SX32/64型造桥机节段拼装铁路 64m双线简支箱梁综合施工技术

邱广波

(中铁十四局集团第二工程有限公司,山东泰安 271000)

SX32/64型造桥机节段拼装铁路 64m双线简支箱梁综合施工技术

邱广波

(中铁十四局集团第二工程有限公司,山东泰安 271000)

结合义南洛河特大桥铁路双线 64m简支箱梁施工实例,介绍SX32/64型造桥机结构组成,采用有限元计算软件对承重主梁结构进行了强度、刚度等分析计算、同时介绍了造桥机节段拼装施工工艺流程、关键施工技术以及施工中注意事项,成功完成了铁路双线 64m节段拼装简支箱梁施工。

铁路桥;节段拼装造桥机;施工工艺

1 概述

随着我国铁路建设水平的提高和运输能力的大增,新建铁路要求开通能力大、速度快,同时现今修建的铁路桥梁大多是一次建成双线,因单箱单室的宽桥面预应力混凝土梁具有稳定性好、横向刚度大、运行平稳、易于维护等特点而成为客运专线双线梁的首选。

预制节段拼装施工技术主要优点如下。

(1)可因地制宜设置梁场,梁场规模及布局可灵活选择,所以不受整孔梁运输设备和运输通道的限制。

(2)梁体分段预制,施工质量好,风险小,上部结构几何线形容易控制。

(3)施工速度快,工期短,上部结构可与下部结构同时施工。

(4)施工机械化程度高,特别适合于长大桥梁快速施工。

(5)节段养护时间长,加载龄期晚,成桥后梁体徐变上拱和预应力长期损失小。

(6)造桥机在墩台顶面移动过孔,不受地面条件限制,尤其适用于跨越深沟峡谷的高桥及基础费用高、施工难度大的深水桥梁。

(7)对桥址周围自然生态环境破坏小,对桥下现有交通及周边环境影响小。

节段拼装造桥机的不断发展完善使得桥梁施工速度进一步加快,目前已成为大、中跨度预应力混凝土桥梁主要施工方法之一。

包西铁路通道大保当至张桥段新建双线设计时速客运为 200 km、货运为 160 km。义南洛河特大桥位于陕西省澄城县和蒲城县境内,跨越洛河及既有西延铁路;孔跨布置为 7-32m简支箱梁 +11-64m简支箱梁+2-32m简支 T梁,全桥长 1038.50m,桥宽 9.5m,最高墩高 65m。其中 0号至 7号墩 7孔为 32m简支箱梁结构,7号至18号墩11孔为64m简支箱梁结构,全桥位于曲线半径 R=3500m和 R=5 000m反向曲线上。其中 64m简支箱梁梁长66.2m,计算跨度64m,梁高 5m,梁宽 9.5m,梁面设 2%双向横坡,按 C60高性能混凝土设计。该梁为单箱单室断面,梁体采用分段分块预制、安装、现浇和张拉施工技术,纵向分 15节段(8种梁型),现浇湿接缝宽 60 cm,如图1所示。

图1 64m梁 1/2结构纵向分块(单位：cm)

节段梁块长度分别为 3.1、3.8、4.0 m 3种,高5.08m,顶宽 9.5m,箱宽 5.5m,如图2所示。单块最重为梁端节段 1号块,混凝土量为 54.0m3,质量为140.4 t。一孔箱梁节段质量 1 794.78 t,湿接缝总计94.8m3,箱梁混凝土总质量为 2 041.3 t,是目前亚洲同类桥梁之最。

图2 64m梁跨中断面(单位：cm)

2 SX32/64节段拼装造桥机结构组成

2.1 简介

SX32/64节段拼装造桥机是为适应 32～64m双线箱梁施工需要而研制的集制、运、架为一体的大型联合施工设备,该机具有适应能力强、结构简单、机械化程度高、操作方便、性能稳定等特点。它采用下行悬吊式桁架结构形式,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,这样就完全对桥面的宽度没有限制,非常适应宽桥面、大荷载的双线节段拼装梁的施工。同时它既能架 32m跨箱梁也能架 48m和 64m跨双线箱梁。

2.2 造桥机的主要技术性能

(1)额定承载力：22 000 kN

(2)架设桥跨：单线 32～64m;双线 32～64m

(3)架设曲线桥半径：≥1 500m

(4)容许工作纵坡：15‰

(5)回转天车的纵移速度：重载 0～4m/m in;空载0～10m/min

(6)横移速度：0～0.14m/min

(7)回转天车起升速度：0.4m/min

(8)主梁结构形式：双主桁桁架型

(9)外形尺寸：147.2m×12.91m×12.29m(10)整机质量：1 300 t

(11)技术速度：8 ～12 d/孔(12)配套运梁设备：320型轮轨式运梁车(自行)(13)运梁车速度：重载 21.5m/min,空载 43.0m/min

2.3 SX32/64节段拼装造桥机主要结构部分介绍(图3、图4)

桥机主结构为桁架式结构,全长 147.2 m,主结构分为：导梁、主梁 、后尾梁、前支腿、中支腿、后支腿、后支点小车、梁段悬吊体系、回转天车、回转地车。

(1)导梁

导梁长度为 67.2m,变截面桁架结构,双桁变单桁、桁高分 3种,3m桁高、6m桁高、7.5m桁高。下设中支腿倒运轨道,以便中支腿自行过孔上墩。

(2)主梁

主梁为桁架结构,共分 17个节间,13个 4.8m节间、3个 1.6m节间、1个 2.4m节间,以适应不同跨度的梁体架设。主梁分左右两幅,每幅为双桁片,两幅计算间距为 5.8m,单幅双桁计算间距 3m。采用平联及立面联结系,将左右幅主梁联接为一个整体。

(3)后尾梁

结构形式与主梁相同,长度为 11.2m。设有可拆卸立面联结系,当梁段由尾梁进入造桥机时,打开左右幅联结系,当造桥机准备完成整孔梁体架设时,闭合立面联结系。

(4)前支腿

前支腿与造桥机铰结,并设有顶升装置用于调节支腿高度。前支腿的功能为桥机上墩以及中支腿倒装支撑。

(5)中支腿

中支腿为桥机关键结构部分,所以采用箱形杆件并设横联及铰斜撑。中支腿底部用精轧螺纹钢与桥墩顶帽锚固。顶部设置滚轮箱,作为桥机前行的下滑道在中支腿上部设有倒运轮组,当桥机达到过孔状态时,中支腿依靠倒运轮组可实现自行至前方墩柱。

(6)后支腿

后支腿为箱形结构,长 13m、宽 1.8m、高 1.7m,为方便倒运设有拼接部分。顶部设有滚轮箱,作为桥机前行时下滑道。

(7)后支点小车(运梁车)

后支点小车采用轮轨式,高度为 1.677m,轨距5.16m,承载力为 3 200 kN,为确保起动平稳走行驱动部分采用变频驱动电机,重载运行速度为 21.5 m min,空载运行速度为 43.0m/min;当桥机前移过孔时该车作为后支点小车,当桥机进入梁段吊装环节时,该车经过简单改装成为运梁车。

(8)回转天车

回转天车是该机的关键结构部分,用于将运梁车上的预制梁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 0.4m/min。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/m以内,保证梁段回转平稳;梁段横移由 2套 250 kN液压缸提供动力,横向调整范围为 ±300mm。

(9)回转地车

回转地车是该机的附属结构部分,用于解决梁段预制方向与梁段入机方向及梁厂布置与线路方向垂直的矛盾。可以方便、安全地完成梁段水平 360°自由旋转。造桥机达到悬挂梁段状态时,梁段首先吊装到运梁车上,运梁车运载梁段到达回转地车,地车带动运梁车及梁段回转 90°,运梁车启动运载梁段到达桥机喂梁吊装位置。

(10)梁段悬吊体系

梁段悬吊体系,是该机的配套组成部分。该体系由悬吊纵梁、扁担梁、吊具、液压泵站组成。可以完成梁段纵向、横向的控制和微调,使梁段精确就位。

(11)过孔装置

前移过孔动力采用 2台 80 kN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。

2.4 结构分析

造桥机总体结构空间分析,采用 MIDAS2006大型空间分析程序,结构采用了三维梁单元组成的空间刚架模型;主体结构采用梁单元模拟。造桥机在使用过程中分两大工况进行计算：工作状态即浇筑完成湿接缝混凝土工况和过孔状态即造桥机完成一孔梁的架设任务后过孔到下一孔位的工况,计算分析结果如图5所示。

图5 各种工况位移及应力图

3 造桥机施工及关键施工技术

3.1 造桥机施工工艺

SX32/64节段拼装造桥机作为移动支架造桥机采用国际通用的下行悬挂式,其施工工艺流程：拼装造桥机→造桥机过孔就位→梁段装车运输→梁段吊入造桥机→安装支座、梁段调整→穿钢绞线、连波纹管、绑扎湿接缝钢筋→立湿接缝模板→浇筑湿接缝混凝土→拆模、养生→预应力钢筋张拉、调梁→压浆、封端→过孔准备工作→检测梁体线形→拆除造桥机。

3.2 64 m混凝土梁架设方案

64m箱梁架设,前支点至中支点 67.2 m,中支点至后支点 68.9 m,后支点与已成孔支座纵向间距 1 cm,见图6。

图6 64m跨施工方案立面(单位：mm)

梁段的吊装顺序为：15号段、14号段、13号段、12号段、8号段、11号段纵向偏位下放悬挂、9号段纵向偏位下放悬挂、10号段正位、11号正位、9号段正位。

安装跨中横连上半部分。

1号段、2号段、3号段、7号段、6号段纵向偏位下放悬挂、4号段纵向偏位下放悬挂、5号段正位悬挂、6号段正位、4号段正位。

3.3 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,随着质量的变化,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。反拱可按下式设置：F1i=FiF2i,F1i：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：张拉前,梁体 i截面处的预留反拱值;F2i：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 45 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。

3.4 梁段的精确就位

精确就位是指梁段纵向、横向和竖向 3个方向的调位。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两个,所以梁段调位是一个反复调整、逐渐趋近的过程。在施工中按先纵向调整→横向调整→竖向调整→纵向调整→横向调整→竖向调整的次序反复循环调整,直至达到设计要求。

就位调整通过回转天车及穿心式千斤顶来实现,以线路的中心线为基准,即线路中心线和梁体中心线重合;纵向两端的梁段预埋螺栓对正支座预留孔,考虑预应力张拉后及后期徐变引起梁跨收缩,梁段在摆放时,活动支座端梁长纵向比设计梁长多放出 30mm作为收缩预留量。通过湿接缝调整,湿接缝长度根据其距固定支座的距离内插调整,端部梁段拼装时安装支座。

3.5 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,造桥机的挠度也增大。当浇筑完湿接缝后,梁体和造桥机的挠度达到最大。在预应力的施工过程中梁体承受着预应力索提供的压应力和弯矩,随着预应力弯矩的建立,混凝土梁荷载对支架产生的下挠度逐渐减小,支架反弹,这样的反作用力使梁体承受一个弯矩,混凝土箱梁的上翼缘产生拉应力,且随着梁体的逐渐上拱,拉应力的效果越明显。

对混凝土梁来说,开始是由均布的荷载支撑着混凝土梁,随着张拉梁体上拱,桥支座附近的反力逐渐加大,所以造桥机跨中的受力减小,两端的反而增大(张拉前,造桥机支座附近仅承受比较均布的梁段荷载)。

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,且便于拆除作用于梁段的支撑系统,应该根据预应力弯矩建立的多少、梁体的挠度变化,分批调节梁段的支撑系统。直到预应力足以承担梁体自重时,使造桥机脱空,混凝土梁呈理论支点状态,根据计算第一次张拉力 24 850 kN,分 4批调节梁段支撑系统。

3.6 造桥机过孔

(1)梁段架设完成后,在已成梁段上铺装 43 kg/m钢轨并固定在混凝土梁面上。后支点小车自行到造桥机尾部,顶起造桥机,并临时支撑好造桥机尾部。注意起顶高度应控制在 100mm内。

(2)顶起中支腿,顶起高度不应超过 100mm,横向挪开滚轮箱,并临时支垫造桥机。倒运后支腿到下一孔架设位置,千斤顶卸载将造桥机支撑在后支腿上。注意千斤顶顶升造桥机时应安装保护装置。中支腿倒运系统与后支腿相碰,安装倒运系统时用回转天车吊运中支腿走行 800mm后再安装倒运系统。

(3)倒运中支腿到前方墩并锚固,中支腿锚固在下一孔的支承垫石上,并采用 16根 φ32mm精轧螺纹钢通过连接器与预埋在预定位置的精轧螺纹钢连接紧固,为防止中支腿在造桥机拖拉过程中倾倒,在中支腿后方增加斜撑,斜撑上端与中支腿上方通过钢销连接,下端通过连接器与预埋在预定位置的精轧螺纹钢连接紧固。降低前支腿,将造桥机支撑在中支腿上,造桥机拖拉过孔到下一待架孔位。

4 注意事项

(1)32m箱梁支座设计采用 GTQZ-Ⅱ-6000型球形支座,64m箱梁支座设计为 GTQZ-Ⅱ-12500型球形支座,但是最不利工况时后支腿下方支座,其最大受力为 8500kN,所以 32m箱梁支座受力不够。为了解决这一问题,所以在梁段组拼成孔时,将对应位置的左右两个支座用刚性临时支座代替。待造桥机过孔完成后,支座不再受最不利工况力的情况下,利用 2台3000kN竖向千斤顶将梁体一端慢慢顶起,为防止顶升过程中梁体受扭,所以配备液压表。在顶升过程中严格控制 2台油顶的反力。2个油表分别的读数与油表读数之和的平均数,差值控制在 5%以内。

(2)造桥机过孔时,中支腿锚固应达到设计强度后才能进行造桥机拖拉过孔。回转天车到造桥机尾部当作配重,并与造桥机锚固成整体。过孔时两边卷扬机出力应均匀,并随时在后支点小车与钢轨之间设制动装置。造桥机过孔时,必须确保造桥机中、后支腿处的高程与后支点小车轨迹相同。

5 结语

由于我国幅员辽阔,地形条件复杂,随着客运专线的快速发展,必将有越来越多的跨越深沟峡谷和大江大河的桥梁出现,而利用造桥机节段预制拼装法建造中等跨度预应力混凝土双线梁正适应这一趋势,它具有施工质量易于控制、施工周期短(平均施工周期 1 d/孔)、适应性强、预应力混凝土收缩徐变小、施工干扰小等特点,将为我国铁路建设作出一定贡献,尤其是64m双线铁路节段预制拼装箱梁的成功应用,将进一步推动节段预制拼装造桥机朝着适应铁路桥梁大跨度、宽桥面、大荷载的方向发展。

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U 445.468

B

1004-2954(2010)03-0071-04

2009-09-30;

2009-11-18

邱广波(1974—),男,工程师,1998年毕业于兰州铁道学院。