大跨度上承式铁路钢桁梁悬臂架设施工技术研究

赵前进,李敬伟

(1.中南大学,长沙 410083； 2.中国铁路昆明铁路局集团公司,昆明 650011)

1 工程概况

元江双线特大桥位于云南省玉溪市元江哈尼族彝族傣族自治县境内，是新建玉溪至磨憨铁路的重点控制性工程之一。该桥跨越红河深切“V”形峡谷，桥址存在破碎，有背斜、断层、顺层、滑坡体等不良地质；峡谷两岸最大自然横坡60°，地势陡峭，施工场地狭窄，交通运输困难；桥区雨季长达6个月，峡谷瞬时风力最高达10级，对施工有较大影响。

该桥全长768 m，主跨布置为(108+151.5+249+151.5+108) m上承式连续钢桁梁，总质量约2.1万t。主桥为变高度上承式钢桁梁，桁宽16 m，钢桁梁下弦采用圆曲线形由桥台支点及边墩支点处桁高16 m匀顺过渡至中支点处36 m；钢桁桁式采用N形及K形桁式；普通节间长度为13.5 m，在主墩双侧两个节间为15 m；每个节间设置钢横梁5道，主桁下弦杆节间设置交叉式平联；车行道桥面板设置在主桁上弦面。桥梁立面布置见图1，横断面布置见图2。

图1 元江双线特大桥连续钢桁梁立面布置(单位：cm)

图2 元江双线特大桥连续钢桁梁断面布置(单位：cm)

2 钢桁梁架设总体施工方案

2.1 制造总体方案

主桁、纵横梁及联结系杆件均在工厂加工为成品运输至现场，杆件最大运输尺寸为：2.2 m宽×2.5 m高×15 m长。桥面板在工厂横向分4段加工，在现场组拼及焊接成整体吊装单元。现场最大杆件吊装质量为65 t。

2.2 运输总体方案

杆件使用汽车通过公路运输至临时存放场集中存放，再由临时存放场倒运至桥位。主桁、纵横梁及联结系杆件最大运输尺寸为：2.2 m×2.5 m×15 m，桥面板单元最大运输尺寸为：0.5 m×3.0 m×15 m。

2.3 临建方案

小里程端设置1处钢梁拼装场，因自然坡度较小，采用填挖土的形式建设；大里程端因地势较陡峭，采用钢桁架平台的形式建设1处钢梁拼装平台。

2.4 钢梁架设总体方案

针对钢桥构造形式，结合桥位地形特征，经多次方案比选，采用由边跨向主跨双向对称悬臂架设，在跨中进行合龙的方案。两岸钢桥面上各设置运梁台车，用于构件水平运输。边跨起始3个节间使用汽车吊或龙门吊安装，起始节段钢桁梁安装完成后在两侧钢梁上弦上各安装1台70 t架梁吊机，后续钢梁利用架梁吊机从边跨向主跨双向悬臂架设，直至主跨跨中合龙。桥梁合龙时，保持主墩支点不动，通过在0号、5号桥台及1号、4号边墩进行落梁，使跨中进入合龙口状态，实现钢梁跨中合龙。桥梁合龙后安装永久支座及其他附属工程施工。钢桁梁架设总体布置见图3，钢桁梁架设施工步骤见图4。

图3 钢桁梁架设总体布置

3 钢梁架设关键技术研究

3.1 主要辅助工程

(1)施工便道及钢栈桥

新建施工便道采用泥结碎石路面，局部陡峭位置采用混凝土路面。单车道+错车平台，路面宽度一般3.5 m，错车平台段加宽2 m；路面厚8 cm。便道高程高于自然地面0.2～0.3 m，道路双侧设置排水沟，沟深和底宽超过0.4 m。2号、3号墩之间跨江位置设置临时钢栈桥，宽6.0 m，全长约200 m。磨憨侧钢梁构件需通过钢栈桥运输过江，钢栈桥承载能力按照不低于1 000 kN。施工便道布置见图5。

图4 钢桁梁架设总体施工步骤

图5 施工便道布置示意

(2)钢梁拼装场

在山下项目部驻地设置一处构件临时存放场，主要用于构件存放和倒运。在玉溪侧和磨憨侧各设置1处预拼装场，用于桥面板预组拼及杆件临时存放。拼装场尺寸均为38 m×140 m，场内布置1台80 t/26 m龙门吊，场内分为板单元半成品存放区、桥面板双拼区、桥面板总拼区、桥面板成品区、拼接板存放区、杆件存放区及起吊区。玉溪侧场地布置见图6，磨憨侧场地布置见图7。

临时用电在附近10 kV元磨线引入，在拼装场地内布置1台630 kVA变压器。在拼装场地一端设置30 m×12 m办公区及库房。

图6 玉溪侧拼装场地

图7 磨憨侧拼装场地

(3)临时墩

根据钢桁梁架设需要，全桥需布置11组临时支墩，临时墩上部结构采用钢管支架，由钢管立柱、连接系、分配梁及操作平台组成，材质均为Q345B。临时墩基础形式为人工挖孔灌注桩，混凝土强度等级为C30。边跨临时墩高度43 m，次边跨临时墩高度为110，133 m。

(4)架梁吊机

常规桥梁架梁吊机采用抱箍连接在钢桥上弦杆，本桥为上承式结构，上弦桥面无法通过抱箍连接架梁吊机。通过研究对原有架梁吊机进行改造，新增锚固分配梁、支撑分配梁和行走轨道。锚固分配梁和支撑分配梁均带有2组接口，以适应钢梁节间长度变化时，架梁吊机能够与钢桥面内进行连接锚固。架梁吊机通过行走轨道和行走油缸，能够自行走，避免了轨道额外吊运的繁琐工序。

3.2 钢桁梁杆件安装工艺

3.2.1 拼装次序

一般由下而上进行安装，先下平面，后立面，尽快形成闭合稳定的结构体系，先安装杆件不影响后安装杆件。安装顺序依次为下弦杆、下平联、斜腹杆、上弦杆、竖腹杆、横联、桥面板块，安装顺序见图8。

图8 钢梁杆件拼装顺序

3.2.2 上、下弦杆安装

(1)上、下弦杆件用专用吊具固定，起吊时确保杆件处于水平。安装所需的操作平台应起吊前固定在节点一侧。起吊前必须试吊，状态稳定后方能升钩。

(2)下弦杆应在起吊至设计位置附近后进行对孔，当连接板与杆件开孔相对位置不超过10 mm时采用特制小型撬棍拨正，并配合吊钩起落和杆件转动依次进行对孔，对合顺序由下端至上端。对合杆件可根据具体情况分别采用扁铲式小撬棍、牵引器以及导链滑车进行杆件引导。

(3)对孔完成后立即在螺栓群四角位置穿入4枚定位冲钉进行杆件定位，应首先根据螺栓孔的分布，均匀打入50%孔数的冲钉，并在剩余位置处安装≮25%孔数的高强螺栓并进行初拧，冲钉及螺栓初拧完成后，吊车松钩。松钩完成后，依次继续安装其余高强螺栓。

3.2.3 桥面板安装

(1)桥面板安装前对钢梁上弦杆直线度、桁宽及预拱度进行复测，满足相关要求后方可进行桥面板安装。

(2)一个节间的桥面板制造分为4块宽度2～3 m的桥面板单元，以便于运输。在两岸的钢梁拼装场设置拼装胎架，对桥面板单元和横梁进行整体拼焊，拼焊后尺寸为：3 m(高)×13.3 m(宽)×13.5 m(长)。整体桥面板块通过运梁小车运输至桥位进行整体安装。

(3)每个桥面板在板面对角线端部预焊4个吊耳便于吊装。安装时先将桥面板横梁高栓与下弦伸出肢利用冲钉及普栓进行定位，再进行U肋及I肋接头定位，最后对桥面板接头焊缝进行精调。

(4)桥位焊缝的焊接采用“先栓后焊”，即将桥面板高强螺栓全部施拧完成后，再进行桥位焊缝的焊接。

3.3 钢桁梁架设线形控制

为便于钢桁梁架设过程中钢桁梁线形监测，包括钢桁梁的高程、轴偏及里程等，在钢桁梁上布置相应的临时测点，临时测点在钢梁制造厂内采用铳点的方式进行制作。临时测点纵向布置在每段钢梁节点中心线处，上弦杆横向布置在主桁中心处，下弦杆横向布置在距主桁中心1.0 m处。主梁用于线形监测的测点横向布置见图9。

图9 主梁线形监测点布置

钢桁梁安装过程中因结构刚度、重力及环境因素等多方面的影响，将导致钢桁梁线形存在一定的误差，所以，在施工过程中需综合考虑各项因素，采用有限的控制和调整措施，严格控制当前梁段的安装线形、转角、三桁高差及轴偏等。

高程控制：悬臂架设主桁杆件拼装时，按孔眼总数的50%均匀分布打入冲钉，冲钉直径比理论孔径小0.3 mm，通过冲钉和孔径之间间隙，施加外力调整两桁的高差，同时加强两桁横向连接的刚度，减少整个框架的扭转。

拼装线形的确定：钢梁节段拼装高程采用监控单位发布的监控指令。监控单位根据现场每节间的测量数值并结合施工阶段模型，计算下一节间构件拼装高程。梁段拼装高程应通过多方数据及不同软件进行对比和验证，实际拼装过程应通过有效措施进行控制，避免线形偏差。当一个节间架设完成，钢桁梁的实测数据与监控单位计算数据有偏差时，应查找偏差出现原因，分析解决对策。

3.4 钢桁梁合龙

主跨合龙段设在磨憨侧，靠近3号墩A28A27′(A28A29)节间。合龙口共2根上弦杆、2根下弦杆、2根斜腹杆。

在各桥墩的墩顶布置三维千斤顶和抄垫钢板等，三维千斤顶选用调整范围为竖向50～300 mm、纵横向50～200 mm，超出调整范围的，可通过改变整体抄垫高度调整。

桥梁合龙时，保持主墩支点不动，通过在0号、5号桥台及1号、4号边墩进行落梁，使合龙口由闭口状态变化为开口状态，消除合龙口竖向偏差。再利用墩顶布置的三维千斤顶调整合龙口纵向偏差，达到合龙条件。

合龙前通过详细观测合龙口状态随温度变化情况，分析变化趋势及温度对合龙口影响的敏感性。采用降边墩、次边墩钢梁调整合龙口，并配合使用合龙口顶拉装置、冲钉、温差等进行微调。

3.5 钢桁梁架关键控制点

(1)单杆件拼装应保证拼装拱度，终拧前应冲钉数量不应小于孔数50%，并应确保有25%～30%孔数高强度螺栓完成初拧后方能松钩。松钩后首先补足剩余孔数螺栓，并按照一次20%冲钉总数的数量分步完成冲钉与高强螺栓的替换。全部替换完成后，按照中心向四周的顺序完成高强螺栓的终拧。

(2)拼装下一悬臂节间前应保证前一节间的全部节点已完成高强螺栓施拧。吊机完成吊装向前移动前，必须经过值班工程师签证。

(3)临近主墩节间时，主桁结构变化为“K”形双层斜腹杆结构。安装时优先拼装下弦、下层斜腹杆、下层直腹杆，使结构形成封闭体系。钢桁梁架设超过主墩1个节间，并完成所有节点高强螺栓终拧后，主墩节点可进行起顶操作。

(4)架梁吊机根据节间距离精确前移，保证移机后吊装状态与设计值一致。

(5)钢梁监测及测量频率不小于每节间1次，测量部位选取节点及中线；架设过程中高频率监测杆件应力，确保施工安全。

(6)钢梁抄垫利用正式支座并根据监测和测量选取相应的抄垫方式，确保抄垫密实并提供足够的三向承载力。

(7)高栓施拧应制定严格的施工交底程序，施工过程严格进行旁站和检查，避免遗漏施拧及重复施拧。

4 结语

玉磨铁路元江双线特大桥上承式连续钢桁梁桥，采用借助辅助墩由两岸边跨向主跨双向悬臂拼装在跨中合龙的施工方案，通过对施工现场进行详尽调查，采取因地制宜的拼装场和临时墩，合适的钢桁梁杆件悬臂拼装顺序，有效的合龙和施工监控方法，解决了山区大跨度上承式铁路钢桁梁桥的架设施工难题。

元江双线特大桥已合龙并铺轨，该桥的成功实践，为山区铁路大跨度上承式连续钢桁梁桥建设提供了参考和借鉴。