張利民

(中鐵二十局集團有限公司,陜西 西安 710016)

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展,越來越多的大跨度鋼桁梁橋應用于跨江、跨河工程建設中。頂推法施工工藝因具有跨越障礙能力強、施工機具設備簡單、無需大量起吊設備、可不中斷交通或通航、安全性較高、施工質(zhì)量能夠保證等優(yōu)點,得到了較廣泛的應用[1]。國內(nèi)外諸多專家對頂推法施工工藝進行了研究:鄭超[2]對既有鐵路鋼箱梁橋的頂推關鍵技術(shù)進行了研究;賀紅星等[3]針對雙層鋼桁梁橋提出了節(jié)點跟隨式步履頂推施工方法,即在步履式頂推設備外設置移動轉(zhuǎn)換柱,利用移動轉(zhuǎn)換柱與鋼桁梁節(jié)點步履式前移;趙越[4]針對鋼混結(jié)合梁步履式頂推施工技術(shù)進行了研究;張宏武[5]針對跨越既有鐵路線鋼桁架橋頂推滑移快速施工技術(shù)進行了研究;陳偉等[6]針對槽鋼梁,對同步多點步履式頂推施工控制技術(shù)進行了分析;舒彬等[7]針對重載鐵路大跨度鋼桁梁橋,分析研究了頂推施工的最優(yōu)荷載組合和施工監(jiān)測技術(shù)。上述研究均針對設置橋面系的鋼結(jié)構(gòu)公鐵橋梁等頂推施工技術(shù)開展,對于不設置一般意義上橋面系的大跨度鋼桁梁廊道橋結(jié)構(gòu)頂推施工技術(shù)的研究還不夠深入。

鑒于此,本文以齊齊哈爾熱網(wǎng)跨嫩江廊道橋為依托工程,研究了大跨度鋼桁梁廊道橋頂推施工關鍵技術(shù)。

1 工程概況

1.1 項目概況

齊齊哈爾供熱管網(wǎng)項目采用40 m+2×(3×65)m+4×40 m+3×40 m下承式鋼桁梁作為跨越嫩江的供熱管道廊道橋,全橋共5聯(lián)14跨,主橋為2聯(lián)3×65 m的連續(xù)鋼桁梁,其他為引橋。全部主桁采用華倫式三角形腹桿帶豎桿體系。

主橋上、下弦桿采用箱形截面,豎桿和斜腹桿部分加強桿件采用箱形截面,其余采用工字形截面。主桁節(jié)點為整體式節(jié)點,工字形豎腹桿和斜腹桿采用插入方式連接,箱形桿件采用對接方式連接。桿件由工廠制造,運至工地現(xiàn)場采用高強螺栓拼接。引橋的桿件均為工字形截面,主桁節(jié)點板采用整體式,各桿件均采用對拼連接。本橋不設置一般意義上的橋面系,管道支架與經(jīng)過加強的橫撐相連接。下平縱聯(lián)的橫撐兼作橫梁,提供對管道及檢修通道的支撐。

1.2 鋼桁梁架設方案

考慮河道現(xiàn)場踏勘結(jié)果和鋼桁梁結(jié)構(gòu)特點,該廊道橋鋼桁梁可采用步履式多點同步頂推方案、下導梁滑移方案、桅桿吊懸拼方案、浮拖架設方案、冬季冰上吊裝和滑移方案進行架設[8]。綜合考慮施工方案的可行性、安全性、經(jīng)濟性、工期等因素,確定采用岸邊支架組拼加步履式多點同步頂推方案進行施工。

1.3 頂推施工難點

1)跨越的嫩江為Ⅰ級通航航道,受河道通航和行洪的限制,一般不允許在主河道和泄洪河道內(nèi)設置臨時支墩。

2)熱網(wǎng)廊道橋跨越嫩江,共5聯(lián)14跨,分別從兩岸各頂推7跨,在江中65 m和40 m跨交接處合龍,頂推跨數(shù)多、距離長,同步性難度大。

3)傳統(tǒng)步履式頂推施工一般適用于箱梁結(jié)構(gòu)[9-10],但該廊道橋為承載熱力管網(wǎng)和檢修平臺的桿件式鋼桁梁結(jié)構(gòu)。頂推過程中,受步履式頂推每一步行程短的限制,頂推支點不可避免會支撐于下弦桿非節(jié)點處,導致下弦桿同時承受彎矩及剪力,易造成桿件壓彎變形等問題。

2 鋼桁梁頂推施工

2.1 頂推方案

廊道橋1～14號墩區(qū)域位于江中,水位較深、水流湍急。東岸1號墩之前和西岸14號墩之后的河床地勢較高、地形平坦開闊、通行條件好,處于非行洪通道區(qū),在此布置組拼區(qū)域,搭設組拼支架平臺。7～8號墩引橋區(qū)可設置一處臨時支墩,為減少水中作業(yè),避免對河道的干擾,保證鋼桁梁現(xiàn)場組拼、焊接的質(zhì)量,確定東西岸邊分別組拼、分別頂推7跨的方案。

主橋(富拉爾基側(cè))鋼桁梁增加前導梁進行頂推,引橋(齊齊哈爾側(cè))不用前導梁直接頂推,并對主橋鋼桁梁結(jié)構(gòu)進行局部加固。主橋2×(3×65)m鋼桁梁在1號墩之前的組拼區(qū)域首輪拼裝104 m后,整體向前頂推65 m,然后繼續(xù)組拼65 m、再頂推一次(約65 m),以后重復整孔組拼頂推,直到鋼梁就位;引橋3×40 m+4×40 m鋼桁梁在14號墩之后組拼區(qū)域首輪拼裝完成64 m后,整體向前頂推40 m,然后繼續(xù)組拼40 m、再頂推一次(約40 m),以后重復整孔組拼頂推,直到鋼梁就位。具體頂推過程如圖1所示。

圖1 頂推過程Fig.1 Pushing process

頂推滑移系統(tǒng)設置在1～14號墩上方墊石位置及臨時頂推支架頂分配梁上,頂推設備高度700 mm,換手支墊高度740 mm。頂推裝置直接擺放在永久墩墊石頂面,支座待鋼桁梁頂推就位后、落梁時安裝。1套步履式頂推裝置主要由1臺豎向千斤頂(200 t)、1臺水平頂推千斤頂(100 t)、1臺糾偏頂推千斤頂(65 t)、滑移支座、滑板及滑道組成。步履式自動化頂推設備除機械系統(tǒng)外,還有液壓系統(tǒng)、自動智能電控系統(tǒng)組成。全橋共需頂推滑移系統(tǒng)38套,其中臨時支架和臨時支墩需要8套,永久橋墩需要30套,具體如圖1b,1d所示。

2.2 頂推施工全過程模擬

采用MIDAS/Civil有限元軟件進行鋼桁梁頂推施工方案計算,通過對各安裝步驟的模擬來計算鋼桁梁頂推過程中構(gòu)件的內(nèi)力及變形,在計算過程中未考慮由于施工支架變形引起的變化。

本節(jié)僅介紹主橋65 m鋼桁梁頂推施工過程模擬。主橋為2聯(lián)3×65 m下承式連續(xù)鋼桁梁橋。主橋鋼桁梁分6次拼裝頂推將鋼桁梁頂推至設計位置。使用材料為Q355NE鋼材,其抗壓、抗彎強度設計值取295 MPa。主橋65 m鋼桁梁頂推施工計算過程主要考慮鋼桁梁和鋼導梁的自重,考慮節(jié)點板螺栓等質(zhì)量等及結(jié)構(gòu)的安全系數(shù),自重系數(shù)取1.2。第6次拼裝完成后的鋼桁梁計算模型如圖2a所示。

圖2 計算結(jié)果云圖Fig.2 Calculation results cloud map

通過計算分析,不同的頂推階段,鋼導梁和鋼桁梁的位移不同,最大懸臂狀態(tài)時(前端最大懸臂65 m)的鋼導梁豎向位移最大。在各施工階段中,當導梁處于最大懸臂狀態(tài)時,出現(xiàn)最大拉應力,當導梁頂推至橋墩時,出現(xiàn)最大壓應力。鋼桁梁處于頂推最大懸臂狀態(tài)或?qū)Я喉斖浦翗蚨諘r,鋼桁梁也出現(xiàn)最大拉應力和壓應力。

考慮篇幅有限,僅于表1和圖2中列出65 m鋼桁梁施工階段最大位移、應力計算結(jié)果及部分結(jié)果云圖。由表1可知:鋼導梁最大豎向撓度出現(xiàn)在第1次頂推最大懸臂狀態(tài)(前端最大懸臂65 m)時,最大豎向撓度為141.725 mm。鋼導梁最大拉應力為122.1 MPa<295 MPa,出現(xiàn)在第1次向前頂推,導梁超出2號墩懸臂36 m時。鋼導梁最大壓應力為145.3 MPa<295 MPa,出現(xiàn)在鋼導梁落至2號墩上時。由上述內(nèi)容可知,鋼導梁最大拉應力和壓應力均未超出材料設計值,滿足規(guī)范要求。鋼桁梁最大豎向撓度在整個頂推過程中變化較小,最大豎向撓度為-35.515 mm,出現(xiàn)在第1次向前頂推,導梁超出2號墩懸臂19.2 m時。鋼桁梁最大拉應力為61.9 MPa<295 MPa,出現(xiàn)在第2次頂推至最大懸臂狀態(tài)(前端最大懸臂65 m)時。鋼桁梁最大壓應力為67.0 MPa<295 MPa,出現(xiàn)在第3次開始頂推3 m(懸臂46.5 m)時。由上述內(nèi)容可知,鋼桁梁最大拉應力和壓應力均未超出材料設計值,滿足規(guī)范要求。

表1 施工階段最大位移及應力計算結(jié)果Table 1 Calculation results of maximum displacement and stress in construction phase

臨時墩墩頂反力最大值為701.3 kN,出現(xiàn)在第2次拼裝完開始頂推時,各施工階段拼裝完開始頂推時,臨時墩墩頂反力相差較小;臨時墩水平方向變形最大為8.012 mm,豎直方向最大變形為-1.492 mm,最大正應力為64.4 MPa(見圖3),未超出材料設計值,滿足規(guī)范要求。

圖3 65m鋼桁梁橋墩應力(單位:MPa)Fig.3 Stress of 65m steel truss bridge pier(unit:MPa)

3 頂推施工控制要點和施工監(jiān)控

3.1 頂推同步性和精度控制

頂推過程中同步控制為工程難點,不同步頂推,一方面會造成橋梁軸線偏位,另一方面可能會導致梁體局部受力,對整體橋梁結(jié)構(gòu)造成影響。隨著逐孔頂進的進行,跨數(shù)逐漸增多,直至達到7孔,頂推過程千斤頂數(shù)量逐步增加,同步性難度將加大,步履式頂推器配置了液壓PLC電控自動智能化系統(tǒng),利用上位機聯(lián)動控制系統(tǒng)實現(xiàn)各千斤頂同步接收指令,同步開始前進、頂升、下降、后退動作,位移傳感器和壓力傳感器采集各千斤頂?shù)膲毫臀灰屏?配置特殊程序保證完成各千斤頂動作的同步精度不超過允許誤差。加強油管的檢查和各千斤頂處滑道的潤滑檢查,同時觀察多臺千斤頂油壓表的數(shù)值,隨時進行縱移、標高和中線的調(diào)整,使之順利推進。

3.2 頂推支反力的控制

根據(jù)鋼桁梁頂推過程工況分析,按保持鋼桁梁水平狀態(tài)計算出各千斤頂支反力數(shù)據(jù),換算成油壓表壓力,嚴格控制支反力的最大限值,防止千斤頂?shù)牟痪馐芰?造成某一位置受力過大出現(xiàn)桿件壓彎的現(xiàn)象,并在頂升千斤頂上加設鋼墊梁,將下弦桿承受的單點支反力簡化為局部荷載均勻作用到下弦桿上,起到有效的保護作用。實時觀察監(jiān)控油壓變化幅度,以20%的變化幅度為限,動態(tài)調(diào)整千斤頂?shù)捻斄透叱?避免發(fā)生個別千斤頂頂力過大,繼而出現(xiàn)高程偏差過大造成桿件變形的情況。

3.3 應力、應變監(jiān)測和糾偏

通過位移、壓力傳感器實時采集鋼桁梁下?lián)隙群椭芯€偏移數(shù)據(jù),下?lián)隙扰c理論值比較偏大時需要暫停頂進施工,觀察桿件變形情況和監(jiān)測應力數(shù)據(jù),確保沒有異常情況時再繼續(xù)頂推施工。發(fā)現(xiàn)中線偏移過大時,停止頂進施工,啟動糾偏千斤頂進行中線位移糾偏,中線調(diào)整好后再行頂進施工。3×65 m主鋼桁梁頂推過程應力-應變監(jiān)測實例如圖4所示,由圖4可知,8個監(jiān)測點的應變值均未超過限值101.46με。

圖4 主鋼桁梁頂推過程應力-應變監(jiān)測Fig.4 Stress-strain monitoring of main steel girder during jacking

本橋鋼桁梁組拼支架采用臨時鋼管柱,處于承受載荷較大、自由長度較大的工況環(huán)境,是鋼桁梁架設的關鍵結(jié)構(gòu)。在架設過程中,除加強支架的沉降觀測外,由于受溫度、風荷載、重力及偏心等因素變化影響,支架的受力復雜,做好水平位移觀測也很關鍵。

4 結(jié)語

本文結(jié)合現(xiàn)場實際,提出齊齊哈爾熱網(wǎng)跨嫩江廊道橋岸邊支架組拼加步履式多點同步頂推方案。利用MIDAS/Civil軟件建立有限元模型,模擬計算施工過程中不利工況下結(jié)構(gòu)應力及變形情況。過程采用自動化步履式頂推設備,液壓PLC同步電控系統(tǒng)嚴控支反力和同步性,實時應力、應變監(jiān)測保證結(jié)構(gòu)安全。研究內(nèi)容可為今后類似跨江、跨河大跨度鋼桁梁施工提供借鑒與參考。