公铁双层四线桥连续钢桁梁架设施工技术

邱学良 曹卫军 白晓红 赵 平

1. 中铁二局集团有限公司 四川 成都 610031；

2. 中铁二局第五工程有限公司 四川 成都 610073

近年来，随着钢结构材料性能和桥梁建设施工技术的快速发展，大跨径公铁两用钢桁梁桥的建设越来越多[1]。钢桁梁施工工艺复杂，体系转换多，施工监测内容多。钢桁梁架设施工常用的施工方法有：支架架设法、龙门吊机架设法和全回转吊机悬臂架设法。

以往已有大量针对钢桁梁的施工研究，李建等[2]重点对钢桁梁施工工艺中的支架架设法进行了探讨，董柏富[3]对连续钢桁梁结构的龙门吊机架设法开展了深入研究。本文在以往研究的基础上，以郑济铁路郑州黄河特大桥北引桥施工为例，针对其受桥址处黄河大堤及松软不良地质影响的特点，介绍了全回转吊机悬臂架设的施工方法。悬臂拼装施工，需充分考虑悬臂段的自重及施工荷载作用下的自由挠度，结合无应力状态法理论[4]，在施工过程中加强监控，充分考虑调整措施，并做及时调整，可更加准确地实现设计理论的线形、内力[5]。悬臂拼装施工的临时措施，要充分考虑结构自重和施工荷载，以及调整过程中的附加荷载，合理考虑安全富余系数，确保施工过程和调整过程中的安全[6]。

1 工程概况

郑济铁路郑州黄河特大桥为公铁合建桥梁，上下两层设计，下层为高速铁路和市域铁路四线铁路，上层为宽32.5 m双向六车道城市快速路。北岸引桥跨黄河大堤采用（73＋139＋73） m连续钢桁梁，采用华伦式桁架，边桁、中桁桁高分别为15.00、 15.24 m，包括11.5、11.6、12.0及12.2 m四种节间距，横向布置三榀桁，桁间距13.4 m。主要弦杆、斜腹杆均采用箱形截面。铁路桥面板采用正交异性钢桥面板，上层公路桥面板采用混凝土桥面板，支撑于钢梁上弦，混凝土桥面板结构分为预制和现浇两部分[7]。单个构件最长17.15 m，最大吊重为68.62 t。钢桁梁桥立面如图1所示，钢桁梁横断面如图2所示。

图1 钢桁梁桥立面

图2 钢桁梁桥横断面

2 施工技术特点

2.1 结构设计新

本桥梁为钢-混凝土结构桥梁，混凝土桥面板采用先张法预制施工，为全预应力混凝土结构。先张拉部分横向预应力筋安装后，再张拉剩余纵横向预应力筋。公路桥面板通过剪力槽内剪力钉、钢桁梁预拱度变化，给予桥面板竖向锚固，形成全预应力结构。

本桥梁为高速铁路大跨度钢结构桥梁中首次采用无砟轨道，需研究与相邻桥梁结构的横向调整措施，以满足梁端转角、伸缩变形的需求，从而保证梁端轨道的连续性、平顺性和稳定性，提高高速列车行车的舒适性和安全性。

2.2 施工工艺新

三跨连续梁一般不设置合龙段，若采用支架法单端单向架设，将导致架梁工期长、投入支架量大。为缩短施工工期，采用全回转架梁吊机由边跨向中跨悬臂拼装，最后在跨中合龙的施工工艺。该施工工艺对施工安装精度要求高，大大增加了施工难度。

2.3 架设设备新

结合本项目特点，研制最大起重量80 t，最大作业半径30 m的全回转架梁吊机，前后横梁采用组装式模块化设计，可适用不同主桁宽度的桥梁。增设恒定中支点反力支顶，减少前后横梁跨中弯矩，起到节约用材、减轻质量的作用，同时减少对中桁的影响。

3 悬臂架设技术

3.1 钢桁梁施工阶段划分及仿真分析

采用Midas Civil软件进行计算，将钢桁架、纵横梁离散为梁单元，公路混凝土桥面板和铁路钢桥面板离散为板单元，全桥节点总数2 001个，单元总数4 030个，整体模型如图3所示。

图3 整体模型

按现场实际施工顺序，分别按工况进行有限元模拟，进行施工过程分析。由计算结果可知：合龙前，最大悬臂前端下弦杆的累计竖向位移为－71 mm，最大应力78 MPa，最小应力－49 MPa；合龙时，最大应力44 MPa，最小应力－89 MPa。各施工工况计算结果均满足规范要求。

3.2 临时支墩设计及施工

临时支墩设计主要考虑钢桁梁及桥面板的自重、全回转架梁吊机的施工荷载、风荷载等，同时考虑地基沉降、偏心荷载等。结合本桥址区域的地质及支墩的受力情况，确定支墩采用“桩基础＋承台＋钢管柱＋分配梁＋抄垫（千斤顶）”的方案，设计8排临时支墩，每排支墩横向设置3组。基础采用φ1.5 m钢筋混凝土钻孔桩，钢筋混凝土承台，钢管柱采用φ609 mm钢管，井字形布置，中心间距2 m。临时支墩布置如图4所示。

图4 临时支墩布置

3.2.1 钢管立柱设计

钢管立柱临时支墩承受的荷载主要有：临时支墩的支反力、钢桁梁风荷载引起的支墩反力值和钢管受压偏心弯矩。临时支墩钢管立柱承受的计算荷载取值如表1所示，计算的钢管立柱稳定性均满足规范要求。

表1 临时支墩钢管立柱承受的计算荷载取值

3.2.2 桩基设计

本桥址区域的地质较为松软，压缩系数大，不宜采用扩大基础。临时支墩均采用桩基础，并参考邻近主桥墩桩基的地质参数，安全系数按照临时工程来设计。根据地质情况可知，上层地质承载力极小，单独增加桩基数量不经济，因此第1—3组临时支墩均可以独桩承载，第4组临时支墩采用2根钻孔桩承载，桩径均采用1.5 m，计算承载力均满足规范要求。

3.2.3 临时支墩监控情况

钢桁梁1—7号节间、1'—4'号节间安装完成后，临时支墩的最大沉降为10.5 mm，低于设计的25.7 mm。

3.3 全回转架梁吊机设计与施工

3.3.1 吊机设计

结合本工程特点，设计全回转架梁吊机为单臂架全回转式起重机，转台以上采用电-机传动，转台以下采用电-液传动，可实现80 t×30 m的最大弯矩提升，最大吊幅为39 m，具备起升、变幅、全回转、整机前移及锚固的功能。吊机主要由吊臂、三角架、上转台、回转支承、起升机构、变幅机构、司机室、底盘、走行机构、电气控制系统、液压控制系统等组成[8]。

全回转架梁吊机主要站位于钢梁的三主桁弦杆上方，底座与弦杆之间设置轨道及支顶油缸。轨道主要功能为行走时使用，轨道与上弦之间设置支垫，隔离主桁上弦剪力钉，传递荷载至主桁；支顶油缸分为中桁上的恒反力油缸以及边桁上带机械锁定的支顶油缸。架梁吊机在工作状态时，主要是通过恒反力油缸及支顶油缸传递至主桁，轨道不承受荷载。为避免荷载集中，中主桁上方采用恒定反力，超载时自动分配至边桁的支顶油缸。

根据设计文件，钢桁梁悬臂节间最重杆件质量达68.62 t；桥面板最重达55.95 t，钢桁梁桥面至地面标高最大不超过40 m。选用80 t×30 m全回转架梁吊机，臂长41.5 m，主钩额定起重量800 kN，起升高度30 m（轨面上）/85 m（轨面下），回转角度0°～360°。

3.3.2 吊机安拆施工

在地面上人工配合吊装设备组拼成组装件，利用履带吊拼装，减少空中支撑平台的承载力，缩短空中安装时间。同时在钢桁梁上弦设置15.0 m（纵向）×28.8 m（横向）的操作平台，满足承载施工机具及人员荷载的要求，确保拼装安全。安装及拆卸流程：施工准备→搭设操作平台→安装走行机构轨道梁→下底盘→锚固安装→上转台及回转支承→中央集电环→卷扬机→后三角支架→吊臂→穿主起升、副起升、变幅钢丝绳→拉起吊臂→检查试车。拆卸过程与安装过程相反。

3.3.3 吊机走行

架梁吊机走行机构主要由支垫、轨道、走行油缸、滑座、滑靴等组成。架梁吊机在走行状态时，边桁上支顶油缸及中桁上恒反力油缸回油卸载，将整个架梁吊机回落至轨道上，轨道上设置走行油缸，其尾部与底盘滑座铰接，活塞杆头部通过滑靴与轨道梁铰接。架梁吊机通过走行油缸多次伸缩动作和插拔销子，使轨道梁沿滑靴槽向前移动，完成一个走行循环。轨道可在工作状态时利用走行油缸将其提升走行至下一个节间，亦可通过架梁吊机从后方吊起放至前方。

3.4 钢桁梁拼装

3.4.1 首节段拼装

为确保整体稳定性，首节段采用履带吊在支架上拼装2个节间，杆件拼装顺序为：安装主桁下弦杆→桥面板→中桁竖杆及斜腹杆→中桁上弦杆，形成闭合→安装高铁侧边桁竖杆及斜腹杆→高铁侧边桁上弦杆→高铁侧桥门架、横联及上平联→市域侧边桁竖杆及斜腹杆→市域侧上弦杆→市域侧桥门架、横联及上平联。首节段拼装顺序如图5所示。

图5 首节段拼装顺序示意

3.4.2 支架上拼装

为提高悬臂状态的安全性，尽量让杆件支撑于支架上，采用2个节间同步拼装，拼装顺序为：安装下弦杆→安装腹杆→安装上弦杆→安装桥面板→安装桥门架、横联及上平联→安装前段竖杆→安装上弦杆→安装桥门架、横联及上平联。支架上拼装顺序如图6所示。

图6 支架上拼装顺序示意

3.4.3 悬臂拼装

悬臂拼装采用单节间拼装，拼装顺序为：安装下弦杆→安装腹杆→安装上弦杆→安装桥面板→安装桥门架、横联及上平联。悬臂拼装顺序如图7所示。

图7 悬臂拼装顺序示意

3.4.4 杆件拼装

杆件吊装时应调整其夹角基本与设计吻合，就位时，采用链条葫芦及引导撬杆缓慢调整就位、对孔，在栓孔基本重合的瞬间将撬棍插入孔内拨正，然后起落吊钩，使杆件转动对齐其他孔眼。对位准确后，在栓孔群打入4个定位冲钉，随即安装4～6个工作螺栓，同时安装其余栓孔冲钉和高强度螺栓。

从下至上安装单桁片，安装过程中适当降低下弦标高，便于斜腹杆的安装，整个桁片安装后复核其空间位置，先将上弦冲钉换成高强螺栓并初拧，再安装桥面板及横联，调整桁片的轴线位置，最后更换下弦的冲钉，并完成高强螺栓终拧。

钢桁梁悬臂安装过程中需要对节点挠度及中线进行监控测量，要求每安装一个节间，测一次各节点挠度并与计算值比较，同时测量中线，复核钢桁梁制造质量，确保安装质量。同时，对关键杆件要进行应力测量，并与计算值比较，及时进行分析处理，防止超应力。钢桁梁安装时应及时、准确地测量，每安装一个节间应进行线形观测，并与设计线形进行比较，发出下一个节间的调整指令[9]。

3.4.5 合龙施工

合龙施工是决定钢桁梁成败的重要工序之一，是最后一次可调整工序[10]。对于合龙口的测量应提前收集数据，结合计算成果，进行合龙前敏感分析，找出针对x、y、z方向最有效的调整值。

1）合龙准备。

① 安装至10#节段，利用临时支墩上千斤顶将10#节点顶升至预拱线形标高。

② 安装11#节间，利用10#节点千斤顶顶升，使11#节间达到预拱线形标高。

③ 调整合龙口存在的竖向、纵向、转角的偏移。

2）利用合龙口临时支墩的千斤顶顶升下弦杆，调节下弦杆的竖向位移并消除转角。

3）整体调节单跨，消除合龙口的纵向、竖向偏差。通过提前设置边跨预偏值的方式，调节边跨合龙口坐标与设计相符；如果实际偏差较大，无法利用预偏值调整，则可以利用单跨千斤顶整体纵移调节边跨。

4）合龙下弦杆。

① 通过测量合龙口长度、合龙时间段的温度，进行合龙口拼接板配板。

② 吊装下弦杆就位，连接单端杆件，另一端待到达拟定温度后，进行合龙。

③ 吊装合龙口铁路桥面板。

5）合龙斜腹杆。

① 吊装斜腹杆，并将上端口进行连接。

② 通过测量不同时间段的合龙口斜腹杆长度，对杆件下端口进行配板。

③ 选择合适温度对斜腹杆进行合龙。

6）合龙上弦杆，安装竖杆，采用与下弦杆相同的合龙方法合龙上弦杆，安装平联，并进行栓接及焊接。

4 施工监控

为确保钢桁梁的架设安装精度，防止误差累积，监控量测遵循“先整体后局部，由高级到低级”逐级控制的原则[11]。通过高一级的控制点，利用双频GPS静态测量模式对后来加密的控制点进行复测。施工过程中对每个节点的变形，以及主桁中轴线位置、前后两节段后端底板的高程差、节段拼接后的长度等进行跟踪测量。采用Midas Civil软件对各个施工工况进行仿真模拟分析，保证钢桁梁成桥后的拱度线形、内力与设计一致，按照无应力状态控制法一次拼装成形，其拼装状态应与最终状态的内力、位移一致。测量安装过程和合龙时的温度，与设计、钢桁梁加工及合龙时的温度进行对比分析，确保钢桁梁悬拼施工符合设计要求。

5 结语

本文利用结构构件单元的无应力状态量建立中间状态和成桥状态的联系，将构件安装和体系转化的复杂过程简单化，施工线形与成桥线形明晰化。采用分阶段逐步施工安装，确保了加工精度、安装精度、施工工期可控，并充分考虑了体系转换时的外界条件。采用“倒装法”计算确定起始安装节段的预偏量，有效地减少了体系转化时的调整措施和手段。根据本桥施工情况，在悬臂拼装三主桁钢桁梁时，由于中桁承受荷载较大，故其下挠大于边桁挠度，在多节间悬臂拼装时，应增设临时支撑或者在制造阶段充分考虑其预拱值。