洛溪大桥拓宽工程叠合梁施工方案比选研究

文洁平, 李 谏, 周黎明, 吴文博, 张育智, 杨万理, 3

(1.保利长大工程有限公司,广东广州 511431; 2.西南交通大学土木工程学院,四川成都 610031;3.抗震工程技术四川省重点实验室,四川成都 610031)

0 引言

叠合梁斜拉桥的主梁由钢主梁与混凝土桥面板通过剪力连接件连接为整体截面,钢主梁与混凝土桥面板共同受力。顶推法和悬臂拼装法是叠合梁斜拉桥主梁常用的两种施工方法。桥面吊机悬臂拼装法是悬臂拼装施工技术中广泛使用的一种方法[1],施工中桥面吊机在已架设主梁的轨道上行走,以安装新的梁段。该方法分为整体节段安装法和散件拼装法两种方法[2-3。例如平塘特大桥[4-5]与乐清湾大桥[6]主桥钢梁采用桥面吊机整体节段吊装法,澜沧江大桥叠合梁主梁施工采用缆索吊机吊装整节段安装法[7-8],而清水浦大桥则采用散件拼装安装法[9]。本文将对比叠合梁斜拉桥的施工方法,讨论叠合梁斜拉桥悬臂拼装施工中不同类型桥面吊机的优缺点,对洛溪大桥拓宽工程叠合梁斜拉桥施工方案进行比选研究。

1 叠合梁施工方法

1.1 顶推法

红水河特大桥位于贵州省罗甸县与广西省天峨县交界处,该桥梁横跨红水河,桥位处为“U”形峡谷[10]。其孔跨布置采用(2×20) m现浇箱梁 + (213+508+185) m斜拉桥,主塔的高度为195 m,设置166根斜拉索,如图1所示。主梁的宽度为27.8 m,采用混合梁结构形式,即:河道贵州一侧边跨和中跨采用叠合梁(钢纵梁、钢横梁与混凝土桥面板叠合),施工时贵州岸边跨叠合梁采用顶推法,中跨采用吊机逐段施工;河道广西一侧边跨采用预应力混凝土双肋式Π形梁,采用现浇施工。该桥叠合梁施工方案的选择充分考虑了桥位地形、水位限制的影响。

图1 红水河特大斜拉桥桥型布置(单位:cm) [10]

其中贵州岸边跨采用多点同步顶推工艺对钢主梁进行顶推,如图2所示。其原理:由安装在多个支墩和承台上的水平千斤顶提供推力,克服梁体在滑道装置上的滑动摩擦力,推动梁体向前移动。每个千斤顶提供的水平推力不同,基本上与千斤顶所在墩台受到的滑动摩擦力相等。刚度大的墩台上的千斤顶提供的推力大,而柔性墩提供的推力小,各个千斤顶同步工作。通常会在主梁的前端设导梁,以方便主梁跨上前方墩台[10]。

图2 红水河特大斜拉桥顶推施工示意(单位:m) [10]

红水河特大桥顶推施工难点[11]:

(1)需要设计4个临时墩,临时墩不仅要满足顶推受力要求,还需要有足够刚度、强度和稳定性。

(2)在墩顶需要设计带0.8%纵坡的滑道,并要求较高的施工进度;同时钢梁底部的拼接板和螺栓,也需要满足拼装和顶推要求。

(3)保证在顶推过程中多台千斤顶协同工作是一大挑战。最多情况下,有34台千斤顶,并且每个桥墩上有4台连续千斤顶。

(4)顶推过程中,钢梁左右行程差、横向偏位及线型的控制不容易。

叠合梁顶推施工方法所需配套设备多,包括临时墩、顶推滑道、顶推滑板和全套顶推系统等,并且需要足够大的场地进行现场拼装焊接及顶推,在有河道通航要求,以及保证旧桥交通不中断的施工场地,很难满足顶推施工所需的条件。

1.2 整节段吊装

叠合梁整节段吊装施工主要有2种:一是桥面吊机整体吊装法,如平塘特大桥[5]与苏拉马都跨海大桥[12]的主桥钢梁施工;二是整节段缆索吊装安装法,比如澜沧江大桥[8]叠合梁主梁施工。上述桥梁吊装施工示意如图3～图5所示,上述吊装方法是比较成熟、应用比较广泛的施工方法。

图3 平塘特大桥整节段吊装施工示意(单位:cm) [5]

图4 苏拉马都跨海大桥整节段吊装施工示意 [12]

图5 澜沧江大桥缆索吊装整节段安装法施工 [8]

当桥面高度大、预制所需部件不方便运输、不适宜采用散件悬拼时,一般采用整体节段吊装施工法。例如平塘特大桥,主梁桥位高度180 m,并且位于狭窄陡峭的山区环境,风大且风速多变,主梁部件运输相当困难。不论是采用部件悬臂拼装还是缆索吊装施工方法,风荷载对超高空施工的安全带来极大的隐患,对拼装线型的质量控制带来不利影响,而且主梁部件运输也相当艰难。因此该桥主梁最终采用整体吊装施工,将钢梁整体节段一次性拼装到悬臂前端,一次性将安装标高调整到位,有利于线形控制。

整体吊装法的缺点是对施工器械的吊装能力要求较高。以平塘特大桥为例[4],整体吊装节段包括主梁、横梁和小纵梁,最终的是边跨合龙段,达到360 t,比单个散件荷载重量大很多,对桥面吊机的额定吊重要求高,平塘特大桥桥面吊机前支腿荷载总计大于400 t;并且吊机自重也会成倍增加,对钢箱梁施工阶段承载能力也有较高的要求。

因此,整体吊装施工的优点为节段安装周期短、节段匹配简便,缺点为需要多套吊装、运输设备,且设备负载大,设备投入较高,并且需要占用较高的航道净空。

1.3 散件悬臂拼装

如果施工中不能中断桥下交通,施工环境中存在河道水流湍急不利于节段运输,一般采用散件悬臂拼装的施工方法。该方法将组成钢梁的散件逐一起吊上桥,利用桥面吊机在主梁上的工作平台上完成拼装。应用该种施工方法的桥梁工程有清水浦大桥[9]、西固黄河特大桥[13]和青州闽江大桥[14]等。

清水浦大桥位于宁波市绕城高速公路,为连体索塔分幅组合梁斜拉桥,跨径组成为(54+166 +468+166+54)=908 m。主梁由箱形截面钢纵梁 (钢锚箱、风嘴附着在其外侧腹板上)、工字形截面钢横梁、C60预应力混凝土桥面板(预制+现浇) 等组成,各构件重量如表1所示。

表1 梁段起重参数

由表1可知,清水浦大桥主梁标准节段重量为115 t,最重的散件重58 t,前者远大于后者。如果整节段吊装,吊机的起吊能力应该至少是散件拼装吊机起吊能力的2倍。因此,散件悬拼施工法相较于整节段吊装施工法更经济,对施工安全和精度控制更加有利。

2 洛溪大桥拓宽工程叠合梁施工方案比选

2.1 工程概况

如图6所示,广州洛溪大桥扩宽工程主桥设计为(30+95+305+110+30)m 双塔双索面叠合梁斜拉桥,采用五跨连续半漂浮体系,空间密索型布置,单幅桥宽14.5 m。

图6 洛溪大桥主桥

主梁施工主要难点:大风天气多;施工工期紧、任务重;主桥0#、1#块高空大吨位叠合梁整体吊装,施工精度要求高;塔、梁同步作业,施工组织难度大;施工环境条件复杂,安全风险高;多区域施工,组织协调、管理难度大。

考虑到洛溪大桥扩宽工程主梁施工主要难点,如果采用整体吊装方法,则对施工设备及航道通航要求高,投资大,且整片主梁在运输及吊装过程中的变形不易有效控制,运输及吊装期间对主梁结构产生的影响可能会对整座桥梁的施工进度产生重大影响。如果采用缆索吊装整节段安装法,不仅对施工环境及施工设备要求更高,甚至大风、大雨都会严重影响施工进度及施工精度,而且缆索吊装施工法一般针对大跨桥梁,且桥梁选址在山谷或比较宽的河流区域。因此相对来讲,通过桥塔附近提梁站将散件运至桥面,再对散件进行悬臂拼装的方案更加适合本项目的实际情况。

下面通过对几款桥面吊机的综合对比,为悬臂散拼法施工选择一款合适的桥面吊机。

2.2 桥面吊机选型

2.2.1 克灵吊

在早期桥面吊机中,大多都采用克灵吊式桥面吊机。如南浦[15]、杨浦[16]和徐浦[17]3座大桥主梁施工中,桥面吊机均采用压杆臂架、旋转平台式克灵吊机。这类桥面吊机通过吊机4个支点支承在路基梁上,底盘与桥面板接触,能保持自身平衡,无需提供专门的轨道。在南浦桥主梁施工过程中,吊机2个前支点的反力分别达到70 t与40 t,仍然小于横梁的容许值,不需要再设置临时加强结构,避免对桥面板造成损害。上述3座大桥使用的桥面吊机如图7所示,具有起升、变幅和回转3种功能。回转功能通过摆线针轮减速器实现,起升和变幅通过卷扬机实现,起重机行走由卷扬机牵引。

图7 克灵吊式桥面吊机[18]

如果本项目采用克灵吊式桥面吊机施工,虽然具有工作效率较高,安全风险较低的优点,但是存在一些缺点:

(1)吊机自重大,一般为起重量的3～4倍,导致施工阶段梁体上施工荷载大,不利于受力控制。

(2)如果吊机走行在边箱梁上(采用大下盘),结构庞大,吊机自重增大,受力更大。

(3)如果吊机走行在小纵梁上(采用小底盘),需要对临时走道梁加固和临时锚固,增加工序和费用。

(4)起重操作安全管理要求高,对湿接缝施工会产生一定的影响,必须后移锚固点,增加工序。

(5)需要在待安装梁段下单独设工作平台, 特别是主梁构件之间采用焊接连接时。

2.2.2 整节段吊装桥面吊机

通常是预制厂将预制拼装节段制作好,通过运梁车或运梁船运送到现场,再借助于桥面吊机整体吊装。整体吊装重量大,对桥梁线形、高程等控制精度要求较高,早期的克灵吊式桥面吊机无法满足施工要求。因此,如果桥址位于运梁车可以到达或者所跨越的河流具有通航条件,采用桥面吊机垂直起吊节段安装主梁是一个合适的选择。

整节段悬拼施工所采用的桥面吊机有2种:一种是桥上行走的桥面吊机;一种是缆索吊机。下面分别以鳌江特大桥和澜沧江大桥为例介绍2种桥面吊机及其施工应用。

鳌江特大桥主桥为(52+88+320+88+52) m双塔双索面叠合梁斜拉桥,主梁采用钢梁与混凝土桥面板叠合,钢梁部分由纵梁、横梁及小纵梁共同组成钢梁格体系[19]。主梁梁段采用桥面吊机整体提升法施工,如图8所示。

图8 鳌江特大桥梁体节段整体提升[19]

此外当地受台风、雨雾、雷暴等自然环境影响较大,如果选择散件桥上拼装,施工节奏、施工工期很难掌握。另外,该桥在施工方面还有较高的要求,比如要求在风浪环境下桥面锚固和吊装起重具有较高的稳定性,吊装过程纵横向的运动调整的控制性以及吊具具有对梁端纵坡的可调整性等。综合考虑该桥主梁节段的重量以及对施工过程的要求,采用桥面吊机整体提升施工更符合该桥标准梁段悬臂拼装要求。

澜沧江大桥为七跨双塔双索面叠合梁斜拉桥斜拉桥,其跨径布置为(150+400+150)m。该桥主塔采用“H”形结构,塔高118.6 m。该桥桥位较高,主梁散件运输可达性较差,钢主梁单元吊装重量达到95 t,因此施工安全风险较高。另外,该桥施工现场用地范围小,不利于大量散件存放和上部结构施工组织开展,散件拼装法并不适合于该桥。该桥最终采用缆索吊机整体吊装施工,如图9所示[7]。

图9 澜沧江大桥缆索吊机施工[7]

2.2.3 多功能散件悬拼吊机

采用悬拼吊装施工时,相较于采用克灵吊式桥面吊机,具备三向调整拼装平台的多功能悬拼吊机具有施工更简便、灵活、高效的优点。2011年,这种悬拼吊机在宁波清水浦大桥中首次使。在清水浦大桥主梁施工中,对悬拼吊机的设计和功能提出了4点要求:

(1)应用广泛性。能够用于节段整体吊装,桁架节点宜采用销接方式,以便拆解后的杆件可以在其他方面重复利用;吊机安装、拆除方便。

(2)良好的抗风性能。工作状态抗8级风,非工作状态抗14级风,纵梁带风嘴安装。

(3)工作平台设置。该桥主梁采用全焊结构,在尽量少占航道净空的情况下,在悬臂安装梁段下设置工作平台。

(4)具有多功能吊具:吊具能够完成所有构件(带风嘴的纵梁、横梁、预制桥面板)的安装,吊具的设计要考虑被吊物体的平衡。

清水浦大桥主梁施工选用散件上桥,在桥面吊机工作平台上进行现场拼装的方式进行施工,如图10所示[9]。

图10 清水浦大桥悬拼吊机安装中跨主梁示意[9]

2.2.4 洛溪大桥拓宽工程桥面吊机选择

2.2.4.1 3种施工方案

根据洛溪大桥主梁结构形式,有3类施工方案可选:

(1)采用旧式克灵吊式桥面吊机进行散件拼装工作。该方案缺点显而易见,克灵吊式吊机相较于多功能散件悬拼吊机吊装效率低且需定制施工平台,无法重复利用。

(2)借鉴台湾高屏溪斜拉桥主梁安装方案,即“整段悬拼”。该方案在索塔区域的主梁下方地面上进行整段拼装,悬挂在主梁下方的运输桁架悬挂整段主梁,运输主梁至最前面,然后用桥面吊机与运输桁架进行转换悬挂主梁,最后桥面吊机提升主梁直至安装到位。该方案虽然有“节段安装周期短、节段匹配好”的优点,但不足之处也明显,如需要吊装、运输等设备,设备负载大,相较于散拼多功能吊机资金投入较高;需要占用较高的航道净空[20]。

(3)散件上桥后,利用多功能散件悬拼吊机进行悬臂拼装。

2.2.4.2 施工方案确定

结合清水浦大桥的施工经验,本项目最终采用DQP30多功能散件悬拼吊机进行悬臂拼装法施工。该吊机是专门为本项目设计的一种新型桥面吊机。本项目中采用的DQP30多功能散件悬拼吊机主要功能构件如图11所示,包括:

图11 DQP30多功能桥面吊机结构

(1)主框架。主框架是设备的主要承载构件,它是天车的支撑基础。由2个平行的棱形桁架通过联系撑杆连接成整体。2个平行的棱形桁架中心距11.92 m,中心桁高3.87 m。主框架由主梁、立柱、斜撑、横联等几部分组成,总重约 21 t。各杆件的连接采用高强螺栓和销轴连接。各杆件尺寸外形尺寸不超过12 m×2.5 m ×3.2 m,重量不超过10 t。

(2)天车。天车主要由纵移天车、横移天车组成,不仅可实现梁段的起降和纵横移,还可以实现梁段在空中的姿态调整。

(3)纵移机构。纵移机构指的是钢梁以上部分纵移系统,它是整机纵向前移驱动装置,也是纵移轨道向前纵移的驱动装置。纵移系统整机共2套,每套由油缸、销轴、纵移滑靴(半自动拔插机构)和纵移轨道钩挂装置组成。分别布置于桁架的2个下弦杆下方,一端固定在下弦杆上,另一端通过滑座与纵移轨道连接。油缸驱动整机纵向移动,实现整机的前移动作。

(4)可调支撑。可调支撑是整机的支撑装置,也是其底面整机纵移的滑动面。配合支撑油缸可实现整机的姿态调整。可调支撑整机共4件,主要由螺杆、螺母和支撑座等组成。

(5)后锚固。后锚固是重载时防止整机前倾的装置。主要有锚杆、锚座和锚销组成。锚座固定于主框架下弦,其位于前支点后端8 m位置处。

(6)拼装平台。拼装平台包括纵向横跨底篮、下层滑动支架、上层滑动支架,各支架结构主要由纵梁及小横梁拼装形成。上、下层滑动支架前、后与纵向横跨底篮采用销轴连接,将载荷传递到纵向横跨底篮上。纵向横跨底篮主要功能是提供散件拼装的平台,承载工作载荷所有的重量。上、下层滑动支架中的滑轨前部与纵向横跨底篮连接,后部采用挂轮挂在维修小车轨道上,其主要功能是整机行走时带动拼装平台行走。纵向横跨底篮与上、下层滑动支架相连位置安装有千斤顶,其主要功能是采用液压系统移动滑动支架并传递工作载荷。上、下层滑动支架的设计保证了主梁构件纵移及顶升的同时也提高了钢箱梁安装对位的精准度。拼装平台细部示意如图12所示。

图12 DQP30多功能桥面吊机拼装平台细部示意

3 洛溪大桥拓宽工程叠合梁施工步骤

洛溪大桥拓宽工程叠合梁采用DQP30多功能散件悬拼吊机进行悬臂拼装施工的步骤:

(1)安装悬拼吊机主框架、纵移机构、拼装平台,并用拉杆进行锚固。

(2)将分段构件运输至悬拼吊机的吊装范围,将构件与吊车牢靠连接,起吊构件,起重机向前行驶至安装位置,调节拼装平台上层支撑滑动架,确保分段构件下放到滑动架上,分段构件后端与已完成分段构件前端在纵桥向保持一定可调节的净距。

(3)缓慢下落构件,放置构件于拼装平台上层支撑滑动架上。构件在支撑滑动架上准备就位后,即可用设置在下层滑动架上的千斤顶横向移动滑动架,2个滑动架应同时滑动,确保负载平衡均匀。

(4)滑动架横移至最终位置,在上层滑动架处用千斤顶进行水平调节,使构件精确安装就位。

(5)单节段构件安装施工完成。重复以上步骤,完成新的分段构件安装。

DQP30桥面吊机不仅能够满足节段梁在悬臂端进行纵移、转体、悬拼,同时可用于桥面板安装,且结构体系相对简单,后锚系统牢固可靠,安全监控系统全面。主体结构采用倒梯形结构,在实现天车在桥面吊机后部提梁、前部旋转功能的同时增加整体抗倾覆能力。在同类设备中处于领先地位。

采用桥面吊机进行标准梁段施工的工艺流程如图13所示。

4 结论

(1)结合已建桥梁,讨论了叠合梁施工方法中顶推法、整节段吊装法和散件悬臂拼装法的优缺点,并选择散件上桥之后悬臂拼装作为背景工程的施工方法。

(2)结合已建桥梁,对斜拉桥叠合梁施工中桥面吊机,包括克灵吊式桥面吊机、整节段吊装桥面吊机和多功能散件悬拼吊机优缺点进行了阐述,选择并专门定制DQP30多功能散件悬拼吊机服务于背景工程。

(3)阐述了洛溪大桥拓宽工程叠合梁采用DQP30多功能散件悬拼吊机进行悬臂拼装施工的步骤和标准梁段施工工艺流程。

本文背景工程叠合梁施工方案比选方法,以及为本工程定制的DQP30多功能散件悬拼吊机,可为类似项目提供参考。