上行式桁架型节段拼装移动支架造桥机技术特点及应用

冯延明

(中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京 102600)

上行式桁架型节段拼装移动支架造桥机技术特点及应用

冯延明

(中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京 102600)

针对上行式桁架型节段拼装移动支架造桥机在单箱双线铁路预应力混凝土简支梁桥上的应用,简单介绍节段拼装法的施工特点及其优越性,详细阐述上行式桁架型节段拼装移动支架造桥机结构构成、施工技术特点和应用范围。同时,对上行式桁架型节段拼装移动支架造桥机施工工艺和关键技术给予了说明。结合具体采用上行式桁架型造桥机施工的在建和已建成的桥梁,进行了工效分析。根据施工过程中的具体体会,文章提出对上行式桁架型造桥机需要完善、改进和提高的几个方面,并对上行式桁架型造桥机应用前景和发展方向进行了展望。

预应力混凝土;单箱双线梁;节段拼装法;上行式移动支架;造桥机

1 概述

1.1 节段拼装法施工特点

预应力混凝土箱梁节段预制拼装的施工方法是沿桥梁的纵向将梁体分割成若干节段单元进行工厂化生产,再逐段运至桥位利用移动支架造桥机进行拼装。由于节段在预制场内统一生产,系统化模板安装、拆除方便,机械化、自动化程度高,模板利用率高,节段制作精度好,施工速度和质量容易控制,节段预制后可获得足够的养生时间和龄期,能大大减少后期的收缩徐变。另外采用节段预制拼装,结构上、下部可同时施工,节省工期,施工不需搭设地面支架,不受地形限制,改善了工作条件,有利于环境保护。该施工方法因其在保证施工质量、加快施工进度及减少环境污染等方面具有很大的优越性,得到了广泛推广。[1]

1.2 我国铁路早期造桥机

我国铁路采用节段拼装的历史背景是在 20世纪90年代。山区桥墩较高,而当时架桥机所能架设的最大跨度为 32m T梁,因此较大的墩高而配置较小的跨度很不经济;另外跨越黄河、长江以及其他较大河流的铁路桥梁,需考虑分洪和深基础施工,也要求桥梁设计为 40m跨以上;再者铁路的提速对桥梁的横向刚度也提出了更为严格的要求,即采用刚度和动力性能较好的箱形梁。正是在这样的背景下,节段拼装移动支架造桥机应运而生。[2]

我国铁路桥梁早期采用节段拼装移动支架造桥机是在 1993年建成的灵武铁路杨家滩黄河特大桥,该桥采用了八七型铁路应急抢修钢梁(简称八七型梁)节段拼装移动支架造桥机成功修建了 10孔 48m单线预应力混凝土简支箱梁。[3]自此,节段预制拼装施工技术开始在铁路行业陆续发展起来,先后在南昆线、内昆线、渝怀线、遂渝线、洛湛线、宜万线等多条铁路上得以应用(图1)。

图1 八七型梁移动支架造桥机修建灵武铁路杨家滩大桥 48m预应力混凝土简支箱梁

早期的节段拼装移动支架造桥机多采用内穿式,即造桥机与混凝土梁的位置关系犹如铁路穿式梁与火车,混凝土梁在造桥机腹内拼装架设。这种造桥机多用于单线铁路的建造,虽然在少数单箱双线桥梁上使用过,但其对梁及桥墩的宽度有一定的限制,更为不利的是支架不是支撑在桥墩墩身范围内而是支撑在悬臂托盘上,因而桥墩墩帽内必须通过预埋强大的钢支架将造桥机的荷载传递到墩身范围内,这种做法既对桥墩提出了苛刻的要求又增加了工程造价,限制了造桥机的适用范围。

1.3 上行式桁架型造桥机应用背景

近年来,我国铁路实现跨越式发展,客运专线大量兴建,由于单箱单室的宽桥面预应力混凝土结构具有稳定性好、横向刚度大、运行平稳、易于维护等特点,成为客运专线双线梁的首选。目前铁路客运专线桥梁基本上都是一次建成双线,其梁重和桥面宽都比原单线普通铁路桥增加了很多,同时单个预制节段的质量也由原来的 80 t增加到了 160 t。这样原来的节段拼装造桥机无论在结构形式上还是在承载能力上均不能满足客运专线双线梁的需要。为了适应我国快速发展的客运专线建设,中铁五院北方路桥公司专门研制了客专双线节段拼装造桥机,即上行式桁型节段拼装移动支架造桥机。它采用上行悬吊式结构形式,改变了传统单线造桥机正向喂梁的模式,而是将预制梁段在正常方向上旋转 90°,待预制梁段吊运至造桥机底部时再利用回转天车将梁段回转至正常位置,这样对桥面的宽度完全没有限制,非常适应宽桥面、大荷载的客运专线双线节段拼装梁的施工。[4]

1.4 上行式桁架型造桥机施工技术特点

正是因为早期内穿式造桥机的局限性,中铁五院北方路桥公司开发出了上行式桁型节段拼装移动支架造桥机,并成功应用于南昌西环线赣江特大桥 14-48 m、包西铁路黑龙沟大桥 9-48m、袁家沟大桥 10-48 m、义南洛河特特大桥7-32m+11-64m单箱双线铁路预应力混凝土简支梁,它具有如下特点。

(1)采用上行悬吊式,对梁宽没有限制,更适合单箱双线宽桥面箱梁的架设。

(2)它通过后支腿支撑在已成梁支座处,中支腿支撑在待架孔桥墩垫石上,前支腿作为辅助过孔支腿支撑在前方桥墩上,对桥墩不做任何特殊要求,彻底取消了桥墩预埋件。

(3)造桥机作业过程均在梁部以上,方便进行首、末孔施工。

(4)造桥机的承重主梁采用桁架型结构,能方便地组合成各种跨度,尤其是一套造桥机通过支腿的变换能在同一座桥上适应不同跨度箱梁的拼装架设。

1.5 上行式桁架型节段拼装造桥机应用范围

上行式桁架型节段拼装移动支架造桥适用于铁路64m及以下跨度的单、双线等跨或不等跨节段拼装箱形简支梁架设,最小曲线半径可以达到1 000m。经现有不同杆件、设备适当组装后,也可应用于市政工程桥梁的节段拼装法施工。

2 上行式桁架型节段拼装移动支架造桥机的总体组成(图2)

上行式桁架型节段拼装移动支架造桥机采用上行悬吊、两跨迈步式,其主要由承重梁、支撑系统、回转天车、悬吊系统、运梁装置、纵移过孔装置六大部分组成。

图2 上行桁架型节段拼装造桥机构造

承重主梁采用桁架型,直接承受其自身重力及混凝土梁重力;支撑系统分前支腿、中支腿、后支腿 3部分,将承重主梁上的荷载传递到已成桥墩或箱梁上;回转天车负责节段的起吊、旋转、就位的功能;悬吊系统将节段悬吊到造桥机承重主梁;运梁装置将预制好的节段喂送到造桥机尾部;纵移过孔装置将造桥机纵移到下一待架孔位置。

2.1 承重梁

承重梁采用桁架结构,可根据不同跨度采用各种组合,但其总长度比待架梁最大跨度的两倍稍长,其包括主梁(承受混凝土梁自重的部分)、前导梁(造桥机辅助过孔部分)和尾梁(节段安装到造桥机上的过渡结构)。

主梁两两一组,每组由两片桁架通过平面联结系、断面联结系形成整体,组之间拉开 5.8m距离(距离能满足预制节段从中间穿过),并在中支点、后尾梁、跨中设置断面联结系联结形成整体;为了减轻前导梁,主梁向前导梁逐步过渡为两片桁架、变高度截面形式。

桁架标准节段长 4.8 m,为了调节跨度,设置长2.4m和 1.6 m的畸零节间。桁架高度从主梁部分7.5m逐步过渡到 6、3m。

2.2 支撑体系

支撑体系是将造桥机重力通过承重主梁传递到桥墩上的传力装置,根据位置不同,分为前、中、后支腿。

前支腿为竖向可伸缩的铰接结构,是造桥机前移过孔时倒运中支腿的辅助设备。

中支腿为一门形框架结构,其上方安装有下滑道,底部用精轧螺纹钢与桥墩墩顶锚固,造桥机纵移过孔时通过锚固在桥墩上的拉撑抵抗水平力(图3)。

图3 中支腿自行迈步上墩

后支腿为一双悬臂钢梁,其上方安装有下滑道,下部支撑在已架设完成的混凝土梁上的端部(图4)。

图4 双悬臂钢箱梁后支腿

2.3 回转天车

回转天车是用于将运梁车上的预制节段转移至造桥机设定位置上的配套设备,可以完成梁段的起升、移运、回转、横移等功能。该天车走行部分采用变频调速技术,走行平稳,速度为 0～10m/m in无极调速;起升部分采用 2台慢速卷扬机,起升速度为 0.4 m/m in。回转装置采用大小齿轮啮合传动,旋转过程中梁段最外缘线速度控制在 3m/min以内,保证梁段回转平稳;梁段横移由 2套 25 t液压缸提供动力,横向调整范围为 ±300mm(图5)。

图5 回转天车

2.4 悬吊系统

悬吊系统是该机的配套组成部分。该系统由悬吊纵梁、扁担梁、吊具、千斤顶、液压泵站组成。

每个预制节段通过扁担梁上 4根精轧螺纹钢悬挂在造桥机主梁内的扁担纵梁上,用安装在扁担梁上的穿心千斤顶配合双坐标千斤顶可对预制节段进行三维调整,可以完成预制节段纵向、横向、竖向的控制和微调,使节段精确就位。

2.5 运梁车

运梁车是节段预制箱梁从预制场到桥位的主要运输装置,采用轮轨式,轨距 5.16 m,共布置 16个均衡轮,承载能力3 200 kN。为确保起动平稳,走行驱动采用变频驱动电机,重载运行速度为 21.5m/min,空载运行速度为 43.0m/min;由于运距较长,动力来源采用自带发电机。

当造桥机纵移过孔时该车可兼作后支点小车(图6)。

图6 后支点小车

2.6 过孔装置

前移过孔动力采用 2台并联 8 t慢速卷扬机作为动力,利用已成混凝土梁作为锚固点,采用上滑道连续、下滑道分置的方式,滚动过孔。

3 上行式桁架型节段拼装移动支架造桥机施工工艺及关键技术

3.1 施工工艺(图7)

上行式桁架型节段拼装移动支架造桥机进行梁部拼接施工时,先将造桥机纵移过孔至需要拼接梁部的墩跨间,再将从制梁场运来的预制节段运输到造桥机尾部,回转天车通过升降、纵移、旋转将节段预制箱梁按一定的顺序摆放悬挂在悬吊系统上,接着用回转天车配合穿心千斤顶将各梁段调整到设计位置,然后穿钢铰线、支立模板、浇筑接缝混凝土,待混凝土强度达到预定设计值后进行张拉,即可完成墩顶原位成梁作业。

图7 造桥机施工工艺流程

3.2 线形控制

造桥机为桁架式弹性结构,在梁段摆放,湿接缝钢筋绑扎,模板安装,湿接缝浇筑等施工过程中,随着梁段重力的变化,造桥机的挠度也在变化,从而影响到梁体的线形,如何控制线形是节段拼装的一个重点。

在实际施工中,对造桥机的不同施工阶段进行观测,发现尽管和理论计算之间存在一定的误差,但这个差值趋于一个稳定的数值 ΔF,这主要是由于螺栓孔间隙产生的非弹性变形。F1i=Fi-F2i,F1i为通过对梁段的调节(浇筑湿接缝前)使 i截面处达到的线形挠度;Fi为张拉前梁体 i截面处的预留反拱值;F2i为增加湿接缝对造桥机形成的下挠。通过对施工的分析,梁段按 28 d的龄期上桥组拼,湿接缝强度按照 3 d达到设计强度进行张拉、二期恒载上桥时间按照 60 d进行计算,按二次抛物线设置反拱。

由于每一个梁段均悬吊在 4根精轧螺纹钢上,并且每个支撑点都有 3个自由度,这 3个自由度相互制约,调整其中一个必将影响其余 2个,所以梁段调位是一个反复调整、逐渐趋近的过程。

3.3 张拉调梁

梁段按设计顺序摆放到造桥机上,随着梁段的增加,造桥机的挠度也逐步增大,当浇筑完湿接逢后,造桥机的挠度达到最大。在预应力的施加过程中,随着预应力筋的逐步张拉,混凝土梁体逐步形成整体并将其重量分配到支座上,这样造桥机承受的重力和挠度逐渐减小,造桥机必然反弹,而此时造桥机的刚度比未完全形成整体的混凝土梁的刚度小很多,这样必然对混凝土梁产生很大的反拱力,且随着预应力的逐步张拉,混凝土梁体必然逐渐上拱,反拱力增大,混凝土上翼缘受到拉应力也将逐步增大。

基于上述原因,为了不使张拉过程中混凝土上翼缘因拉应力过大而开裂,且便于拆除悬吊梁段的吊杆,应该由造桥机与混凝土梁的刚度以及预应力张拉顺序分批调节梁段的支撑系统。直到预应力足以承担梁体自重,使造桥机脱空,混凝土梁呈理论支点状态为止。

4 工效分析

利用上行式桁架型节段拼装移动支架造桥机墩顶原位造梁,工艺先进,施工方法简单可靠,适用范围广,节省圬工数量多,因而能够比较大地节省工程投资[5]。以48m跨度为基准,对不同孔跨计算增加或减少的下部结构圬工计入梁部工程,折算成 48m跨度。分别以南昌西环线赣江特大桥 14-48m、包西铁路黑龙沟大桥 9-48m、袁家沟大桥 10-48 m单箱双线铁路预应力混凝土简支梁施工为例,通过综合单价比对,采用上行式桁架型节段拼装移动支架造桥机施工比悬灌法施工的连续梁或连续刚构梁造价大约低 25%,比悬拼法施工的钢桁梁大约低 30%。上述比较,由于跨度不同、地域不同,材料价格及运输条件等不尽相同,作为定量比较难免有不够准确之处,但总体来看,造桥机施工是能够降低造价、节省工程投资的。

同时,采用上行式桁架型节段拼装移动支架造桥机施工,能够大大缩短梁部施工工期。以南昌西环线赣江特大桥为例,该桥 14-48m梁部平均架梁速度为 11.5 d/孔,最短架梁速度达到 9 d/孔;正在施工的义南洛河特大桥16孔 64m跨箱形简支梁,最快架梁速度达到12d/孔。由此可见,无论是48m还是 64m跨度的简支梁,施工速度明显优于同等跨度其他施工方法。

5 结语

由于我国经济快速发展、交通压力与日俱增,中等跨度预应力混凝土简支箱梁已在国内外铁路建设中广泛采用,国外已经普遍采用单箱双线中等跨度预应力混凝土简支箱梁;另外预制节段拼装具有施工速度快、机械化程度高等诸多优点有大规模发展的趋势。而上行桁架型节段拼装移动支架造桥机吸取了国内外同类设备的优点,采用上行悬吊式变截面双桁结构,可适应不同宽度双线箱梁的需求;采用迈步式过孔方式,中支腿设置斜撑增强了过孔的稳定性,使用方便、可靠;针对宽梁而研发的回转天车,更是一大亮点。对今后研发适用于更大跨度的单箱双线简支箱梁的造桥机具有很好的借鉴作用。

节段预制拼装施工方法根据接缝形式不同,主要分为干接缝和湿接缝两种形式。我国铁路桥梁湿接缝节段预制拼装工艺已得到大面积推广,并积累了大量的设计施工经验。近年来公路及城市轨道交通行业已大量使用干接缝节段预制拼装施工桥梁,如上海明珠线、苏通大桥、广州地铁 4号线等。但在铁路桥梁工程方面,尤其是高速铁路,针对干接缝施工工艺尚属全新的施工方法,没有应用先例,因此上行式桁架型节段拼装移动支架造桥机适应干接缝节段预制拼装梁是摆在我们面前的一个重要课题。

根据实际应用情况,上行式桁架型节段拼装移动支架造桥机在以下几方面有待完善、改进和提高：大跨度桥梁施工对上行式桁架型造桥机中支腿的要求更高,应进一步提高其锚固系统的安全性;增加造桥机在不同工况下自身结构性能参数的监控和预警装置;湿接缝钢筋绑扎、模板安装作业平台不易搭设,应完善该设施,提高作业效率和施工人员的安全度;进一步研究提高移动支架造桥机对不同标准跨度的适应性,不断改进造桥机走行系统、调梁系统、湿接缝模板安装系统的自动化水平。

[1]周光忠,等.节段预制拼装移动支架造桥机施工技术手册[M].北京：中国铁道出版社,2009.

[2]李文广.ZQJ32/56移动支架造桥机施工技术[J].铁道建筑技术,1995(6).

[3]宋德文.建议推广中跨梁移动支架造桥机[J].铁道工程学报.1995(4).

[4]孙世豪,党海军,周光忠.客运专线中等跨度预应力混凝土箱梁造桥机节段预制拼装技术研究[C]∥2008中国高速铁路桥梁技术国际交流会论文集.北京：2008.

[5]贾筱煜.客运专线中等跨度预应力箱梁造桥机节段预制拼装技术研究[J].铁道标准设计,2008(2).

[6]王立新.移动支架造桥技术在我国铁路上的应用与发展[J].铁道建筑技术,2002(6).

U 445.468

B

1004-2954(2010)07-0037-04

2010-05-10

冯延明(1976—),男,工程师,2000年毕业于西南交通大学土木工程专业,工学学士,E-mail：fengyanming_01@163.com。