高速铁路非标准跨径梁架设工艺研究

刘学忠

(中铁三局第六工程有限公司，山西晋中 030600)

1 概述

近年来，我国高速铁路发展迅速，已成为世界上运营高速铁路最多的国家。受高速铁路沉降控制严格的条件限制，线下工程多选择沉降易控制的桥梁结构形式。在桥梁结构的设计中，出于标准化、工厂化生产的需要，一般尽可能设计以预制架设标准跨径简支梁为主。以大西客专为例，全线桥梁总长495.9 km，占线路总长的73.1%。其中制架标准跨径简支箱梁14 369孔，长456.3 km，占桥梁总长的93%。我国高速铁路简支梁标准设计跨度主要有32.7 m，24.7 m，20.7 m 三种。上述三种跨径均有部颁发的相应通用设计图。目前国内各个运架梁设备制造商家，也是针对上述三种跨度设计制造运架设备，使同一套设备具备完成上述三种跨径梁的运输和架设能力。当遇到以上三种跨度以外简支梁时，一般设计施工均采用原位现浇法。

铁路梁预制架设施工工艺，无论施工成本、质量、进度控制，还是施工安全、环保、文明的管理，都具有原位现浇施工工艺无法比拟的优势。本文以中铁三局承建的大西铁路客运专线工程为背景，探讨采用常规900 t下导梁式架桥机架设非标梁施工工艺。

2 工程概况

新建铁路大同～西安客运专线站前施工七标段由中铁三局承建。起讫里程为DK442+546.69～DK497+170.42，位于山西省临汾霍州市、洪洞县境内。标段内设计桥梁共29座计39 849.84 m，占标段总长的71.8%。桥梁以简支梁为主，共计1 181孔。其中设计制架标准简支梁1 175孔，梁型为高速铁路广泛采用的“通桥(2008)2322A”系列。现浇非标梁6孔，其基本情况见表1。

表1 非标梁信息表 m

由于本标段非标梁数量相对较多，考虑到原位现浇施工质量不易控制、安全风险高、投入施工成本高、个别桥墩高度达41.5 m支架现浇难度等不利因素，为优质、安全的完成施工任务，经研究分析，决定对设计采用支架现浇的6孔非标梁，采用预制架设工艺施工。

3 需要解决的问题

非标梁跨度、自重介于标准跨径梁24 m～32 m之间，处于架桥机、运梁车工作范围之内。以上两个因素为预制架设非标梁提供了有利条件。

下导梁式架桥机架设标准跨径梁时，主梁和下导梁的前支腿、后支腿之间的长度固定，支腿在桥梁支撑位置也固定，如图1所示。部发通用图设计中，对架桥机支腿作用于墩台、桥面所特定的支撑位置工况下，墩台、梁体的受力状况均进行过设计检算，施工荷载作用下墩台、梁体能够满足要求。

图1 架设标准梁时主梁及辅助导梁支腿支撑位置示意图（单位：m）

然而，当架设非标梁时，由于跨径不同，下导梁前支腿无设计支撑位置，主梁后支腿将支撑于梁跨中间，如图2所示。因此，需解决的问题有:1)主梁后支腿支撑于已架前一孔梁跨中间部位时，架梁作业各种工况下是否会对已架前一孔梁产生不利影响。2)如何为下导梁前支腿提供支撑点。

图2 架设机架设非标梁时支腿位置示意图（单位：m）

4 架设非标梁工艺

4.1 架设非标梁时对已架前一孔梁体作用影响分析

如图2“架桥机架设非标梁时支腿位置示意图”所示，当要实现架设非标梁时，后支腿支撑于已架前一孔梁梁端的要求(即梁顶设计架桥机支腿作用位置)，需改移架桥机后支腿与主梁连接位置，将架桥机后支腿前移。然而，后支腿与主梁连接复杂，改变位置改造成本高、改造复杂、所需时间长，可实施性差。如果后支腿支撑位置后移，支撑于已架前一孔梁偏移向跨中时，再分析研究架设非标梁工况下，是否会对已架前一孔梁产生不利影响。若经检算梁体承载力能满足要求，则架桥机就可像建设标准梁一样来完成非标梁架设。分析方法:采用MIDAS-CIVIL结构分析系统，将已架前一孔梁体沿纵向分割成杆系单元建立有限元计算模型(如图3所示梁体有限元模型)计算。计算中考虑的荷载有梁体自重、预应力、架桥机作用、运梁车作用。

分析运架梁过程，确定五种荷载工况进行检算，具体如表2所示。对每种工况下各截面混凝土应力、抗裂性、正截面抗弯强度按照规范要求进行检算。每种工况的荷载组合见表3。

通过有限元分析计算，架梁过程中，前一孔非标梁各截面强度、抗裂性、混凝土应力均满足规范要求，说明架设非标梁时前一孔已架梁结构状态是安全的。

图3 梁体有限元模型

表2 非标梁检算荷载工况

表3 非标梁检算荷载组合

4.2 下导梁前作用点支撑工艺研究

通过对非标梁孔径、地形条件、下导梁机械的分析研究，选定3种下导梁支撑解决方案。各孔非标梁下导梁支撑方案见表4。

表4 非标梁检算荷载组合

1)直接架设。

跨径为32.12 m和32.29 m的梁孔，和标准跨径32.7 m相差较小，分别比标准跨径小0.58 m和0.41 m。通过分析，将下导梁前支腿支撑位置向前桥墩外侧偏移、后支腿向后墩中心靠拢，则在一定范围内，可满足在跨径变化较小时下导梁的支撑要求，如图4所示。

图4 下导梁支撑布置图

其中，Lmin为不改变下导梁结构可架设简支梁的最小标准跨径;L1为下导梁后外边缘与前支腿支撑外侧之间的距离，反映了下导梁实际需要的工作长度。本架梁装备3 340 cm;d1为后侧待架梁体与下导梁后外边缘之间的安全距离，反映了在架梁落梁时保证梁体不碰撞下导梁的安全距离，取10 cm;d2为下导梁前支腿外边缘与桥墩边缘之间的的安全距离，取10 cm;B2为下导梁前支撑桥墩宽。本项目所施工桥梁桥墩宽度均为300 cm。

通过计算，下导梁直接支撑于墩顶的最小桥梁跨径Lmin=3 340+(10－5)－(300/2－10)=3 205 cm。比标准跨径小32.7－32.05=0.65 m。

结论:跨径为32.12 m和32.29 m的梁孔跨径介于32.05 m～32.7 m之间。不采取其他任何措施，下导梁能够满足架设跨径为32.12 m和32.29 m非标梁的需要。

2)临时简易支撑+下导梁后移。

根据厂家提供架桥机相关资料得知，下导梁前支腿支撑反力，在下导梁自重作用下，前支腿反力为19.0 t，而在架桥机过孔状态时前支腿最大反力为141 t。由此可见，前支腿支撑对地基基础的要求，架桥机过孔工况远大于自重作用时工况。

李涧2号特大桥非标梁所处位置桥墩较矮，高度只有3.5 m。利用该有利条件，基于上述考虑，下导梁支撑采取方案为:在待架梁前一孔桥下临时填筑土堆，下导梁过孔后前支腿临时支撑于土堆上(见图5)。

然后架桥机按照正常工况架梁。架梁完毕架桥机过孔前，拆除下导梁后支腿，在下导梁天车和辅助支腿传动链作用下，将下导梁后移，使下导梁后端支撑于已架梁面、前腿支撑于前方墩顶(见图6)。

图5 下导梁前支腿支撑于墩前土堆

图6 下导梁后移，后端支撑于梁面

然后架桥机过孔。过孔完毕，重新安装下导梁后支腿，下导梁前移过孔，恢复正常作业状态。当下吊梁仅承受自重时，其前支腿支撑于临时土堆上。当需要过孔时，前支腿支撑于桥墩上。临时辅助工程仅为堆2.5 m高的一土堆，施工简单，成本低。方法流程如图7所示。

图7 临时简易支撑+下导梁后移流程示意图（单位：cm）

3)改变下导梁前支腿位置。

下导梁梁体为钢结构箱室结构，前支腿与导梁通过螺栓连接，连接构造较为简单。连接位置处在导梁箱室内设置支撑加劲肋。当架设非标梁特殊跨度时，通过自行改造改变下导梁前支腿支撑位置简单易行。

为此，在架设跨度为25.38 m，26.50 m，29.00 m 的三孔非标梁时，采用了改造导梁改变前支腿在导梁上支撑位置的方法。该方法相当于下导梁支腿在原有能够架设跨径为32.7 m，24.7 m，20.7 m简支梁的基础上，又增加了能够架设 25.38 m，26.5 m，29 m简支梁的功能，如图8，图9所示。

图8 标准梁下导梁支撑布置图（单位：m）

图9 非标梁下导梁支撑布置图（单位：m）

改造方案:根据非标梁不同跨径，在下导梁前端重新标定前支腿安装位置。在对应位置导梁箱室结构内部加焊支撑加劲肋、底板位置新钻孔以便与支腿连接。改造后3个下导梁新端支撑设置方式与原有端支撑相同，实现了架设上述3孔梁时下导梁前移的需要。

5 制架非标梁与原位现浇方案的比较

非标简支梁原位现浇与预制架设的对比分析如表5所示。通过对比可得知，实现非标梁的预制架设施工，综合效益和经济效益都得到提高。

表5 非标梁原位现浇与预制架设对比分析表

6 结语

建议:在项目实施过程中，建议在工程设计需设置非标梁孔跨时，将该孔梁布置于沿架梁前进方向所通过的连续梁的前一孔，如此便可将下导梁前支腿直接支撑于前方已现浇完成的连续梁桥面上，为下导梁过孔时提供了前支腿临时支撑位置。

通过以上工艺论述，利用辅助导梁式架桥机在架设本项目6孔非标准跨径简支梁过程中，各荷载工况不会对工程结构、设备本身产生不利影响，各种临时工程措施安全可行。施工安全隐患小，施工成本低于原位现浇，施工质量更容易控制。本工艺的研究应用，为今后类似工程提供了借鉴和经验。