大跨度鋼桁梁廊道橋頂推施工關鍵技術研究*

張利民

(中鐵二十局集團有限公司,陜西 西安 710016)

0 引言

隨著我國國民經濟的飛速發展,越來越多的大跨度鋼桁梁橋應用于跨江、跨河工程建設中。頂推法施工工藝因具有跨越障礙能力強、施工機具設備簡單、無需大量起吊設備、可不中斷交通或通航、安全性較高、施工質量能夠保證等優點,得到了較廣泛的應用[1]。國內外諸多專家對頂推法施工工藝進行了研究:鄭超[2]對既有鐵路鋼箱梁橋的頂推關鍵技術進行了研究;賀紅星等[3]針對雙層鋼桁梁橋提出了節點跟隨式步履頂推施工方法,即在步履式頂推設備外設置移動轉換柱,利用移動轉換柱與鋼桁梁節點步履式前移;趙越[4]針對鋼混結合梁步履式頂推施工技術進行了研究;張宏武[5]針對跨越既有鐵路線鋼桁架橋頂推滑移快速施工技術進行了研究;陳偉等[6]針對槽鋼梁,對同步多點步履式頂推施工控制技術進行了分析;舒彬等[7]針對重載鐵路大跨度鋼桁梁橋,分析研究了頂推施工的最優荷載組合和施工監測技術。上述研究均針對設置橋面系的鋼結構公鐵橋梁等頂推施工技術開展,對于不設置一般意義上橋面系的大跨度鋼桁梁廊道橋結構頂推施工技術的研究還不夠深入。

鑒于此,本文以齊齊哈爾熱網跨嫩江廊道橋為依托工程,研究了大跨度鋼桁梁廊道橋頂推施工關鍵技術。

1 工程概況

1.1 項目概況

齊齊哈爾供熱管網項目采用40 m+2×(3×65)m+4×40 m+3×40 m下承式鋼桁梁作為跨越嫩江的供熱管道廊道橋,全橋共5聯14跨,主橋為2聯3×65 m的連續鋼桁梁,其他為引橋。全部主桁采用華倫式三角形腹桿帶豎桿體系。

主橋上、下弦桿采用箱形截面,豎桿和斜腹桿部分加強桿件采用箱形截面,其余采用工字形截面。主桁節點為整體式節點,工字形豎腹桿和斜腹桿采用插入方式連接,箱形桿件采用對接方式連接。桿件由工廠制造,運至工地現場采用高強螺栓拼接。引橋的桿件均為工字形截面,主桁節點板采用整體式,各桿件均采用對拼連接。本橋不設置一般意義上的橋面系,管道支架與經過加強的橫撐相連接。下平縱聯的橫撐兼作橫梁,提供對管道及檢修通道的支撐。

1.2 鋼桁梁架設方案

考慮河道現場踏勘結果和鋼桁梁結構特點,該廊道橋鋼桁梁可采用步履式多點同步頂推方案、下導梁滑移方案、桅桿吊懸拼方案、浮拖架設方案、冬季冰上吊裝和滑移方案進行架設[8]。綜合考慮施工方案的可行性、安全性、經濟性、工期等因素,確定采用岸邊支架組拼加步履式多點同步頂推方案進行施工。

1.3 頂推施工難點

1)跨越的嫩江為Ⅰ級通航航道,受河道通航和行洪的限制,一般不允許在主河道和泄洪河道內設置臨時支墩。

2)熱網廊道橋跨越嫩江,共5聯14跨,分別從兩岸各頂推7跨,在江中65 m和40 m跨交接處合龍,頂推跨數多、距離長,同步性難度大。

3)傳統步履式頂推施工一般適用于箱梁結構[9-10],但該廊道橋為承載熱力管網和檢修平臺的桿件式鋼桁梁結構。頂推過程中,受步履式頂推每一步行程短的限制,頂推支點不可避免會支撐于下弦桿非節點處,導致下弦桿同時承受彎矩及剪力,易造成桿件壓彎變形等問題。

2 鋼桁梁頂推施工

2.1 頂推方案

廊道橋1～14號墩區域位于江中,水位較深、水流湍急。東岸1號墩之前和西岸14號墩之后的河床地勢較高、地形平坦開闊、通行條件好,處于非行洪通道區,在此布置組拼區域,搭設組拼支架平臺。7～8號墩引橋區可設置一處臨時支墩,為減少水中作業,避免對河道的干擾,保證鋼桁梁現場組拼、焊接的質量,確定東西岸邊分別組拼、分別頂推7跨的方案。

主橋(富拉爾基側)鋼桁梁增加前導梁進行頂推,引橋(齊齊哈爾側)不用前導梁直接頂推,并對主橋鋼桁梁結構進行局部加固。主橋2×(3×65)m鋼桁梁在1號墩之前的組拼區域首輪拼裝104 m后,整體向前頂推65 m,然后繼續組拼65 m、再頂推一次(約65 m),以后重復整孔組拼頂推,直到鋼梁就位;引橋3×40 m+4×40 m鋼桁梁在14號墩之后組拼區域首輪拼裝完成64 m后,整體向前頂推40 m,然后繼續組拼40 m、再頂推一次(約40 m),以后重復整孔組拼頂推,直到鋼梁就位。具體頂推過程如圖1所示。

圖1 頂推過程Fig.1 Pushing process

頂推滑移系統設置在1～14號墩上方墊石位置及臨時頂推支架頂分配梁上,頂推設備高度700 mm,換手支墊高度740 mm。頂推裝置直接擺放在永久墩墊石頂面,支座待鋼桁梁頂推就位后、落梁時安裝。1套步履式頂推裝置主要由1臺豎向千斤頂(200 t)、1臺水平頂推千斤頂(100 t)、1臺糾偏頂推千斤頂(65 t)、滑移支座、滑板及滑道組成。步履式自動化頂推設備除機械系統外,還有液壓系統、自動智能電控系統組成。全橋共需頂推滑移系統38套,其中臨時支架和臨時支墩需要8套,永久橋墩需要30套,具體如圖1b,1d所示。

2.2 頂推施工全過程模擬

采用MIDAS/Civil有限元軟件進行鋼桁梁頂推施工方案計算,通過對各安裝步驟的模擬來計算鋼桁梁頂推過程中構件的內力及變形,在計算過程中未考慮由于施工支架變形引起的變化。

本節僅介紹主橋65 m鋼桁梁頂推施工過程模擬。主橋為2聯3×65 m下承式連續鋼桁梁橋。主橋鋼桁梁分6次拼裝頂推將鋼桁梁頂推至設計位置。使用材料為Q355NE鋼材,其抗壓、抗彎強度設計值取295 MPa。主橋65 m鋼桁梁頂推施工計算過程主要考慮鋼桁梁和鋼導梁的自重,考慮節點板螺栓等質量等及結構的安全系數,自重系數取1.2。第6次拼裝完成后的鋼桁梁計算模型如圖2a所示。

圖2 計算結果云圖Fig.2 Calculation results cloud map

通過計算分析,不同的頂推階段,鋼導梁和鋼桁梁的位移不同,最大懸臂狀態時(前端最大懸臂65 m)的鋼導梁豎向位移最大。在各施工階段中,當導梁處于最大懸臂狀態時,出現最大拉應力,當導梁頂推至橋墩時,出現最大壓應力。鋼桁梁處于頂推最大懸臂狀態或導梁頂推至橋墩時,鋼桁梁也出現最大拉應力和壓應力。

考慮篇幅有限,僅于表1和圖2中列出65 m鋼桁梁施工階段最大位移、應力計算結果及部分結果云圖。由表1可知:鋼導梁最大豎向撓度出現在第1次頂推最大懸臂狀態(前端最大懸臂65 m)時,最大豎向撓度為141.725 mm。鋼導梁最大拉應力為122.1 MPa<295 MPa,出現在第1次向前頂推,導梁超出2號墩懸臂36 m時。鋼導梁最大壓應力為145.3 MPa<295 MPa,出現在鋼導梁落至2號墩上時。由上述內容可知,鋼導梁最大拉應力和壓應力均未超出材料設計值,滿足規范要求。鋼桁梁最大豎向撓度在整個頂推過程中變化較小,最大豎向撓度為-35.515 mm,出現在第1次向前頂推,導梁超出2號墩懸臂19.2 m時。鋼桁梁最大拉應力為61.9 MPa<295 MPa,出現在第2次頂推至最大懸臂狀態(前端最大懸臂65 m)時。鋼桁梁最大壓應力為67.0 MPa<295 MPa,出現在第3次開始頂推3 m(懸臂46.5 m)時。由上述內容可知,鋼桁梁最大拉應力和壓應力均未超出材料設計值,滿足規范要求。

表1 施工階段最大位移及應力計算結果Table 1 Calculation results of maximum displacement and stress in construction phase

臨時墩墩頂反力最大值為701.3 kN,出現在第2次拼裝完開始頂推時,各施工階段拼裝完開始頂推時,臨時墩墩頂反力相差較小;臨時墩水平方向變形最大為8.012 mm,豎直方向最大變形為-1.492 mm,最大正應力為64.4 MPa(見圖3),未超出材料設計值,滿足規范要求。

圖3 65m鋼桁梁橋墩應力(單位:MPa)Fig.3 Stress of 65m steel truss bridge pier(unit:MPa)

3 頂推施工控制要點和施工監控

3.1 頂推同步性和精度控制

頂推過程中同步控制為工程難點,不同步頂推,一方面會造成橋梁軸線偏位,另一方面可能會導致梁體局部受力,對整體橋梁結構造成影響。隨著逐孔頂進的進行,跨數逐漸增多,直至達到7孔,頂推過程千斤頂數量逐步增加,同步性難度將加大,步履式頂推器配置了液壓PLC電控自動智能化系統,利用上位機聯動控制系統實現各千斤頂同步接收指令,同步開始前進、頂升、下降、后退動作,位移傳感器和壓力傳感器采集各千斤頂的壓力和位移量,配置特殊程序保證完成各千斤頂動作的同步精度不超過允許誤差。加強油管的檢查和各千斤頂處滑道的潤滑檢查,同時觀察多臺千斤頂油壓表的數值,隨時進行縱移、標高和中線的調整,使之順利推進。

3.2 頂推支反力的控制

根據鋼桁梁頂推過程工況分析,按保持鋼桁梁水平狀態計算出各千斤頂支反力數據,換算成油壓表壓力,嚴格控制支反力的最大限值,防止千斤頂的不均衡受力,造成某一位置受力過大出現桿件壓彎的現象,并在頂升千斤頂上加設鋼墊梁,將下弦桿承受的單點支反力簡化為局部荷載均勻作用到下弦桿上,起到有效的保護作用。實時觀察監控油壓變化幅度,以20%的變化幅度為限,動態調整千斤頂的頂力和高程,避免發生個別千斤頂頂力過大,繼而出現高程偏差過大造成桿件變形的情況。

3.3 應力、應變監測和糾偏

通過位移、壓力傳感器實時采集鋼桁梁下撓度和中線偏移數據,下撓度與理論值比較偏大時需要暫停頂進施工,觀察桿件變形情況和監測應力數據,確保沒有異常情況時再繼續頂推施工。發現中線偏移過大時,停止頂進施工,啟動糾偏千斤頂進行中線位移糾偏,中線調整好后再行頂進施工。3×65 m主鋼桁梁頂推過程應力-應變監測實例如圖4所示,由圖4可知,8個監測點的應變值均未超過限值101.46με。

圖4 主鋼桁梁頂推過程應力-應變監測Fig.4 Stress-strain monitoring of main steel girder during jacking

本橋鋼桁梁組拼支架采用臨時鋼管柱,處于承受載荷較大、自由長度較大的工況環境,是鋼桁梁架設的關鍵結構。在架設過程中,除加強支架的沉降觀測外,由于受溫度、風荷載、重力及偏心等因素變化影響,支架的受力復雜,做好水平位移觀測也很關鍵。

4 結語

本文結合現場實際,提出齊齊哈爾熱網跨嫩江廊道橋岸邊支架組拼加步履式多點同步頂推方案。利用MIDAS/Civil軟件建立有限元模型,模擬計算施工過程中不利工況下結構應力及變形情況。過程采用自動化步履式頂推設備,液壓PLC同步電控系統嚴控支反力和同步性,實時應力、應變監測保證結構安全。研究內容可為今后類似跨江、跨河大跨度鋼桁梁施工提供借鑒與參考。