鄭焦城際黃河橋鋼桁梁架設關鍵技術

馬永強

(中國鐵路總公司 工程監督局，北京 100844)

隨著我國鐵路建設的高速發展和鋼結構橋梁技術的日益完善，越來越多的長聯大跨鋼橋廣泛應用在鐵路橋梁上。鋼結構橋梁具有強度高、自重輕、抗震性能好、環保、施工周期短、施工方法多樣等優點，尤其適用于荷載大、跨度大的特殊橋梁。鋼橋的架設方法主要有支架施工、懸臂施工和整體架設3種。其中支架施工包括膺架法、纜索懸吊法等;懸臂施工包括懸臂拼裝法、拖拉法;整體架設施工包括整體吊裝法、浮運法、轉體法、橫移法、架橋機架設法等[1-3]。

本文通過對鄭州—焦作城際鐵路黃河橋主橋11聯2×100 m連續鋼桁梁架設方案進行研究，對工程措施、工藝工法等關鍵技術進行了創新性探索。

1 工程概況

新建鄭州黃河大橋為鄭焦城際鐵路暨改建京廣鐵路跨越黃河的公用橋梁，為四線鐵路特大型橋梁。橋址位于既有京廣鐵路鄭州黃河大橋下游110～190 m處。如圖1所示，主橋上部結構為11聯(2×100 m)下承式連續鋼桁梁，2孔一聯，總長 2.2 km。最重一聯鋼梁質量約 6 668 t。鋼桁梁每聯梁長199.8 m，三角形變高度桁架，邊支點處桁高14 m，中支點處桁高25 m，邊桁與中桁中心間距12.5 m。橋面從左至右布置鄭焦城際、京廣雙線鐵路。

圖1 主橋橋式布置 (單位：m)

原設計給出的指導方案是常規架設方案——“多點同步、長聯頂推”。具體方法是在主橋兩端分別設拼裝支架，每拼裝一孔向前頂推一孔，聯與聯之間用臨時桿件加固連接，形成長聯分別向主橋中間頂推，鋼梁前端設導梁，頂推到位后將導梁拆除。

原方案存在不足之處：①長聯頂推設備投入多，如水平連續千斤頂、豎向起落千斤頂、配套的控制系統等投入量較大，每個墩頂均須設置;②臨時措施龐大且費用高，如前端須設置導梁(估算質量 1 100 t)及其安裝平臺和拆卸平臺(估算質量600 t)，且須增加聯與聯之間的連接加固桿件約800 t;③頂推重量大，同步控制和糾偏難度大，安全風險大。

2 新架設方案

本河段黃河主槽寬度約為2 km，枯水期水面寬約 1.2 km，67#—78#墩長期處于水中,79#—89#墩枯水期位于灘地，但79#墩沖刷風險大。橋位處不具備水上運輸鋼梁桿件的條件，若通過棧橋運輸，水中設施投入增多，且對黃河防洪影響大。綜合考慮安全、工期、設施投入等因素，確定第1聯—第7聯(即67#—81#墩)頂推施工，其余4聯利用枯水期(每年約9個月)懸臂拼裝的施工方案。采用單聯頂推、不設導梁、跨中不設臨時墩的頂推新技術。

鋼梁架設施工步驟：在67#—69#墩設鋼梁拼裝支架，第7聯拼裝完后，由69#墩向81#墩方向頂進，在拼裝支架空出位置繼續拼裝第6聯鋼梁。如此循環，完成鋼梁頂推架設。北岸從82#墩兩側開始對稱懸拼第8聯鋼梁，逐步向88#墩推進，如圖2所示。

圖2 鋼梁架設施工步驟

圖3 鋼桁梁整體計算模型

根據本橋鋼梁結構特點,采用MIDAS軟件進行了不同工況下的仿真受力分析[4-6]，計算模型如圖3所示。計算得出鋼梁最大懸臂狀態下的撓度值為 208 mm，頂推過程中鋼桁梁構件最大拉應力為141 MPa，最大壓應力為135 MPa，均滿足TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結構設計規范》的規定；在11級風載(風速28.6 m/s)作用下，最大懸臂狀態下抗傾覆穩定系數為1.72，滿足Q/CR 9603—2015《高速鐵路橋涵工程施工技術規程》抗傾覆穩定系數大于1.3的要求，整體方案可行。

3 關鍵技術

方案實施前須解決以下技術問題：①頂推力的提供方式(單點水平頂推力280 kN);②如何在無導梁狀態下安全上墩;③大噸位支架、托架的設計(單聯最大重量約 6 668 kN，中桁節點處最大受力 2 800 kN);④跨中不設臨時墩，雙向大懸臂過孔的整體穩定問題;⑤如何提高頂推設施設備的周轉效率。

現場圍繞以上技術問題進行研究和相關設計，形成了整套頂推新技術，關鍵技術分述如下。

圖4 頂推系統布置(單位：m)

1)頂推力的提供方式

采用后置式大噸位水平連續千斤頂單點、長距離頂推技術在同類橋梁中是首次采用。在鋼桁梁尾端的上下游兩邊桁安裝2臺350 t水平連續千斤頂，用27-φ17.8大直徑鋼絞線進行拖拉，鋼絞線前端錨固在頂進前方的墩頂錨座上，將鋼絞線的牽引力轉換為頂推力，如圖4所示。邊桁主動頂推，中桁在邊桁帶動下被動頂推，每頂推1個節間長度(12.5 m)向后倒換滑塊1次。

2)無導梁狀態下安全上墩

為解決無導梁狀態下鋼梁上墩問題，研發了變高剛性支點，設計安裝在鋼梁前端，實現無導梁長距離頂推。變高剛性支點分別設置在鋼梁三主桁前端，由豎向千斤頂、起頂梁、起頂立柱、柱腳等結構件組成，與鋼梁之間通過高強螺栓連接固定。中桁設計起頂力450 kN，邊桁設計起頂力300 kN。通過剛性支點的變高(千斤頂起頂)帶動鋼梁上撓，節點底部抄墊，實現無導梁狀態下鋼梁安全上墩，如圖5所示。

圖5 無導梁狀態下鋼梁上墩示意

3)大噸位支架、托架的設計

圖6 鋼梁拼裝支架、托架示意

67#—69#墩設輕型拼裝支架，如圖6所示。一聯鋼梁拼裝完畢，在滑道上頂起鋼梁，轉由墩頂滑道受力，支架不承受頂推產生的水平力，從而降低了對支架的強度、剛度、沉降等的要求，大幅減輕了支架重量。68#—81#墩設大噸位墩旁托架，墩旁托架立柱為鋼管混凝土結構[7]，邊墩立柱傾斜，上端用21-φ15.24鋼絞線穿過墩身對拉克服水平力?；懒号c支座墊石密貼，頂推過程中產生的水平力通過滑道梁直接傳給墩帽，立柱受力得到改善。單聯鋼梁頂推時，始終有2點支撐在滑道上，前后端交替完成大懸臂過孔。“鋼桁梁拼裝支架”(專利號:ZL2013 2 0603067.5)和“墩旁托架”(專利號：ZL2013 2 0602605.9)分別獲實用新型專利。

4)頂推系統集約化設計

每頂推一跨距離，鋼絞線前錨固端須向前方墩移動一次，本裝置設計成標準模塊，方便拆裝倒用。錨固反力架栓接固定在鋼梁邊桁的尾端，將鋼絞線的拉力轉換為頂推力。頂推千斤頂、液壓泵站、控制柜等集中安裝在錨固反力架上，與鋼梁一同移動。一聯頂推到位后，可將頂推系統整體吊裝、倒用，方便快捷。專門設計了鋼絞線導向裝置，將鋼絞線轉向后存放于卷索盤上，方便鋼絞線的再次穿束、安裝?！扒岸隋^固裝置”(專利號：ZL2013 2 0602604.4)、“水平連續千斤頂錨固反力架”(專利號：ZL2013 2 0602603.X)和“鋼絞線導向裝置”(專利號：ZL2013 2 0603066.0)分別獲實用新型專利。

4 方案實施效果

方案根據工程特點，將頂推和懸拼相結合，多點作業，縮短工期約4個月，取得了巨大的社會經濟效益。單聯雙跨無導梁單點頂推技術具有如下優點：①節省投資，省去大量臨時設施設備如導梁及導梁拼裝平臺、聯與聯之間臨時加固桿件、拼裝支架臨時滑道等，且水平頂和豎向頂及控制設備可倒用，一次性投入少;②安全風險小，頂推重量減小,易于頂升和頂推同步控制,偏位調整難度小，質量可控;③工期可控，各聯自成體系，拼裝與頂推分開，相互無制約，機動靈活。

5 結語

鄭焦城際鐵路黃河大橋主橋鋼桁梁架設采用頂推與懸拼相結合的方案，經濟合理，保障了工期，其成功實施可為同類型橋梁施工提供借鑒。首創的“三主桁鋼桁梁單聯雙跨無導梁長距離頂推施工方法”，適用于多聯、等跨連續、自身剛度較大的鋼桁梁架設施工，具有很好的應用價值。其部分技術已經在合福鐵路銅陵長江大橋等工程的鋼桁梁架設中得到應用，取得良好效果。本橋采用頂推新技術累計頂推3000 m，形成了“三主桁鋼桁梁單聯雙跨無導梁長距離頂推施工方法”(專利號：ZL2013 1 0450132 X)，并獲得國家發明專利。

在具體應用中應注意：①頂推過程中對三桁之間的高差須嚴格控制，最大懸臂狀態三桁之間的高差應控制在±2 mm以內；②注意風速的變化，避免在最大懸臂狀態下遇到極端風速；③極端風速時，滑塊應置于托架柱頂或墩頂，避免滑道梁受力過大。