钢桥拖拉法施工关键技术
1 工程概况
澄浪桥主桥采用全钢结构,全桥用钢量为7 300余t,为斜桥布置的中承式无风撑内倾坦钢箱拱肋拱桥 (见图1) ,该断面形式既满足受力要求,又避免高、宽钢箱的厚重感,具有良好的景观效果。主桥一跨过江,水中不设桥墩。主桥净跨175m,主梁长183m,桥宽33.5m,桥下净空按5.8m控制。东西侧引桥分别采用3跨一联和5跨一联的预应力混凝土单箱多室连续梁,桥宽28.5~35.5m。
2 施工方案比选与优化
目前国内外钢桥架设常用:自行式吊机架设法、联合架桥机法、门吊架设法、浮吊架设法、缆索吊机架法、悬臂架设法、旋转施工法、顶推法、拖拉施工法等,澄浪桥选择合适的施工方法,不仅要考虑桥梁形式、跨度和宽度、陆上水上交通状况、设计条件、施工技术、现有设备等条件,而且还要考虑架设安全、工期、工程费用等,因此,根据澄浪桥工程结构特点和现场工况条件,本桥采用先梁后拱主体施工方案,东西侧引桥待主桥主梁贯通且先后合龙后再合龙主桥主拱。本工程受奉化江上游长丰桥 (桥下净空5.8m) 及下游灵桥、琴桥、铁路桥 (桥下净空5.0m) 的桥下通航净高限制,原方案中拟用500t浮吊进行大节段拼装,因大型浮吊无法驶入,经过多方案比选,最终选定拖拉法,选用小型机具及起重吊装设备,并在此基础上进行不断优化。
2.1 水中临时支架优化
水中临时支架采用钢管桩加贝雷梁支架方案,原计划在江中插打5排钢管桩格构柱,中间预留2个2m×35m的孔做临时通航孔,满足30m通航宽度要求。通过计算可知,35m贝雷支架挠度值达12cm,竖向位移大大超出JTJ/T F50—2011《公路桥涵施工技术规范》规定最大值L/400的要求,同时结构安全及稳定性也是问题。因此,最终将江中支架方案调整为7排,并将中间通航压缩为2m×27m双向两通航孔,满足海事部门提出的最小净通航孔宽度22m要求。由于通航孔净高无法满足4.0m限制,所以将通航孔道贝雷梁 (高1.7m) 调整为钢箱导梁 (高1.0m) ,从而满足有关规范和相关部门要求,水中支架布置如图2, 3所示。方案设计中4道贝雷梁组片中心间距为5.1m+15.3m+5.1m,考虑外侧2道贝雷组片承担移梁和承载全桥桥面主要荷载,内侧2道贝雷组片承担汽车式起重机上桥和稳定全桥桥面荷载的作用。
2.2 钢梁节段施工优化
依据澄浪桥钢结构制造方案,钢结构主梁共117个节段,所有节段厂内制造。根据设计及现场吊装条件,综合考虑供料、工艺性、运输等因素,运输至现场后,在桥位现场拼装成15个大型节段,如图4所示。中间节段JD3-JD13为钢横梁部分,共128.64m,标准节段长12m,重约204t,在西桥头胎架拼装成型后拖拉至桥位。桥两端节段JD1~JD2, JD14~JD15为钢箱梁部分,共28 (7×4) 个吊块,现场采用浮吊配合汽车式起重机直接安装就位。摒弃原方案中拟使用的500t大型浮吊和350t大型汽车式起重机,实际使用2台22t卷扬机、1台80t浮吊和2台75t汽车式起重机。现场安装使用小型机具、设备,避免大型起重吊装设备的投入,大大降低施工风险、简化施工流程、节省施工费用、缩短工期,也确保桥下水上交通的安全及通航要求。
3 拖拉法施工关键技术
钢桥的拖拉法很多,施工中须根据桥型结构及桥跨长宽等进行比选,拖拉施工中,一般公路桥多采用临时支架纵向拖拉法,只有桥跨长宽不大的桥梁 (如铁路桥) 墩台和导梁,采用半悬臂或悬臂纵向拖拉法。澄浪桥由于跨度很大,宽33.5m,所以经比选选定临时支架纵向拖拉法。
3.1 临时支架平台
拖拉施工的临时支架平台须具有一定的强度、刚度和稳定性,特别是拖拉纵向稳定性须满足设计及施工规范。澄浪桥临时支架钢管桩采用800×10钢管,利于浮吊振动锤在江面上插打,由于机械振动、江水湍急、涨落潮等影响,钢管柱的插打定位偏差较大,在不影响通航的情况下采用排架桩附近临时插打钢管桩的方法,利用交叉钢丝靠绳定位插打钢管桩,同时将支架钢管桩设置成钢管格构柱并连接成排架整体,从而确保贝雷梁组片及钢箱导梁的准确定位,也为施工作业提供操作平台。
澄浪桥的贝雷支架及钢箱导梁采用分节段拼装,吊装拖拉就位后连成整体。支架设计按规范进行承载力及抗倾覆计算,并进行部分支架预压验证。实际拖拉过程中钢箱导梁变形小、结构受力可控,然而贝雷梁支架平台存在横向位移偏差超限问题,甚至局部横向位移拖拉过程可达15cm,严重影响临时支架安全。经过反复研判和比选,最终选定└70×70×5等边角钢自制三角架进行补强;后续拖拉过程中实测贝雷支架横向变形≤4cm,从而大大降低贝雷梁组片横向倾覆的风险,确保施工安全。
3.2 牵引与制动系统
拖拉法施工动力系统一般均采用卷扬机和滑轮组。由于钢与钢接触面滚动摩擦系数一般为0.03~0.09,所以拖拉力可大大降低到拖块的10~30倍以下,小型卷扬机可满足牵引力要求。以澄浪桥为例,卷扬机配置最大牵引力为F=1.2 (启动和安全系数) ×3 040kN (拖块重力) ×0.09=220kN。因此现场配备2台22t卷扬机和一些滑轮组能满足施工要求。
为更好地控制拖拉施工行进速度,确保拖拉安全、平稳,现场还须根据实际情况设置车挡、制动闸瓦或反向制动卷扬机。设置反向拖拉卷扬机较简便安全,拖拉行进速度宜1m/min,以免移动梁体拖块能量积累造成制动困难,甚至发生安全质量事故。
3.3 滑行系统
滑行系统通常包括上滑道+滑块 (或滑车) +下滑道,一般以钢桥梁体下底面做上滑道,滑块可采用带橡胶板的聚四氟乙烯板或直接采用自制滑车,下滑道采用钢轨、槽钢或直接利用贝雷支架上表面。滑道有间断、连续设置2种,由于滑道安装精度要求高,梁体拖拉就位后还须拆除,从而增加施工的复杂性和危险性,因此,澄浪桥施工中取消上下专用滑道,直接利用梁底和贝雷梁架的上表面,并在贝雷梁上放置滑车,拖拉过程中最初使用卡口式滚动滑车,因阻力太大,实际很难拖动,改用船形滑车,滑车下直接支垫钢制滚筒,滑车由滑动摩擦变成滚动摩擦,从而大大降低阻力。实践证明,该方法具有极大优越性,不仅装置简单、移动灵活、更换方便,且调差和纠偏形式多样、迅速。
3.4 顶升移位系统
支垫、移梁、落梁、梁体标高调整等涉及梁体顶升与移位,钢桥拖拉施工的顶升移位系统常采用几组相同型号的分离式液压千斤顶,其液压系统单独配套设置液压泵,并可设置PLC控制室,实现顶升、移位作业的同步控制。为克服钢梁节段顶升、移位施工作业空间狭小的缺点,也为确保作业时的整体稳定与安全,现场多采用薄饼式千斤顶。澄浪桥共配备8台TLQLD-200-5分离式液压千斤顶 (备用4台) ,单台起重200t,工作行程5cm,因顶升时贝雷梁片支架变形下沉量较大且不均匀,因此现场未设置PLC控制室。顶升前应将各千斤顶调零,在顶升过程中检查每个千斤顶受力状况及油缸活塞伸出情况,并将千斤顶总伸长量分3段作为每个控制步长,澄浪桥的顶升步长控制为2cm+2cm+1cm,每完成1个控制步长停留1~2min,检查每个千斤顶受力及油缸伸出情况,并做好记录。发现异常必须检查原因,及时调整,以达到同步顶升移位的效果。
3.5 施工注意事项
1) 临时支架设置的贝雷梁组片滑道应与钢桥主梁的纵梁方向重叠一致;拖拉法施工中,分段梁体的顶升、定位支撑点应设置在钢桥主梁与横梁结构的交叉节点上。
2) 应严格控制贝雷梁组片滑道水平标高,以避免拖拉梁体上下坡道行进过程中产生较大的冲击力;分段梁体拖拉过程中将会产生水平推力,贝雷梁片验算需考虑不均匀系数。
3) 钢梁节段拖拉过程中不可避免地出现梁体偏移,应加强监测监控并进行主动控制和纠偏。澄浪桥工程项目部成立监测测控小组,并聘请长安大学公路工程检测中心进行专业监测监控和业务指导。贝雷梁组片滑道、拖拉梁体均应设置限位装置;梁体纠偏可采用千斤顶横移、微调滚筒方向、斜向拖拉或反向回拉后重新向前拖拉等方式。
4) 钢结构桥梁受气温变化、焊接变形等影响,会产生较大的温度应力和变形,施工中须加以控制,合理选择分段焊接成形施工顺序。澄浪桥梁体节段采用全桥钢梁节段先拖拉就位,再对称、间隔施焊成形的方法,并严格控制焊缝宽度,有效控制气温变化、焊接变形对结构的影响。
4 结语
钢桥拖拉法施工是最常用的施工方法之一,具有经济、快速的优点,尤其在大跨度钢桥施工中,更能显示优越性。不仅避免大型机械设备的投入、危险因素大大降低,而且施工机具设备简单、施工投入较少,安全、质量均容易得到保证。通过澄浪桥钢梁结构拖拉法施工,总结相关的施工关键技术和管理经验。
[2] 中冶京诚工程技术有限公司.钢结构设计规范:GB50017—2017[S].北京:中国建筑工业出版社, 2017.
[3]李军平.正交异性钢桥面板疲劳控制技术研究[J].施工技术, 2019, 48 (5) :1-4, 37.
[4]孙亚刚, 贾少凯.大跨度钢箱梁拖拉安装施工技术[J].施工技术, 2018, 47 (20) :81-84.