付文宣,江曉陽,彭志輝,劉曉歡,楊蘇海
(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司,湖北 武漢 430040; 2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430040; 3.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司,湖北 武漢 430040)
溫州甌江北口大橋位于溫州市甌江海口,連接甌江兩岸,是甬臺溫高速公路復(fù)線和溫州市南金公路兩大項(xiàng)目跨越甌江的控制性工程。項(xiàng)目全長7.913 km,其主跨甌江主橋2 090 m。主橋采用三塔四跨連續(xù)雙層鋼桁梁懸索橋(見圖1),上層高速公路(雙向六車道,橋面寬33 m),下層一級公路(雙向六車道,橋面寬34.5 m)。其主纜跨度為(230+800+800+348)m=2 178 m,梁跨布置為(215+800+800+275)m=2 090 m[1],三塔均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。塔頂主纜理論交點(diǎn)高程151 m,主纜最低點(diǎn)高程71 m,矢高80 m,矢跨比1/10。
圖1 甌江北口大橋主橋立面布置圖(單位:m)
主橋鋼桁梁為板桁組合式整體加勁梁(見圖2),橋面板參與主桁共同受力。單個加勁梁節(jié)段主要由兩片間距為36.2 m的主桁、一個上層公路橋面板節(jié)段、一個下層公路橋面板節(jié)段,以及吊索牛腿組成。通過專業(yè)制造廠家整節(jié)段制造,在工廠試拼組裝完成后發(fā)運(yùn)到施工現(xiàn)場,再采用栓焊結(jié)合的方式連接成橋。全橋加勁梁劃分為110個吊裝節(jié)段,吊裝總重約8萬t,節(jié)段長分6種類型(8.4、10、18.45、19.35、20、20.2 m),標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段吊裝重量約707 t,邊跨端部梁段最大吊裝重量約796 t。
圖2 主橋加勁梁構(gòu)造圖(單位:cm)
甌江北口大橋加勁梁吊裝施工因質(zhì)量要求、工作條件、環(huán)境等影響因素,其工程難點(diǎn)及特點(diǎn)如下:
a.橋址區(qū)域航運(yùn)繁忙,加勁梁安裝需占用部分主航道,施工工期緊張,且全橋加勁梁吊裝處于臺風(fēng)高發(fā)期,氣溫高、降雨量大,施工風(fēng)險大[2]。
b.三塔四跨懸索橋結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜,中塔采用的A型框架混凝土剛性塔,為國內(nèi)三塔懸索橋結(jié)構(gòu)首次采用,主纜為非線性大變形體系,加載時存在滑移風(fēng)險[3],加勁梁吊裝前需制定合理的施工順序,選擇合適的吊裝位置。
c.加勁梁包含壓重段在內(nèi)最大吊重為813 t,國內(nèi)現(xiàn)有纜載吊機(jī)無法滿足梁段吊裝需求[4],采用的吊重1 000 t 纜載吊機(jī)是世界最大吊重纜載吊機(jī)(見圖3),為國內(nèi)首創(chuàng)設(shè)計(jì)。另外,為了滿足吊裝穩(wěn)定性要求,主跨跨中單節(jié)間梁段與相鄰節(jié)段拼接后起吊,兩個梁段一起吊裝最大吊重為1 050 t。
圖3 1 000 t纜載吊機(jī)構(gòu)造示意圖
d.兩主跨跨中主纜和加勁梁相交300 m范圍內(nèi),主纜高度低于加勁梁(見圖4),梁段提升高度較高,無法采用常規(guī)纜載吊機(jī)一次性吊裝到位。
圖4 主跨跨中纜梁相交段示意圖
e.南、北兩側(cè)過渡墩及邊跨位置為陸上淺灘區(qū),大型船舶及水上起重設(shè)備無法進(jìn)場,運(yùn)梁船不能直接就位[5-6],梁段吊裝需通過滑移支架或運(yùn)梁車多次轉(zhuǎn)運(yùn),工藝繁雜。
f.兩岸灘區(qū)滑移支架為高于地面或水面40多米超高結(jié)構(gòu),施工時起重吊裝頻繁,且與主纜施工存在交叉作業(yè),吊高空間受限,存在安全風(fēng)險。
g.橋址兩岸灘區(qū)地質(zhì)條件為表層30余米的淤泥層地質(zhì),承載力差;梁段尺寸大、自重大,支架的鋼管樁單樁豎向承載力大,樁長較長,鋼管樁施沉與拔除存在較大難度[7];兩岸存在拋石區(qū),需要提前處理,保證鋼管樁施沉質(zhì)量。
h.本項(xiàng)目共分為4個標(biāo)段,其他單位已完成的塔柱沒有提前安裝預(yù)埋件,兩岸灘區(qū)滑移支架和塔區(qū)存梁支架的附墻需要重新植筋,高空植筋質(zhì)量控制難度大。
主橋的橋跨布置及梁段編號從南到北依次分為:南邊跨(NB01~NB13)、南塔(NT03~NT01)、南主跨(NZ01~NZ39)、中塔(ZT03~ZT01)、北主跨(BZ39~BZ01)、北塔(BT03~BT01)、北邊跨(BB10~BB01),總計(jì) 110個吊裝節(jié)段。加勁梁通常采用整體階段提升法架設(shè)[8],結(jié)合本項(xiàng)目大橋所處地理環(huán)境、加勁梁吊裝條件、工期要求、施工安全和經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)等因素,綜合統(tǒng)籌選定4臺1 000 t 纜載吊機(jī)(兩主跨各兩臺)、6臺1 400 t分體式纜載吊機(jī)(兩主跨各兩臺,兩邊跨各一臺)、2輛14軸液壓模塊車(北主跨)等關(guān)鍵施工設(shè)備。另搭設(shè)南岸灘區(qū)滑移支架、南塔存梁支架、中塔存梁支架、北塔區(qū)滑移支架、北塔存梁支架、北岸灘區(qū)滑移支架輔助安裝(見圖5),為后續(xù)加勁梁吊裝提供條件。整個主橋加勁梁吊裝工藝復(fù)雜,根據(jù)加勁梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、安裝位置、所處環(huán)境等因素,加勁梁梁段分區(qū)域采用不同的安裝工藝,如表1所示。
表1 各個部位加勁梁吊裝工藝
圖5 加勁梁吊裝方案及支架位置示意圖
加勁梁吊裝前需做好相應(yīng)的施工準(zhǔn)備:安裝南、北邊塔主索鞍時,根據(jù)監(jiān)控指令往邊跨側(cè)預(yù)偏;搭設(shè)施工各區(qū)域滑移、存梁支架,完善北岸陸上運(yùn)梁道路;安裝索夾及吊索,安裝用于分體式纜載吊機(jī)吊裝的臨時索夾;貓道改吊,懸掛于主纜之上;通過塔頂門架和塔吊相互配合,安裝纜載吊機(jī)并完成荷載試驗(yàn),調(diào)試、取證后行走至對應(yīng)位置。
加勁梁整體吊裝施工工藝流程如圖6所示。
圖6 加勁梁吊裝工藝流程
兩個主跨共計(jì)39×2=78個節(jié)段(包含4個合龍梁段)。通過對主跨加勁梁不對稱加載分析,為保證中塔處主纜鋼絲與鞍座槽間抗滑移安全要求,需嚴(yán)格控制兩個主跨加勁梁吊裝的同步性,兩個主跨梁段按200 t進(jìn)行分級加載,并采取北主跨先加載、南主跨后加載的順序??缰欣|梁相交300 m范圍內(nèi),加勁梁頂面距主纜底面小于3 m,共32個吊裝節(jié)段,無法采用纜載吊機(jī)直接吊裝到位,采用“1 000 t纜載吊機(jī)+接長吊索+1 400 t分體式纜載吊機(jī)”豎直接力提升(如圖7),接力提升工藝復(fù)雜、難度大;其余位置梁段用1 000 t纜載吊機(jī)直接吊裝到位。所有桿件在工廠制作完成后,通過大型運(yùn)梁船舶將鋼梁整節(jié)段運(yùn)輸至橋位區(qū),由跨中向兩側(cè)對稱同步吊裝。其中首節(jié)段NZ19、NZ20梁段和BZ19、BZ20梁段采用廠內(nèi)栓焊,整體進(jìn)行抬吊。
(a)1 000 t纜載吊機(jī)
4.2.1南岸灘區(qū)吊裝方案及滑移支架設(shè)計(jì)
南邊跨共13個節(jié)段,采用分體式纜載吊機(jī)吊裝,與主跨匹配進(jìn)行豎直提升。其中,南岸180 m范圍淺灘區(qū)有8個吊裝節(jié)段,端部NB01、NB02梁段為無索區(qū)(見表2),船舶吃水深度不夠,運(yùn)梁船無法將梁段運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢玫跹b,故在水中搭設(shè)南岸灘區(qū)滑移支架來滿足灘區(qū)梁段吊裝要求[9]。NB01、NB02梁段兩側(cè)無吊點(diǎn),需在底部增設(shè)托梁來擱置、提升梁段,托梁在全橋加勁梁吊裝完成后和支架一同拆除。托梁重量約150 t,考慮托梁重量后梁段最大吊重約950 t。梁段自重考慮不均勻系數(shù)1.2和沖擊系數(shù)1.05。
表2 南岸灘區(qū)梁段參數(shù)表
南岸灘區(qū)滑移支架結(jié)構(gòu)分為下滑道、提升支架、存梁支架這3部分,支架端頭設(shè)有附墻與邊墩連接,附墻埋件為植筋,支架整體結(jié)構(gòu)如圖8所示。其中鋼管樁(?820 mm×10 mm)、鋼桁架2(HN800 mm×300 mm)、主橫梁(3HN800 mm×300 mm)、主縱梁(2/3HN800 mm×300 mm或321 mm貝雷)、平聯(lián)(?600 mm×8 mm)、及斜撐(2[28a)采用Q235B材料,軌道梁(4HN800 mm×300 mm)、鋼桁架1(HN900 mm×300 mm)、部分主/縱橫梁(2HN800 mm×300 mm)采用Q345B材料。
(a)支架總平面布置圖
采用分體式纜載吊機(jī)蕩移卸船邊跨NB01~NB08梁段到下滑道,并滑移至指定吊裝位置存梁。提升支架位于NB03梁段下方,作用是提升NB01、NB02梁段,且可以臨時存放NB03梁段。存梁支架用于存放無索區(qū)端梁NB01、NB02梁段,根據(jù)監(jiān)控指令進(jìn)行栓焊和吊索連接施工。NB03梁段與永久吊索連接后,拆除提升支架處鋼桁架,保證NB04梁段提升空間,最后完成南岸邊跨其余梁段及合龍口加勁梁架設(shè)。其中NB11梁段為合龍段,NB13梁段在架設(shè)過程中與北塔區(qū)梁段進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換施工。南岸灘區(qū)加勁梁存梁及吊裝示意如圖9所示。
圖9 南岸灘區(qū)加勁梁存梁及吊裝示意
受上方主纜施工影響,塔吊難以滿足施工支架的要求,選用180 t履帶吊施工支架,即在下滑道上搭設(shè)貝雷梁橋面系作為履帶吊行走輔助施工平臺,履帶吊“釣魚法”施工下滑道鋼管樁以及分塊吊裝施工提升支架及存梁支架。提升支架處鋼桁架1(長27 m,重110 t)、鋼桁架2(長55 m,重105 t)和存梁支架處大平聯(lián)(長32.2 m)重量大,施工時需要在下方搭設(shè)輔助鋼管樁,并增加分節(jié)數(shù)量,減少單次最大起重量。支架全部搭設(shè)完畢后,將影響施工的輔助樁拆除;大平聯(lián)處輔助樁不影響施工,可不拆除,參與支架整體受力。
4.2.2南岸灘區(qū)滑移支架計(jì)算
根據(jù)支架受力最不利原則,主要工況考慮如下:①非工作工況:支架搭設(shè)完成,在水流力、波浪力和最大風(fēng)速(12 級風(fēng)))條件下,還未進(jìn)行提梁、梁段滑移拼裝;②小風(fēng)存梁工況:在水流力、波浪力和工作風(fēng)速(8級風(fēng))條件下,NB01~NB08進(jìn)行梁段存放;③大風(fēng)存梁工況:在水流力、波浪力和最大工作風(fēng)速(12級風(fēng))條件下,僅在支架下滑道79.5 m范圍內(nèi)存梁,且每片梁之間的凈間距不小于7 m;④滑移工況:在水流力、波浪力和工作風(fēng)速(8級風(fēng))條件下,進(jìn)行提梁、梁段滑移拼裝。
經(jīng)有限元軟件分析計(jì)算,滑移支架Q345構(gòu)件最大組合應(yīng)力бmax=263 MPa 根據(jù)屈曲分析原理對結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲分析:屈曲荷載=不變荷載(自重)+屈曲系數(shù)×可變荷載(梁段重量、施工荷載、風(fēng)荷載、水流量、波浪力),計(jì)算得屈曲模態(tài)特征值系數(shù)最小為13.7>4,支架整體穩(wěn)定性滿足使用要求。 4.3.1北岸灘區(qū)吊裝方案 北邊跨在陸地上,共10個節(jié)段(BB01~BB10),采用纜載吊機(jī)蕩移卸船+北塔區(qū)滑移支架滑移+模塊車轉(zhuǎn)運(yùn)+分體式纜載吊機(jī)提升+北岸灘區(qū)滑移支架存梁的方式來吊裝。首先采用纜載吊機(jī)蕩移卸船邊跨梁段到北塔區(qū)滑移支架進(jìn)行滑移上岸,再通過2輛14 軸液壓模塊車將梁段轉(zhuǎn)運(yùn)至對應(yīng)位置進(jìn)行臨時存放,最后根據(jù)主跨吊裝進(jìn)度及監(jiān)控指令進(jìn)行分體式纜載吊機(jī)豎直提升施工,其中 BB09 梁段為合龍段,BB10梁段在架設(shè)過程中與北塔區(qū)梁段進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換施工。北邊跨加勁梁吊裝示意如圖10所示。 圖10 北邊跨加勁梁吊裝示意 4.3.2北岸灘區(qū)滑移支架計(jì)算 北邊跨端部無索區(qū)梁段(BB01~BB03)參數(shù)與吊裝工藝與南邊跨端部梁段相同,北岸灘區(qū)滑移支架為陸地上落地支架,鋼立柱下設(shè)擴(kuò)大基礎(chǔ),支架結(jié)構(gòu)分為提升支架、存梁支架兩部分。由于鋼立柱擴(kuò)大基礎(chǔ)埋深淺,提升支架處設(shè)置風(fēng)攬來抗傾覆,計(jì)算時僅考慮單側(cè)風(fēng)攬受力。支架端頭設(shè)有附墻與邊墩連接,附墻埋件為植筋,支架所用材料和南灘滑移支架一致。支架整體結(jié)構(gòu)如圖11所示。 圖11 北岸灘區(qū)滑移支架整體結(jié)構(gòu)圖(單位:mm) 北岸灘區(qū)滑移支架主要考慮以下工況:①非工作工況:支架搭設(shè)完成,最大風(fēng)速(12 級風(fēng))條件下,還未進(jìn)行提梁、梁段滑移拼裝;②小風(fēng)存梁工況:在工作風(fēng)速(8級風(fēng))條件下,BB01~BB03進(jìn)行梁段存放;③滑移工況:在工作風(fēng)速(8級風(fēng))條件下,進(jìn)行提梁、梁段滑移拼裝。 經(jīng)有限元軟件分析計(jì)算,滑移支架Q345構(gòu)件最大組合應(yīng)力бmax=251 MPa 中塔以及南、北邊塔塔區(qū)皆有3個無吊索節(jié)段,需借助存梁支架輔助吊梁施工[11]。梁段分兩種類型,其中單榀梁段最大吊重為520 t,梁段參數(shù)見表3。 表3 塔區(qū)梁段參數(shù)表 4.4.1中塔塔區(qū)加勁梁吊裝 中塔為“A”型塔,下橫梁為“回”型結(jié)構(gòu),下橫梁上設(shè)有存梁支架,用以存放中塔區(qū)3個無吊索節(jié)段。采用纜載吊機(jī)吊裝時,若直接從運(yùn)梁船蕩移到下橫梁存梁支架,蕩移角度單次過大,需要在承臺上搭設(shè)存梁支架,作為二次蕩移平臺(見圖12)。下橫梁存梁支架設(shè)置滑移軌道,將3個梁段拖拉到位。中塔有兩臺塔吊(上、下游各 1 臺),塔區(qū)存梁支架量較少,駁船將存梁支架材料運(yùn)輸至現(xiàn)場后,利用現(xiàn)有塔吊進(jìn)行吊裝作業(yè)。 圖12 中塔塔區(qū)梁段二次蕩移圖 4.4.2南、北塔區(qū)加勁梁吊裝 南、北塔區(qū) 3 個梁段無吊索,需在承臺上搭設(shè)塔區(qū)存梁落地高支架,施工南塔支架在現(xiàn)有主棧橋上進(jìn)行;施工北塔支架在硬化區(qū)域上進(jìn)行。主纜架設(shè)階段,塔區(qū)塔吊吊裝作業(yè)頻繁,需要另外配置吊車進(jìn)行支架搭設(shè)。吊裝工藝和中塔塔區(qū)無索區(qū)梁段類似,南塔塔區(qū)梁段采用纜載吊機(jī)蕩移到塔區(qū)附近現(xiàn)有棧橋上,再二次蕩移到南塔存梁支架上并滑移到位進(jìn)行存放,后續(xù)根據(jù)監(jiān)控指令調(diào)整線形并栓焊成整體,進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換施工。北塔塔區(qū)梁段經(jīng)運(yùn)梁船運(yùn)到北岸邊后,采用纜載吊機(jī)蕩移卸船,經(jīng)北塔區(qū)滑移支架滑移至北塔與北塔區(qū)滑移支架之間的模塊車上,再蕩移到北塔存梁支架上。 為了保證全橋線形以便配合合龍梁段施工,塔區(qū)梁段先與相鄰有索梁段進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換,將荷載轉(zhuǎn)移至吊索上,形成全漂浮體系。塔區(qū)梁段的體系轉(zhuǎn)換分別在加勁梁BZ01和 BB10(北塔)、NZ39和BZ39(中塔)、NZ01和NB13(南塔)吊裝完成后進(jìn)行。各塔區(qū)梁段體系轉(zhuǎn)換工藝基本相同,僅是梁段預(yù)抬高高度略有差別[12],具體步驟為: a.根據(jù)計(jì)算,采用高滑座將塔區(qū)3個梁段進(jìn)行預(yù)抬高。 b.吊裝設(shè)備同時提升塔區(qū)兩側(cè)有索梁段到指定高度,連接吊索,與塔區(qū)梁段匹配連接后進(jìn)行高栓連接。 c.提升設(shè)備卸載,將兩個有索梁段荷載轉(zhuǎn)換至塔區(qū)千斤頂(4臺>1 000 t)上。 d.千斤頂逐漸卸載,使加勁梁處于全漂浮狀態(tài),荷載轉(zhuǎn)換至吊索,完成體系轉(zhuǎn)換。 根據(jù)加勁梁整體吊裝方案,全橋共設(shè)置 6 個合龍口,南、北主跨各兩個,南、北邊跨各1個,并按照邊塔主跨側(cè)(NZ-03、BZ-02)→中塔區(qū)(先 BZ-37、后 NZ-37)→邊塔邊跨側(cè)(NB-11、BB-09)的順序進(jìn)行合龍。 各合龍梁段與已架梁段主要存在豎向偏位、轉(zhuǎn)角和沿橋向的縱向偏位,需提前考慮牽引系統(tǒng)的布置,主要為10 t卷揚(yáng)機(jī)和200 t千斤頂。豎向偏位、轉(zhuǎn)角采用臨時壓重等措施有效調(diào)整合龍口姿態(tài);縱向偏位利用牽引系統(tǒng)拽拉已架設(shè)梁段形成缺口,并通過吊裝設(shè)備預(yù)偏站位進(jìn)行調(diào)整。 在一天當(dāng)中溫度最低時段對合龍口吊裝,按照已架梁段整體預(yù)偏→吊裝設(shè)備預(yù)偏站位→鋼梁吊裝→吊索安裝→臨時鉸接→嵌補(bǔ)段安裝的流程進(jìn)行施工。 合龍口鋼梁臨時鉸接分兩次進(jìn)行:①第一次鉸接:在自重、吊索及吊裝設(shè)備共同作用下,節(jié)段逐步向設(shè)計(jì)位置進(jìn)行偏移,配合輔助措施完成與相鄰鋼梁的對接施工(NZ37合龍口自身采取10 t/m壓重)。②第二次鉸接:一側(cè)臨時連接完成后撤去牽引力,節(jié)段會自行抵?jǐn)n,需采取壓重配載+手拉葫蘆實(shí)現(xiàn)與相鄰梁段的臨時鉸接(NZ37合龍口旁邊3榀梁采取17 t/m壓重、BZ37合龍口通過千斤頂反頂)。合龍施工完成后,通過下層橋面完成斜腹桿嵌補(bǔ)段的安裝。 甌江北口大橋是現(xiàn)有大橋中技術(shù)難度最大、建造工藝最為復(fù)雜的橋梁之一,其結(jié)構(gòu)及施工等多項(xiàng)技術(shù)均為世界范圍內(nèi)首創(chuàng)。大橋已于2022年5月底正式通車,成為我國大型橋梁建造技術(shù)的又一標(biāo)志性成果。 a.甌江北口大橋主橋加勁梁吊裝包含分體式纜載吊機(jī)、纜載吊機(jī)垂直起吊、蕩移、模塊車運(yùn)輸、支架軌道滑移等多項(xiàng)工藝,其復(fù)雜、多樣式的梁段吊裝施工方式對后續(xù)跨度大、自重大的懸索橋加勁梁吊裝施工具有很好的借鑒作用。 b.在全橋加勁梁吊裝過程中,輔助無索區(qū)梁段施工的支架因地制宜地采取了不同形式的存梁方式,降低了施工風(fēng)險。其中南灘滑移支架包含下滑道支架、提升支架、高存梁支架等多個功能區(qū),實(shí)現(xiàn)邊跨淺灘及端部無索區(qū)梁段水中運(yùn)輸、滑移、吊裝施工等工序無縫對接(見圖13),在淺灘區(qū)淤泥層較差地質(zhì)情況下,支架承載能力大、穩(wěn)定性好,可用于1 000 t梁段吊裝施工,也方便后續(xù)梁段線性調(diào)整,具有很高的實(shí)用性和適用性,確保了整個梁段吊裝施工流程順暢快捷,加快了大噸位梁段吊裝施工進(jìn)度。 圖13 南岸灘區(qū)梁段吊裝 c.纜載吊機(jī)是大跨度懸索橋大噸位梁段提升安裝的專用設(shè)備,隨著懸索橋跨度和梁段吊裝重量的增大,本項(xiàng)目所采用千噸級纜載吊機(jī)及分體式纜載吊機(jī)為未來纜載吊機(jī)等設(shè)備的設(shè)計(jì)、施工和發(fā)展提供了可靠的技術(shù)參考,可加速設(shè)備技術(shù)的革新。 d.全橋無索區(qū)梁段施工支架用量大,多達(dá)七千多噸,且灘區(qū)高支架安拆難度大,相關(guān)施工工藝復(fù)雜,現(xiàn)場需對支架鋼立柱及鋼管樁垂直度復(fù)核,并嚴(yán)格按施工圖要求施工和驗(yàn)收。無索區(qū)梁段高支架在超過八級風(fēng)(20.7 m/s)存梁時不能滿足受力要求,需增加抗風(fēng)措施,減少支架存梁風(fēng)險。4.3 北邊跨加勁梁吊裝
4.4 塔區(qū)加勁梁吊裝
4.5 塔區(qū)梁段體系轉(zhuǎn)換
4.6 合龍段加勁梁吊裝
5 結(jié)論