跨墩龙门在跨河桥钢梁安装施工中的应用

2018-11-14吴立波

天津建设科技 2018年5期

□文 /吴立波

随着北京通州区被定位为北京市行政副中心，通州核心水系北运河上跨河景观桥建设如火如荼，尤其采用钢结构作为桥梁主跨上部结构的构造形式与日俱增，因此钢构件的安装也就成了桥梁施工的重要环节。纵观类似跨河桥梁，跨越干涸的河道一般在河道修筑施工路采用吊车进行吊装作业；跨越常年有水的河道一般在河道搭设临时栈桥（支架），采用拖拉法、顶推法或平移法（对于等截面的钢梁构件）进行安装作业；而北京通州北关大道跨北运河大桥的桥跨结构为异形空间双曲面钢拱桥，由于其独特的结构形式和特殊的地理环境，异形钢拱桥构件的安装按照上述方法均无法实施，故因地制宜，因势利导创造性地采用了跨墩龙门进行吊装施工。

1 工程概况

北关大道跨北运河桥梁位于通州运河核心区规划北关大道跨北运河处，为“千荷泻露”的梁拱组合桥。桥梁全长360 m，总面积17 266 m2；其中跨越主河槽的主桥长210 m，为30 m+40 m+70 m+40 m+30 m上承式钢结构连拱桥。桥梁横断面形式复杂：主桥宽42.6～68 m；人行道宽度及流水平台沿着桥梁纵向不断变化；1#和4#墩处桥梁全宽为53.4 m；2#和3#墩处桥梁宽度全桥大，为68m。在步道及流水平台变宽的过程中，各层步道高程逐渐分开，形成三层不同高度的步道。见图1-图3。

图2 主桥三维平面

图3 桥梁横断面

2 主桥钢构件吊装方法的选择

主桥钢结构为拱梁组合，横断面非等截面且桥梁跨越北运河主河道，因此钢构件在施工现场的水平及垂直运输成为难题。钢构件造型奇特，采用架桥机无法进行安装；非等截面构件也无法采用顶推、拖拉、平移等方法安装；由于环保等因素制约，河道管理部门不允许在河道填筑土围堰作为吊装平台；如搭建钢栈桥作为吊装平台，费用巨大且占压河道面积过大，汛期严重威胁行洪安全。

经调研论证，权衡利弊，确定钢构件吊装采用跨墩龙门。主桥跨越北运河主河道，河道水深2.2 m，先行在河道内修筑钢栈桥，然后在栈桥上铺设跨墩龙门轨道基础，从而满足跨墩龙门的作业条件。在搭设龙门吊基础栈桥时，采用贝雷梁在上下游预留出通航孔道。这样可以通过跨墩龙门实现钢构件在吊装过程中的水平及垂直运输的，同时又保障了河道的畅通及汛期的正常安全行洪。

3 跨墩龙门的搭设

3.1 基础形式设计

桥梁施工区域河底为50 cm厚钢筋混凝土护砌。桥梁上下游栈桥呈对称布置，栈桥钢管柱采用直径530 mm、壁厚14 mm的钢管。钢管桩横向每排布设4根，间距为1.4 m+2 m+2 m；纵向间距为5.5 m。钢管桩与河底护砌通过法兰及锚栓连接。栈桥分配梁横向采用双拼36b工字钢，纵向为单拼11根40b工字钢，纵向分配梁上满铺2 cm厚钢板，轨道采用43轨，钢管柱之间采用12#槽钢进行连接[1]。见图4和图5。

图4 单侧栈桥横断面布置

图5 龙门吊栈桥

3.2 选型

通过分析，考虑龙门吊轨道设置距离栈桥内侧边缘1.25 m，确定龙门吊轨道间距为49.5 m，栈桥轨道顶高程为24.35 m。龙门吊主要参数：额定起质量35 t，大车运行速度0～10 m/min，小车运行速度7.26 m/min，起升速度0.93～1.17 m/min，龙门吊自质量89 t，龙门吊工作级别A3，整机功率34 kW，大车轴距6.5 m，小车轨距2 m，起升卷扬机型号JM5。跨墩龙门安装2台并通过同步器满足协同作业的需求[2]。见图6。

图6 龙门吊总体结构

采用容许应力法，根据施工实际荷载情况对2 cm钢桥面板、顺桥向40b工字钢、横桥向36b工字钢、12 m贝雷梁、530mm钢管承载力、条形基础、拱肋临时支墩受力、钢管栈桥整体稳定性以及龙门立柱、横梁、吊装用钢丝绳、卡环、吊耳做了复核计算，均满足要求。

4 跨墩龙门的吊装工艺

4.1 基本原理

将跨墩龙门基础延伸搭设至桥梁西岸引路区域，在引路区域搭设运钢构件车辆可抵达的吊拼装平台；所有钢构件均在此平台通过跨墩龙门起吊并运输至设计安装位置进行组焊；根据钢构件的具体重量等特征灵活选择采用单台跨墩龙门吊装还是采用两台跨墩龙门协同吊装。鉴于拱肋为空间双曲面扭曲的奇特造型，为提高安装精度与工作效率，构件吊点位置结合构件安装就位后的实际空间姿态进行设计。利用钢构件CAD实体模型，确定钢构件的重心位置，选择重心铅直线与顶面交点作为合力点的吊点，以保证钢构件起吊后空间角度与理论角度吻合。

根据拱肋为空间双曲拱轴线的具体情况，曲面的拱肋形式大大增加了测量定位难度。测量定位方式的选择、控制点的坐标计算和预偏值计算等至关重要。采用CAD三维建模的方式辅助测量坐标计算，通过控制分段位置四个角点坐标及高程进行定位。通过运用midas计算软件辅助计算拱肋施工各工况下的受力状态，确定合理的预高、预偏值，以保证拱肋最终安装精度和成桥线形。见图7。

图7 拱肋定位控制

4.2 吊装步序

钢拱肋—拱间横梁—立柱—桥面钢箱—人行梯道。安装组焊方向为由东岸5#墩位置开始依次向西岸吊装。见图8。

图8 钢结构安装

北关大道跨北运河大桥主桥为五跨空间曲面连拱桥，横断面上布置7根拱肋，共计35根拱肋，均为钢结构。拱肋均为矩形断面，根据跨径不同，拱肋位置不同，分为不同尺寸，不同板厚。为形成桥梁空间整体变断面效果，将拱设置成面外弯曲空间拱，见图9。为满足受力要求，优化拱保证与横梁、立柱的连接，同时降低梁高，将竖向拱进行横向弯曲面形成空间拱，并非将进行水平推倒（刚体转动）形成的推倒拱。拱间每10 m设置一道横梁与各主拱肋连接，横梁断面为矩形,根据横梁位置及跨径不同，横梁尺寸及钢板厚度有所不同。

图9 空间拱肋构造

由于主桥结构的特殊性，钢构件吊装步序在细节上又明显区别于传统钢拱桥的安装。

钢拱肋吊装的具体步序是顺桥向从北运河东岸5#墩开始向桥西岸0#墩方向进行；横桥向先吊装中拱肋后依次对称吊装上下游两侧拱肋，待单跨拱肋吊装完成后再吊装钢横梁。单跨钢拱肋及钢横梁吊装完成后，进行钢横梁上立柱的吊装；待钢拱肋、钢横梁及钢立柱焊接完成并张拉拱脚预应力后，进行钢箱梁的吊装。每块钢箱梁由两台跨墩龙门协同吊装，顺桥向安装方向为由东向西，横桥向安装顺序先中间后两边对称进行吊装并焊接成型。另根据监控单位的指令要求，钢拱肋的吊装组焊速度要至少比钢箱梁超前一跨。待钢拱肋、横梁、立柱、钢箱梁均完成吊装后，最后进行人行梯道的安装[3]。

4.3 跨墩龙门吊装的优点

在跨越河道桥梁施工现场的水上敷设跨墩龙门并实现了钢构件在X-Y-Z三维的运输及准确就位，这是施工工艺质的创新，实践性地促进了施工技术的进步；钢构件在施工现场由龙门吊直接起吊卸车，节约了施工成本；跨墩龙门栈桥基础兼做上下游施工便道，连通了运河两岸极大方便了施工，显著提高了生产效率；操作方便灵活的龙门吊在拱肋的合龙段施工时发挥了巨大作用；跨墩龙门促进衍生了重心法异性空间钢构件定位技术，既实现了技术进步又大大提升了工作效率。