客運專線大跨度、大噸位鋼桁梁頂推架設技術及應用

張立青,隋明國

(1.北京交通大學土木建筑工程學院,北京 100044；2.中鐵十三局集團第四工程有限公司,哈爾濱 150001)

1 概述

正在大規模興建中的鐵路客運專線橋梁上部結構以標準跨度預應力混凝土簡支箱梁為主,但是在跨越公路、鐵路、市政道路和其他設施由于條件限制無法采用連續梁施工時,鋼桁梁亦被采用,特別是在64 m至96 m跨度間,鋼桁梁具有較強競爭性,因此其在各客運專線中也有相當數量的應用。相對于傳統鐵路單線鋼桁梁,客運專線鋼桁梁具有跨度大，同時更有噸位高、安裝精度高等特點,采用何種架設方法也為業內所關注。本文依托國內京津、京滬和京石等線鋼桁梁頂推架設工程技術積累,以京滬高速鐵路某84 m跨鋼桁梁工程為例,對客運專線大跨度、大噸位鋼桁梁頂推架設技術進行分析和論述。

2 總體頂推方案

2.1 工程概況

2.1.1 橋梁概況

京滬高速鐵路跨某橋主橋上部結構為下承式雙線簡支鋼桁梁,跨徑84 m(39號墩～40號墩)。設計標準為雙線,線間距4.2 m,該橋位于15 000 m半徑豎曲線上,鋼桁梁斜置,線下為104國道立交橋,寬度32 m,斜交角36.83°,橋左側為四線運營鐵路；主桁采用無豎桿三角桁架布置,鋼桁梁總重10 858 kN。全橋平立面如圖1所示。

圖1 橋梁概況[1](單位：mm)

2.1.2 鋼梁結構

主梁采用無豎桿三角桁,桁高12.3 m,節間長度12 m,主桁中心距10.6 m；上、下弦桿采用箱形截面,上弦桿高約1 000 mm,下弦桿高約1 500 mm,上、下弦桿內寬均為800 mm；主桁節點采用整體節點,鋼梁結構如圖2所示。

圖2 鋼梁結構[2](單位：mm)

2.2 整體頂推方案

2.2.1 技術設計主要范圍

鋼梁頂推法是指在橋位后方沿橋縱軸線方向將鋼梁拼裝完畢后頂推,從而使之就位的架設方法,適用水深、橋高或橋下交通繁忙等條件的鋼梁架設；頂推法來源于鋼橋的縱向拖拉技術,1959年前在建造奧地利阿格爾橋時首次使用；頂推設計內容主要包括拼裝系統、導梁(鼻梁)系統、滑道系統(包括上滑道和下滑道)、頂推系統和落梁系統。

2.2.2 初步方案與計算

(1)初步架設方案

在進行頂推設計時,應根據工程實際初步提出多種方案,經經濟技術綜合比較后確定最終方案。由于本橋所跨國道為立交橋,國道上不具備搭設臨時支墩條件。結合其他鋼桁梁頂推經驗,故建議采用長導梁頂推方案,并以此進行設計和計算分析。

(2)模型建立與分析

根據鋼梁頂推架設流程,每頂推一個節間和每個滑道上下主橋永久墩側排架墩,均考慮為一個工況,分析共存在18個工況。鋼梁頂推計算模型節點如圖3所示,鋼桁梁考慮為三維空間桁架結構,各上滑道墊墩邊界條件考慮為單向支座,荷載主要考慮結構自重,分別對18個工況建立模型進行計算和分析。

圖3 鋼梁頂推模型節點

計算的主要內容包括鋼桁梁各節點在各工況下的反力,各支墩在各工況下的豎向荷載,鋼桁梁結構在各工況下的內力、變形和穩定性,導梁結構在各工況下的內力、變形和穩定性,結構整體抗傾覆穩定性和抗風穩定性,并以這些數據為基礎進行導梁系統、滑道系統等的結構設計和驗算。如,以第15工況為例計算其模型和鋼桁梁各節點反力結果如圖4所示。

圖4 工況15上滑道節點反力(單位：kN)

統計各工況各節點上滑道墊墩反力計算結果如表1所示。

表1 各工況各節點上滑道墊墩反力統計 kN

根據頂推過程18個工況的計算結果,統計各支墩(支墩編號可參考圖1)在其最不利工況下的最大荷載結果見表2。

表2 各工況下支墩最大荷載統計 kN

各工況下鋼桁梁主梁結構的內力、變形和穩定性,鋼梁整體抗風穩定性均在規范以內；同時在縱向抗傾覆穩定性計算上,在第8工況下,即最大懸臂狀態下,抗傾覆系數K=4.9>1.3[3], 抗傾覆穩定滿足要求,計算過程、結果不再詳述。

2.2.3 整體方案確定

根據上述計算,最終確定鋼桁梁架設采用長導梁頂推方案,在兩主墩靠路側設置排樁臨時支墩減少導梁懸臂長度,通過長導梁整體頂推完成鋼桁梁架設。結合現場條件,在頂推流程上首先進行臨時支墩、拼裝平臺、頂推系統和滑道系統的施工,再進行導梁和主梁前4個節間拼裝,第一次頂推；進行主梁后3個節間拼裝,第二次頂推到位,落梁施工。在其他頂推工程中,如果條件許可,采用一次性拼裝完畢一次性頂推方案更佳。

3 重點分項工程

3.1 滑道

傳統頂推一般為設置在支墩臨時墊塊上,由光滑的不銹鋼板與組合的聚四氟乙烯滑塊組成(由四氟板與具有加勁鋼板的橡膠塊構成)。頂推時,組合的聚四氟乙烯滑塊在不銹鋼板上滑動,并在前方滑出,通過不斷喂入滑塊,帶動梁身前進[4]。針對大噸位的客運專線鋼桁梁,如何安全快速、有效控制方向地頂推鋼梁,傳統技術方案仍有研究空間；根據京津城際和南京地鐵等鋼桁梁頂推經驗,并根據本鋼桁架梁結構受力要求,上滑道采用間斷滑道,下滑道采用連續滑道形式；上滑道設置于主桁和導梁下弦桿大節點下,考慮下弦螺栓拼接和預拱度設置,將鋼梁整體墊高,且使上滑道底面處于同一水平面；導梁(受力較小)節點上滑道長度為2 m,主梁(受力較大)上滑道長度3.5 m,下滑道用多道50 kg/m鋼軌,確保在快速頂推的同時,實現較為準確的控制頂推方向目標,其布置見圖1。

3.1.1 梁部

頂推施工下滑道梁部根據表2鋼桁梁頂推各工況下的滑道反力值,分別采用貝雷梁及型鋼。在跨104國道兩側主橋墩之間采用I45b型鋼,其余均采用貝雷梁。

(1)貝雷梁滑道

貝雷梁采用的片數根據滑道反力值進行設計,受力較小的3號～7號支墩滑道部分橫向共8片貝雷梁(單側4片,采用橫連槽鋼[14a聯接),受力較大的7號～9號支墩滑道部分橫向共16片貝雷梁(單側8片,采用橫連[14a聯接)；貝雷梁上每個節點處均鋪I20a橫梁,橫梁兩端與貝雷梁上弦桿之間采用U形螺栓聯接,在橫梁上鋪設滑道鋼軌,軌道與橫梁之間采用鋼軌扣件聯接；架設貝雷梁時須使橫梁及橫墊梁位于節點上,保證貝雷梁的受力點與設計吻合；貝雷梁下采用八三墩做橫墊梁,貝雷梁下弦桿與八三墩橫墊梁兩端之間采用U形螺栓聯接。

(2)型鋼滑道

從計算結果可知,在跨104國道兩側主橋墩之間滑道(9號～12號支墩滑道部分)受力相當集中,故采用橫向10排I45b作為下滑道以確保受力要求,其上滿鋪八三墩做橫梁,確保鋼軌橫向分配荷載。

3.1.2 下滑道支墩和基礎

一般來說下滑道支墩僅在施工中使用,在符合要求的前提下要造價底,便于拆裝。支墩根據鋼桁梁頂推各工況下的滑道反力值,分別采用制式器材八三墩及鋼管排樁結構形式：在跨104國道兩側主橋墩之間采用鋼管排樁；其余均采用八三墩,橋墩之間采用2×2截面形式,墩頂直接采用八三墩墊梁。

(1)八三墩臨時支墩

根據表2計算結果,采用八三墩的臨時支墩荷載最大為1 150 kN,故設計采用2×2截面形式可以滿足工程要求；2×2截面形式臨時支墩布置形式為橫橋向1.75 m,縱橋向1.5 m,按規定布置橫向連接系,由于臨時支墩較高,故高度方向上每6 m左右設置1道水平連接系,同時下部設置了變截面保持臨時墩穩定性,為保證施工中對臨時支墩的抗縱向水平力,在臨時支墩墩頂附近設置鋼絞線與永久墩有效連接。

(2)排樁支墩

根據表2計算結果,在跨104國道兩側主橋墩之間支墩荷載最大為3 850 kN,故設計采用鋼管排樁形式臨時支墩，以滿足頂推鋼梁對下滑道支墩的要求；排樁支墩基本截面形式為3×2,鋼管截面采用1 020 mm×12 mm。為保證排樁自身的穩定性設計,采用I20b焊接件做水平連接系,支墩高度方向上不大于5 m設置1道。

3.2 導梁

導梁的結構需要進行受力狀態分析和內力計算,一般來說導梁的長度可取頂推跨徑的0.6～0.7倍,較長的導梁可以減小主梁懸臂負彎矩,但過長的導梁也會導致導梁與鋼梁接頭處負彎矩和支反力的增加。本橋導梁設置在主梁的前端,采用易拼裝、剛度大的八七式搶修鋼梁,導梁由過渡段,導梁主體和上墩頂升牛腿(由于在大懸臂上墩過程中前端下撓可能較大,導梁最前端設置頂梁上墩結構)組成,采用直線桁架結構,長度為48 m,“米”字形桁架,為減小導梁自重,采用變高度形式,高8 680 mm和4 340 mm,節間長8.00 m,主桁中心距5 182×2=10 364 mm,總質量約170 t。

為了有利于上滑道,在導梁前端設有上墩頂升牛腿缺口,當鋼導梁即將到達前方39號橋墩時,利用牛腿上放置500 kN液壓千斤頂接引鋼導梁上滑道,上墩頂升牛腿為結合工程特別設計。

3.3 頂推系統

根據計算設置4臺1 500 kN水平頂推千斤頂,采用多點頂推方式：2套千斤頂安裝在40號橋墩,另2套設置在39號橋墩上,在鋼梁橫梁下左右布置,中心距離為7.77 m,拉桿采用鋼鉸線,拉錨器設置于梁底端橫梁接縫處。

3.3.1 計算

對頂推工程施工設計,頂推摩擦力的確定和控制是其第一控制要素,按主梁和導梁全部拼裝完進行頂推,頂推力12 408 kN,頂推力計算公式[5～6]如下

H=K×G×f+G×I

式中H——頂推力；

K——安全系數,一般取1.2～1.5；

G——頂推鋼梁總重；

f——滑道摩擦系數,一般取0.2；

I——頂推桁梁的設計坡度；安全系數K取1.2。

得H約為2 980 kN。需要特別注意的是在方案中應該對摩擦力有充分的估計,技術設計中應確保足夠的頂推力儲備,在客運專線鋼桁梁頂推中,采用數量少的鋼軌在重大的移動荷載下,鋼軌和上滑道的壓強很大,直接增加摩擦因數和摩擦力。因此必須選用合理數量的鋼軌(增加下滑道面積,減小壓強),必要時取消鋼軌方案,直接鋪設連續鋼板加設聚四氟乙烯滑塊做下滑道,甚至采用如MGE高分子材料(MGE具有高抗壓承載能力和耐磨、摩擦因數小的特點,抗壓強度超過25 MPa,與不銹鋼板的摩擦因數為0.03～0.05)做滑板材料[7],合理、適當增加的投入直接減少工期,實際上在總體上降低了工程造價。

3.3.2 頂推系統及相關配置

傳統頂推裝置分2種,一是水平千斤頂設置于鋼梁后側,通過夾持鋼軌頂推鋼梁,多用于單點頂推；二是直接設置穿心式千斤頂,通過張拉錨固于后錨裝置的鋼絞線束完成鋼梁的頂推,可單點頂推,也可多點頂推。對客運專線鋼桁梁頂推,建議采用第二種方式,同時采用連續千斤頂確保頂推的連續性和平穩性。

(1)頂推千斤頂和鋼托架

根據計算結果,設計采用ZLD150型連續頂推千斤頂4臺,在40號和39號墩頂各安裝2臺。頂推千斤頂安裝在鋼托架上,鋼托架錨固在橋墩預埋件上。頂推托架為組焊件,鋼托架結構見圖5。

圖5 鋼托架結構(單位：mm)

(2)拉錨器和牽引裝置

拉錨器設置在梁底端橫梁拼接板處,為組焊件,采用高強螺栓安裝在端橫梁上；拉錨器采用夾片式錨具；鋼絞線束根數依頂推力確定(使其彈性伸長值小于50 mm為準,本橋采用9束),采用抗拉強度1 860 MPa的9-7φ5鋼絞線；拉錨器和鋼絞線安裝好后,采用單束張拉千斤頂進行預緊,以保證頂推過程中鋼絞線受力均勻和頂推的連續性,拉錨器布置見圖6。

圖6 拉錨器布置(單位：mm)

4 結語

本文依托我院近年對國內客運專線大跨度、大噸位鋼桁梁頂推技術研究成果,結合多條客運專線鋼桁梁頂推工程實例,對鋼桁梁頂推技術進行了較為深入的分析,通過在京津、京滬、京石等線鋼桁梁頂推工程實例證明,采用本頂推技術可實現技術先進、經濟合理、安全適用、快速有效的鋼桁梁架設目標,為后續的鋼桁梁架設安裝工程提供參考。

[1]中鐵五院集團公司技術研究院.濟南至上海新建高速鐵路跨104國道特大橋84 m鋼桁梁頂推施工設計圖[Z].北京：2009．

[2]鐵道第三勘察設計院集團有限公司. 京滬橋通61-Ⅰ-00 84 m鋼桁梁[Z].天津：2008．

[3]TB 10123—2002，鐵路橋涵施工規范[S].

[4]馬如嶺.跨鐵路線78 m鋼桁梁頂推施工[J].鐵道建筑,2006(2)．

[5]董啟軍.連續鋼箱梁頂推施工[J].施工技術,2005(5)．

[6]彭仁國.跨鐵路鋼箱梁頂推施工技術[J].鐵道標準設計，2009(7)：45-46.

[7]涂滿明,姚發海.超大跨連續鋼桁梁多點頂推架設施工技術[J].交通科技,2009(1)．