平潭海峽公鐵兩用大橋大小練島水道橋主墩墩旁托架設(shè)計(jì)

頓 琳 沈大才

(1.中鐵大橋局集團(tuán)有限公司 武漢 430000； 2.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430000)

1 項(xiàng)目概況

平潭海峽公鐵兩用大橋FPZQ-3標(biāo)段全長(zhǎng)11 149.7 m，由3座航道橋(元洪航道橋、鼓嶼門水道橋和大小練島水道橋，均為雙塔鋼桁混合梁斜拉橋)、119孔(46孔跨度為40.7 m、73孔跨度為49.2 m)非通航孔橋(均為混凝土梁橋)和34孔(26孔跨度為80 m、8孔跨度為88 m)引橋(均為簡(jiǎn)支鋼桁結(jié)合梁橋)組成。大橋采用雙層橋面布置，上層橋面布置6車道公路、下層通行雙線鐵路[1]。

大小練島水道橋?yàn)?0 m+140 m+336 m+140 m+80 m雙塔鋼桁混合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)，全長(zhǎng)776 m，橋跨布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 大小練島水道橋橋跨布置圖(單位：m)

本橋邊跨無(wú)索區(qū)公路橋面板為預(yù)制混凝土橋面板，輔助墩頂鐵路橋面系為正交異性鋼箱，其余公路橋面和鐵路橋面均為正交異性鋼橋面板[2]。

斜拉橋主梁為帶斜副桁的板桁結(jié)合鋼桁梁結(jié)構(gòu)，主桁架中心間距15.0 m，桁高13.5 m，鋼梁全寬36.8 m，節(jié)間長(zhǎng)度為14.0 m及12.0 m 2種。

2 總體施工步驟

全橋鋼梁架設(shè)步驟為首先采用36 000 kN浮吊吊裝邊跨E0～E6節(jié)間大節(jié)段鋼梁(質(zhì)量2 730 t)，再吊裝輔助跨E7～E13節(jié)間大節(jié)段鋼梁(質(zhì)量3 123 t)，然后浮吊主跨側(cè)站位依次吊裝主塔墩頂E14～E15、E16～E17、E18～E19節(jié)間鋼梁至主跨側(cè)墩旁托架滑道梁頂面，每吊裝完成1個(gè)節(jié)段后往邊跨滑移至設(shè)計(jì)位置，最后整體吊裝架梁吊機(jī)至主跨側(cè)鋼梁頂面[3]。

3 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)全橋鋼桁梁架設(shè)步驟，主墩墩旁托架主要用于輔助安裝墩頂6節(jié)間及輔助跨7節(jié)間鋼梁，還需滿足鋼梁在其上部進(jìn)行滑移施工，墩旁托架設(shè)計(jì)為鋼管支架+滑道梁結(jié)構(gòu)。

根據(jù)此施工要求，首先確定支架順橋向長(zhǎng)度不得小于84 m，橫橋向間距與鋼梁桁寬相同，為15 m。由于上部鋼梁結(jié)構(gòu)荷載大，鋼管支架若采用垂直支架系統(tǒng)，鋼管支架底均位于水中，需要采用鉆孔樁基礎(chǔ)，施工十分困難，綜合考慮施工方便及結(jié)構(gòu)的可靠性，將鋼管支架底部支撐于承臺(tái)混凝土頂面，若僅考慮支架縱橋向傾斜，則鋼管支架底部支撐于承臺(tái)系梁上，且縱橋向傾斜角度過(guò)大，考慮以上因素后，將鋼管支架設(shè)計(jì)為雙向傾斜的空間結(jié)構(gòu)，底部支撐于啞鈴形承臺(tái)圓端上。與常規(guī)支架方案中1個(gè)節(jié)點(diǎn)下方設(shè)置1根鋼管立柱不同，本橋因承臺(tái)頂空間受限及考慮材料用料，支架采用縱橋向4根鋼管立柱，部分節(jié)點(diǎn)支撐于滑道梁上。結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖2。

圖2 墩旁托架布置圖(單位：m)

4 設(shè)計(jì)重難點(diǎn)

1) 本橋邊跨6.5節(jié)間大節(jié)段鋼梁、輔助跨7節(jié)間大節(jié)段鋼梁、主塔墩頂6節(jié)間鋼梁均采用浮吊整節(jié)段架設(shè)。由于海洋環(huán)境的風(fēng)、浪影響，浮吊起吊鋼梁后需落梁于墩頂或墩旁托架上，落梁過(guò)程中鋼梁對(duì)支架或墩頂均有不同程度的水平和豎向沖擊作用，沖擊系數(shù)的大小關(guān)系著鋼梁、墩身結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)還影響墩旁托架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，取值太大會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)于保守，經(jīng)濟(jì)性差，取值偏小會(huì)導(dǎo)致安全事故發(fā)生。常規(guī)方案鋼梁落梁區(qū)一般采用硬度稍小的枕木等抄墊，落梁后再拆除部分抄墊塊，安裝千斤頂調(diào)整鋼梁位置，對(duì)于鋼桁梁結(jié)構(gòu)一般為節(jié)點(diǎn)受力。常規(guī)的落梁方式受力不明確，加上沖擊作用，還可能造成局部變形，風(fēng)險(xiǎn)大。使用緩沖材料可以起到一定的緩沖減震作用，但需驗(yàn)證其緩沖效果，明確材料的設(shè)計(jì)沖擊系數(shù)。

2) 在墩旁托架使用過(guò)程中，鋼梁和架梁吊機(jī)自重荷載會(huì)對(duì)支架產(chǎn)生較大的水平力，在臺(tái)風(fēng)荷載同時(shí)作用下，托架會(huì)產(chǎn)生較大的水平扭矩。

3) 墩旁托架傳統(tǒng)施工方法大多采用現(xiàn)場(chǎng)散拼，因本橋?yàn)楹Ｉ鲜┕?，若采用散拼，需建立拼裝平臺(tái)以滿足拼裝場(chǎng)地的要求，鋼結(jié)構(gòu)投入較大，經(jīng)濟(jì)性較差。且托架為雙向傾斜結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)拼裝精度控制難度較大。

5 鋼桁梁落梁沖擊試驗(yàn)

為了確定浮吊吊裝鋼梁落梁時(shí)的沖擊系數(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)沖擊構(gòu)件選用直徑4.4 m的鋼護(hù)筒，桶內(nèi)灌入4.8 m高的砂，整個(gè)試驗(yàn)裝置重約1 500 kN。鋼護(hù)筒下端設(shè)置有1塊鋼墊，為模擬落梁墊塊，墊塊底面設(shè)置橡膠墊作為緩沖裝置[4-5]。試驗(yàn)平臺(tái)由混凝土反力槽、豎向和橫向沖擊力傳感器和落梁鋼平臺(tái)組成。鋼平臺(tái)底座底面豎向栓接9個(gè)1 000 kN(總量程9 000 kN)測(cè)試豎向沖擊力傳感器，4個(gè)側(cè)面中心各栓接1個(gè)量程為500 kN沖擊力傳感器。實(shí)驗(yàn)用見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 試驗(yàn)用鋼護(hù)筒結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)

圖4 試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)

試驗(yàn)采用“雪浪”號(hào)4 000 kN浮吊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)吊裝，模擬落梁過(guò)程。浮吊試驗(yàn)時(shí)測(cè)得現(xiàn)場(chǎng)最大波高為0.42 m，最大瞬時(shí)風(fēng)速10.6 m/s，由于海況較好，為模擬實(shí)際情況，對(duì)浮吊大臂進(jìn)行擺臂后再將吊鉤以不同速度下放(風(fēng)浪較大時(shí)，浮吊搖擺較為明顯，此處以大臂擺動(dòng)來(lái)模擬)測(cè)試其水平、豎向沖擊系數(shù)。吊鉤下放速度分為3檔，低檔(速度1.5 cm/s)、中檔(速度3.0 cm/s)、高檔(5.0 cm/s)。綜合鋼梁吊裝采用36 000 kN海鷗號(hào)作業(yè)條件及前期吊裝圍堰等數(shù)據(jù)，吊裝時(shí)重物擺幅不超過(guò)1 m。鋼護(hù)筒擺幅達(dá)到1.0 m后再以不同檔位下放沖擊。經(jīng)整理，下放速度為高檔時(shí)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 鋼沖擊試驗(yàn)結(jié)果

由表1可見(jiàn)，根據(jù)36 000 kN浮吊參數(shù)，主鉤滿載速度0.15～1.5 m/min，輕載速度(小于40%額定載荷)0.15～3 m/min，即將落梁到位時(shí)，浮吊下放速度較慢，沖擊系數(shù)相當(dāng)于中檔或低檔時(shí)的試驗(yàn)值。試驗(yàn)時(shí)當(dāng)重物擺幅達(dá)到1 m時(shí)，浮吊吊鉤以高檔速度(3 m/min)下放時(shí)，鋼對(duì)鋼的豎向沖擊系數(shù)為0.318，墊塊下方增加橡膠墊后的豎向沖擊系數(shù)為0.206。后期施工中采用8 cm厚的普通橡膠墊后，豎向沖擊系數(shù)可以控制在0.2以內(nèi)，橫向沖擊系數(shù)建議不大于0.1。

6 深化設(shè)計(jì)

鋼管支架頂層聯(lián)結(jié)系設(shè)置一層扶臂，為滿足海洋環(huán)境防腐要求及方便施工后期的托架拆除，扶臂及鋼管支架底部預(yù)埋件均采用爬錐預(yù)埋件。兩側(cè)墩旁托架在中橫梁處斷開，通過(guò)底部預(yù)埋件及頂層扶臂與承臺(tái)和塔柱連接。根據(jù)綠色環(huán)保的施工理念，鋼管支架材料均倒用原鉆孔平臺(tái)。

上部滑道梁為焊接鋼箱梁，鋼梁采用浮吊吊裝，考慮鋼梁縱橫橋向偏差均為1 m，滑道梁上邊跨及主跨側(cè)落梁區(qū)域處新制一段4.57 m×4.8 m的落梁及滑移平臺(tái)，其余各處滑道梁材料倒用原鉆孔平臺(tái)。

考慮海上施工便利性，墩旁托架鋼管支架邊跨側(cè)及主跨側(cè)兩部分在工廠制造，制造完成后利用浮吊整體安裝。

6.1 設(shè)計(jì)荷載

墩旁托架使用過(guò)程中，上部豎向荷載包含1/2輔助跨E7～E13節(jié)間大節(jié)段鋼梁自重及主塔墩頂E14～E15,E16～E17,E18～E19節(jié)間鋼梁自重。各節(jié)段鋼梁重量見(jiàn)表2。

表3 鋼梁節(jié)段統(tǒng)計(jì)表

主墩墩頂鋼梁節(jié)段安裝到位后，架梁吊機(jī)整體吊裝至主跨側(cè)鋼梁頂面，架梁吊機(jī)自重4 000 kN。

浮吊吊裝鋼梁落梁時(shí)縱橫向偏差按不大于1.0 m考慮，同時(shí)考慮落梁時(shí)對(duì)墩旁托架的沖擊力。該沖擊力分為豎向沖擊荷載與水平?jīng)_擊荷載，沖擊系數(shù)按鋼桁梁落梁沖擊試驗(yàn)確定，其中豎向沖擊系數(shù)按0.2考慮，水平?jīng)_擊荷載按0.1考慮。計(jì)算可得，輔助跨大節(jié)段鋼梁吊裝時(shí)，單個(gè)落梁墊塊處豎向沖擊力約1 540 kN，水平?jīng)_擊力約770 kN。按照同樣方法，可分別計(jì)算得出其余托架頂兩節(jié)間鋼梁落梁時(shí)沖擊力。

墩旁托架設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮風(fēng)荷載作用，鋼梁吊裝時(shí)風(fēng)力不大于7級(jí)(設(shè)計(jì)時(shí)按照8級(jí)風(fēng)計(jì)算，風(fēng)速20.7 m/s)；鋼梁縱橫移調(diào)整時(shí),風(fēng)力不大于8級(jí)；鋼梁吊裝至托架頂并縱橫移調(diào)整到設(shè)計(jì)位置后,考慮臺(tái)風(fēng)作用(海平面10 m高度處的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為44.8 m/s,相當(dāng)于14級(jí)臺(tái)風(fēng))。根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》計(jì)算風(fēng)荷載得到8級(jí)風(fēng)工況下鋼管支架風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值約0.353 kPa，鋼梁風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值約0.429 kPa；臺(tái)風(fēng)工況下鋼管支架風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值約1.65 kPa，鋼梁風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值約2.0 kPa。

6.2 最不利工況

對(duì)墩旁托架使用過(guò)程中各個(gè)施工步驟進(jìn)行分析,鋼管支架及滑道梁在輔助跨大節(jié)段鋼梁即將落梁成功瞬間為最不利工況,此時(shí)鋼梁與托架不發(fā)生相對(duì)位移,僅考慮豎向力,豎向力按自重+豎向沖擊力考慮,即1.2倍鋼梁自重, 作用位置考慮平面縱橫向1 m偏位。

6.3 受力分析

采用midas Civil有限元軟件建立鋼管支架及滑道梁整體有限元模型，其中將滑道梁加寬段采用板單元模擬，其他結(jié)構(gòu)均采用梁?jiǎn)卧M，建立施工階段模擬墩旁托架使用過(guò)程中各個(gè)施工步驟。鋼梁自重、風(fēng)荷載按節(jié)點(diǎn)荷載施加于落梁墊塊相對(duì)應(yīng)的滑道梁上，鋼梁沖擊力按面荷載施加于滑道梁落梁及滑移平臺(tái)上，鋼管支架風(fēng)荷載按線荷載加載，架梁吊機(jī)荷載按節(jié)點(diǎn)荷載施加于滑道梁上。計(jì)算模型見(jiàn)圖5。

圖5 墩旁托架計(jì)算模型

經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算，鋼管支架邊跨外側(cè)鋼管立柱需采用直徑×壁厚為2 000 mm×22 mm鋼管，其余鋼管立柱均為直徑1 500 mm×壁厚18 mm鋼管，聯(lián)結(jié)系型號(hào)為直徑1 200 mm×壁厚18 mm，直徑1 000 mm×壁厚12 mm，直徑800 mm×壁厚10 mm，直徑600 mm×壁厚10 mm鋼管。鋼管支架頂層聯(lián)結(jié)系內(nèi)共設(shè)置4束對(duì)拉鋼絞線(2束為1組，單束鋼絞線設(shè)計(jì)預(yù)拉力3 650 kN，施工時(shí)的預(yù)拉力允許偏差在+5%以內(nèi))，以平衡鋼梁和架梁吊機(jī)自重荷載對(duì)鋼管支架產(chǎn)生的水平力及14級(jí)臺(tái)風(fēng)荷載對(duì)托架產(chǎn)生的平面扭矩[1]?；懒轰撓淞翰捎迷@孔平臺(tái)軌道梁進(jìn)行改制，邊跨及主跨側(cè)4.57 m×4.8 m落梁及滑移平臺(tái)新制。鋼管支架均為Q235B鋼材，滑道梁均為Q345B鋼材。

分析計(jì)算最不利工況下，新制的輔助跨側(cè)滑道梁加寬段最大組合應(yīng)力為486 MPa，最大剪應(yīng)力為247 MPa，超出設(shè)計(jì)強(qiáng)度范圍位于滑道梁和墩旁托架頂約束區(qū)域，且范圍較小，考慮為局部應(yīng)力集中。其余部分滑道梁最大組合應(yīng)力189.9 MPa，最大剪應(yīng)力87.6 MPa，鋼管支架最大組合應(yīng)力為177.7 MPa，鋼管立柱及部分連接系桿件為壓桿，進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算后均滿足要求。

通過(guò)對(duì)各個(gè)施工階段進(jìn)行分析計(jì)算，頂層聯(lián)結(jié)系內(nèi)對(duì)拉鋼絞線在鋼梁吊裝完成安裝架梁吊機(jī)后內(nèi)力最大為7 760 kN，鋼絞線安全系數(shù)為2.0，滿足要求。

6.4 細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

墩旁托架為雙向傾斜的空間結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步增加墩旁托架鋼管支架底的抗滑移能力，鋼管支架承臺(tái)頂預(yù)埋件與塔座之間設(shè)置縱向混凝土擋塊，作為鋼管支架縱向抗滑移安全儲(chǔ)備，施工時(shí)現(xiàn)場(chǎng)可在承臺(tái)頂面設(shè)置隔離措施，方便后期拆除。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

圖6 墩旁托架支架底混凝土擋塊布置圖

墩旁托架鋼管支架頂層聯(lián)結(jié)系內(nèi)鋼絞線對(duì)拉時(shí)，一部分對(duì)拉力將傳遞至聯(lián)結(jié)系剪刀撐，導(dǎo)致傳遞至下橫梁處的壓力儲(chǔ)備遠(yuǎn)小于鋼絞線對(duì)拉力(考慮結(jié)構(gòu)安全，除安裝工況外，要求頂層連接系與下橫梁接觸處不得出現(xiàn)拉力)，若進(jìn)一步提高對(duì)拉力，則會(huì)導(dǎo)致頂層聯(lián)結(jié)系應(yīng)力大大增大。為解決上述問(wèn)題，將剪刀撐設(shè)置為帶套筒的特殊結(jié)構(gòu)，鋼絞線張拉完成后再將套筒與聯(lián)結(jié)系鋼管焊接。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。

圖7 墩旁托架頂層聯(lián)結(jié)系剪刀撐套筒結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)

7 結(jié)語(yǔ)

1) 平潭海峽公鐵兩用大橋大小練島水道橋鋼梁采用浮吊吊裝及架梁吊機(jī)懸臂架設(shè)，主塔墩旁托架主要用于輔助安裝主塔墩頂6節(jié)間鋼梁及輔助跨7節(jié)間大節(jié)段鋼梁，并承受斜拉索掛設(shè)前的鋼梁及主跨側(cè)架梁吊機(jī)自重，鋼梁均采用浮吊整節(jié)段架設(shè)。

2) 墩旁托架下部采用雙向傾斜的鋼管支架，上部滑道梁為焊接鋼箱梁?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定了浮吊吊裝鋼梁落梁時(shí)的豎向及橫向沖擊系數(shù)。為平衡鋼梁及架梁吊機(jī)自重荷載對(duì)鋼管支架產(chǎn)生的水平力及14級(jí)臺(tái)風(fēng)荷載對(duì)托架產(chǎn)生的平面扭矩，鋼管支架頂層連接系內(nèi)共設(shè)置4束對(duì)拉鋼絞線。

3) 墩旁托架傳統(tǒng)施工方法大多采用現(xiàn)場(chǎng)散拼，因本橋?yàn)楹Ｉ鲜┕?，?chǎng)地受限，故采用浮吊整體安裝。

2018年12月28日，大小練島水道橋鋼梁已順利合龍，墩旁托架也圓滿地完成了它的使命。此種墩旁托架工廠整體制造，再利用大型浮吊整體安裝的施工技術(shù)可供其它工程參考。