连续梁钢管拱异位拼装整体顶推分析与施工

2011-05-04李承君

铁道建筑 2011年5期

潘念，李承君

(1.中铁十九局集团第二工程有限公司，辽宁辽阳 111000;2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

1 工程概况

某新建铁路跨越既有铁路时，采用(76+160+76)m的预应力混凝土连续梁与钢管混凝土拱组合结构。钢管拱计算跨径160.0 m，矢跨比1/5，矢高32.0 m，拱轴线为二次抛物线。拱肋设置最大预拱度为0.14 m，拱肋的施工矢高为32.14 m。拱肋为钢管混凝土结构，采用等高度哑铃形截面，截面高3.0 m。每肋由2根φ1 000 mm×16 mm钢管组成，弦管之间用16 mm厚钢缀板连接，拱肋弦管及缀板内填充C55微膨胀混凝土。

拱肋钢管在工厂制作，为便于运输，每条拱肋划分为12个运输节段(不含预埋段、嵌补段)。运输段最大水平长度16 m。管节接口避开孔位。

两榀拱肋中心距为12.5 m，拱肋之间共设11道空心钢管横撑，横撑均采用空间桁架。

主桥共设17组双吊杆，吊杆间距8.0 m。

2 施工总体方案

2.1 施工流程

本桥钢管拱安装总体施工方案为:非桥位拼装钢管拱，然后采用连续顶推千斤顶在梁面的滑移轨道上将钢管拱整体纵移就位。

钢管拱施工步骤如下:①确定架拱支架在梁面上的具体位置并浇筑混凝土基础，插打拼拱钢管桩→②安装架拱钢管支架及钢管支架连接系，拉缆风绳→③架拱钢管支架检查验收合格后，进行拱肋节段及横撑的安装，边安装边调整线形→④两侧拱肋对称安装→⑤安装合龙段→⑥安装横撑→⑦整体焊接→⑧整体顶推就位→⑨吊杆安装。

2.2 钢管拱纵移施工方案

钢管拱钢结构质量总计401 t，分为24节拱肋，11节横撑及其它配件。拱肋最长节段为15.988 m，质量17.6 t。横撑不分节，每段横撑长11.5 m，质量10.26 t，全桥横撑质量 112.86 t。

钢管拱分节段进场到位后，将钢管拱拱肋运输段焊接成吊装段，然后在5孔简支梁范围根据安装对接位置，设置钢管拱安装支架。在支架上安装拱肋，钢管拱拼装完成后，采用钢绞线将拱脚预紧。最后拆除支架，实现整个钢管拱整体滑移。

拱肋运输到现场后，在桥下方搭设拱肋拼装平台，将运输段拼成吊装段。用两台汽车吊将吊装段吊装上桥，在连续梁引桥的混凝土梁上做支架组拼，占用混凝土梁面160 m。

搭设拼拱支架时钢管位置应精确定位。利用引桥5孔简支梁范围场地，搭设拼装支架，拱肋临时支架采用8根φ 1 000 mm×10 mm的钢管桩作支架，8根钢管支点设计在桥下基础上，基础采用混凝土扩大基础。8根钢管桩之间采用桁架式连接系连接，以增强支架的整体稳定性。全桥钢管拱共分5段吊装，具体分段为:第一段长31.946 m，第二段长35.852 m，第三段长21.958 m，第四段长 35.852 m，第五段长31.946 m。因钢管立柱桁架高度达40 m以上，故立柱之间设置桁架式联系。

在安装钢管桩支架时，浇筑厚度35 cm的C30扩大基础，基础顶面预埋钢板为1 200 mm×1 200 mm×12 mm钢板，周边焊接加劲板。由于临时支座是由轮箱组成，纵向无约束，为克服安装拱产生的水平推力，应对轮箱与轨道基础之间进行约束固定。

因两组钢管拱间距为12.5 m，而临时轮箱支座间距仅有7.9 m，在安装第一节拱时，两边临时支座受力不平衡，会出现倾覆现象，需在相应位置设置管桩，以约束安装第一段拱时的不平衡力。

汽车吊将钢管拱节段吊至钢管支架上固定，同时将拱肋与滑移系统连接。为保证吊装到位后拱肋的稳定性，每个吊装段到位后在对应位置安装横撑。

钢管拱吊装时，对每一吊装段进行跟踪测量，保证安装线形满足设计要求。吊装线形几何尺寸除满足设计要求外，也应根据原桥面吊索孔的施工误差，在满足设计要求的情况下，进行适量修整，保证后续吊索安装的顺利。钢管拱安装工序示意如图1。

图1 钢管拱安装示意

钢管拱在安装到位后，用50 t手动千斤顶进行高程调整，调整到位后用马凳“抄死”，然后立即进行临时焊接。临时焊接采用250 mm×150 mm×16 mm的A3钢加劲板，与上一节拱肋牢固焊接在一起。每个拱肋的接头焊接16个加劲板，上下弦管接头各均匀布置8个加劲板，加劲板与拱肋双面满焊，焊缝高不得小于8 mm。

拱肋临时连接好后，开始进行永久性焊接。拱肋和横撑现场所有焊接均采用手工焊，全熔透。焊接时先焊对接环缝，每节拱肋的对接环焊缝至少焊三道。焊接完成后割掉临时连接的加劲板，再将加劲板处的焊缝补齐。焊接完成后将焊缝打磨平整，并进行无损探伤，合格后再安装瓦管并进行焊接。对于探伤不合格的焊缝采用碳弧气刨，将不合格的焊缝刨开，重新进行焊接，焊接后再次进行探伤，确保焊缝合格为止。

拱顶合龙节段安排在15℃ ～20℃之间进行吊装，吊装后按以上临时连接方法进行锁定，拱顶合龙节段焊接时间选择在气温15℃～20℃之间时进行。

钢管拱拼装完成后，用千斤顶在原支架位置将拱顶起，拆除安装用拱肋支座，逐渐降低千斤顶，同时观察拱脚水平位移。拱肋安装前应充分考虑拱脚的水平推力带来的位移量，提前设出预紧量，确保拱脚位移不大于20 mm。在千斤顶完全脱离拱肋后拆除支架。支架拆除一定按照先拆除台车临时固定设施，再拆除柱顶支点。在拼装支架拆除后，每肋钢管拱两端有向外延伸的张力，故每肋钢管拱提前采用钢绞线承受其张力(使用两根钢绞线束，每束含10根 φj15.24 mm钢绞线)。

钢管拱滑移系统由十六个轮箱和四条轨道组成。拱肋滑移支撑与钢管拱的连接采用承重抱箍与钢管拱焊接。即在拱肋下弦杆焊接承重抱箍，承重抱箍钻孔与滑移支撑贝雷片横梁钢管连接，贝雷片将力传给下面的分配梁，分配梁将力再传给轮箱。

3 施工注意事项

3.1 滑移过程防风

非工作状态下，防止结构由于风力过大造成倾覆，利用钢丝绳与梁连接。贝雷片上部钢丝绳穿过拱肋吊杆孔拉紧纵向贝雷片，下部钢丝绳连接贝雷片与桥面挡砟墙钢筋，见图2。

图2 施工过程防风

3.2 滑移过程控制

滑移过程是整个钢管拱施工中最难控制的一个环节，也是要求最高的一个环节。要求钢管拱安全稳定地沿轨道行进。滑移轨道见图3。

图3 滑移轨道

钢管拱顶推前进的理论速度约为0.5 m/min。顶推液压缸推力在500 kN以上，两片拱肋下的两套设备及两套备用设备型号规格一致。液压缸一端连接到夹轨器，另一端连接到钢管拱前进方向的轮箱，轮箱上焊接耳板与液压缸销接。

当出现两侧轮箱行进不一致时，在下次顶推时慢的一侧液压缸多顶推相应距离。最终沿轨道将钢管拱顶推到位，并与拱脚连接。

3.3 拱肋调整

钢管拱顶推到位后，采用千斤顶将钢管拱精调，纵向利用滑移量修正;竖向利用千斤顶升降修正;横向利用轨道在拱脚到位前提前修正，拱脚修正到位后与拱座处预埋拱脚焊接，完成整个钢管拱的安装。

4 施工过程中结构受力分析

4.1 钢管拱体系受力

主要进行了钢管拱安装抗倾覆验算、支撑结构设计计算、拱脚固定结构计算、钢管拱水平力计算及拱脚托架计算等。

钢管拱安装完成后，开始滑移作业，走行状态下倾覆荷载主要是横向风荷载，抗倾覆荷载为钢管拱、纵向连接系、横向连接系及底座等的重力荷载。按照走行状态设计风压150 N/m2(6级风)、非走行状态设计风压500 N/m2(11级风)的风荷载计算可知:走行状态K=M抗/M倾=8.1＞1.5;非走行状态 K=M抗/M倾=2.4＞1.5，满足规范要求;当风力＞6级时，停止走行作业并锚固牢靠。

钢管拱支撑结构可分为三部分:钢管拱安装过程中的支架结构、钢管拱纵移过程中连接四拱脚的拉紧支撑结构和钢管拱纵移过程中的下部承力结构。

钢管拱合龙前结构整体最大变形8.8 mm，位置在钢管拱拱肋上，贝雷架连接系最大变形7.9 mm，结构最大等效应力93 MPa。合龙后结构整体最大变形9.4 mm，结构最大等效应力92.9 MPa，为柱顶分配梁弯曲应力。纵移过程中横向贝雷架最大竖向变形-3.8 mm，最大等效应力177 MPa，压杆最大等效应力152 MPa，均满足要求。钢管拱下部承力结构为横向贝雷片以下的支撑结构，主要承受横向贝雷片传递的结构重力，其最大等效应力97 MPa，满足要求。

拱脚固定结构将连接拱脚的横向贝雷片竖向拉紧，一方面固定拱脚避免安装过程中由于偏载造成的倾覆，另一方面可以固定轮箱防止轮箱纵向移动。结构最不利荷载出现在安装第一节段时，横向贝雷片左右受力不均衡，此时固定装置中最大挠度4.2 mm、最大应力72.9 MPa，满足要求。

钢管拱水平力分析以单片拱肋为研究对象建立模型。假设保证钢管拱拱脚水平位置不动，荷载仅施加重力，包括拱肋及拱肋上附件、横撑等，此时每个拱脚上的水平力为2 040 kN，即需要至少2 040 kN的水平拉力才能保证拱脚在理想位置。

拱脚托架连接拱脚、横向连接系、纵向连接系等，是重要的受力结构。结构计算时托架主要承受纵向钢绞线传递的拱脚水平力和横向连接系传递的竖向力，最大等效应力172 MPa，满足Q345B钢材的要求。

4.2 纵移过程中简支梁受力分析

拱肋的纵移过程将通过32 m简支梁，取单跨简支梁进行检算。由于拱肋跨度为160 m，梁只承受一端轮压，按照跨中最大弯矩和梁端最大剪力两种工况检算。通过有限元计算，在跨中最大弯矩工况下，由轮压引起的简支梁梁底最大拉应力为1.28 MPa、挠度2.1 mm;梁端最大剪力工况下，由轮压引起的简支梁梁底最大拉应力为0.57 MPa、最大剪应力为2.96 MPa，满足规范要求。由于轮压作用点位于简支梁翼缘板范围内，为防止局部应力过大可采取增大受力面积等措施降低应力水平。