甬台温铁路雁荡山特大桥 2×90m叠合拱钢桥施工技术

2010-09-02阮正洁齐金朋

铁道标准设计 2010年3期

关键词：钢箱钢桥支墩

阮正洁,齐金朋

(合肥中铁钢结构公司,合肥 230022)

甬台温铁路雁荡山特大桥 2×90m叠合拱钢桥施工技术

阮正洁,齐金朋

(合肥中铁钢结构公司,合肥 230022)

新建甬台温铁路为旅客列车时速 250 km的准高速双线I级铁路。位于该铁路线上的雁荡山特大桥的主桥跨越甬台温高速公路,采用 2×90m叠合拱全焊钢桥。钢桥主体结构由钢箱梁、主拱肋、辅拱肋及斜腿、拱肋横撑、吊杆(索)等组成。就钢桥的结构设计特点及桥位(现场)的施工条件,依据《铁路钢桥制造规范》(TB10212—98),较详细地介绍该桥钢箱梁与钢箱拱分段制作、现场总拼、钢箱梁顶推与钢箱拱安装的施工方案。

铁路桥;叠合拱;钢箱梁;钢箱拱;总拼装;顶推;安装

1 钢桥结构设计简介

雁荡山特大桥的主桥采用 2×90m连续钢箱梁与钢箱拱组合全焊结构,两孔钢箱主拱间设置钢箱辅助拱,以加强主桥景观效果。钢梁总体布置见图1。

图1 主桥钢梁总体布置(单位：mm)

主桥与甬台温高速公路斜交 23.5°,线路平面为直线,立面为自宁波向温州方向 6‰的上坡;钢梁顶面设为有砟双线铁路,线间距为 5.0m。

主桥钢梁主体结构由：钢箱梁、主拱肋、辅拱肋及斜腿、拱肋横撑、吊杆(索)等组成。

主体结构的钢材采用 Q345qD,附属结构的钢材采用 Q235qC。

(1)钢箱梁

钢箱梁采用单箱九室等高度箱形截面。钢箱梁顶面宽 14.8m,底面宽 12.6m,横截面中线处箱高 2.m,顶面横向设双向 2%泄水坡。钢箱梁标准横截面见图2。

图2 钢箱梁标准横截面(单位：mm)

设计将钢箱梁全长分为 3种梁段。其中：两端为边支点梁拱结合段,每个梁段长为 8.25m;中间为中支点梁拱结合段,梁段长为 12.5m;每孔梁中部为标准梁段,梁段长为 77.5m。

(2)主拱拱肋

主拱采用两榀平行钢箱拱肋。拱脚与钢箱梁固接,两榀拱肋横向中心距为 11.2m。拱肋计算跨度为90.0m,设计矢高 f=18m,拱轴线为二次抛物线。主拱肋采用等高、等宽的箱形截面,箱高 2.8m,箱宽1.2m。

(3)辅拱拱肋及斜腿

辅拱采用两榀平行钢箱拱肋,设计矢高 f=25m,拱轴线为 R=181m的圆曲线。拱脚固接在主拱肋上,在拱顶处断开。在辅拱拱顶与主拱之间设置斜腿支撑,斜腿支撑下端固接在主拱肋上。辅拱肋采用等宽度、变高度的箱形截面,箱宽 1.0m,箱高 1.0～1.6m

(4)拱肋横撑

每孔主拱的两榀拱肋之间设 7道一字横撑和 2道X形组合横撑,两榀辅拱肋及斜腿之间设 8道一字横撑,横撑均为箱形截面。

(5)吊杆

每孔钢梁设计 13对吊杆,吊杆顺桥向的间距为6.0m。吊杆采用低应力防腐拉索,上端锚于主拱肋箱内的张拉底座(锚箱)上,下端锚于钢箱梁内的固定底座 (锚箱)上。

2 现场施工难点

本桥为准高速铁路全焊箱形钢桥,其结构设计复杂;主桥跨越车流量相当大的甬台温高速公路,桥中线两侧为河流与农田;现场施工条件限制很多。为此,钢梁的现场总拼与安装具有一定的难度。

(1)钢梁为全焊箱形结构,焊接变形难于控制。确保钢梁现场整体总拼的线形与尺寸均应满足铁路钢桥制造规范的严格要求,难度很大。

(2)钢梁结构外形尺寸大,不能完全工厂化制作,钢梁大量的整体拼焊工作主要在现场露天进行,受天气、环境的干扰(影响),施工条件差。

(3)钢箱梁、钢箱拱均在高空拼装与焊接,存在较大的安全风险。

(4)钢箱梁质量达 2 396 t,箱梁全长 184 m,属超重超长结构,顶推过程的应力、线形变化复杂,顶推时纵向水平控制及横向偏位控制困难,如何确保安全过孔,满足就位精度控制标准,是本工程的重点之一。

(5)钢箱拱单件质量达 43 t,在高速公路上进行超高空吊装,其线形随安装步骤动态变化,线形控制及吊装是叠合拱安装的要点。

3 钢梁制造与安装施工方案

钢箱梁按制作分段、分块将顶板、底板、腹板、横隔板等在工厂制成板单元,用汽车运输至现场,在现场分两次进行总拼装,两次顶推到位。钢箱拱按制作分段在工厂制成拱肋节段,用汽车运输至现场,待钢箱梁顶推到位后,在钢箱梁上吊装到位。

3.1 钢箱梁、钢箱拱制作

(1)钢箱梁制作

①钢箱梁制作分段

设计将钢箱梁全长(184m)分为：边支点梁拱结合段 8.25m(两端)、标准梁段 77.5m(跨中)、中支点梁拱结合段 12.5m(全长中心)。钢箱梁制作分段：将77.5m长的标准梁段分成 16.25m+3×15.00m+16.25m等 5个梁段,边、中支点梁拱结合段均按设计分段。全长共分成 13个制作梁段,其编号为：A段～M段。钢箱梁制作分段见图3。

图3 钢箱梁、钢箱拱制作分段示意(单位：mm)

②钢箱梁顶板、底板制作横向分块

将钢箱梁段的顶、底板横向分别分成 8块和 6块。顶板、底板制作横向分块见图2。

③按钢箱梁的制作分段、分块将顶板、底板、腹板横隔板等在工厂制成板单元。

④为确保钢箱梁关键部位的制作质量,同时减少现场总拼装的工作量,将标准梁段的系杆部分在工厂制成系杆箱段,并在工厂进行系杆箱段预拼装。

⑤边、中支点梁拱结合段,由于拱脚部位高度达6.5m以上,若在工厂制成箱段不能汽车运输。所以,边、中支点梁拱结合段全部在现场总拼装。

(2)钢箱拱肋制作

①按拱肋的制作分段,在工厂将主拱肋、辅拱肋及斜腿等制成拱肋箱段。

②按拱肋的设计线形,在工厂将主拱肋、辅拱肋及斜腿箱段进行预拼装。

③预拼装解体后,按现场安装顺序,将拱肋箱节段用汽车运输至桥位。

3.2 钢箱梁现场总拼装

(1)总拼装场地布置

①在主桥宁波端的 30号墩与 27号墩之间搭设长100m、宽 18m的满堂支架,作为钢箱梁总拼装平台满堂支架的顶面高程应根据主墩支座顶高程、顶推滑道高程及钢箱梁总拼装胎架高度等综合确定。满堂支架的顶面做成可升降式,以适应总拼后钢箱梁的顶推作业。

满堂支架搭设后进行加载试压,以消除其非弹性变形。

②在满堂支架上搭设钢箱梁总拼装胎架,以总拼装胎架控制进行钢箱梁的总拼装。

③在满堂支架两侧地面上,沿线路方向铺设龙门吊走行轨道,安装 1台用于钢箱梁在满布鹰架上进行总拼装的 40 t龙门吊(跨度为 27m、有效起升高度 2 m)。

④在 30号～27号的每个墩之间各设 2个临时支墩,用于设置钢箱梁顶推的下滑道。

在 30号～31号、31号～32号墩之间各设置 3个临时支墩,用于设置钢箱梁顶推的下滑道。

临时支墩的顶面高程应根据主墩支座顶高程、顶推滑道高程及钢箱梁底平面的线形等综合确定。

(2)钢箱梁总拼装分 2个轮次进行

第一个轮次：先拼装 M段～G段,并将 M段～段拼接成长度 98.25m的第一次顶推的钢箱梁梁段;

第二个轮次：待第一次顶推的梁段顶推到 31号墩后,在 G段后继续 H段～A段的梁段拼装,并将 H段～A段的梁段拼接成长度 85.75m钢箱梁梁段,同时将其与第一次顶推的梁段拼接成钢箱梁全长。进行第二次顶推。其拼装轮次示意见图4。

(3)焊接

钢箱梁总拼装的所有接头的定位焊及接头焊缝,均应严格依据焊接工艺施焊。焊缝焊后均应依据规范进行外观和无损检验。

图4 拼装轮次示意(单位：mm)

3.3 钢箱梁顶推

钢箱梁分 2个轮次采用 ZLD-150型连续作用千斤顶进行顶推施工。滑道设计为：上滑道设于钢箱梁底板上,采取通长式;下滑道设于墩顶和临时支墩顶,采取支点式。在顶推施工过程中遵循小行程、多阶段、勤观测、勤纠偏的原则组织施工。

(1)顶推滑道设计

在钢箱梁底平面的相应于钢箱梁腹板部位设置顶推滑道,滑道横向设置 4条。

利用钢箱梁底板作为上滑道,为减小钢箱梁与聚四氟乙烯滑板的摩擦力且减少焊接对钢箱梁受力的影响,在钢箱梁底板上采用环氧树脂粘贴 100 mm宽的不锈钢板作为上滑道。

下滑道设计为支点式,设置在墩顶和临时支墩顶,下滑道结构设计为橡胶板式聚四氟乙烯滑板支座。顶推下滑道平面布置见图5。

图5 顶推下滑道平面布置

根据检算,在顶推过程中当悬臂达到最大值时,第一个支点的支点反力较大,且受结构设计的限制,横向4个支点之间由于变形不一致导致横向受力不均匀,而且沿下滑道支点纵向受变形及钢箱梁预拱度的影响,支点反力沿下滑道纵向分布亦不均匀。为解决上述问题,拟将前端支点设计为液压可调支点,通过油顶的自动调节,将支点反力比较均匀地分配到各个下滑道支点上,并且在顶推过程中可以通过调节支点高度,减小支点反力,从而减小钢箱梁的局部应力和水平力,以保证顶推时梁体结构的安全和临时支墩的安全。

(2)顶推系统

①连续作用千斤顶

本桥采用两点连续顶推的施工方案,主力墩设定在 30号墩和 31号墩,其上各固定 2台 ZLD-150型穿心式自动连续作用千斤顶,这样既可使主力墩始终处于偏心受压状态,又能避免主力墩频繁在动-静摩阻交替作用下而产生摆动,有利于墩台的稳定。2台连续作用千斤顶对称布置于钢箱梁中轴线两边,利用钢绞线顶推梁底拉锚器(拉锚器安装于顶推钢箱梁的尾部)使钢箱梁均匀连续向前移动。

每个墩顶上的 2台ZLD-150自动连续千斤顶设有自动工具锚和行程开关,配置双油路 ZLDB自动连续顶推油泵,使用前进行配套标定。施工时由一个总控台控制所有工作千斤顶的动作,同时开关,同步同级施力。

②反力架

在 30号墩和 31号墩墩顶设置用于支撑连续作用千斤顶的反力架,反力架置于千斤顶后退一侧,与千斤顶顶紧。连续作用千斤顶由墩顶的反力架提供反力。

③拉锚器

每台千斤顶对应设置 1个拉锚器。拉锚器安装于顶推钢箱梁的尾部,与千斤顶轴线位于同一直线上拉锚器由 OVM15-9型多孔锚具焊接在钢板上构成,钢板通过 M30高强螺栓固定于箱梁底板相应位置。每个拉锚器上锚固 9根 φ15.24mm钢绞线,钢绞线另一端锚固于连续作用千斤顶工具锚上(长度 90m)。

(3)钢箱梁顶推

①按钢箱梁总拼装方案,钢箱梁分 2个轮次由宁波侧向温州侧顶推。第一个轮次由设在 30号墩上的2个 ZLD-150型连续作用千斤顶将首次拼装的 98.2 m箱梁顶推至 31号主墩,第二个轮次再由设在 30号墩、31号墩上的共 4个连续作用千斤顶将全部拼装完毕的 184m钢箱梁顶推至设计位置,两次顶推距离均为90m。

②上下墩措施

为钢箱梁顶推能够顺利上下墩,在钢箱梁前、后端对应滑道的位置设置 4.5m长的导梁。为上下墩作业的平顺性,对下滑道的四氟滑板支座的前后端加工成半径为 16mm的圆弧,使上下墩能够做到平稳过渡。

③试顶推

在正式顶推施工前进行试顶推,试顶推阶段为将第一个轮次拼装完成的 98.25m钢箱梁从 30号墩顶推至 1号临时支墩(此工况为最不利工况)。在进行试顶过程中,重点对顶推过程中的中线控制、挠度、内力及顶推力等进行监测,并检验纠偏措施的有效性,对顶推过程的组织进行磨合,积累相关数据检验计算模型,并取得相关操作的经验积累,以指导后续的正式顶推作业。

④钢箱梁顶推主要流程见图6。

a.在 27～30号墩之间的总拼胎架上,将钢箱梁总拼成第一轮次长 98.25m钢箱梁段;在钢箱梁下底板上,采用环氧树脂粘贴 100mm宽的不锈钢板上滑道;

b.下降总拼装平台,使总拼装胎架脱离钢箱梁一定距离,将钢箱梁完全置于支点式下滑道上;

c.进行第一次顶推,将钢箱梁前端顶推至 31号墩,钢箱梁尾端在 30号墩上;

d.起顶第一次顶推的钢箱梁段,使其梁底与第二次总拼装的钢箱梁梁底在同一平面上;

e.提升总拼装平台,使总拼装胎架恢复至原高程位置,并调整好拼装胎架和下滑道;

f.在总拼装胎架上总拼第二轮次的 85.75m钢箱梁段,并与第一轮次的钢箱梁段拼接成钢箱梁全长;在钢箱梁下底板上,采用环氧树脂粘贴 100 mm宽的不锈钢板上滑道;

g.下降总拼装平台,使总拼装胎架脱离钢箱梁梁底一定距离,将钢箱梁完全置于支点式下滑道上;

h.进行第二次顶推,将钢箱梁顶推至设计位置;

i.顶升钢箱梁,拆除上下滑道,在临时支墩顶安设临时支座,落梁至设计高程。

⑤顶推过程的测量与纠偏

在钢箱梁顶推过程中,采取以下措施,随时对钢箱梁的纵、横两个方向的偏移进行调整。

a.在主桥 32号墩墩顶架设全站仪,对钢箱梁顶推全过程进行监测;

b.在拼装区跨中临时支墩和 1号～6号临时支墩顶两侧设置反力架,用千斤顶随时对钢箱梁的横向偏移进行调整;

c.在 32号墩的简支箱梁端部设置限位块,当钢箱梁顶推至 32号墩(就位)时自动限位,保证纵向就位精度。

3.4 钢箱梁的顶落梁

当钢箱梁全部顶推到设计位置后,采用千斤顶进行落梁作业。落梁采取五支点(30号墩、2号临时墩31号墩、5号临时墩、32号墩)、逐段下落的方式。

(1)落梁千斤顶的选择和布置

根据计算,选择自锁型 ys-350型竖直作用千斤顶作为顶落梁千斤顶。千斤顶对应滑道布置,每个支点横向布置 2个千斤顶,五支点共布置 10个。千斤顶置于钢箱梁腹板的位置,以避免钢箱梁梁底在受集中力作用时出现变形。

(2)临时支墩顶上的临时支座设置与拆除

1号、2号、3号、4号、5号、6号临时支墩上的临时支座,采用滑道用的橡胶支座作为临时支座,每个墩顶上对应滑道的位置设置 4个。当吊索安装完毕,并全部施加完 250 kN预应力后,对应每个临时支墩配置 2个自锁型 ys-350型竖直作用千斤顶,并施加支撑力以释放临时支座支撑力,最后采用氧气焊割除临时支墩,当千斤顶与梁体完全脱离后即落梁完成。

(3)顶落梁

落梁支点的位置选择在 30号墩、2号临时支墩、31号墩、5号临时支墩及 32号墩,每轮次落梁的高度为 2 cm,即：每个轮次落梁顺序为 32号墩(2 cm)、31号墩(2 cm)、30号墩(2 cm)、4号临时支墩(4 cm)、2号临时支墩(4 cm)。如此反复,直至将梁落至设计位置。

3.5 钢拱肋安装

钢箱梁顶推到设计位置并落梁后(临时支墩不拆除),在钢箱梁顶面的拱肋中线上搭设支架作为拱肋段的固定和焊接作业平台。为确保拱肋高空吊装的安全,拱肋安装采用龙门吊吊装。拱肋安装顺序：先主拱、后辅拱;主拱先安装温州端的孔、再安装宁波端的孔;每榀主拱肋由两端向中间进行,最后合龙;每孔左右两榀拱肋可同时吊装;待 4榀主拱肋及横撑均安装完后,再吊装辅拱和斜腿。

(1)拱肋拼装支架

钢箱梁顶推就位后,在钢箱梁顶面的拱肋中线上搭设钢拱肋拼装支架,支架顶设楔形钢垫块以调整拱肋高程,使拱肋满足钢拱肋拱轴线的线形。待主拱肋合龙以后,再二次搭设辅拱拼装支架。在拱肋拼装过程中,随时监测拼装平台及拱肋段悬臂端的线形,并通过液压千斤顶进行调整,使之符合施工拱轴线线形。拼装支架参见图7。

(2)龙门吊

在钢箱梁顶安装 1台用于拱段吊装的 50 t龙门吊,龙门吊走行轨道设在拱肋外侧。

(3)拱肋安装

拱肋安装主要流程：拱肋安装示意见图7。

①先吊装主拱肋 A 1段,将其下端与梁拱结合段连接,上端置于拼装支架上,调整其下端与梁拱结合段连接的间隙及上端的中线、高程符合要求后,对其下端接头进行定位焊。

②再以同上的方法吊装 B1段,直至第一榀主拱肋合龙。

③以同上的方法安装第二榀主拱肋合龙及第二孔两榀主拱肋合龙。

④当一孔主拱肋全部安装就位后,对拱轴线进行复测并根据测量结果进行调整直至满足设计要求,对拱肋段接头的接缝进行施焊。

⑤在两榀主拱肋段安装的同时,安装两榀拱肋段之间的横撑。

图7 拱肋安装示意

⑥以同样的方法安装辅拱、斜腿及横撑。

(4)焊接

拱肋段接头的定位焊及接头焊缝,均应严格依据焊接工艺施焊。焊缝焊后均应依据规范进行外观和无损检验。

3.6 吊杆安装

吊杆采用 PES(FD)7-127型低应力防腐拉索(平行钢丝束),外套复合不锈钢钢管,配套使用 OVM LZM7-127型冷铸镦头锚。吊杆上端锚于主拱箱内张拉底座,吊杆下端锚于钢箱梁内固定底座。

每孔两榀主拱肋安装完成后,进行吊杆安装。吊杆按设计要求的顺序均匀对称张拉,吊杆张拉需经过多次调整,以达到临时支墩拆除前吊杆索力目标值,每次吊杆索力的调整幅度不宜过大。吊杆安装完毕后,为了保证吊杆防腐,在吊杆上下锚头及套筒内填充防腐油脂,并且保证油脂在常温下处于凝固状态。

3.7 防腐涂装

钢梁的防腐涂装体系按设计图要求,钢梁的所有钢表面均采用喷丸除锈,钢表面的清洁度等级符合GB8923标准的 Sa3级(喷铝表面)、Sa2.5级 (涂漆表面)。

钢箱梁、钢箱拱肋的箱内空间狭小,制成箱段后的箱内除锈很困难,为保证钢梁的除锈、涂装质量及减少工地整体除锈、涂装工作量,钢梁采取以下防腐涂装措施：(1)对工厂制作完成的板单元进行喷丸除锈并涂装底漆二度;(2)钢箱梁现场总拼装后补涂底漆并涂装一度面漆;(3)钢箱拱肋现场安装完成后补涂底漆并涂装一度面漆;(4)待全桥施工完成后再涂装最后一度面漆。