京张高速铁路是2022年冬奥会的重要交通基础配套工程, 设计速度350km/h, 按双线无砟轨道高速铁路标准设计。

官厅水库特大桥全长9 078m, 其中主桥长880m, 设计为8孔110m跨简支钢桁梁桥, 8孔钢桁梁结构相同, 其中单孔桥型布置如图1所示。

单孔钢桁梁计算跨度108m, 梁长109.7m, 采用上弦变高度桁架, 近似拱形, 2片主桁中心距13.8m, 高0～19m, 节间长度10.8m。单孔钢桁梁重1 863t。

主桁上、下弦杆采用四面拼接, 节点均采用整体形式, 腹杆插入节点板内拼接。主桁拼接采用M30高强度螺栓。桥面系采用正交异性钢桥面板, 与下弦杆加宽伸出的竖板栓接、顶板对接焊, 节点板范围内桥面板开槽以方便节点板穿过。上平联、横联节点板焊于整体节点板上。为避免高强度螺栓延迟断裂对行车安全造成影响, 建筑限界上方平、横联采用焊接连接。

主桁弦杆均采用箱形截面, 上弦杆最大外宽1.7m, 长5.9～22.2m, 重14.7～35.0t, 第1根上弦杆水平倾角46°;下弦杆高1.516m, 最大外宽2.1m, 长7.3～21.6m, 重17.7～54.0t。

腹杆采用箱形、H形2种截面, 外宽0.9m, 长8.7～19.4m, 重4.6～10.4t。

钢桥面板有3种类型, 横桥向宽11.7m, 纵向长7.7～10.8m, 重36.5～51.7t, 顶板采用焊接连接, 其余部分采用高强度螺栓连接。

连接系截面为焊接工字形截面, 上平联X形杆件重6.2t;桥门架重7.0t;两种中间横联分别重12.2, 11.7t。

钢梁通过上弦杆加长12, 16mm来实现厂设预拱度。预拱度设置如图2所示。

主桥采用顶推法架设, 在场地适宜的张家口侧地形平坦的引桥陆地区域设置拼装支架^[1,2], 利用导梁和辅助杆件将钢梁在支架上拼装成可顶推的连续梁, 每次顶推1或2孔, 在空出的拼装支架上接续拼装剩余钢梁, 重复拼装、顶推, 将全部钢梁顶推^[3]至设计平面位置。拼装、顶推示意如图3所示。

1) 钢梁外形近似拱形, 预拱度设置将引起辅助杆件弦杆缩短和竖杆加长, 需在制造时考虑。

2) 上弦杆为空间折线形杆件, 种类多, 进场状态与拼装状态不一致, 需进行翻身和倾斜姿态调整, 翻身和倾斜姿态调整工作量大且复杂。

3) 高速铁路上首次采用栓焊结合的平、横联结构, 拼装时最多需8点同时对位, 组拼加工精度要求高, 安装难度大。

根据工期需要, 在张家口侧235～245号墩之间设置长275m、宽19m拼装及滑移支架, 可满足导梁+2孔钢梁拼装需求 (见图3) 。支架侧面设置可满足1孔钢梁杆件存放、预拼装及组焊的存放场。

采用1台80t (既有) 跨线门式起重机用于钢梁主要杆件拼装, 部分杆件利用70t履带式起重机配合拼装, 杆件存放场地设置2台80t门式起重机。设备及场地布置如图4所示。

拼装支架采用扩大基础+钢管柱结构形式;陆地引桥滑移支架兼作拼装支架, 采用桩基础+钢管柱形式 (见图3) 。

按照导梁→钢桁梁→辅助杆件的总体拼装顺序将简支结构拼装成连续结构。

每孔钢梁合龙^[4]后, 再拼装与导梁、辅助杆件连接的上弦连接杆, 确保钢梁拼装线形不受导梁和辅助杆件影响。

弦杆、腹杆采用桥下预拼装, 平板车运输, 门式起重机或履带式起重机拼装;连接系采用胎模架组焊后整体拼装;桥面板采用长线法胎模架匹配组装焊接后分块安装。

导梁、临时辅助杆件为常规平行弦式结构, 按照从下到上、从前到后的顺序拼装。

每孔钢桁梁由92根杆件组成, 拼装以尽快形成稳定体系为原则, 按下弦 (1) →桥面板 (2) →腹杆 (3) →上弦 (4) →桥门架 (5) →平联 (6) →横联 (7) 的顺序进行拼装, 在上弦最后一根杆件处合龙 (见图5) 。

设计给出的厂设预拱度^[5]是在不考虑结构自重时加长上弦杆引起的结构拱度, 实际拼装时假设结构自重全部由支架承受, 以此来设置抄垫标高。

通过对钢梁自重作用下节点的受力进行计算, 将节点力反向作用于支架上, 取得支架的弹性变形值, 支架非弹性变形值根据受力及基础形式进行估算, 然后将支架弹性变形、非弹性变形、厂设预拱度值相互累加, 作为拼装各支点抄垫标高值 (见表1) ;其中, 非弹性变形是一次性的, 下一孔在该处拼装时理论上不考虑非弹性变形值。

由于非弹性变形值为根据经验估算值, 实际施工时须根据测量情况适当调整, 且下一孔再在该处拼装时也要考虑部分垫块的压缩非弹性变形值。

单孔拱形钢梁在形成拱度的同时会引起上弦A1, A1'节点的竖向及水平向位移, 不同工况下的位移值如表2所示。

钢梁每次顶推到位后, 只有两端节点有支撑, 在用临时辅助杆件连接相邻两孔钢梁时, 两孔钢梁的受力工况不同, 导致上弦A1, A1'节点的竖向和水平向位移不同, 对辅助杆件长度的影响也不同。为了实现辅助杆件在无内力状态下拼装, 避免对主体钢梁线形造成不良影响, 同时也要避免扩孔过大 (最外侧孔边距板边净距34mm) 影响结构安全, 辅助杆件的上弦杆需缩短, 竖杆需加长。经过权衡, 按照折中办法调整辅助杆件尺寸, 辅助上弦杆每端缩短35mm, 辅助竖杆加长31mm, 辅助杆件拼装时对螺栓孔局部扩孔。

桥面板共分为11块, 采用模拟弦杆的胎模架组焊。设置1组长58.9m、宽13.2m的组焊胎模架, 每轮次连续匹配拼装6个节段, 2轮完成1孔梁桥面板组焊。

桥面板块拼装顺序:胎模架→横梁 (肋) →纵梁→中间板单元→两侧板单元。拼装完成后先焊接板单元纵缝, 再对横、纵梁焊缝施焊。单块焊接完成后匹配组焊其余节段。桥面板顶面焊接4个吊耳, 钢丝绳连接好后利用门式起重机起吊拼装。

下弦杆拼装时利用杆件自带的栓孔, 采用栓接吊具连接4点起吊拼装。

每孔钢桁梁有4种类型14根折线形上弦杆, 杆件进场状态与拼装状态不一致, 拼装前需对杆件进行翻身和倾斜姿态调整。利用1台门式起重机上的2台天车和4个栓接吊具进行杆件翻身, 吊具连接杆件端部螺栓孔, 通过2台天车分别缓慢放、收吊钩, 实现杆件翻身, 该方法杆件卸车及翻身一次完成, 施工工效高。上弦杆拼装时用主、辅起重机和长短钢丝绳起吊至拼装所需角度进行桥上拼装。

直腹杆采用栓接吊具起吊呈垂直状态拼装, 斜腹杆采用软吊带捆绑至倾斜状态后拼装。

加长上弦杆形成预拱度的同时会产生结构内力, 杆件为有内力状态拼装, 通过支点处增加竖向千斤顶调整合龙口尺寸, 实现单孔钢梁在末根上弦杆 (见图5) 处无应力状态下快速合龙。高强度螺栓施拧滞后2个节间, 桥面板单元桥上拼装时用临时码板固定, 正式焊接滞后1～2个节间。

桥门架利用钢丝绳捆绑至吊装需要的角度后拼装, 平、横联采用胎模架焊接成整体后再吊装施工。

每孔钢桁梁有8个平联和3个横联, 行车建筑限界上方的平、横联接头采用焊接连接, 平、横联与弦杆采用高强度螺栓连接。上平联由3个杆件组成, 均为工字形截面, 2根短工字梁的加长腹板伸入到长杆件翼板中进行焊接连接, 周围4点与上弦杆栓接。横联由9根杆件组成, 有10个焊接点、8个栓接点, 结构与平联类似。

在地面设置模拟上弦的胎模架。利用冲钉和临时码板分别定位栓接节点及焊接节点位置。节点定位技术的应用使平、横联焊接整体成型后, 节点误差控制在±0.1mm, 保证了桥位平、横联杆件的安装精度。平联整体拼装用时2h, 横联整体拼装用时12h, 较杆件散拼提高了施工质量与效率。

本桥钢梁防腐有6道油漆, 工厂涂刷5道, 现场涂刷1道, 除高强度螺栓头、焊缝、喷铝摩擦面以外, 钢梁涂装大部分在工厂完成。杆件最后一道面漆按照从下至上的顺序涂装, 上部涂装时采用塑料薄膜对已涂装部位进行包裹防护, 防止后续涂装施工对已涂装部位造成污染, 影响涂装外观质量。

为了减小高强度螺栓扭矩系数离散对施工的不良影响, 要求高强度螺栓出厂扭矩系数平均值控制在0.12～0.14。

现场施工时严格按初拧-复拧 (需要时) -终拧的程序进行, 高强度螺栓群施拧顺序为从中心向四周扩散, 使用便携式扭矩测试仪进行扭矩检查。

桥面板纵横梁接头部位螺栓受焊接收缩影响, 先全部初拧, 焊接完成后进行复拧, 复拧完成后再终拧。

辅助杆件由连接板、上弦杆、竖杆、平联组成^[6], 其中连接板跟钢梁同步拼装, 其余杆件在钢梁成型后按照从下往上的顺序拼装, 弦杆利用门式起重机拼装, 竖杆、平联利用汽车式起重机拼装, 如图7所示。

通过不断摸索实践, 钢梁单孔拼装时间由最初的20d缩短至12d, 用时8个月完成官厅水库特大桥主桥8孔钢梁的拼装顶推施工任务。拼装采用了预拱度精确设置、辅助杆件尺寸调整、折线形上弦杆快速翻身拼装、平横联结构胎模架组焊整体安装等技术。主桥钢桁梁于2017年11月顶推完成, 拼装后的线形满足设计规范要求。