1 工程概况

山西省太兴铁路柳林河一号大桥为钢箱式系杆拱桥拼装结构, 位于太兴铁路太静段土堂—柳林河间, 中心里程为DK22+814.5, 全长138.969m (见图1) 。桥址位于汾河二库内, 上跨柳林河, 两侧地形陡峻, 起伏较大, 呈U形, 地面标高相对高差约95m。两端分别与新柏崖头隧道和新柳林河隧道相连, 其中小里程侧0号桥台与新柏崖头隧道出口距离为20m, 大里程侧1号桥台与新柳林河隧道明洞入口距离为7.01m。

本钢桥为1-130m下承式单线铁路简支系杆拱桥结构, 由拱肋、系杆、吊杆、横撑、横梁、桥面板组成, 其中拱肋、系梁、横撑为箱体, 吊杆为H形, 横梁为T形, 桥面板为正交异性板。

在加工厂完成所有钢结构构件的加工、制作及预拼装, 现场按照先拱后梁的顺序进行安装: (1) 第1步安装拱肋, 首先进行80t缆索起重机系统、扣锚系统、吊装场的施工, 然后采用支架法安装拱脚GX节段以及相应的桥面板, 随后按顺序采用缆索起重机吊装, 斜拉扣挂法安装拱肋节段和横撑, 最后完成合龙段安装, 完成拱肋部分施工; (2) 第2步两岸对称吊装吊杆、系杆, 最后对称吊装桥面板, 完成主体结构部分施工; (3) 第3步采用桥位现浇施工道砟槽板及电缆槽。

缆索起重机系统包括缆索塔架、主索、起重牵引系统、机电系统及锚固系统等。缆吊主跨230m, 起重机塔架采用万能杆件, 采用扩大基础;主索分2组, 每组由4φ56mm钢芯钢丝绳组成, 2组主索中心距14m。起重采用4台20t跑车起吊, 每台跑车配置1台8t起重卷扬机, 起重索走8绕穿滑车组。采用两岸对拉的牵引方式, 牵引索走2布置, 动滑轮置于天车上, 定滑轮固定于缆塔塔顶。牵引索卷扬机两岸各布置2台, 起重索卷扬机均布置在兴县侧, 共4台, 出绳方向均为垂直向上。锚碇均采用重力式地锚。缆索起重机最大载重能力40t (单侧) , 最大额定起重量80t, 盲区20m, 起重机最大吊重时垂跨比1/14。塔架采用万能杆件拼装的刚架结构, 含双塔架及上、中、下3道横联结构, 塔架中心间距14m, 单个塔架外形尺寸4m×2m, 塔架与基础采用铰接。太原侧塔架上、下游不等高布置, 上游侧高度38m, 下游侧高度48m, 兴县侧塔架高度为36m。

1) 额定起重量Q=2×200×2=800k N (双钩双起) 。

2) 跨度L=230m。

3) 承重索设计垂度f_max=L/14=16.382m。

4) 运行速度运行小车行驶速度V=5~8m/min, 起升速度V=0.5~0.8m/min。

5) 承重索形式单跨双索制。主索采用φ56mm钢丝绳8根, 每组4根。

扣索塔柱高度均为33.2m, 横桥向中心宽度9.656m, 在两岸0号和1号桥台台顶架设, 中心跨度140m。毎岸扣塔由2组独立钢管立柱组成, 立柱间采用万能杆件组成稳定的刚架结构。单个立柱由4根φ800mm×16mm钢管柱及万能杆件、型钢构件组成, 塔柱间设置2道横梁, 采用万能杆件组成, 整个扣塔与基础刚接。

扣挂系统采用有限元软件MIDAS/Civil进行整体建模仿真计算。根据施工过程模拟不同施工阶段和不同工况下扣塔、扣索和锚索的受力状况。

扣塔在自重作用下, 最大应力为10.7MPa≤[σ]=140MPa, 发生在万能杆件上, 最大竖向变形为1.16mm, 发生在万能杆件上, 满足使用要求。

支撑结构的最大应力13.4MPa≤[σ]=140MPa, 最大变形为水平方向0mm, 竖直方向为0.6mm。扣塔钢管的最大应力为16.8MPa≤[σ]=140MPa, 最大变形为水平方向3.4mm, 竖直方向为1.4mm。扣塔万能杆件的最大应力15.4MPa≤[σ]=140MPa, 最大变形为水平方向2.9mm, 竖直方向为1.6mm。扣索 (锚索) 为5×φ15.24mm, 内力287.9k N≤646.4k N。该阶段扣挂系统满足使用要求。

扣塔钢管的最大应力为78.8MPa≤[σ]=140MPa, 最大变形为水平方向13.6mm, 竖直方向为5.5mm。扣塔万能杆件的最大应力为95.3MPa≤[σ]=140MPa, 最大变形为水平方向13.5mm, 竖直方向为5.4mm。扣索 (锚索) 分别为5×φ15.24mm, 6×φ15.24mm, 10×φ15.24mm, 15×φ15.24mm, 内力分别为539.8k N≤646.4k N, 342.7k N≤775.6k N, 581.4k N≤1 292.7k N, 778.9k N≤1 939.1k N。该阶段扣挂系统满足使用要求。

扣塔钢管的最大应力78.7MPa≤[σ]=140MPa, 最大变形为水平方向13.6mm, 竖直方向为5.6mm。扣塔万能杆件的最大应力95.3MPa≤[σ]=140MPa, 最大变形为水平方向13.5mm, 竖直方向为5.6mm。扣索 (锚索) 分别为5×φ15.24mm, 6×φ15.24mm, 10×φ15.24mm, 15×φ15.24mm, 内力分别为559.9k N≤646.4k N, 342.7k N≤775.6k N, 581.4 k N≤1 292.7k N, 778.9k N≤1 939.1k N。该阶段扣挂系统满足使用要求。

缆索起重机塔架、塔顶索鞍及分配梁、起重跑车、缆索系统零部件运到现场后, 在预定拼装场地上采用50t汽车式起重机进行拼装。

1) 施工缆索起重机塔架基础及锚碇, 埋设塔架基础预埋件及锚碇预埋件。

2) 拼装塔架、塔顶工作平台。 (1) 0号桥台地面杆件运输采用25t汽车式起重机配合人工施工, 塔架上杆件垂直运输采用摇头扒杆施工, 卷扬机采用50t汽车式起重机吊装至山顶卷扬机布置平台; (2) 1号桥台杆件拼装及卷扬机安装采用汽车式起重机配合施工。第1节4m节段单杆件散拼成型, 以上节段部分连接件 (如四周米字形结构) , 可先在地面拼装, 而后利用起重机吊离地面在空中对接组拼;其他小杆件及连接板等均采用摇头扒杆吊离安装。拼装至设计有横梁的高度及时将横梁进行连接, 使拼装中的塔架始终处于稳定状态, 塔架安装完成后及时安设后缆风绳。

3) 将索鞍底梁、滑车、塔顶缆风绳分配梁安装到位, 挂设后缆风绳及通风缆。

4) 将索鞍分配梁、索鞍支座、牵引滑轮等索鞍系统构件吊装至塔顶, 将索鞍拼装到位。

5) 解除塔底临时抄垫, 使塔架和基础铰接。

缆塔塔架组装过程中, 塔架基础预埋件连接下铰座, 下铰座与上铰座栓接;同时将塔柱底部与基础顶面相应预埋件临时焊接, 中间设5cm钢板临时抄垫, 将塔柱固定于基础上, 形成刚性结构。塔架及塔顶索鞍安装完毕后, 解除两侧临时抄垫, 使塔架与基础转换为铰接状态。

索鞍安装分为2部分, 一部分为索鞍下承重梁及索鞍分配梁的安装, 另一部分为索鞍各轮系安装。索鞍部分的安装采用在索塔顶上安装一个门字架, 在门字架上挂设滑车, 用卷扬机作为提升动力进行吊装, 为方便索鞍的高空安装, 索鞍部分的连接采用高强螺栓。

1) 将1根φ28mm牵引索缠绕于兴县侧主地锚10t卷扬机上, 牵引一端自兴县侧塔架外侧向上至塔顶, 绕过牵引索转向滑轮后再降至河面。

2) 采用渡船将φ28mm钢丝绳引渡过河至太原侧 (船前进的同时, 放松10t卷扬机) 。

3) 将φ28mm钢丝绳端头绕过太原侧塔顶索鞍牵引索转向滑轮, 拉至该侧主地锚, 并缠绕于10t卷扬机上。

4) 将另一根φ28mm牵引索置于兴县侧塔架下, 牵引一端自兴县侧塔架外侧向上至塔顶, 绕过牵引索转向滑轮后, 用绳卡将端头固定在第1根牵引索上 (绳卡每隔20m一个) 。

5) 收放兴县侧、太原侧两岸10t卷扬机, 拖拉另一根牵引索至太原侧塔顶, 并临时栓固。

主缆索采用φ56mm钢芯钢丝绳 (1 870MPa) , 因受地形条件限制 (跨越柳林河) , 在架设主缆索时采用“小索代主索在滑道上直接拖拉法”安装工艺。

1) 在两岸安设JM3型100k N卷扬机, 用已拖拉过河的φ28mm钢丝绳作为二级牵引绳用。

2) 把φ28mm钢丝绳安装到JM3型100k N卷扬机上, 然后利用其拖拉φ42mm工作绳 (或牵引绳) 至兴县岸塔架, 穿过索鞍滚轮, 固定于西岸主地锚的附设辅助环上, 固结方式用绳卡。安装2根φ42mm两座塔架间对拉工作钢丝绳, 作为下部φ56mm主缆索绳安装的滑行轨道线。

3) 架设固定好后, 以此作为主缆索安装的工作缆索道。首先在工作绳上安装20t铁滑车, 将主索端固定在铁滑车上, 用100k N卷扬机拖拉此滑车在工作绳上滑行, 将主索拖拉过河通过塔架索鞍用绳夹固定在主地锚上。

4) 待主索全部跨越索鞍进行锚固后, 在兴县侧用15t倒链对主索垂度进行调整, 主索安装垂度10.05m, 结合全站仪定位精确调整各主索, 使每2根主索的跨中高差≤2cm。

将φ24mm钢丝绳置于兴县侧主地锚附近, 将其一端牵引至兴县侧塔顶绕过起重索滑轮后临时锁定。

1) 利用兴县侧塔顶鹰嘴在塔顶工作平台上分别安装跑车A, B, 先安装太原侧跑车A, 安装时先解除分配梁、挂架长轴, 分别利用塔架顶的简易扒杆吊放, 并对正放于主索上, 调整好位置后, 在跑车底部进行抄垫, 使跑车走行轮底与索鞍滑轮顶在同一高度, 并利用1根长临时钢丝绳打梢, 然后安装分配梁、上挂架及其他配件等。

2) 将太原侧φ28mm牵引索活头打梢在跑车A前牵引滑轮上, 作为临时牵引跑车, 用φ28mm联车绳一端连在跑车A的轮轴上, 一端打梢在兴县侧塔顶上。拆除跑车A底下的抄垫, 使跑车A坐在4根主索上, 起吊跑车A下挂架 (不含配重) , 用细钢丝绳吊挂于跑车A上挂架下方。

3) 另取1根φ24mm起重索钢丝绳, 置于兴县侧主锚碇, 一端缠绕于该侧起重索10t卷扬机上, 另一端头绕过塔顶索鞍起重滑轮, 穿过跑车A上、下挂架定、动滑轮, 并临时固定在跑车A上, 开动太原侧10t卷扬机, 使跑车向太原侧移动5m。

4) 参照1) , 在兴县侧塔顶安装跑车B。

5) 将兴县侧φ28mm牵引索活头绕过跑车B前牵引滑轮, 索鞍牵引滑轮, 拉至该侧主锚碇, 并锚固于牵引索预埋件上, 将φ28mm联车绳的另一端连在跑车B的轮轴上。拆除跑车B底下的抄垫, 使跑车B坐在4根主索上。起吊跑车B下挂架 (不含配重) , 用细钢丝绳吊挂于跑车B上挂架下方。

6) 将φ28mm起重索穿过跑车B上、下挂架定、动滑轮。穿过跑车B并临时固定在跑车A上, 收、放两侧牵引索10t卷扬机, 将跑车A, B拉至太原侧塔旁, 拴在塔头上。

7) 将跑车Aφ28mm牵引索绕过太原侧塔顶索鞍的牵引滑轮, 拉至该侧主锚碇, 并锚固在牵引索预埋件上。将跑车A起重索绕过太原侧索鞍起重滑轮, 拉至该侧主锚碇, 并锚固在牵引索预埋件上 (端头应加设配套套环) 。

8) 将跑车B的φ24mm起重索绕过索鞍起重滑轮, 拉至太原侧主锚碇, 并锚固于其起重索预埋件。

9) 卸下跑车上、下挂架间连接钢丝绳, 用棕绳将下挂架拉至地面安装配重。

在预拼场进行节段组装, 每组装完成1节段, 采用缆索起重机整体吊装至指定位置进行安装。

塔架逐层向上拼装高度达到设计图纸要求, 在拼装过程中塔架要及时设置临时缆风绳, 当到达缆风绳位置时再设置永久缆风绳, 上层采用2φ42mm钢丝绳, 下层缆风绳也使用2φ42mm钢丝绳, 其设置的系点、锚点、锚固方式按设计图纸实施。

1) 通过静载试验检验缆索各部分的承载能力, 如杆件未出现裂纹、永久变形、油漆剥落、连接处松动或损坏以及对起重机的性能与安全有影响的损坏, 即认为本试验结果良好。

2) 对各起升钩头分别做静载试验, 合格后再做单索双钩静载试验。试验位置距索塔30m和主索1/2处。静载试验的荷载分试验荷载0.5, 0.75, 1, 1.1, 1.25 5次加上去, 起升至离地面200~400mm高处, 悬空时间10min。

1) 通过动载试验检验起重机各机构和制动器的功能。如各部件能完成其功能试验, 并目测检查中未发现机构或结构的构件有损坏, 连接处也未出现松动或损坏, 即认为本试验结果良好。

2) 对各起升钩头分别做动载试验, 合格后再做单索双钩、双索单钩动载试验, 试验位置距索塔30m和主索1/2处。试验中, 对每种动作应在其整个运动范围内做反复启动和制动, 并按其工作循环, 试验至少应延续1h。

动载试验荷载分0.5, 0.75, 1, 1.1的试验荷载4次加载。

按照缆索起重机的静、动载试验规程, 依次进行各项试验, 试吊结束, 各项性能合格, 缆索起重机投入使用, 使用过程中严格执行缆索起重机安全技术操作规程, 每吊装1节段即检查、保养1次, 发现问题及时检修, 确认合格方可运行。

根据结构特点及地形条件, 确定桥体钢构件起吊点设在太原侧, 两岸对称安装。根据总体设计图纸及方案要求, 确定先拱后梁的拼装顺序。施工步骤为: (1) 第1步首先安装拱脚支撑, 然后采用缆索起重机进行拱脚拱、系部分安装及现场焊接, 扣索后进行拱脚处A型桥面板安装; (2) 第2步缆索起重机两岸对称进行拱肋和横撑安装; (3) 第3步两侧拱脚系杆部分底部设置牛腿, 各采用1束20根钢绞线张拉连接成临时系杆, 以减少扣塔扣索受力; (4) 第4步两侧对称安装吊杆。单钩或双钩辅助过扣塔, 纵向就位后单钩吊装、横移就位; (5) 第5步单侧双钩进行系杆安装, 人工横移就位连接; (6) 第6步全桥合龙后拆除临时系杆以及缆扣体系, 进行桥面附属施工。

太兴铁路柳林河一号大桥采用缆索起重机及扣挂系统拼装1-130m钢箱式系杆拱桥施工技术, 有效解决了在峡谷地带施工场地较小跨河钢结构桥梁拼装施工难题, 通过对缆索系统的设计、检算、安装及现场验证, 满足施工需要, 取得了很好效果。