跨运营铁路线桥梁安装的可调式移动门架设计

刘中良，陈振山，吕 金

(1.山东高速路桥国际工程有限公司,山东 济南 250014; 2.中国水利水电第八工程局有限公司,湖南 长沙 410004)

1 研究背景与意义

很多施工环境比较复杂,无法在现场进行施工,需要门架的辅助,但现有的门架很难满足需求。比如在运营铁路的密集市区狭小空间内、建筑物距桥位太近的路段、小半径曲线路段等特殊复杂施工环境和路段。不仅要考虑施工的进度,还需考虑施工的安全性和协调性,施工的过程不能阻断现有铁路线的运行以及对行车与乘客安全的保障。因此,传统的门架无法满足这些特殊的施工环境,需要一种新型的门架来满足这些特殊的施工环境。当今世界范围城市桥梁呈规模化建设,各类公路、铁路高架桥种类繁多,线路走向受制于自然地质、社会既有建筑、土地权属等多方面因素。基于此,在桥梁工程设计中需采取“避让”原则或设计为悬臂结构,既能满足桥梁整体设计线形要求,又能最大程度规避潜在冲突[1]。李学东[2]阐述现浇盖梁支架施工技术的应用要求,而后分别从测量施工放样、地基处理、支架、搭设、底模板安装钢筋绑扎等环节对该技术的工艺要点进行探讨。李娟[3]桥梁现浇盖梁工程施工过程中,比较常用的施工工艺为抱箍法和穿芯棒法,通过这两种施工方法的合理应用可以有效保证高速公路现浇盖梁支架的施工质量和稳定性,但是对于大体积现浇盖梁而言,上述方法无法保证盖梁支撑施工的安全性,因此,通常情况下选用搭设支架的方式进行施工,以此保证盖梁施工质量和稳定性。杨建春[4]利用定型钢模板加拉杆作为结构成型体系,采用钢管护栏及防护网作为安全防护措施,以形成盖梁无支架施工的完整体系。张小华[5]采用一种新型的墩顶支撑系统,进行盖梁中心节段现浇施工,施工时无须在桥下现场搭建支架,将支架系统部件在地面上组装好后,整体吊起放置在桥墩顶部四个凹槽中。吴新印等[6]为解决桥梁装配式施工中传统混凝土盖梁自重过大、整体吊装困难的难题,提出全预制装配式超高性能混凝土盖梁的设计方案。张艳[7]介绍了广西贵隆C04标项目马曹大桥跨石油管线、国道G322一号分离桥跨国道门架墩这2处预应力盖梁支架结构的设计与施工。现浇支架采用钢管贝雷,支架的最大特点是钢管立柱斜置,支架基础采用“永临结合”方式。基于支架施工隐患防治技术,分析总结斜腿钢管柱的下料、节点焊接、支架拼装、支架预压、钢绞线张拉存在的问题及处理措施,为后期类似的斜腿钢管支架提供借鉴。目前,根据这些研究,通过对高速公路跨线桥梁施工中,采用组合式H型钢门式支架施工技术,从而解决上跨匝道桥及近邻的营运线路桥梁上下空间受限等技术难题,门式刚架系统可应用于工程项目的支撑与防护系统用于桥梁、地铁等建设中。采用简易门式支架代替满堂式脚手架施工盾构井、轨排井,解决轨行区各专业交叉施工的影响,极大节省了施工成本和工期。同时在高速公路跨线桥的施工中一般采用贝雷梁,但是贝雷梁的自身高度比较大很可能不满足净高的要求,但是门式支架的自升高度较小因此比较容易满足净高的要求[8],本论文依托实际工程对移动门架设计方案进行相应阐述,该方案不仅可以有效提高施工效率,降低安全风险,而且具有降低劳动强度和节约人力资源与物力资源的特点。

2 移动门架设计重点难点

1)主梁旋转弯折:主梁弯折需不小于90°,主梁弯折后固定段主梁与调节段主梁的组合宽度应能在两个墩柱间通过。2)移动门架支腿弯道行走:当桥梁设计存在曲线段,移动门架走行轨按照既有火车轨道偏移所得。3)主梁就位:桥位在进入、离开既有铁路线,承重主梁与盖梁存在夹角,移动门架一侧支腿走行至墩柱中心线时,另一侧无法就位,需特殊设计。

3 工艺原理

3.1 工作装置

使用可调式移动支撑门架系统,组装与维修方便,可以重复使用,能在狭窄空间移动和升降,适应能力强,保证桥梁盖梁施工不间断作业和运营铁路线安全。

3.2 工艺原理与操作

可调式移动支撑门架系统可以在骑跨铁路线上走行,走行过程中不但可以根据实际的施工环境对门架横梁进行横向的长度调整;而且还可以实现竖直方向的高度调整。在走行轨道两侧空间不足的情况下,门架横梁为伸缩式的;在直线路段,位于两个轨道上的台车同频走行,实现门架系统的整体走行,在曲线路段,位于同侧轨道的台车同频行走,同时位于不同轨道的台车不同频行走。伸缩梁由设置于主梁和横梁框架上的驱动装置驱动实现伸缩梁的伸出和缩回。走行过程中,通过控制门架支腿的高低来实现门架横梁的顶升和下降。门架支腿顶升时,液压油缸的伸缩杆处于缩回的状态,使用销轴通过横梁销孔和导柱销孔将顶升横梁和导柱进行固定,同时,拔出固定销孔内的销轴,操作液压油缸的伸缩杆伸出,带动导柱上升,当导柱上升到指定高度后,将横梁销孔内的销轴拔出,缩回液压油缸的伸缩杆,顶升横梁下移;之后重复上面的操作;最终通过门架支腿将门架横梁顶升到合适的位置。走行过程中,如果移动门架系统的走行轨道与待建盖梁不垂直,导致门架一侧走行就位后,另一侧无法正常就位,加装转向系统。从而可适应多种复杂环境施工作业而不中断交通,比如在骑行运营铁路的密集市区狭小走廊带架设桥梁、路侧建筑物距桥位太近的路段、小半径曲线路段等特殊复杂环境施工路段,从而保障桥梁施工的安全性和协调性。可调式移动支撑门架系统原理图如图1—图3所示。

4 走行支腿设计

走行支腿由基础及轨道、顶升系统、门架支腿、支腿顶部转盘四部分组成,以下将结合具体项目对走行支腿设计进行相应的阐述。

4.1 基础及轨道设计

4.1.1 基础与轨道选择

该项目采用管桩基础,管桩间距3 m,直径610 mm,壁厚10 mm,长9 m;管桩顶面凹槽内为双拼32b工字钢轨道走行梁。如图4所示采用P43钢轨。轨道、走行梁及管桩,施工时采用拆后补前的方式。

轨道按照《起重机设计手册》中表3-8-16选择P43型钢轨满足使用要求(见表1)。

表1 轨道选择

4.1.2 轨道定位

轨道定位有桥梁设计线偏移、铁路轨道偏移两种方式,两种方式分别在轨道平行以及桥梁弯曲时采用不同的定位方式。

1)桥梁设计线偏移:为保证移动门架顺利在墩柱间通过,桥梁设计线与现有铁路线基本平行段落以桥梁设计线偏移所得,承重主梁与盖梁平行,主梁能顺利就位。

2)铁路轨道偏移:桥梁进入、离开铁路线以及桥梁平曲线段以铁路最外侧轨道线为基准向两侧偏移得到。承重主梁与盖梁不平行,主梁与盖梁之间的最大角度为5.0°,需采取相应措施,主梁方能顺利就位。

4.2 走行支腿

为提高整体稳定性,采用可伸缩式支腿,通过调节移动门架支腿高度满足盖梁施工。在日常的施工中门式支架主要使用密布支架和钢管柱等[9]。该项目采用梯形桁架结构,均为刚性支腿,支腿高8 m,13 m,纵向轮间距6.9 m;8 m支腿主桁架采用直径273 mm钢管,壁厚10 mm;13 m支腿主桁架采用直径355 mm钢管,壁厚10 mm;支腿底部联系梁采用双拼32号槽钢,支腿如图5所示。

4.2.1 支腿高度选择

22型硬座车的车顶距轨面高度4 283 mm,空调机组距轨面高度4 768 mm;根据铁路轨顶至设计盖梁底的净空,考虑移动门架主梁顶部盘扣支架在走行过程中的稳定性及支架高宽比等规范要求,拟定盘扣支架组合高度不小于5 m。走行门架支腿高度取8 m,13 m两种。

4.2.2 支腿宽度选择

现有铁路线为双行线,满外宽6.44 m,施工安全距离距铁路线最外侧铁轨不小于2.1 m;主梁调节段旋转90°后,支腿中心线距主梁端部长4.4 m;考虑门型墩柱内侧与走行支腿之间施工通道设置,移动门架轨道间距取12.25 m。

4.2.3 支腿动力

为适应曲线弯道行驶,走行电机采用变频器控制,通过调整变频器参数控制两侧支腿的走行速度以适应弯道行驶。

4.3 支腿顶升系统

移动门架支腿底部联系梁为双拼背对背32号槽钢,中间设50 t液压顶升千斤顶(见图6),便于支腿顶升,顶升最大高度100 cm,使主梁高于钢管柱支架顶部牛腿的MEG滑板,调直并固定主梁;下落千斤顶使主梁落在滑板上。

5 承重主梁

设置在墩柱前后两侧,共2根,采用箱型结构,断面尺寸110 cm×200 cm。主梁分中间固定段、左侧调节段、右侧调节段三部分,调节段主梁与固定段主梁采用铰接,伸缩结构,采用精轧螺纹连接固定,调节段主梁接长采用栓接结构。中间固定段长11.75 m,下设行走支腿及走行机构;两侧调节段长度根据盖梁长度增长或缩短。

6 主梁支撑钢管柱支架

当墩柱中心跨径分别在小于31 m以及大于31 m时采用两种不同的工况进行设计。

墩柱中心跨径不大于31 m时,设置2排4根管柱;设置于左、右墩柱前后两侧的承台顶面,直径610 mm,壁厚12 mm。柱顶设栓接牛腿梁,牛腿梁顶面设MEG滑板。两钢管柱及柱顶牛腿梁采用精轧螺纹对拉固定于墩柱上(见图7)。

墩柱中心跨径大于31 m时,墩柱前后两侧分别设置两根钢管,并在支腿与墩柱之间空间较大的一侧设置管柱,管桩采用双桩+承台基础,桩径1 m,桩长15 m。移动门架主梁钢管柱支撑位置为安装位置,需提前施工桩基及承台,并将钢管柱牢靠固定于承台上。

主梁顶部的盘扣支架垫梁型钢两端设置防护栏杆,栏杆底部设置20 cm高防落踢脚板;盘扣支架外侧设置钢板型钢施工平台;外侧支架向内第一排方格加防落木胶板;主梁之间底部设置检修及工作平台;使主梁底面至顶层施工平台形成一个封闭空间,防止人员及散物掉落。管理与墩柱间固定设计图如图8所示。

7 盘扣支架

主梁上设置HW255盘扣支架纵向垫梁,垫梁长12 m,间距0.9 m,H钢上部设盘扣支架,横向步距0.9 m×0.9 m,竖向步距1.5 m。竖向组合高度根据盖梁底面至主梁顶面的净距配置盘扣支架及可调顶托,为保证移动门架走行过程中盘扣架体的稳定性,底托焊接于纵向垫梁顶面。

8 结语

移动门架是一种新型的桥梁施工方式,相对于其他方式而言,在桥梁等的施工中有着非常多的优点,大大减小了安装以及拆卸等复杂的施工量,提高了施工的效率,减少了造价,其在以后的施工方案中是一种非常不错的选择。同时在城市地铁设计时一般采用盾构法施工而门式刚架在这种施工方法中也扮演着重要角色。与同规模碗扣式支架相比,可节约支架材料20% (材料用量:碗扣式支架25 kg/m3空间,门式支架20 kg/m3空间),降低了工程成本。

1)针对桥梁施工空间,以及骑行运营铁路线施工作业的安全、质量、效率多重保障需求,采用可调式移动支撑门架系统以及骑行运营铁路线环境下桥梁盖梁施工方法,实现了在狭窄的走廊带与骑行运营铁路线保障安全的基础上桥梁施工,工期得以缩短,质量提升。

2)与普通碗扣支座基础和钢管柱基础相比,采用高强度门式支座,整体装配速度快。节约工期,降低人工成本,取得显著的经济效益和社会效益。高强度碗扣式垂直构件是轴向承载的,与紧固件类型相比,承载力大大提高。对于安装支架的空间体积来说,单位高强度活套支架的数量比普通活套钢管支架少40%。

3)可以减少桥梁施工中临时结构与材料的大量消耗,同时可以使用可拆卸、多次循环使用的可调式移动支撑门架系统拓展桥梁施工的范围和区域,对于节省土地资源等层面均有积极作用,具有良好的经济、社会和环保效益。

4)由于安装快速简单,人工成本大大降低。在相同施工条件下,人工成本比普通碗脚手架的安装成本低50%。与机器架设的钢管柱支撑基础相比,无需机械设备,降低了成本。