为促进旧桥改造施工技术现代化、标准化、提高效率、缩短工期、保护环境、节能减排,特别是邻近铁路营业线的旧桥改造工程项目,施工、铁路运营和航道安全尤为关键,特别是铁路正常运营条件下公路桥正交异性板安装质量控制极其重要。正交异性板安装常用的吊装设备有:汽车式起重机、履带式起重机、桅杆式起重机、独立设计的架板机等,根据特定作业环境选择,设计具有针对性的吊装设备及方案不仅关系到正交异性钢板能否安全、高效安装到位,还关系到正交异性钢板安装质量。

本文依托枝城长江大桥公路桥维修加固工程为研究背景,在现有正交异性板安装方案方法的基础上,结合本项目的独特性,对铁路正常运营条件下的公路桥正交异性板安装设备设计选型和安装方案方法进行详细阐述,同时对架设精度控制、线形控制方法进行分析和研究。

枝城长江大桥是长江上第2座公铁两用连续钢桁架桥、第1座公铁同面的长江大桥。铁路桥全长1 742.3m,公路桥全长1 744.796m。主桥孔跨布置为(4×160+5×128)m钢桁架桥。主桥布置如图1所示。

主桥公路桥全长1 280m,宽7.1m,分左、右2幅,位于从2片主桁架下弦的节点外侧悬臂伸出的托架上,托架上设置4片纵梁,支撑5m宽行车道和1.45m宽人行道。原桥采用16m 1联混凝土正交异性板,16m设置1道伸缩缝,本次加固设计为拆除原有混凝土桥面板,采用新增32m 1联正交异性钢桥面板,全桥共80联,32m设置1道伸缩缝。正交异性钢桥面板与原桥支撑纵梁结构采用高强度螺栓栓接。主桥横断面如图2所示。

本项目公路与铁路同面,公路一侧为铁路主桁架且铁路正常运营、一侧为临江面且桥下为长江主航道,作业空间狭小,可采用的架设安装方法各有利弊。架设方法比选如表1所示。

新制正交异性钢桥面板分成4m节段制造,便于运输和安装,标准节段桥梁横向宽7m,里程方向长4m,最大单位重10t。根据整机吊重、走行方式、吊装方式、功能需求、优缺点进行选型设计。本架板机设计需满足以下要求和特点:全自动、结构简单、自重轻、设备高度小、可提升下放纵移横移、吊具具备360°旋转功能。

根据支腿受力部位不同,设计3种结构形式不同的架板机,依据设计和功能要求进行比选。架板机设计选型如表2所示。

架板机设计为6支腿门式结构,前支腿在原桥结构钢纵梁上走行,中后支腿在已安装正交异性板上走行。前支腿设置限位装置,中后支腿设置轮箱走道。自重18t,起吊能力为15t,起吊高度为2m。较小自重能有效减小施工过程中原桥钢纵梁、托架结构应力。架板机结构立面如图3所示,支腿立面如图4所示。

利用MIDAS对原桥托架、纵梁、已架桥面板、架桥机结构进行统一建模,考虑托架与原桥主桁架节点为固结约束,钢桥面板与钢纵梁采用弹性连接约束,轨道与钢桥面板采用弹性连接,架板机与轨道采用弹性连接。

架板机自重18t,待架桥面板最大质量为11t。分别计算架板机空载、架设最重桥面板静载、纵向移动桥面板、横向移动桥面板4种工况下托架和纵梁的强度、挠度。

通过计算,提梁纵向移动时架板机及桥梁自身机构为最不利情况。最大位移发生在架板机主梁处,位移值为6.4mm,小于允许挠度值L/600=13mm,状态安全。提梁纵向移动过程中,托架前端部的应力值最大,为90.7MPa,小于Q235钢材容许应力,状态安全。

全桥共设置4台架板机,左、右幅两端各设置1台同步架设,严格控制架设同步进度和桥梁荷载,尽量减小对铁路主桁架的偏载影响。梁下设置吊架平台、铁路主桁架侧设置防侵界防护网。架板机的布置和桥面板架设方向如图5所示。

前2段正交异性板采用汽车式起重机安装,安装完毕后在已架正交异性板和原桥钢纵梁上拼装架板机。桥面板架设的工艺流程如图6所示。

本项目铁路在中间,公路在两侧,公路与铁路同面。公路施工时务必将公路作业区与铁路营业线隔离分开,采用防护网隔离带避免侵界施工,防护网采用抱箍方式固定在铁路主桁架上。采用吊架平台降低航道运营安全,吊架平台固定在支撑纵梁上。铁路防护网布置如图7所示,梁底吊架平台布置如图8所示。

正交异性板支撑结构为4道钢纵梁,原设计同一断面上钢纵梁标高相同,由于安装偏差导致4道钢纵梁同一断面高程存在1~2cm高差。新设计正交异性钢板与钢纵梁间采用垫板调平后采用高强度螺栓连接。

安装前需进行全桥高程通测,拟合全桥高程,同一断面支撑点上采用钢垫板进行抄平,还需满足桥梁纵向高程线形需求。依据拟合高程,钢垫板高度为2.6~7.4cm,配备2,4,8,10,20,30,40mm厚规格。

采用平板运输车运输单块正交异性板,运板汽车运输至架板机中后支腿之间,等待吊装。平板车货箱高度要求≤1.2m,货箱长度≥6m。

正交异性板上设置4个吊耳,4个吊耳纵横向间距严格控制,吊耳与正交异性钢板采用焊接。吊耳对角线中心为正交异性钢板浇筑混凝土后的理论重心,起吊时吊耳对应架板机硬吊具的耳板。运板车将正交异性钢板运送至架板机下的中后腿之间,操作d车和吊具纵横移动对应正交异性钢板吊耳位置,利用可循环使用吊耳和插销连接正交异性钢板吊耳,起吊正交异性钢板,运梁车驶出。操作提升装置下降,使正交异性钢板降落至已架正交异性钢板上方30~50cm,防止自由高度过大。操作d车纵向移动至中前腿待安装区域。

本方案的亮点之一为横移。正交异性钢板需窄边运入架板机中后腿之间,起吊运抵至中前腿之间后需旋转90°就位。又由于架板机距离铁路主桁架净距只有0.6m,正交异性板运抵至中前腿中心时不能及时旋转,会导致正交异性钢板与铁路主桁架冲突,故需将正交异性钢板横移远离铁路主桁架,横移距离为1m,横移完成后再旋转。

本方案亮点之二为360°回转系统,可将被吊物进行360°回转,360°回转有利于正交异性钢板架设精确初步就位。

正交异性钢板横移到规定位置后遥控操作旋转吊具旋转90°,使正交异性钢板与桥梁纵轴线锤直,然后起吊下落正交异性钢板。有效避免了有限空间位置人工旋转带来的安全隐患。

回转完成后,操作d车及横移装置使正交异性钢板初步就位。再利用千斤顶进行平面位置微调,使待架正交异性钢板与已架正交异性钢板在高程、线形上精确对位。

正交异性钢板8块为1联,纵桥向32m设置1道伸缩缝,8块正交异性钢板架设完成后从中间往两边统一焊接,考虑纵向收缩变形,8块正交异性钢板的安装总长度比设计扩大2cm。

待架正交异性钢板与已架正交异性钢板采用临时焊接方式固定,正交异性钢板支撑于原桥纵梁上,临时固定后架钢板机可在未与已架正交异性钢板焊接成整体和高强度螺栓未施拧前的待架正交异性钢板上走行,继续架设下一块待架正交异性钢板。

首先把2根可移动的轨道铺设到已焊接并固定好的正交异性钢板上,去掉原可移动轨道上的止挡及限位开关并安装于刚铺设好的轨道上;然后遥控指挥架桥机纵向行驶至指定位置,并使前支腿与原桥钢纵梁锚固。

正交异性钢板与原桥钢纵梁采用高强度螺栓连接,每块正交异性钢板与钢纵梁对应一处螺栓孔群,每块正交异性钢板共设置4处螺栓孔群。新制正交异性钢板螺栓孔群需与原桥钢纵梁上既有螺栓孔群匹配,且钢纵梁部分螺栓孔群需扩孔。采用螺栓扩孔器进行配孔,先刻画出螺栓孔群中心和螺栓中心,依据中心点进行配孔,尽量减小原有螺栓孔群偏差。

先测量现场原有螺栓孔群实际尺寸,根据测量尺寸进行钢垫板配孔。配孔完成统一存放,钢垫板安装前进行喷砂处理。现场按照监控提供标高对正交异性钢板进行抄垫,按实际需求选择不同型号的钢垫板,以保证桥梁成桥线形。

所有正交异性钢板均在厂内预拼装保证工地端口的对合精度。在纵梁上标识出基准线,并严格按照标识进行正交异性钢板节段定位。

正交异性钢板初步就位后,解除架板机与正交异性钢板之间的连接。施工人员借助千斤顶对正交异性钢板进行精确定位,控制正交异性钢板平面位置和对角线偏差。精调后即可进入正交异性钢板安装阶段。

采用严格控制钢垫块高度的方式控制局部高程,新安装的正交异性钢板高程趋势线形不做调整,与主桁架高程趋势线形保持同步。依据原桥主桁架平曲线线形控制正交异性钢板里程方向线形和偏位,保持桥面板边线与原桥主桁架线形平行一致。

枝城长江大桥公路桥正交异性钢板共计80联640节段,利用4台架板机进行架设,累计用时85d,架设速度远远大于焊接速度。全过程未发生既有线和航道安全事故,临时设施和架板机方案经济合理、优质高效,正交异性钢板就位速度快、安装精度高。全自动可横移360°旋转架板机已申请和颁发了实用新型专利(专利号:ZL 2014 2 0380366.1),该架板机结构形式和架设方法得到了行业内和专业结构的认可,全自动、结构简单、自重轻、设备高度小、可提升下放纵移横移、吊具具备360°旋转功能等优点和架设理论可在今后公铁两用桥维修加固工程上得到广泛应用。