多跨簡支拱型鋼桁梁橋拖拉施工技術(shù)

蘇 磊

（1.鐵正檢測科技有限公司，山東濟(jì)南 250014；2.中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250014）

隨著高速鐵路“十三五”發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目的有力推進(jìn)，新建鐵路橋梁跨越山川河谷、城市道路及既有橋涵的現(xiàn)象大量涌現(xiàn)。為避免或最大限度降低施工對(duì)河流或既有線路的影響，該類型橋梁施工多采用拖拉架設(shè)、轉(zhuǎn)體施工、浮托頂推、架橋機(jī)架設(shè)等方法［1-4］。其中，拖拉架設(shè)法具有施工平穩(wěn)、工作效率高、質(zhì)量易于保證、作業(yè)安全可靠、對(duì)環(huán)境污染小等特點(diǎn)，往往成為跨越河流、深谷地帶橋梁架設(shè)的首選施工方法。既有拖拉架設(shè)研究對(duì)象多為單跨橋梁，針對(duì)多跨簡支鋼桁梁的拖拉架設(shè)施工研究較少。本文以京張鐵路官廳水庫特大橋主橋架設(shè)施工為例，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工程環(huán)境，采用多跨長聯(lián)頂推拖拉施工技術(shù)，展開多跨簡支拱型鋼桁梁橋拖拉技術(shù)的應(yīng)用研究。

1 工程概況

新建京張鐵路為京津冀城際鐵路網(wǎng)的重要組成部分，京張鐵路官廳水庫特大橋全長9.07 km，跨越官廳水庫，與京藏高速公路官廳水庫大橋并行。

官廳水庫特大橋主橋?yàn)楹喼Ч靶弯撹炝簶?，橋面系采用正交異性鋼橋面板，道砟橋面，其孔跨布置?8×110 m［5］，對(duì)應(yīng)墩號(hào)為 227#—235#，各墩墩身高度介于19.456～20.074 m，橋跨布置如圖1所示。其中，227#邊墩和235#邊墩墩身截面尺寸為4 m×4 m，墩頂水平力容許值為1 240 kN；228#—234#主墩墩身截面尺寸為5 m×4 m，墩頂水平力容許值為1 700 kN。

圖1 橋跨布置（單位：m）

單跨簡支鋼桁梁梁長109.7 m，采用上弦變高度桁架，分為10 個(gè)節(jié)間，節(jié)間長度10.8 m，單孔計(jì)算跨度108 m，主桁最大梁高為19.0 m，桁寬為13.8 m。主桁弦桿均采用箱形截面，上、下弦桿節(jié)點(diǎn)為整體式節(jié)點(diǎn)，桿件之間采用高強(qiáng)度螺栓連接?？紤]臨時(shí)桿件、高強(qiáng)度螺栓等質(zhì)量，單孔鋼桁梁質(zhì)量約為1 865 t。

官廳水庫水面寬約800 m，南岸（北京側(cè)）226#—220#墩之間施工場地狹小，且位于水中，地形較為復(fù)雜，為保護(hù)水源及施工方便，不設(shè)置拼裝平臺(tái)。北岸（張家口側(cè)）236#—246#墩之間地勢較為平坦，場地開闊，搭設(shè)拼裝平臺(tái)拼裝鋼桁梁和導(dǎo)梁，由北向南單向頂推拖拉8孔鋼桁梁，拼裝施工在張家口側(cè)進(jìn)行。

2 總體技術(shù)方案與施工設(shè)施

2.1 總體技術(shù)方案

拖拉架設(shè)法即將待架鋼桁梁在平臺(tái)上進(jìn)行預(yù)拼裝，同時(shí)在鋼梁下設(shè)置上滑道，在墩臺(tái)頂面鋪設(shè)下滑道，利用拖拉牽引裝備將預(yù)拼鋼桁梁沿橋梁軸線縱向拖拉至設(shè)計(jì)橋位。該架設(shè)方法需要的主要設(shè)備為拼梁吊機(jī)和拖拉設(shè)備，同時(shí)需要加工制造導(dǎo)梁以輔助鋼桁梁拖拉過孔上墩，以便減小拖拉過程中鋼桁梁前端懸臂撓度。為進(jìn)一步減小拖拉過程中鋼梁的懸臂長度，有時(shí)可在橋孔中部設(shè)置輔助支墩以增加下滑道數(shù)量。

鑒于官廳水庫特大橋跨越官廳水庫，而官廳水庫為水源保護(hù)地，故將不在水庫內(nèi)搭設(shè)臨時(shí)支架、避免水源污染確定為拖拉施工方案的首要原則。結(jié)合鋼梁特點(diǎn)、水文地質(zhì)、工期要求等，確定采用“岸邊節(jié)段預(yù)拼、邊拼邊拖、單向拖拉、持續(xù)推進(jìn)”的單向拖拉法架設(shè)。

首先在張家口側(cè)主橋外側(cè)拼裝場地完成單孔鋼桁梁和導(dǎo)梁拼裝作業(yè)，然后向北京側(cè)將第1 孔鋼桁梁頂推拖拉到設(shè)計(jì)位置，緊接著順序拼裝后續(xù)各孔鋼桁梁并進(jìn)行拖拉架設(shè)，循環(huán)作業(yè)直至8 孔鋼桁梁拖拉至設(shè)計(jì)位置，隨后進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換和落梁，最終完成主橋拖拉施工。整個(gè)大橋的頂推拖拉施工順序按照“1+1+1+2+2+1”的模式進(jìn)行，圖2為拖拉架設(shè)施工時(shí)的作業(yè)示意。

圖2 拖拉架設(shè)法作業(yè)示意（單位：m）

2.2 施工設(shè)施

2.2.1 預(yù)拼平臺(tái)

預(yù)拼平臺(tái)的主要功能為鋼梁節(jié)段預(yù)拼及拖拉滑移。為滿足拖拉架設(shè)需求，在張家口一側(cè)設(shè)置預(yù)拼平臺(tái)，基于官廳水庫兩岸地質(zhì)情況，預(yù)拼平臺(tái)布置在236#—245#墩之間，作業(yè)空間可滿足2 孔鋼梁預(yù)拼要求，以提高施工效率。預(yù)拼作業(yè)時(shí)的鋼梁節(jié)段拼組與吊裝均利用80 t門吊配合進(jìn)行。預(yù)拼平臺(tái)范圍內(nèi)的支架根據(jù)功能不同，分為拼裝支架和滑移支架2 種。其中，拼裝支架采用?820 mm×8 mm鋼管立柱，采用擴(kuò)大基礎(chǔ)；滑移支架采用?1 350 mm×16 mm 鋼管立柱，采用鉆孔樁基礎(chǔ)。

2.2.2 導(dǎo)梁

鋼梁在拖拉前行的過程中，由于懸臂節(jié)段自重的原因?qū)a(chǎn)生一定的下?lián)?，并將在懸臂端根部產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)力，下?lián)霞敖Y(jié)構(gòu)內(nèi)力隨著懸臂長度的增加而逐漸加大。為輔助鋼梁懸臂端上墩及減小懸臂端根部結(jié)構(gòu)內(nèi)力，需要在鋼梁前方設(shè)置導(dǎo)梁。

導(dǎo)梁采用變截面桁架結(jié)構(gòu)，以避免桁架自重過大的不利影響。導(dǎo)梁總長57.2 m，共分為5個(gè)節(jié)間，導(dǎo)梁節(jié)間長度與主梁節(jié)間長度相同，導(dǎo)梁前端3 個(gè)節(jié)間桁高7.0 m，尾部2 個(gè)節(jié)間桁高11.0 m，利用螺栓固結(jié)于主梁上弦節(jié)點(diǎn)上。為確保導(dǎo)梁剛度和橫向穩(wěn)定性，導(dǎo)梁上、下平面增設(shè)平面聯(lián)結(jié)系。

2.2.3 滑道裝置

拖拉架設(shè)過程中的拖拉荷載主要為鋼桁梁與支撐位置產(chǎn)生的摩擦阻力，降低摩擦阻力是保障拖拉架設(shè)作業(yè)安全實(shí)施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為降低拖拉架設(shè)過程中的阻力，鋼桁梁下方設(shè)置滑道裝置，滑道裝置由滑道梁和滑塊組成，如圖3所示?；懒翰捎肏 形截面水平放置，上、下翼板直接利用多道肋板連接以增加其剛度，上翼板兼做滑移面?；瑝K為鋼板焊接而成的鋼墩，為避免鋼桁梁滑移過程中橫向偏移，滑塊底部兩側(cè)設(shè)置橫向限位裝置，滑道梁上翼板卡嵌于滑塊橫向限位裝置之間。同時(shí)，在滑塊底板與滑道梁上翼板之間鋪設(shè)MGE 滑板，以降低摩擦因數(shù)。此外，MGE 滑板具有較好的彈性和抗沖擊性，可在一定程度上消除滑道梁局部不平順帶來的不利影響［6-7］。

2.2.4 拖拉系統(tǒng)

拖拉施工時(shí)根據(jù)拖拉荷載和橋墩、滑移支架的水平承載力，共設(shè)置5套拖拉系統(tǒng)，具體作業(yè)時(shí)根據(jù)不同施工階段的拖拉荷載需求啟用相應(yīng)的拖拉系統(tǒng)。單套拖拉系統(tǒng)由350 t水平千斤頂、千斤頂反力座、鋼絞線、吊掛件、后錨點(diǎn)組成。其中，每束鋼絞線均為24?15.2鋼絞線，單根長度為230 m。后錨點(diǎn)為扁擔(dān)梁，通過高強(qiáng)度螺栓固定于鋼梁節(jié)點(diǎn)。

圖3 滑道裝置

鑒于拖拉過程中拖拉荷載隨著鋼梁預(yù)拼孔數(shù)的增加而加大，為保證拖拉系統(tǒng)的拖拉能力大于拖拉荷載，拖拉架設(shè)過程中會(huì)根據(jù)需要采取多套拖拉系統(tǒng)同時(shí)作業(yè)，為實(shí)現(xiàn)多套拖拉系統(tǒng)的同步作業(yè)，采用一套可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）同步控制系統(tǒng)，整套系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制。通過主控制臺(tái)可對(duì)每個(gè)點(diǎn)的千斤頂進(jìn)行單獨(dú)或集中控制，在操作臺(tái)上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制多臺(tái)千斤頂同步頂升和落梁。

3 拖拉架設(shè)工藝與程序

3.1 同步拖拉布置

鑒于拖拉鋼梁孔數(shù)和重量，基于橋墩水平承載力的限制，經(jīng)過計(jì)算分析，最終確定采用分節(jié)段多系統(tǒng)同步拖拉的方式進(jìn)行拖拉架設(shè)。張家口側(cè)鋼梁采用“1+1+1+2+2+1”的模式分節(jié)段進(jìn)行鋼桁梁拼組，然后逐節(jié)段向北京側(cè)拖拉架設(shè)。為確保拖拉作業(yè)過程中橋墩的結(jié)構(gòu)安全，根據(jù)不同位置橋墩水平承載能力的大小，最終確定拖拉架設(shè)初期采用1套拖拉系統(tǒng)，拖拉中后期視需要采取多套拖拉系統(tǒng)，拖拉架設(shè)時(shí)拖拉系統(tǒng)的具體配置見表1。

表1 分節(jié)段多系統(tǒng)同步拖拉配置

3.2 施工工藝與程序

拖拉架設(shè)的主要作業(yè)程序涉及預(yù)拼場地處理、導(dǎo)梁拼裝、鋼橋節(jié)段拼裝與分段拖拉、落梁作業(yè)。由前面分析可知，張家口側(cè)拼組場地需要滿足導(dǎo)梁和2 孔鋼梁的拼組作業(yè)要求，并利用80 t 的跨線龍門吊輔助鋼桁梁的拼裝作業(yè)。鋼梁架設(shè)采用“邊拼邊拖”的方式進(jìn)行，具體架設(shè)施工工藝和作業(yè)程序如圖4所示。

圖4 施工工藝流程

4 拖拉施工質(zhì)量控制措施

拖拉施工作業(yè)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，需實(shí)時(shí)了解并調(diào)節(jié)鋼桁梁架設(shè)過程中的狀態(tài)，以確保鋼桁梁拖拉就位滿足設(shè)計(jì)要求［8］。為此，提出了下述3 項(xiàng)技術(shù)來保障鋼桁梁的施工符合設(shè)計(jì)要求。

4.1 橋梁軸線控制技術(shù)

為保證鋼桁梁拖拉就位后的軸線滿足要求，采用橋梁中軸線實(shí)時(shí)監(jiān)控及橫向偏移糾偏技術(shù)來進(jìn)行橋梁形位控制。即在拖拉施工前在各鋼梁節(jié)段布置好監(jiān)控點(diǎn)，拖拉施工過程中通過監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測鋼桁梁中軸線狀態(tài)。當(dāng)中軸線出現(xiàn)偏移時(shí)，分析偏移原因并進(jìn)行針對(duì)性糾偏，如采用橫橋向單側(cè)拖拉、橫向偏移滑座頂推、導(dǎo)向限位裝置調(diào)整等技術(shù)措施。

4.2 橋梁就位時(shí)的縱向里程控制技術(shù)

鋼結(jié)構(gòu)施工過程中，溫度的變化對(duì)結(jié)構(gòu)變形影響明顯，特別是對(duì)于結(jié)構(gòu)桿件相對(duì)離散的桁架體系，不同位置的桿件溫度差異較為明顯。此外，該橋?yàn)?×110 m 簡支拱型鋼桁梁橋，由于拖拉施工的需要，架設(shè)施工時(shí)須將簡支體系臨時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)梁體系。由于該橋涉及施工過程中的體系轉(zhuǎn)換問題，進(jìn)一步加大了溫度效應(yīng)的影響。因此，須在對(duì)不同工況下的鋼桁梁進(jìn)行溫度效應(yīng)分析的前提下，明確鋼梁就位時(shí)的環(huán)境溫度和橋梁總長，確定鋼桁梁支座中心里程并做出標(biāo)記。通過試驗(yàn)明確鋼桁梁拖拉施工時(shí)，低檔位啟停時(shí)的滑動(dòng)距離；同時(shí)在鋼桁梁就位時(shí)的滑塊前端設(shè)置限位裝置，通過多種技術(shù)手段來保障橋梁就位時(shí)的縱向里程符合設(shè)計(jì)要求。

4.3 落梁安全防護(hù)技術(shù)

整橋拖拉就位后，須將橋梁下落至墩頂支座上。由于拖拉時(shí)整橋?yàn)檫B續(xù)梁體系，為避免下落過程中各梁跨不同步造成結(jié)構(gòu)桿件損傷，首先需要將連續(xù)梁體系恢復(fù)為簡支梁體系，即先拆解各梁跨間的臨時(shí)桿件，然后再將各梁跨單獨(dú)下落就位。具體實(shí)施時(shí)通過“臨時(shí)連接桿件零軸力拆解”和“梁跨同步下落”的技術(shù)手段予以保證鋼桁梁的結(jié)構(gòu)安全。即通過仿真分析分別明確梁跨間臨時(shí)桿件拆除時(shí)梁跨理想支承狀態(tài)及容許誤差，梁跨簡支狀態(tài)下各支點(diǎn)落梁千斤頂豎向誤差范圍，給出落梁作業(yè)要求并嚴(yán)格執(zhí)行，同時(shí)在作業(yè)時(shí)通過結(jié)構(gòu)措施做好安全防護(hù)。

5 結(jié)論

根據(jù)官廳水庫特大橋8×110 m簡支拱型鋼桁梁橋工程特點(diǎn)，提出了單向拖拉架設(shè)的施工方法，分析了施工工藝和程序，并明確了拖拉施工作業(yè)時(shí)的質(zhì)量控制措施。該施工方法安全可靠、經(jīng)濟(jì)環(huán)保，對(duì)環(huán)境影響降到了最小程度，可為類似工程提供參考。