拆卸過程與安裝過程相反。

3.3.3 吊機走行

架梁吊機走行機構(gòu)主要由支墊、軌道、走行油缸、滑座、滑靴等組成。架梁吊機在走行狀態(tài)時，邊桁上支頂油缸及中桁上恒反力油缸回油卸載，將整個架梁吊機回落至軌道上，軌道上設(shè)置走行油缸，其尾部與底盤滑座鉸接，活塞桿頭部通過滑靴與軌道梁鉸接。架梁吊機通過走行油缸多次伸縮動作和插拔銷子，使軌道梁沿滑靴槽向前移動，完成一個走行循環(huán)。軌道可在工作狀態(tài)時利用走行油缸將其提升走行至下一個節(jié)間，亦可通過架梁吊機從后方吊起放至前方。

3.4 鋼桁梁拼裝

3.4.1 首節(jié)段拼裝

為確保整體穩(wěn)定性，首節(jié)段采用履帶吊在支架上拼裝2個節(jié)間，桿件拼裝順序為：安裝主桁下弦桿→橋面板→中桁豎桿及斜腹桿→中桁上弦桿，形成閉合→安裝高鐵側(cè)邊桁豎桿及斜腹桿→高鐵側(cè)邊桁上弦桿→高鐵側(cè)橋門架、橫聯(lián)及上平聯(lián)→市域側(cè)邊桁豎桿及斜腹桿→市域側(cè)上弦桿→市域側(cè)橋門架、橫聯(lián)及上平聯(lián)。首節(jié)段拼裝順序如圖5所示。

圖5 首節(jié)段拼裝順序示意

3.4.2 支架上拼裝

為提高懸臂狀態(tài)的安全性，盡量讓桿件支撐于支架上，采用2個節(jié)間同步拼裝，拼裝順序為：安裝下弦桿→安裝腹桿→安裝上弦桿→安裝橋面板→安裝橋門架、橫聯(lián)及上平聯(lián)→安裝前段豎桿→安裝上弦桿→安裝橋門架、橫聯(lián)及上平聯(lián)。支架上拼裝順序如圖6所示。

圖6 支架上拼裝順序示意

3.4.3 懸臂拼裝

懸臂拼裝采用單節(jié)間拼裝，拼裝順序為：安裝下弦桿→安裝腹桿→安裝上弦桿→安裝橋面板→安裝橋門架、橫聯(lián)及上平聯(lián)。懸臂拼裝順序如圖7所示。

圖7 懸臂拼裝順序示意

3.4.4 桿件拼裝

桿件吊裝時應調(diào)整其夾角基本與設(shè)計吻合，就位時，采用鏈條葫蘆及引導撬桿緩慢調(diào)整就位、對孔，在栓孔基本重合的瞬間將撬棍插入孔內(nèi)撥正，然后起落吊鉤，使桿件轉(zhuǎn)動對齊其他孔眼。對位準確后，在栓孔群打入4個定位沖釘，隨即安裝4～6個工作螺栓，同時安裝其余栓孔沖釘和高強度螺栓。

從下至上安裝單桁片，安裝過程中適當降低下弦標高，便于斜腹桿的安裝，整個桁片安裝后復核其空間位置，先將上弦沖釘換成高強螺栓并初擰，再安裝橋面板及橫聯(lián)，調(diào)整桁片的軸線位置，最后更換下弦的沖釘，并完成高強螺栓終擰。

鋼桁梁懸臂安裝過程中需要對節(jié)點撓度及中線進行監(jiān)控測量，要求每安裝一個節(jié)間，測一次各節(jié)點撓度并與計算值比較，同時測量中線，復核鋼桁梁制造質(zhì)量，確保安裝質(zhì)量。同時，對關(guān)鍵桿件要進行應力測量，并與計算值比較，及時進行分析處理，防止超應力。鋼桁梁安裝時應及時、準確地測量，每安裝一個節(jié)間應進行線形觀測，并與設(shè)計線形進行比較，發(fā)出下一個節(jié)間的調(diào)整指令[9]。

3.4.5 合龍施工

合龍施工是決定鋼桁梁成敗的重要工序之一，是最后一次可調(diào)整工序[10]。對于合龍口的測量應提前收集數(shù)據(jù)，結(jié)合計算成果，進行合龍前敏感分析，找出針對x、y、z方向最有效的調(diào)整值。

1）合龍準備。

① 安裝至10#節(jié)段，利用臨時支墩上千斤頂將10#節(jié)點頂升至預拱線形標高。

② 安裝11#節(jié)間，利用10#節(jié)點千斤頂頂升，使11#節(jié)間達到預拱線形標高。

③ 調(diào)整合龍口存在的豎向、縱向、轉(zhuǎn)角的偏移。

2）利用合龍口臨時支墩的千斤頂頂升下弦桿，調(diào)節(jié)下弦桿的豎向位移并消除轉(zhuǎn)角。

3）整體調(diào)節(jié)單跨，消除合龍口的縱向、豎向偏差。通過提前設(shè)置邊跨預偏值的方式，調(diào)節(jié)邊跨合龍口坐標與設(shè)計相符；如果實際偏差較大，無法利用預偏值調(diào)整，則可以利用單跨千斤頂整體縱移調(diào)節(jié)邊跨。

4）合龍下弦桿。

① 通過測量合龍口長度、合龍時間段的溫度，進行合龍口拼接板配板。

② 吊裝下弦桿就位，連接單端桿件，另一端待到達擬定溫度后，進行合龍。

③ 吊裝合龍口鐵路橋面板。

5）合龍斜腹桿。

① 吊裝斜腹桿，并將上端口進行連接。

② 通過測量不同時間段的合龍口斜腹桿長度，對桿件下端口進行配板。

③ 選擇合適溫度對斜腹桿進行合龍。

6）合龍上弦桿，安裝豎桿，采用與下弦桿相同的合龍方法合龍上弦桿，安裝平聯(lián)，并進行栓接及焊接。

4 施工監(jiān)控

為確保鋼桁梁的架設(shè)安裝精度，防止誤差累積，監(jiān)控量測遵循“先整體后局部，由高級到低級”逐級控制的原則[11]。通過高一級的控制點，利用雙頻GPS靜態(tài)測量模式對后來加密的控制點進行復測。施工過程中對每個節(jié)點的變形，以及主桁中軸線位置、前后兩節(jié)段后端底板的高程差、節(jié)段拼接后的長度等進行跟蹤測量。采用Midas Civil軟件對各個施工工況進行仿真模擬分析，保證鋼桁梁成橋后的拱度線形、內(nèi)力與設(shè)計一致，按照無應力狀態(tài)控制法一次拼裝成形，其拼裝狀態(tài)應與最終狀態(tài)的內(nèi)力、位移一致。測量安裝過程和合龍時的溫度，與設(shè)計、鋼桁梁加工及合龍時的溫度進行對比分析，確保鋼桁梁懸拼施工符合設(shè)計要求。

5 結(jié)語

本文利用結(jié)構(gòu)構(gòu)件單元的無應力狀態(tài)量建立中間狀態(tài)和成橋狀態(tài)的聯(lián)系，將構(gòu)件安裝和體系轉(zhuǎn)化的復雜過程簡單化，施工線形與成橋線形明晰化。采用分階段逐步施工安裝，確保了加工精度、安裝精度、施工工期可控，并充分考慮了體系轉(zhuǎn)換時的外界條件。采用“倒裝法”計算確定起始安裝節(jié)段的預偏量，有效地減少了體系轉(zhuǎn)化時的調(diào)整措施和手段。根據(jù)本橋施工情況，在懸臂拼裝三主桁鋼桁梁時，由于中桁承受荷載較大，故其下?lián)洗笥谶呰鞊隙?，在多?jié)間懸臂拼裝時，應增設(shè)臨時支撐或者在制造階段充分考慮其預拱值。