北盘江特大桥位于贵州省六盘水市都格乡, 是杭瑞高速公路毕都公路的控制性工程, 大桥跨越云贵两省交界的北盘江大峡谷。主桥全长1 232m, 为双塔双索面7跨连续钢桁梁斜拉桥, 桥跨布置为 (80+2×88+720+2×88+80) m。全桥钢桁梁共分为93节段, 主跨共划分为Z0~Z28及合龙段 (HL) 共29×2+1=59个节段, 均为12m节段;每个节段为1个12m节间, 共含2片主桁、1片主横桁架、1根中纵梁、2块正交异性钢桥面板及下平联。边跨共划分为B0-B16共17×2=34个节段, B0~B3节段为12m, 构造与主跨节段相同;B4~B15节段为16m, 每个节段为2个8m节间, 共含2片主桁、2片主横桁架、2根中纵梁、4块正交异性钢桥面板及下平联;B16节段为8m节段, 为1个8m节间, 共含2片主桁、1片主横桁架、1根中纵梁、2块正交异性钢桥面板及下平联, 桥梁整体结构布置如图1所示, 钢桁梁结构如图2所示。

由于施工成本及自然环境限制, 边跨钢桁梁采用顶推施工, 中跨钢桁梁采用悬臂拼装施工, 顶推梁段为边跨B0~Z1共19个节段, 顶推最大跨度88m, 顶推力约72 000k N。

根据调研, 国内外采用的顶推工艺主要有拖拉式多点顶推法、楔进式多点顶推法及步履式平移顶推法。下面就以上3种顶推法分别进行介绍。

拖拉式多点顶推法原理是沿桥纵轴方向的一侧设置拼装平台, 并在沿桥纵轴方向设置临时墩, 通过水平液压千斤顶施力, 借助于不锈钢和聚四氟乙烯模压板组成的滑动装置, 将梁逐段向对岸顶推, 待全部顶推就位后再落梁。更换正式支座, 完成桥梁施工, 如图3所示。

楔进式多点顶推法是利用2块楔形滑块相对运动实现梁体上升、前进、下降循环过程, 从而实现梁的顶推, 其顶推施工原理如图4所示。

步履式平移顶推法是基于以前顶推工艺的基本原理, 结合钢桁梁桥的特点特别设计的顶推工艺。其基本原理是利用竖向千斤顶将桁梁多点整体顶起, 水平千斤顶向前顶推实现桁梁移动, 然后下放临时搁置完成拱梁的一步移动, 循环顶、推、降、缩几个步骤逐步完成梁的顶推, 其动力是利用液压泵站的驱动实现顶推, 其顶推施工原理如下: (1) 步骤1顶推系统安装就位; (2) 步骤2步履顶推设备将顶推梁钢桁梁前移; (3) 步骤3步履顶推设备将顶推梁、钢桁梁顶推1个节段长度; (4) 步骤4荷载转换梁下方的千斤顶向上顶升荷载转换梁, 使钢桁梁支撑在荷载转换梁上, 并与顶推梁脱离; (5) 步骤5顶推梁向后移动1个节段长度 (8m或12m) 与后面1个挂架连接, 安装垫块; (6) 步骤6荷载转换梁下方千斤顶收缸, 使钢桁梁下落支撑在顶推梁上, 完成顶推系统的1个循环作业。

拖拉式多点顶推法、楔进式多点顶推法和步履式平移顶推法优缺点分析如下。

1) 优点能保证钢桁梁节点受力, 适应钢桁梁;拖拉设备质量小, 安装拆除方便。

2) 缺点拖拉设备同步性控制较困难, 且拖拉过程中易出现“蛙跳”;顶推水平力较大, 对墩身 (特别是高墩) 受力情况不利。

1) 优点自平衡顶推, 适合高墩;可竖向调整, 各点受力可主动调整。

2) 缺点不能实时进行横向纠偏调整;机体庞大, 对墩身截面适应性差;一般适用于箱梁, 不能直接用于钢桁梁顶推。

1) 优点 (1) 墩旁支架仅作为操作平台使用, 构造简单, 临时结构工程量少; (2) 顶推施工自动化程度较高, 可准确控制各顶推点竖向支撑力, 顶推控制更为精确; (3) 辅助墩受顶推水平力较小。

2) 缺点 (1) 导梁到达1号辅助墩前需采用拖拉或其他工艺完成导梁及Z1, Z0, B0, B1梁段顶推; (2) 落梁之前需先进行2次支撑转换, 拆除顶推设备, 浇筑后浇段混凝土, 操作较为复杂;为减小落梁高度, 辅助墩墩顶2.5m须后浇筑, 且需进行设计修改, 将墩顶实心部分加厚2.5m;现场无大型起重设备, 顶推设备及顶推梁单件质量大、安装困难。

通过调研, 对于钢桁梁顶推, 以上3种顶推技术均存在一定的技术缺陷, 其中步履式顶推技术最接近本工程顶推要求, 但此工艺不成熟, 国内外尚无成熟经验可以借鉴, 对设备要求高, 且现场无大型起重设备, 顶推设备及顶推梁单件质量大, 安装困难, 且主梁落梁高度达3m, 落梁风险大。经过研究, 本项目在步履式顶推工艺基础上自主研发设计了一套适应钢桁梁施工的“节点自适应步履式顶推设备及工艺”, 成功解决了上述难题。

结合钢桁梁结构特点及施工现场情况, 边跨 (80+2×88) m共19个节段, 钢桁梁采用节点自适应步履式顶推施工工艺, 顶推方向由0号墩顶推至3号主塔, 顶推长度共计326.5m。

首先在0号墩处施工拼装平台, 1, 2号墩处安装顶推墩旁支架, 3号主塔安装顶推滑道, 然后安装顶推设备及滑块, 采用60t门式起重机在0号墩处的拼装平台上拼装钢桁梁, 每拼装完成1个节段进行1次顶推施工, 依次循环至钢桁梁顶推就位。钢桁梁顶推就位后将其竖向降至设计标高, 安装支座进行体系转换, 完成边跨钢桁梁顶推施工, 开始施工主跨钢桁梁, 总体施工工艺流程如图5所示。

1) 顶推设备节点自适应步履式顶推设备主要包括滑动面结构、上部滑移结构、下部支撑结构、支撑油缸、横向调整油缸、顶推油缸和外部的整体式支撑框架, 整套系统由计算机控制和液压驱动来实现组合和顺序动作, 以满足施工要求, 如图6所示。

2) 顶推起始平台及钢导梁顶推拼装平台布置在0号桥台靠近主桥侧, 平台轴线与桥轴线相同, 长48m, 宽35m, 主要用于导梁及钢桁梁拼装, 由立柱、拼装支撑轨道、顶推滑道、工作平台、外侧60t门式起重机组成。

为减小钢桁梁悬臂端挠度, 满足结构受力要求, 钢桁梁前端设置钢导梁 (见图7) 。钢导梁长46.5m, 采用三角桁架结构, 主桁中心间距为27m。主桁之间设4道横联及上、下平联。主桁杆件均采用箱形截面, 横联、平联采用[32a。主桁采用变高度形式, 前端上、下弦杆中心间距为6m, 后端为8m。

3) 墩旁支架根据本项目顶推施工工艺要求, 在1, 2号辅助墩设置墩旁支架, 支架上设置16.5m长的轨道梁, 作为钢桁顶推系统的顶推轨道及支点转换回移通道。墩旁支架由立柱、水平梁、支撑梁、附墙杆等部分组成。

4) 主塔滑道梁及滑块由于施工中主塔处最大荷载约4 000k N, 因此不设顶推设备, 仅在下横梁上设滑道梁, 采用滑块被动行走即可。滑道梁左、右幅各设1道, 长10.86m, 位置与主桁中心重合, 采用4拼HN800×300和4拼HM588×300型钢制作, 滑道梁顶部设3mm厚不锈钢板。每幅滑道梁上设1个滑块, 滑块采用型钢焊接制作, 为减小摩擦力, 滑块底部镶δ=20mm聚乙烯四氟板。

1) 顶推设备布置钢桁梁顶推采用多点整体顶推方式, 沿桥向布置顶推设备, 在每个墩顶对称布设2套顶推设备进行顶推。

在拼装导梁及钢桁梁顶推到1号墩位置时, 在拼装区布置2个工作面共4套顶推设备, 1号墩左、右2个墩顶各布置1套顶推设备。

导梁顶推到1号墩墩顶位置时, 将拼装区的2套顶推设备转移至2号墩墩顶。

整个顶推过程共使用6套顶推设备。

2) 顶推原理步履式顶推装置工作原理是竖向千斤顶顶起钢桁梁, 水平千斤顶完成向前顶推, 落梁后搁置于外侧框架上, 以外侧框架为作用点, 水平千斤顶回油将顶推设备向前拖进1个行程, 顶推过程是一个自平衡的顶推动作过程。顶推步骤如图8所示。

3) 钢桁梁拼装钢桁梁每向前顶推1个节间 (8m或12m) 后, 利用起始拼装平台门式起重机相应拼装1节间, 因边跨钢桁梁设1%的竖向纵坡, 为保证钢导梁上墩, 钢桁梁拼装、顶推需按设计线形进行, 每次顶推完成1节间后进行精确纠偏, 确保下个节段的拼装精度。

4) 落梁及体系转换钢桁梁顶推到位需将主梁由顶推滑块支撑转换为临时支座支撑, 并将主梁标高从顶推高程下降至成桥状态高程, 然后进行斜拉索安装等后续施工。北盘江大桥顶推高程较永久支座高程高80cm, 采用落梁千斤顶及临时垫块进行交替落梁。

主梁顶推到位后, 分别在0号桥台、1号辅助墩、2号辅助墩、贵州侧主塔上方设置落梁装置进行落梁, 落梁装置由落梁支撑墩、落梁钢垫墩、落梁千斤顶组成, 落梁支撑墩、落梁钢垫墩由15cm厚钢垫块和2cm厚钢板组装而成, 落梁钢垫墩上千斤顶每落梁2cm, 落梁支撑墩上拆除1块2cm厚钢板, 落梁千斤顶落梁15cm后 (千斤顶行程为20cm, 有效落梁行程为15cm) , 卸载千斤顶让主梁搁置在落梁支撑墩上, 将落梁千斤顶下方拆除1层钢垫块 (15cm) , 千斤顶伸缸顶升主梁, 将落梁支撑墩上1层钢垫块用钢板 (7块2cm厚、1块1cm厚) 替换后, 继续采取落梁2cm拆除1块钢板的方式落梁, 重复以上步骤完成主梁落梁施工 (见图9) 。

待边跨B0~B28、主跨Z0~Z1钢桁梁节间完成落梁并依次安装B1~B28阶段桥面板后, 对称张拉1号斜拉索, 采用桥面吊机依次悬拼Z2~Z28节段并安装桥面板, 桥面板安装滞后钢桁梁2个节段。

钢桁梁及正交异性钢桥面板的各构件在引桥上进行平面结构的拼装, 再通过轨道式运梁小车运送至主跨悬臂处, 采用全回转桥面吊机安装。

主桁架作为1个吊装单元采用桥面吊机平面构架法悬臂安装;每片主横桁架也采用桥面吊机平面构架法悬臂安装;平联采用单件杆件安装。正交异性钢桥面板与钢桁梁同步安装。钢桁梁中跨悬拼完成结构如图10所示。

1) 桥面起重机钢桁梁采用QL70全回转、全液压桥面吊机安装, 最大起重量70t, 桥面吊机在架梁时不挂配重, 通过回转支撑维持上车平衡, 靠锚钩或栓接方式连接在钢桁梁上提供拉反力维持整机的平衡。

2) 运梁小车桥面布置2台65t运梁小车, 由北盘江大桥起点钢桁梁拼装平台处将桁片及杆件运输至悬臂端。

运梁小车由2个单体小车组成, 运梁时小车之间设置连接杆件。运梁小车由走行台车、底盘组成。

为指导北盘江大桥钢桁梁施工, 同时为确保计算结果的准确性和可靠性, 北盘江大桥主桥施工全过程的复核计算采用MIDAS/Civil和BSAS 2套桥梁计算软件, 分别建立施工全过程的有限元模型对主桥施工过程进行数值模拟。根据设计图纸及计算结果分析, 悬臂拼装施工工艺及步骤如下。

1) 在拼装场地拼装主桁架平面构架、主横桁架平面构架、正交异性钢桥面板块等。

2) 每个节间的主桁架作为1个架设单元, 采用平面构架法拼装:通过运梁小车将Z2节间的主桁架平面构架运送到位, 采用全回转桥面吊机安装就位, 安装2号斜拉索;通过运梁小车将Z2节间的主横桁架平面构架运送到位, 采用全回转桥面吊机安装就位;安装下平联、下检修道、中纵梁。

通过运梁小车将Z2节间的桥面板运送到位, 通过桥面吊机将其安装就位, 桥面板 (含U肋、次横梁、小纵梁) 先与上桁架上弦杆、主横桁架上横梁及中纵梁进行栓接, 纵向最后与主横桁架上横梁面板焊接, 下同。安装检查车轨道, 2号斜拉索初张;桥面吊机轨道前移, 桥面吊机行进1个节间, 2号斜拉索二次张拉。铺设运梁小车轨道, 进行后续Z3节间的架设。

3) 重复步骤2) , 直到Z28节间。

4) 主跨合龙段 (HL) 安装。

5) 拆除桥面吊机。

1) 通过对山区大跨径钢桁梁边跨施工方案的研究, 在传统方案的基础上总结出一套新的顶推方案———钢桁梁节点自适应步履式顶推法, 能够有效契合钢桁梁顶推施工。

2) 钢桁梁边跨顶推施工中, 对临时结构、顶推平台及钢导梁等措施进行研究深化, 保障了边跨钢桁梁顶推施工安全可控, 节省成本。

3) 对钢桁梁边跨顶推技术进行研究, 在步履式顶推的基础上开发出新型顶推设备并加以运用, 总结出一套新型的工艺流程。

4) 中跨钢桁梁采用平面构架悬臂架设和单杆架设组合方案, 既缩短了钢桁梁拼装工期, 又较单节段吊装节省了大量成本。