楊 勇,劉 濤
(1.保利長(zhǎng)大工程有限公司,廣東 廣州 510620;2.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201)
鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在大跨徑橋梁中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,既可充分發(fā)揮鋼、混凝土2種材料的優(yōu)異性能,又有利于實(shí)現(xiàn)構(gòu)件加工制造的工廠(chǎng)化和現(xiàn)場(chǎng)安裝的裝配化,進(jìn)而提高工程質(zhì)量。采用開(kāi)口斷面的鋼-混凝土疊合梁,將鋼結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)為獨(dú)立構(gòu)件,采用高強(qiáng)螺栓連接,避免出現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量控制難題,進(jìn)而提升結(jié)構(gòu)工廠(chǎng)化和裝配化程度,同時(shí)也可避免傳統(tǒng)的整節(jié)段大噸位起重,降低施工風(fēng)險(xiǎn)。鋼-混凝土疊合梁斜拉橋上部結(jié)構(gòu)施工已形成了較成熟的工藝,但對(duì)于特殊施工條件,現(xiàn)有施工工藝有時(shí)難以滿(mǎn)足實(shí)際需求。本文以珠海市洪鶴大橋洪灣水道主航道橋?yàn)檠芯繉?duì)象,針對(duì)橋下沼澤區(qū)運(yùn)輸條件不便、現(xiàn)有施工工藝無(wú)法采用等難題,提出了一種新的施工工藝來(lái)完成其上部結(jié)構(gòu)施工。
珠海市洪鶴大橋全長(zhǎng)9.654km,采用2座雙塔雙索面疊合梁斜拉橋,跨越洪灣水道和磨刀門(mén)水道主航道,跨徑布置均為(73+162+500+162+73)m。主航道橋主梁采用開(kāi)口斷面鋼-混凝土疊合梁,梁高3.5m。鋼梁部分包括主縱梁、橫梁、小縱梁、錨拉板、壓重箱及風(fēng)嘴等,采用Q370qD鋼材,主縱梁、橫梁及小縱梁采用工字形斷面,主縱梁中心距為34.0m,橫梁長(zhǎng)33.1m,橫梁標(biāo)準(zhǔn)間距為4.0m,鋼梁構(gòu)件之間全部采用高強(qiáng)螺栓連接?;炷翗蛎姘宀捎肅60預(yù)應(yīng)力混凝土,橋面板厚26cm,分為預(yù)制和現(xiàn)澆,預(yù)制部分按混凝土平面尺寸規(guī)格可分為3.4m×16.45m,2.4m×16.45m,1.4m×16.45m。為減少混凝土收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響,要求預(yù)制板存放時(shí)間≥6個(gè)月;現(xiàn)澆部分為預(yù)制板間濕接縫,主要位于主縱梁、橫梁及小縱梁頂面,采用C60微膨脹混凝土,通過(guò)剪力釘與鋼梁結(jié)合形成疊合梁結(jié)構(gòu)。斜拉索采用鍍鋅平行鋼絞線(xiàn)斜拉索,每個(gè)主塔20組斜拉索,通過(guò)錨拉板錨固在主縱梁頂面[1]。
全橋疊合梁分為85個(gè)節(jié)段(包括2個(gè)主塔頂0號(hào)梁段,80個(gè)標(biāo)準(zhǔn)梁段,2個(gè)邊跨合龍段,1個(gè)中跨合龍段),其中0號(hào)梁段主縱梁長(zhǎng)17m,設(shè)置5條橫梁;標(biāo)準(zhǔn)梁段主縱梁長(zhǎng)均為12m,單個(gè)梁段設(shè)置3條橫梁,標(biāo)準(zhǔn)梁段三維模型如圖1所示。鋼梁?jiǎn)蝹€(gè)構(gòu)件最大起重量為62t,為0號(hào)梁段主縱梁,其余標(biāo)準(zhǔn)段主縱梁最重45t(含風(fēng)嘴與錨拉板);鋼橫梁最重44t,為輔助墩頂壓重橫梁,其余標(biāo)準(zhǔn)橫梁重26.5t;單塊橋面最重45t。
圖1 主梁標(biāo)準(zhǔn)梁段三維模型
3號(hào)主墩位于洪灣水道中珠聯(lián)圍防洪大堤背水側(cè),地處珠江三角洲南部,地貌單元屬海陸交互相,地形平坦開(kāi)闊,原地面標(biāo)高約為0.000,根據(jù)地質(zhì)報(bào)告,原地表為素填土,層厚1.3~2.0m,往下為淤泥質(zhì)黏土層,層厚13.30~20.80m。由于該區(qū)域?yàn)楹辁Q大橋與洪灣漁港吹填施工交叉區(qū),橋梁施工前,洪灣漁港已在該區(qū)域堆載了約3.0m深的淤泥質(zhì)泥水,使得整個(gè)場(chǎng)地變成沼澤地,徹底改變了原有地形地貌條件。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工需要,3號(hào)主墩采用筑島工藝形成施工場(chǎng)地,筑島標(biāo)高為4.000m。
1)回轉(zhuǎn)橋面起重機(jī)拼裝法 先利用大型浮式起重機(jī)(水上)或大型履帶式起重機(jī)(陸地)架設(shè)主塔頂梁段,架設(shè)時(shí)可整節(jié)段整體架設(shè),也可進(jìn)行散件拼裝;塔頂梁段架設(shè)完成后,在塔頂梁段的橋面上安裝回轉(zhuǎn)橋面起重機(jī),回轉(zhuǎn)橋面起重機(jī)可在架設(shè)位置的橋梁正下方水面(或地面)起吊待架設(shè)梁段構(gòu)件,也可回轉(zhuǎn)180°至已架設(shè)梁段的橋面起吊,待架設(shè)梁段起吊后可直接就位安裝[2]。該方法操作工序簡(jiǎn)單,特別是對(duì)于梁段構(gòu)件可運(yùn)輸至架設(shè)位置正下方的工況,具有顯著優(yōu)勢(shì),但對(duì)于橋下運(yùn)輸不便,或橋梁構(gòu)件尺寸過(guò)大限制橋面回轉(zhuǎn)起吊時(shí),該方法將無(wú)法實(shí)施。
2)整節(jié)段架設(shè)法 預(yù)先將鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)組合成整體,運(yùn)輸至起吊位置,再利用橋面起重機(jī)或纜索吊裝整節(jié)段,也可預(yù)先進(jìn)行部分構(gòu)件組合,如先組裝鋼結(jié)構(gòu),待鋼結(jié)構(gòu)架設(shè)后,再進(jìn)行混凝土構(gòu)件架設(shè)安裝[3]。該方法減少了現(xiàn)場(chǎng)拼裝的工作量,并一定程度上可加快施工進(jìn)度,但增加了構(gòu)件運(yùn)輸難度和吊重,也就限制了其適用范圍。
洪鶴大橋3號(hào)主塔位于防洪大堤背水側(cè),邊跨側(cè)從S6號(hào)梁段開(kāi)始全部位于沼澤區(qū),中跨側(cè)C1~C9號(hào)梁段則位于防洪大堤正上方或淺灘區(qū),均無(wú)法實(shí)現(xiàn)梁段運(yùn)至橋下。此外,鋼橫梁長(zhǎng)33.1m,采用橋面回轉(zhuǎn)起吊難度較大,鋼橫梁在回轉(zhuǎn)過(guò)程中極易與先架設(shè)梁段的斜拉索碰撞而損壞斜拉索,且橋梁橫向總寬度約40m,無(wú)法采用整體架設(shè)法。因此,該橋上部結(jié)構(gòu)鋼-混凝土疊合梁施工需探索一種新的施工工藝。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求,混凝土橋面板在專(zhuān)用預(yù)制廠(chǎng)內(nèi)提前預(yù)制,并按要求存放≥6個(gè)月,鋼梁構(gòu)件在專(zhuān)業(yè)鋼結(jié)構(gòu)工廠(chǎng)分段制造,驗(yàn)收合格后進(jìn)行短線(xiàn)整體匹配。由于3號(hào)主墩位于防洪大堤背水側(cè)的沼澤區(qū),鋼梁構(gòu)件及橋面板無(wú)法采用水路運(yùn)輸,只能利用汽車(chē)通過(guò)施工棧橋運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)。
塔周梁段利用履帶式起重機(jī)直接吊裝至支架上進(jìn)行架設(shè);塔周梁段架設(shè)完成后,在塔周梁段上安裝橋面起重機(jī)及提梁站;標(biāo)準(zhǔn)梁段構(gòu)件通過(guò)提梁站提升至橋面,再利用運(yùn)梁車(chē)運(yùn)送至橋面起重機(jī)起吊位置,采用懸臂拼裝工藝架設(shè),梁段構(gòu)件起吊需通過(guò)平移方式,避免與已架設(shè)梁段的斜拉索碰撞;中跨采用等溫條件合龍方式,即在標(biāo)準(zhǔn)梁段架設(shè)完成后,通過(guò)連續(xù)觀(guān)測(cè)合龍口的姿態(tài)確定合龍梁段參數(shù),在相同工況條件下進(jìn)行合龍梁段施工。
塔周梁段距離地面高度約36m,最大起重量為0號(hào)梁段主縱梁,重約62t,其余構(gòu)件質(zhì)量均在45t以下。由于3號(hào)主塔位于陸地,塔周梁段無(wú)法采用浮式起重機(jī)等水上起重設(shè)備進(jìn)行安裝,通過(guò)對(duì)梁段吊裝重量、吊裝工況及施工場(chǎng)地的地質(zhì)情況分析,選用350t履帶式起重機(jī),在主臂長(zhǎng)66m、幅度18m時(shí),可吊重75.8t;幅度20m時(shí),可吊重65.7t,滿(mǎn)足塔周梁段構(gòu)件吊裝要求。
標(biāo)準(zhǔn)梁段構(gòu)件質(zhì)量均在45t以下,橋面起重機(jī)額定起重量按50t考慮。梁段構(gòu)件自橋面運(yùn)至橋面起重機(jī)尾部起吊,平移至前端進(jìn)行拼裝,橋面起重機(jī)前端懸臂以滿(mǎn)足梁段構(gòu)件平移和旋轉(zhuǎn),此外,鋼梁間采用高強(qiáng)螺栓連接,橋面起重機(jī)需提供高強(qiáng)螺栓施擰的作業(yè)平臺(tái),以確保施工安全。在充分考慮施工需求的前提下,結(jié)合實(shí)際工況不斷優(yōu)化,最終確定了一種框架式橋面起重機(jī),起升高度9m,包括主桁架、底托架、起重系統(tǒng)(包括橋車(chē)、天車(chē)及吊具)及行走系統(tǒng)等,設(shè)備整機(jī)重162t,如圖2所示。
圖2 橋面起重機(jī)總體結(jié)構(gòu)
主桁架作為起重機(jī)的起重支撐構(gòu)件,兩側(cè)面主桁架片中心距為28.8m,通過(guò)橫向聯(lián)系形成空間桁架結(jié)構(gòu),桁架片頂面設(shè)有行走軌道,供起重橋車(chē)縱向行走。起重系統(tǒng)包括縱向移動(dòng)的橋車(chē)、橫向移動(dòng)的天車(chē)、起重卷?yè)P(yáng)機(jī)及吊具,實(shí)現(xiàn)梁段構(gòu)件的起吊、縱橫向平移。橋面起重機(jī)前移系統(tǒng)包括滑移軌道、頂推裝置等,行走軌道設(shè)置在主桁架片下方,置于已架梁段橋面上并與鋼橫梁牢靠錨固,頂推系統(tǒng)采用液壓操作系統(tǒng),使橋面起重機(jī)在軌道上沿縱橋向前進(jìn)或后退。底托架采用鋼框架結(jié)構(gòu)形式,作為鋼梁構(gòu)件臨時(shí)放置和精確就位的工作平臺(tái),可覆蓋整個(gè)吊裝梁段的作業(yè)區(qū)域,為高強(qiáng)螺栓施擰提供了可靠的作業(yè)平臺(tái),有利于保證施工安全。底托架上橫橋向兩側(cè)各設(shè)置1個(gè)滑動(dòng)架,設(shè)有三向千斤頂,用于完成主縱梁移動(dòng)和精確就位。
為將梁段構(gòu)件提升至橋面,需在主塔區(qū)設(shè)置1座提梁站。提梁站位于主塔和邊跨側(cè)S1號(hào)斜拉索之間,根據(jù)構(gòu)件提升及旋轉(zhuǎn)需要,提升站設(shè)計(jì)為兩跨不等的門(mén)式結(jié)構(gòu),跨徑為34m+21m(橋面+地面),地面起升高度為43m,橋面起升高度為9m,額定起重量為50t,主梁上設(shè)置天車(chē)軌道,軌道中心間距為7m,如圖3所示。
圖3 提梁站結(jié)構(gòu)布置
塔周梁段作為后續(xù)梁段懸臂架設(shè)的起始段,需滿(mǎn)足中、邊跨兩側(cè)橋面起重機(jī)安裝和提梁站建設(shè)的空間要求,由于3號(hào)主塔距離防洪大堤較近,中跨側(cè)C2,C3號(hào)梁段處于防洪大堤的正上方,根據(jù)大堤防護(hù)要求,防洪大堤的保護(hù)范圍內(nèi)嚴(yán)禁搭設(shè)支架、插打鋼管及開(kāi)挖作業(yè),且5t以上車(chē)輛、設(shè)備不得進(jìn)入,以確保大堤結(jié)構(gòu)安全,這就限制了中跨側(cè)主梁安裝的支架搭設(shè)和作業(yè)空間。需對(duì)塔周梁段的安裝方案予以?xún)?yōu)化,通過(guò)進(jìn)一步模擬,發(fā)現(xiàn)中跨側(cè)C2,C3號(hào)梁段未安裝的情況下,可先在邊跨側(cè)安裝中跨橋面起重機(jī),安裝完成后再前移至中跨C1號(hào)梁段上,再利用橋面起重機(jī)單側(cè)懸臂架設(shè)中跨C2,C3號(hào)梁段。待中跨C2,C3號(hào)梁段架設(shè)完成后,再安裝邊跨側(cè)橋面起重機(jī),這樣中跨C2,C3號(hào)梁段即可避免防洪大堤對(duì)施工的限制。
塔周梁段支架由中跨C1號(hào)梁段至邊跨側(cè)S3號(hào)梁段非對(duì)稱(chēng)布置,梁段構(gòu)件采用350t履帶式起重機(jī)在臨時(shí)支架上進(jìn)行原位安裝。先安裝0號(hào)梁段鋼梁,縱梁長(zhǎng)17m、重約62t,受中塔柱斜度影響,無(wú)法一次性吊裝就位,需在下橫梁上橫向滑移就位。所有鋼梁構(gòu)件安裝完并形成整體后,復(fù)測(cè)梁段平面位置及標(biāo)高,由于0號(hào)梁段安裝精度對(duì)后續(xù)梁段安裝精度影響較大,需嚴(yán)格控制并精確調(diào)整。0號(hào)梁段鋼梁精度滿(mǎn)足要求后,將其與主塔下橫梁通過(guò)精軋螺紋鋼、縱橫向支撐進(jìn)行臨時(shí)固結(jié),以抵抗后續(xù)梁段安裝過(guò)程中的不平衡力。塔梁臨時(shí)固結(jié)后安裝0號(hào)梁段橋面板,然后依次安裝中跨C1號(hào)、邊跨S1~S3號(hào)梁段,安裝完成后,5個(gè)節(jié)段一次性完成橋面板濕接縫施工,對(duì)稱(chēng)掛設(shè)、張拉1號(hào)斜拉索[4-6]。
塔周梁段架設(shè)完成后,在塔周梁段上安裝橋面起重機(jī)及提梁站,并完成相應(yīng)試吊、檢驗(yàn)工作。通過(guò)提梁站將C2號(hào)梁段構(gòu)件按架設(shè)順序依次提至橋面,利用運(yùn)梁小車(chē)運(yùn)送至中跨橋面起重機(jī)起吊位置,先架設(shè)C2號(hào)梁段鋼梁,完成后對(duì)稱(chēng)掛設(shè)2號(hào)斜拉索并一次張拉,然后橋面起重機(jī)前移;以同樣步驟架設(shè)C3號(hào)梁段,對(duì)稱(chēng)掛設(shè)3號(hào)斜拉索并一次張拉,C2,C3號(hào)梁段濕接縫澆筑,等強(qiáng)后2,3號(hào)斜拉索二次張拉。
標(biāo)準(zhǔn)梁段采用橋面起重機(jī)對(duì)稱(chēng)懸臂拼裝架設(shè)。梁段構(gòu)件通過(guò)提梁站依次提升至橋面運(yùn)梁小車(chē)上,運(yùn)梁小車(chē)將梁段構(gòu)件運(yùn)送至橋面起重機(jī)起吊位置,再利用橋面起重機(jī)依次進(jìn)行安裝。為減少濕接縫等強(qiáng)時(shí)間以縮短工期,標(biāo)準(zhǔn)梁段濕接縫每2個(gè)梁段澆筑1次,即每2個(gè)梁段為1個(gè)施工周期[7-9]。
邊跨側(cè)S13,S14號(hào)位于輔助墩頂,邊跨合龍梁段位于邊墩墩頂,因橋面起重機(jī)底托架與輔助墩、邊墩墩身沖突,需提前將邊跨側(cè)橋面起重機(jī)底托架拆除,該3個(gè)梁段架設(shè)時(shí)需在墩旁搭設(shè)支架輔助就位[10]。以S13,S14號(hào)梁段施工為例,施工步驟如下。
1)第1步 利用橋面起重機(jī)完成中、邊跨S12號(hào)梁段架設(shè)及12號(hào)斜拉索掛設(shè)、一次張拉,與此同時(shí),完成輔助墩墩旁支架的搭設(shè)和輔助墩永久支座的安裝,在支架頂設(shè)置橫向、縱向滑道。
2)第2步 利用卷?yè)P(yáng)機(jī)將邊跨側(cè)橋面起重機(jī)的底托架下放至地面施工平臺(tái)上。
3)第3步 橋面起重機(jī)繼續(xù)前移至S12號(hào)梁段前端。
4)第4步 按照標(biāo)準(zhǔn)梁段安裝步驟,依次架設(shè)S13號(hào)梁段鋼梁及掛設(shè)13號(hào)斜拉索并一次張拉,輔助墩頂壓重混凝土施工,最后安裝S13號(hào)梁段的橋面板,施工S12,S13號(hào)梁段濕接縫,并進(jìn)行12,13號(hào)斜拉索二次張拉。值得注意的是,S13號(hào)梁段主縱梁在輔助墩墩旁支架上完成滑移就位。
5)第5步 橋面起重機(jī)繼續(xù)前移至S13號(hào)梁段前端,架設(shè)S14號(hào)梁段構(gòu)件,掛設(shè)14號(hào)斜拉索并一次張拉。與此同時(shí),將邊跨側(cè)橋面起重機(jī)底托架從地面轉(zhuǎn)運(yùn)至S15號(hào)梁段正下方。
6)第6步 橋面起重機(jī)前移至S14號(hào)梁段前端,利用卷?yè)P(yáng)機(jī)將邊跨側(cè)橋面起重機(jī)底托架提升至梁底進(jìn)行安裝,橋面起重機(jī)恢復(fù)正常使用狀態(tài),再按標(biāo)準(zhǔn)梁段的吊裝順序進(jìn)行后續(xù)梁段架設(shè)。
中跨合龍段采用等溫條件合龍方式,合龍時(shí)日氣溫為25~35℃,選擇合龍基準(zhǔn)溫度為28℃。對(duì)稱(chēng)雙懸臂完成S20號(hào)梁段架設(shè)及20號(hào)斜拉索掛設(shè)、一次張拉,施工邊跨合龍段的邊墩墩頂壓重混凝土。除主塔處的塔梁臨時(shí)固結(jié)體系外,拆除其余所有支架上的臨時(shí)支座,使邊跨側(cè)梁體可在支座上縱向移動(dòng)。按監(jiān)控要求,清理橋面臨時(shí)荷載,橋面起重機(jī)走行至吊裝合龍段位置,觀(guān)測(cè)中跨合龍口兩端的梁段姿態(tài),通過(guò)調(diào)整索力、設(shè)置偏載等措施調(diào)整合龍口標(biāo)高、上下游主梁高差、軸線(xiàn)偏位等參數(shù),使合龍口姿態(tài)達(dá)到監(jiān)控允許范圍,并連續(xù)觀(guān)測(cè)調(diào)整后的合龍口姿態(tài),掌握鋼梁隨溫度、日照變化的規(guī)律,根據(jù)鋼梁變化規(guī)律,并結(jié)合實(shí)際情況予以修正,給出合龍段鋼梁匹配制造的參數(shù)[11]。
按實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)制造合龍段鋼梁,做好鋼梁合龍準(zhǔn)備,待溫度恒定后進(jìn)行鋼梁合龍。合龍施工的最大難度在于主縱梁螺栓孔群的精確匹配,為便于合龍段主縱梁精準(zhǔn)、順利匹配,提前準(zhǔn)備好小型千斤頂、對(duì)拉螺栓等輔助工具。合龍時(shí),將合龍段與3號(hào)塔側(cè)梁段的主縱梁按標(biāo)準(zhǔn)接頭方式先行連接,再根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整合龍段與4號(hào)塔側(cè)梁段,直至接頭線(xiàn)形、縫距等指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求后,立即采用臨時(shí)拼接板將合龍段與4號(hào)塔側(cè)的梁段鎖定,使全橋主縱梁連成整體。臨時(shí)鎖定后,立即拆除3號(hào)主塔處的塔梁臨時(shí)固結(jié)體系,使主梁可沿縱橋向單向位移。
主縱梁鎖定后,根據(jù)合龍段與4號(hào)塔側(cè)的梁段接頭螺栓孔位情況配鉆永久連接板,永久連接板單端的螺栓孔預(yù)先鉆好,現(xiàn)場(chǎng)配鉆另一端即可。先配鉆主縱梁頂、底板永久連接板并按要求完成高強(qiáng)螺栓施擰,再拆除腹板臨時(shí)拼接板,配鉆永久連接板并安裝到位。最后安裝合龍段鋼橫梁、小縱梁及橋面板等構(gòu)件,澆筑濕接縫混凝土,實(shí)現(xiàn)全橋貫通[12]。
1)珠海市洪鶴大橋主航道橋?yàn)橹骺?00m的雙塔雙索面疊合梁斜拉橋,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境特點(diǎn),探索了一種新的施工工藝,該方法克服了沼澤區(qū)橋下運(yùn)輸條件不便、回轉(zhuǎn)橋面起重機(jī)拼裝法無(wú)法使用難題,同時(shí)也避免了整節(jié)段架設(shè)法受梁段尺寸過(guò)大的限制。
2)塔周梁段采用支架法不對(duì)稱(chēng)架設(shè)工藝,避免受中跨側(cè)主梁安裝的支架搭設(shè)和作業(yè)空間受防洪大堤限制,確保了防洪大堤的結(jié)構(gòu)安全,克服了陸地施工環(huán)境、大型水上設(shè)備無(wú)法提供有效服務(wù)的困難,不對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)的支架減少了中跨側(cè)支架的工程量,節(jié)約支架周轉(zhuǎn)材料約200t。
3)在現(xiàn)有的施工方法無(wú)法滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)梁段雙懸臂架設(shè)需求的情況下,研發(fā)了一種框架式橋面起重機(jī),該設(shè)備整機(jī)質(zhì)量小,相當(dāng)于同等起重能力回轉(zhuǎn)橋面起重機(jī)質(zhì)量的70%,確保了裝配式疊合梁構(gòu)件順利架設(shè),底托架作為高強(qiáng)螺栓的作業(yè)平臺(tái),還可有效防止高空墜物風(fēng)險(xiǎn),保證橋下安全。
目前,珠海市洪鶴大橋已建成通車(chē),橋梁線(xiàn)形平順,各項(xiàng)監(jiān)控指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。