直曲結(jié)合鋼箱梁下穿既有高架橋施工技術(shù)研究

周廣友，李會在，劉陶然

(1.五礦二十三冶建設(shè)集團(tuán)有限公司,湖南 長沙 410014; 2.中建五局土木工程有限公司,湖南 長沙 410014; 3.常寧市鉛都項(xiàng)目管理有限公司,湖南 衡陽 421500)

0 引言

傳統(tǒng)鋼箱梁吊裝采取下部搭設(shè)臨時支墩,起重機(jī)械進(jìn)行安裝的施工方法,但是現(xiàn)有城市立交常有因交通流量不足進(jìn)行改造、擴(kuò)容的情況,會為新建鋼箱梁橋梁帶來限高條件、無法吊裝的施工環(huán)境。步履頂推因空間要求低、施工效率高、施工安全質(zhì)量易控制而被廣泛運(yùn)用。

郝玉峰[1]采用MIDAS/Civil軟件建立有限元模型,通過模型計算的位移數(shù)據(jù)與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)通過該模型計算所得的鋼箱梁關(guān)鍵截面應(yīng)力狀態(tài)及導(dǎo)梁前端位移與實(shí)際施工中所得數(shù)據(jù)吻合良好。郭泰攸、陳得良[2]通過力的平衡方程導(dǎo)出拖拉力和向前的頂推力間的關(guān)系,并利用三彎矩方程分析各支座處的支反力及相應(yīng)摩擦力,得到頂推過程中導(dǎo)梁的受力及導(dǎo)梁將到達(dá)前方橋墩時前端的豎向位移。袁鵬飛、楊懷英[3]以上跨既有線路鋼箱梁工程為例,介紹了步履式多點(diǎn)頂推施工工藝,并采用MIDAS/Civil對頂推過程中的最不利工況及成橋狀態(tài)進(jìn)行了模擬分析。趙毅[4]通過工程實(shí)例介紹了步履式頂推鋼箱梁施工關(guān)鍵技術(shù)。黃成國等[5]采用有限元方法及計算對可能影響到傾覆穩(wěn)定性的因素進(jìn)行分析,結(jié)果表明:中軸線偏移、支點(diǎn)的縱橫向間距對結(jié)構(gòu)的橫向傾覆穩(wěn)定性影響較大。趙春林等[6]通過長潭西跨線橋鋼箱梁高位步履頂推詳細(xì)說明了鋼箱梁的加工、臨時墩設(shè)置、導(dǎo)梁設(shè)計、頂推原理、糾偏方法、安全措施。肖先[7]結(jié)合工程實(shí)例,采用多點(diǎn)步履式千斤頂同步頂推,并通過三維立體控制技術(shù)、精準(zhǔn)落梁技術(shù)、有效的線型控制技術(shù),解決了上跨高速公路異形鋼箱梁施工的線型控制與頂推技術(shù)難題。

本文依托武漢三環(huán)南綜合改造野芷湖立交工程,介紹了受限施工條件下,無法進(jìn)行常規(guī)吊裝的大跨徑、線形為直曲線結(jié)合的鋼箱梁施工方法。

1 工程概況

武漢三環(huán)南綜合改造項(xiàng)目,共計有5個立交節(jié)點(diǎn)的改造,工程體量最大的野芷湖立交節(jié)點(diǎn)改造,設(shè)計鋼箱梁共15聯(lián),其中M3聯(lián)鋼箱梁人行道橋?yàn)閱蜗鋬墒摇蓚?cè)帶挑臂等寬結(jié)構(gòu),標(biāo)準(zhǔn)截面寬6 m,設(shè)計直線段長50.1 m,曲線段長24 m。M3聯(lián)下穿環(huán)線高架及新建的A,H匝道,該聯(lián)橋面高程距已完工橋梁凈空僅為2.5 m,無法吊裝作業(yè),現(xiàn)場示意圖如圖1所示。

考慮到M3聯(lián)為直曲線結(jié)合鋼箱梁,單一頂推施工難以控制曲線段頂進(jìn)方向和平面位置,工程師們最終采用了直線段頂推、曲線段滑移相結(jié)合的施工方法。M3聯(lián)結(jié)構(gòu)簡單,總體噸位不大,施工單位分為A,B,C,D,E,F五個節(jié)段工廠加工后現(xiàn)場安裝,其中:A,F節(jié)段位于高架橋外可吊裝施工;B節(jié)段為曲線段,在其設(shè)計位置外25 m處組拼完成后滑移至設(shè)計位置;C,D,E節(jié)段為直線段,由北向南依次組拼頂推C,D,E三個節(jié)段。

2 直線段頂推施工方法

2.1 工藝原理

依據(jù)橋梁跨徑及鋼箱梁廠內(nèi)制作分段,合理進(jìn)行局部地基處理及步履機(jī)設(shè)置與安裝,采用步履機(jī)將逐節(jié)組裝的鋼箱梁梁端依次頂進(jìn)。在頂進(jìn)過程中采用貝雷片作為導(dǎo)梁,保持頂推過程中的荷載平衡并維持頂推前進(jìn)方向。鋼箱梁整體頂推到位后,拆除導(dǎo)梁,采用步履機(jī)落梁到位并拆除步履機(jī)。

2.2 工藝流程

施工準(zhǔn)備→基礎(chǔ)處理→步履機(jī)安裝與調(diào)試→導(dǎo)梁拼裝頂進(jìn)→箱梁安裝→頂推梁段與導(dǎo)梁固結(jié)→鋼箱梁分段安裝、頂推→導(dǎo)梁拆除→落梁到位→步履機(jī)拆除。

2.3 施工方法

2.3.1 基礎(chǔ)處理

頂推施工步履機(jī)安裝處地基需堅固,基礎(chǔ)開挖后支架及步履機(jī)布置位置底部應(yīng)換填500 mm厚毛渣,毛渣上做300 mm厚C30混凝土基礎(chǔ);步履機(jī)基礎(chǔ)處理后上面布設(shè)鋼板。地基承載力需滿足0.2 MPa。

2.3.2 步履機(jī)安裝與調(diào)試

步履機(jī)的安裝需按照頂推的鋼箱梁總重進(jìn)行合理分配,下部基礎(chǔ)需堅實(shí)、平穩(wěn),防止泡水導(dǎo)致步履機(jī)損壞,支架及步履機(jī)布置如圖2所示。

2.3.3 導(dǎo)梁拼裝及頂進(jìn)就位

吊梁采用321型號貝雷架(3×1.5 m),為保持頂進(jìn)過程中的平衡,貝雷架設(shè)置2排,用8號槽鋼連接。導(dǎo)梁在梁端組裝完成后,先行頂進(jìn)指定位置,并安裝第一節(jié)段鋼箱梁,采用16 mm～28 mm的鋼板制成作為連接件,焊接在箱梁的面板上(上弦)和邊腹板兩側(cè)及底板上(下弦),用D50 mm插銷與導(dǎo)梁對應(yīng)位置連接。導(dǎo)梁推進(jìn)示意圖如圖3所示。

2.3.4 鋼箱梁安裝及頂進(jìn)

第一節(jié)段鋼箱梁與導(dǎo)梁連接后,用步履機(jī)頂推鋼箱梁和導(dǎo)梁前行。前行至與第二節(jié)段長度相等時,安裝第二節(jié)段鋼箱梁,并將第二節(jié)段鋼箱梁與第一節(jié)段鋼箱梁按施工要求進(jìn)行焊接,焊接完成后再整體頂進(jìn),按此施工方法循環(huán)。鋼箱梁頂推如圖4所示。待頂進(jìn)至設(shè)計平面位置處,拆除導(dǎo)梁,用步履機(jī)作微調(diào),使箱梁底座與支座對應(yīng)并連接,平穩(wěn)落于各墩位支座上,拆除步履機(jī)。

3 曲線段滑移施工方法

3.1 工藝原理

采用“軌道+滑塊+千斤頂+反力座+鋼絞線”的滑移系統(tǒng),將預(yù)先組裝好的曲線段鋼箱梁,從開闊拼裝場地沿軌道牽引滑移至設(shè)計橋梁平面位置,落梁到位后,拆除滑移系統(tǒng)各部件。

3.2 工藝流程

軌道安裝→鋼箱梁預(yù)拼裝→在鋼箱梁上安裝滑塊→在軌道上安裝反力座與千斤頂并與滑塊連接→滑移牽引→落梁到位→拆除軌道及滑移部件。

3.3 施工方法

3.3.1 滑移系統(tǒng)組成

鋼梁滑移及牽引系統(tǒng)由2條滑道、4個滑塊、2組2根鋼絞線、2組4根Ф32精軋螺紋鋼筋、2臺10 t穿心千斤頂、2個反力座組成。

3.3.2 滑道安裝

滑移軌道由雙拼440 mm×300 mm H型鋼組成,上鋪12 mm滑道鋼板+4 mm厚不銹鋼板+3 mm四氟板。滑道標(biāo)準(zhǔn)段長9 m,采用法蘭螺栓連接,不銹鋼板寬37 cm,為保證滑道平穩(wěn),不銹鋼板接頭處進(jìn)行打磨平整。

3.3.3 滑塊

滑塊由鋼構(gòu)件+四氟板高分子材料組成。四氟板高分子材料厚3 cm,采用6個高強(qiáng)螺栓與鋼構(gòu)件連接,為避免干擾、減小摩阻力,滑塊兩頭向上翹起;滑塊縱向開長圓孔1個,供鋼絞線通過并在端部安裝BM15-3錨具固定;滑塊縱向開圓孔2個,前后滑塊由Ф32精軋螺紋鋼筋拉結(jié),前滑塊通過精軋螺紋鋼筋帶動后滑塊,實(shí)現(xiàn)整體的滑移。滑塊安裝在箱梁頂部與軌道連接。

3.3.4 反力座

滑道梁上每隔4 m和5 m距離設(shè)置1個反力座固定點(diǎn),在滑道梁頂面開φ28 mm的孔。反力座用于固定牽引鋼梁千斤頂,反力座與滑道梁之間采用6個8.8級M27抗剪型高強(qiáng)螺栓連接。拖拉滑移節(jié)段質(zhì)量為22 t,摩擦系數(shù)μ=0.1,單個反力座承受最大水平力1.1 t。

3.3.5 牽引千斤頂

鋼梁節(jié)段牽引采用2臺10 t穿芯式千斤頂進(jìn)行拖拉。根據(jù)本工程張拉油缸的布置,共準(zhǔn)備2臺液壓泵站,流量為80 L/min。80 L/min泵站為雙泵、雙比例閥和雙路液壓泵站,兩路既能夠獨(dú)立使用,也能夠合并使用,張拉速度可達(dá)3 m/h～5 m/h。

3.3.6 支架布置

支撐臨時支架采用標(biāo)準(zhǔn)支架,軌道采用雙拼440 mm×300 mm H型鋼組成,軌道全長24 m,滑移距離約11 m。

3.3.7 鋼箱梁滑移

將需滑移鋼箱梁在軌道外進(jìn)行拼裝,整體吊裝至軌道上,通過滑移系統(tǒng)滑移至設(shè)計平面位置。滑移設(shè)計如圖5所示。

4 仿真模擬

采用MIDAS/Civil軟件建立直線段頂推有限元模型,鋼箱梁及導(dǎo)梁均采用梁單元模擬,全橋設(shè)一個縱向約束,在支點(diǎn)處設(shè)豎向和橫向約束。

4.1 計算工況

現(xiàn)場已完成M6,M7,M8橋墩施工,M6,M7間距32 m,M7,M8間距21 m。臨近三個橋墩的北側(cè)布置步履機(jī),并在距M8南側(cè)(M7,M8之間)7.5 m處設(shè)一組步履機(jī)LZ,距M8橋墩北側(cè)10.5 m處設(shè)拼裝支架。考慮M6,M7間跨距較大,故在M6,M7間設(shè)三個臨時墩,臨時墩臨近既有線橋墩設(shè)置。各節(jié)段劃分參數(shù)見表1,本文選取表2中最不利工況1—工況4進(jìn)行分析。

表1 節(jié)段劃分參數(shù)表

表2 模擬工況 m

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果

通過有限元數(shù)值模擬,對支座反力、桿件位移和應(yīng)力進(jìn)行計算得出結(jié)果如表3所示。

表3 數(shù)值模擬結(jié)果

其中:應(yīng)力最不利的工況3數(shù)值模擬如圖6所示;位移及反力最不利的工況4數(shù)值模擬如圖7(a),圖7(b)所示。

5 結(jié)語

通過采用直線段頂推、曲線段滑移相結(jié)合的施工方法,順利完成了M3聯(lián)鋼箱梁施工,其中頂推鋼箱梁節(jié)段長50.1 m,成橋單跨最大跨徑36 m,滑移鋼箱梁節(jié)段24 m,最大滑移距離11 m。綜上所述,該方法優(yōu)點(diǎn)有:

1)針對直曲線結(jié)合的鋼箱梁,在無法采用常規(guī)機(jī)械吊裝的施工條件下,將頂推與滑移兩種施工方法相結(jié)合,解決了受限空間鋼箱梁安裝難題。

2)施工所需機(jī)械設(shè)備與輔助材料無需特別制作,操作簡單,適用性強(qiáng)。

3)采用頂推、滑移的施工方法,鋼箱梁安裝位置與設(shè)計平面位置誤差較小,線形美觀。

4)安全性較高,將小節(jié)段的鋼箱梁進(jìn)行現(xiàn)場拼裝后,再進(jìn)行整體頂推和滑移,避免了鋼箱梁吊裝作業(yè)時的安全隱患。