廖 菲

(中鐵大橋局集團有限公司,湖北 武漢 430050)

0 引言

鋼桁架橋梁因其跨越能力強、工廠化集中制作程度高、安裝便捷等優(yōu)點得到廣泛應用[1]。在大跨度鋼桁架橋梁頂推施工中,因橋梁結構和施工條件的差異,往往采用的頂推技術也有所不同,如在濟南黃河公鐵兩用橋中,提出了鋼桁梁帶加勁弦頂推法施工工藝[2];在杭州九堡大橋中,采用了鋼拱梁整體頂推施工[3];在蘭州深安黃河大橋中,采用了變豎曲線頂推施工[4];在杭州市湖州區(qū)南林大橋中,采用了岸邊整體拼裝然后頂推到位的施工工藝等[5]。但不難發(fā)現(xiàn),目前國內在帶拱肋或加勁弦的鋼桁梁結構頂推施工中,多采用在邊跨拼裝平臺完成鋼桁梁與上部結構的整體拼裝,然后頂推合龍或一次頂推完成,很少采用頂推鋼桁梁完成后吊裝上部結構的施工方法。同時,當前我國采用剛性懸索加勁弦連續(xù)鋼桁梁結構修建的橋梁并不多,運用頂推施工技術的更少,因而針對不帶加勁弦多點同步頂推、兩次合龍(鋼桁主梁合龍和加勁弦合龍)施工技術的研究也較缺乏。

滬杭甬高速新彭埠大橋全橋長1 348m,主跨240m,為剛性懸鏈形上加勁連續(xù)鋼桁梁橋,本文將依托該工程項目,重點闡述不帶加勁弦頂推施工關鍵技術。同時運用MIDAS Civil軟件進行施工全過程仿真分析,驗證頂推過程的可行性,采用落梁法解決了兩次合龍難題,可為我國后續(xù)類似橋梁結構施工提供參考。

1 工程概況

滬杭甬高速新彭埠大橋為滬杭甬高速公路杭州市區(qū)段改建工程向北跨越錢塘江的公軌合建橋梁,其下層橋面為4線軌道,上層橋面為雙向8車道公路。大橋主跨為連續(xù)剛性懸索加勁鋼桁梁結構,跨徑組合為(72+122+4×240+122+72)m,全橋長 1 348m,鋼結構總量6.2萬t,最大頂推質量高達 2萬t。大橋效果如圖1所示。

圖1 滬杭甬高速新彭埠大橋效果

鋼桁梁采用兩片主桁架,桁間距36.8m,桁高12m,全橋桁架基本為帶豎桿的華倫形桁架,共 132個節(jié)間,標準節(jié)間距10m,邊跨為適應跨度布置,端部7個節(jié)間長度調整為12m。主桁標準桁片為兩個節(jié)間長度,分為20m節(jié)段和24m節(jié)段,高14.5m,寬2.75m,最大吊重1 140kN。主桁上、下弦桿均采用箱形截面,豎桿采用H形截面,斜桿采用H形和箱形截面,如圖2所示。上、下層橋面均為正交異形鋼板的板桁組合結構整體橋面,橋面板與弦桿的頂板通長連接以實現(xiàn)板桁共同受力。正交異形鋼橋面由縱梁、節(jié)點橫梁、節(jié)間橫肋及帶縱向加勁肋的鋼橋面板組成。在上層公路節(jié)點橫梁與下層軌道節(jié)點橫梁間布置橫向連接系,以減小橫梁跨度,使上下橫梁共同受力。

圖2 主桁桁片構件

2 鋼桁梁頂推施工方案

2.1 頂推方案

通過對國內同類型橋梁的施工方法進行調查、分析及研究[6-13],根據(jù)主橋鋼桁梁的結構特點、現(xiàn)場施工條件和通航要求,帶加勁弦與不帶加勁弦兩種頂推是最適宜的施工方法。帶加勁弦多點頂推雖能縮短一定的施工工期,但需加強鋼梁主體結構變更設計,同時也增加了頂推難度和施工費用(主梁加固費、措施費、機械費),因此通過多層次的方案比選和專家論證,最終采用不帶加勁弦多點頂推的施工方案。剛性懸索桁架橋梁采用先架設頂推完成鋼桁主梁的安裝、再吊裝上部加勁弦的總體施工順序。在ZQ2,ZQ3,ZQ4主墩兩側設置墩旁托架,與LD1～LD5臨時墩組成頂推及落梁過程中的支撐系統(tǒng),每個墩旁托架和臨時墩頂布置兩套步履機,在邊跨設置拼裝平臺,利用跨線門式起重機分段拼裝鋼桁梁,采用多點同步頂推系統(tǒng)頂推前移,如此循環(huán)頂推至合龍口,通過在ZQ4與LD4支點處頂落梁的方法,實現(xiàn)鋼桁主梁合龍。鋼桁梁不帶加勁弦頂推如圖3所示。采用2 500kN履帶式起重機站位于公路橋面,先吊裝橋門架立柱S18與橫梁,再安裝吊桿及上加勁弦,同樣通過支點處頂落梁的方法,實現(xiàn)加勁弦合龍,重復上述步驟完成剩余上部結構的安裝。加勁弦安裝如圖4所示。頂推的主要流程為:拼裝第1輪頂推的鋼桁梁及鋼導梁→鋼桁梁起頂,設置滑塊→完成本次鋼梁頂推→繼續(xù)拼裝下一輪頂推的鋼桁梁→循環(huán)頂推全部鋼桁梁至合龍口,完成鋼桁梁的合龍→吊裝橋門架、吊桿、加勁弦,完成加勁弦合龍→支座安裝,落梁。

圖3 鋼桁梁不帶加勁弦頂推

圖4 加勁弦安裝(單位:cm)

2.2 工程特點

鋼桁梁采用不帶加勁弦多點頂推,兩次合龍的施工方案有以下工程特點。

1)大臨結構施工精度要求高。采用鋼桁梁不帶加勁弦頂推技術,為減小鋼桁梁的懸臂長度而降低安裝應力,在每一主跨等間距設置兩個臨時墩,共計10個臨時墩;為滿足鋼桁梁架設在頂推滑移過程中的要求[14],在ZQ2～ZQ8主墩兩側設置墩旁托架;為構成鋼梁拼裝系統(tǒng),在ZQ2與ZQ8主墩兩側設置拼裝支架等;該工程涉及大量大臨結構,安裝時包含大量預埋件施工,預埋件的施工質量將直接影響臨時結構的受力情況,因此大臨結構施工精度是保障鋼梁頂推期間施工安全的重要條件。

2)此次頂推采用的“常規(guī)步履機+滑塊”工法在國內大型鋼桁梁頂推施工中首次應用。步履機是集成式三向頂,縱橫向位置調整方便,利于鋼梁頂推精度控制,操作方便,可實現(xiàn)千斤頂兩個豎向行程落梁,無需大量墊梁。同時常規(guī)步履機施工工藝在小型鋼桁梁上使用過,而在大型鋼桁梁頂推施工中并無先例。

3)鋼桁主梁及加勁弦合龍難度大。對于主梁合龍,鋼梁頂推到達合龍口前,需提前3～4個節(jié)段進行合龍口兩端鋼梁姿態(tài)的監(jiān)控量測,并提前進行鋼梁平面位置、高程等的調整。主梁合龍對位時,采用步履機三向頂推裝置進行鋼梁縱橫移及頂落梁,將合龍兩端鋼梁調整至成橋狀態(tài)。對于加勁弦合龍,則需在上加勁弦每個節(jié)段安裝完成后進行密切的監(jiān)控量測,為合龍段的制作與安裝提供依據(jù)。利用步履機豎向千斤頂頂落梁調節(jié)合龍口開口值,并對加勁弦全弦合龍進行有限元模擬。

3 不帶加勁弦多點頂推關鍵技術

3.1 大臨結構

1)拼裝支架 用于勁性鋼桁梁的拼裝,拼裝支架采用鋼管樁基礎+橫橋向分配梁+縱橋向分配梁,鋼管樁之間設置樁間連接系,如圖5所示?；A采用φ800×10鋼管樁;樁間連接系規(guī)格為φ377×6鋼管;橫橋向分配梁采用雙拼HM588,縱橋向主梁采用HN900,根據(jù)桁片中心線及下層橋面板設置,為方便現(xiàn)場高強螺栓施擰,在鋼管樁樁頭部位設置2.5m寬操作平臺。操作平臺由鋼管樁牛腿+縱橋向貝雷梁+橋面系組成。在樁頂兩側焊接牛腿作為反力支座,鋼管樁兩側設置縱橋向貝雷梁,貝雷梁之間采用標準支撐架連接。貝雷梁頂部安裝I20a橫梁,間距250mm。橫梁頂鋪設8mm厚花紋鋼板,并設置1.2m高防護欄桿。

圖5 拼裝支架截面

2)墩旁托架 為布置頂推裝置,墩旁托架結構形式為鋼管樁+橫橋向分配梁+縱橋向滑道梁,鋼管樁之間設置橫向連接系,縱橋向鋼管樁通過鋼管與墩身附著。每個墩旁托架均設置4根鋼管樁,樁底通過預埋件與承臺連接。樁間連接系及墩身附著采用φ273～φ529鋼管,墩身附著預埋件采用預埋爬錐結構。ZQ2墩旁托架小里程側鋼管樁為豎直樁,大里程側鋼管樁為斜樁,斜樁在樁頭部位通過預應力筋與墩身對拉,其余主墩墩旁托架大、小里程側鋼管樁均為直樁。

3)臨時墩 為減少鋼梁頂推跨度,在ZQ2～ZQ5號墩之間依次設置臨時墩LD1～LD5,共計10個。單個臨時墩結構形式為鉆孔樁+鋼管樁+橫橋向分配梁+縱橋向滑道梁,鋼管樁之間設置樁間連接系,如圖6所示。每個臨時墩設置4根鉆孔樁,樁底設置預埋件與鉆孔樁連接,在鉆孔樁二次干封混凝土前,將鋼管樁與預埋件先焊接或整體下放,再澆筑干封混凝土。鋼管樁之間設置連接系,連接系采用φ630×10鋼管。橫橋向分配梁采用帶加勁肋箱形梁,箱梁內側及兩側均設置加勁板,并在其頂設置縱橋向滑道梁作為超墊及滑塊平臺。

圖6 臨時墩布置

4)導梁系統(tǒng) 為減小頂推過程中鋼梁懸臂的長度與撓度,在鋼梁前端設置鋼導梁。鋼導梁主桁采用與主梁一致的華倫形桁架,兩片主桁間設置連接系。鋼導梁共計4.5個節(jié)間,標準節(jié)間10m,總長47.24m,約為最大頂推跨度的0.6倍[15]。導梁兩片主桁間距與主梁兩片主桁間距一致,為36.8m。主桁高度為12m,前端部分主桁高度為7.5m。鋼導梁上、下弦桿及豎桿均為箱形截面,斜桿采用箱形截面與H形截面;連接系除水平直桿采用箱形截面外,其余桿件均采用H形截面。構件間采用栓焊連接。鋼梁頂推中導梁不設鼻梁,為使鋼導梁能順利上墩,采用縮短上弦桿的方法設置預拱度。鋼導梁結構布置如圖7所示。

圖7 鋼導梁結構

3.2 常規(guī)步履機+滑塊頂推技術

常規(guī)步履機+滑塊頂推工藝原理是在墩旁托架和臨時墩頂面安裝滑道梁,步履機固定于滑道梁兩端,在步履機頂設置墊梁;在滑道梁頂設置滑塊等滑移設備,將鋼桁架節(jié)點支撐于滑道滑塊上。步履機頂升頂豎向起頂鋼桁梁下弦桿,加載至設定頂升力;步履機頂推頂縱向起頂克服鋼梁滑塊與滑道梁及步履機自身之間的摩擦力,由于步履機與鋼梁之間的最大摩阻力大于滑塊與滑道及滑道梁與步履機自身之間的摩擦力,故頂推鋼桁梁前移;步履機糾偏頂橫向起頂對鋼梁進行頂推過程中的橫向糾偏。滬杭甬高速新彭埠大橋杭州北岸側共布置了32套步履機,每套步履機由1臺15 000kN豎向頂(頂升頂)、1臺1 500kN縱向水平頂(頂推頂)及2臺1 500kN橫向水平頂(糾偏頂)組成,步履機結構如圖8所示。

圖8 步履機結構

單次頂推流程為:15 000kN步履機將鋼梁起頂,在鋼梁節(jié)點下放置滑塊,退出拼裝墊塊;步履機同步泄壓,活塞回縮至梁底脫空;鋼梁自重全部由滑塊承受,檢查各滑塊頂有無脫空情況;將步履機豎向頂同步起頂至3 000kN,為保證千斤頂不超頂,設置溢流閥、壓力傳感器、位移傳感器控制千斤頂頂力;縱向水平頂施加水平力,利用步履機與鋼梁底部的摩擦力將鋼梁向前頂推,縱向水平頂頂推行程為0.6m;主梁向前頂推一個行程后,先回頂15 000kN 豎向千斤頂,再回頂1 500kN縱向水平頂至初始位置,此時豎向千斤頂所受壓力為0,由滑塊承受鋼梁全部質量,重復上一步驟,主梁向前再頂推一個行程(0.6m);頂推10m后,鋼梁步履機豎向起頂鋼梁,使滑塊全部脫空,將滑塊回移10m;重復以上步驟進行下一次頂推。

3.3 頂推過程中的糾偏及限位

頂推過程中既要考慮主梁的桿件和結構受力,又要考慮步履機豎向千斤頂、縱向水平連續(xù)千斤頂?shù)氖芰Φ葐栴},鋼梁軸線的橫向偏移對主梁的豎向起頂、水平連續(xù)頂頂推受力及頂推到位后的支座安裝影響較大[16]。頂推施工中需及時進行鋼梁橫向偏位調整,主要通過兩臺1 500kN橫向水平千斤頂進行橫向偏移動態(tài)調整。必要時在滑道梁頂面兩側焊接C形限位作為導向限位裝置對鋼梁進行約束,減小鋼梁頂推過程中的橫向偏移。C形限位裝置如圖9所示。

圖9 C形限位裝置

3.4 多點同步頂推控制技術

為確保頂推施工時鋼桁梁結構安全和頂推過程的同步性,該橋主桁頂推采用同步精度為±2.0mm 的PLC液壓同步控制系統(tǒng)(見圖10)。該系統(tǒng)主要包括:總控站、總線通信和墩頂分控液壓泵站。頂推施工時同一里程號的上、下游兩主墩(臨時墩)配置1臺分控制液壓泵站,每4臺步履機配置1臺分控制液壓泵站,共8臺分控柜,另外再配置1臺總控站。現(xiàn)場控制器定時采集泵站及各步履機的傳感器信號,并傳送至總控站,再根據(jù)總控站的命令,分別控制各泵站的液電元件。主控站對比同一泵源的兩臺橫向水平千斤頂位移平均值,計算出各路泵源的實際流量差異,通過機電液集成控制及變頻調速,實現(xiàn)多點同步頂推。

圖10 同步性頂推控制系統(tǒng)布置

4 鋼梁頂推計算分析

4.1 導梁上墩分析

鋼梁頂推過程中梁端最大位移均出現(xiàn)在導梁上墩前,鋼梁最大懸臂長度80m。以懸臂端最近墩頂滑塊頂面為坐標原點,主墩及臨時墩滑塊頂標高設置在3‰坡度上引起的位移為-240mm,鋼梁與導梁拼裝切角造成的位移為-114mm,導梁及鋼梁在自重作用下的最大撓度為-107mm,導梁設置預拱度為200mm,墩頂抄墊高度為190mm。則在最大懸臂工況下,導梁前端下弦桿底部距滑塊頂面最小相對間距為-71mm,小于滑塊頂面到千斤頂墊梁頂面的距離,故導梁前端可通過步履機豎向頂升到達滑塊上方,實現(xiàn)鋼桁梁安全上墩。

4.2 頂推水平力與支點承載力計算分析

鋼桁梁為兩片主桁架多跨連續(xù)結構,為簡化計算,選取一片鋼桁梁結構進行分析。采用MIDAS Civil軟件進行鋼桁架梁頂推施工計算分析,模型如圖11所示。鋼桁梁上弦桿、下弦桿、腹桿、加勁弦桿、吊桿及導梁的上弦桿、下弦桿、腹桿均采用梁單元模擬。吊桿與加勁弦桿鉸接處釋放梁單元約束;邊界條件模擬中,支座簡化成點,鉸接約束,支座與鋼梁、導梁間采用僅受壓節(jié)點彈性連接。結構所受荷載包含了鋼梁及導梁自重、橫橋向風荷載、臨時墩及主墩對鋼梁結構的支反力、頂推設備對鋼梁的頂推力及支點處的摩阻力。

圖11 鋼桁架梁頂推施工計算模型

頂推裝置布置在每個主墩及臨時墩頂支點處,每個墩2個支點,每個支點由前后兩側各1臺步履機組成,每臺步履機設1臺15 000kN豎向頂,1臺 1 500kN 水平頂。經(jīng)計算,墩頂單個支點最大豎向反力及最大水平推力如表1所示,滑道面的摩擦系數(shù)取0.08,步履機頂?shù)南鹉z塊與鋼梁摩擦系數(shù)取0.4。由表1可知,頂推過程中單套步履機需提供最大頂推力約為800kN,1 500kN縱向水平千斤頂滿足要求。步履機豎向頂施加3 000kN豎向力(鋼梁下弦桿最大可承受3 900kN豎向力),則步履機與鋼梁之間摩阻力為:3 000kN×0.4=1 200kN>800kN,故滿足頂推前移的要求。臨時墩及主墩單個支點最大反力均不超過20 000kN,滿足要求。說明步履機千斤頂配置合理。

表1 鋼梁頂推設備及單支點最大豎向力、水平推力

4.3 抗傾覆穩(wěn)定性分析

鋼梁頂推過程中,有兩種最不利工況,計算簡圖如圖12所示。

圖12 傾覆計算簡圖(單位:m)

1)工況1 拼裝平臺鋼桁梁頂推前移脫離墩ZQ2前,且臨時主墩LD1滑塊滑移到最前端,可能發(fā)生向前傾覆。此時拼裝平臺上鋼桁架梁段為55m,鋼桁梁懸臂段為5m,每延米重39.60kN,鋼導梁重心距鋼桁梁最前端21.6m,自重G1為3 860kN?？箖A覆系數(shù)K=抗傾覆力矩/傾覆力矩=(39.6×55×25)/(39.6×5×2.5+386×26.6)=5.05>1.3,滿足抗傾覆要求。

2)工況2 拼裝平臺鋼桁梁頂推前移脫離主墩ZQ2后,可能發(fā)生向后傾覆。此時拼裝平臺上鋼桁架梁段為45m,鋼桁梁懸臂為45m?？箖A覆系數(shù)K=抗傾覆力矩/傾覆力矩=(386×66.6+39.6×45×22.5)/(39.6×45×22.5)=1.64>1.3,滿足抗傾覆要求。

4.4 主梁及加勁弦合龍分析

針對主梁及加勁弦施工合龍方案,通過有限元計算確定采用落梁法(部分主墩及臨時墩頂落梁的方法)來調整合龍口位置至設計標高。對于鋼桁主梁,在不采取任何措施的情況下,合龍口下?lián)狭考s為20mm。通過對主墩ZQ4及臨時墩LD4進行相應回落操作,回落量分別為25,50mm,在支座完成回落后,合龍口下?lián)狭績H為1mm,證明該回落方法滿足合龍拼接需要。對于加勁弦,每個“傘狀”設兩個合龍段,如圖13所示。為將合龍兩端加勁弦調整至合適的角度、距離及高程,根據(jù)計算分析,同樣采用支點處頂落梁的方法調整合龍。但由于合龍受施工和環(huán)境溫度的影響,具體頂落梁數(shù)值需根據(jù)監(jiān)控實際情況進行頂落調整鋼梁線形,以達到合龍需要。

圖13 加勁弦合龍示意

5 結語

滬杭甬彭埠大橋通過對橋型結構特點、現(xiàn)場施工條件、通航要求、施工進度及經(jīng)濟合理性進行綜合分析,最終采用不帶加勁弦、兩次合龍的頂推施工方案。通過對大臨結構的合理布置、頂推工藝和先進頂推設備的合理選擇、頂推過程的精確模擬分析及合龍方案的有效實施,確保了施工的順利進行。該橋于2020年6月1日開始鋼桁梁頂推施工,2021年1月10日完成鋼桁梁頂推就位。頂推技術在該橋成功應用表明,該施工技術安全可靠、施工便捷、經(jīng)濟合理,可為類似大跨度橋梁建設提供借鑒。