大跨度斜拉橋鋼箱桁梁架設關鍵技術研究

郭星亮

(中鐵三局集團有限公司， 太原 030001)

1 工程概況

商合杭鐵路裕溪河特大橋主橋為(60+120+324+120+60) m的雙塔鋼箱桁梁斜拉橋，是目前國內時速350 km高速鐵路最大跨度的鋼箱桁梁斜拉橋，施工技術難度極大。主塔采用“H”型索塔，塔底以上索塔高為123.00 m，橋面以上塔高105.801 m；斜拉索為平行鋼絲拉索、空間雙索面，每塔兩側共13條對索，橋址處地勢較為平坦，兩個主塔墩均位于裕溪河大壩外側，主橋立面示意如圖1所示。

圖1 裕溪河主橋立面示意圖(m)

主梁鋼箱梁桁梁結構，由主桁和鋼箱組成，斷面示意如圖2所示。主桁采用兩片平行布置的華倫式桁架，橫向間距14.0 m，桁高12.0 m，節間長12.0 m；下弦鋼箱梁采用帶風嘴的單箱七室截面，為正交異性板結構，梁高2.5 m，梁頂板寬17.64 m。

圖2 鋼箱桁梁斷面示意圖(mm)

2 鋼箱桁梁架設難點

斜拉橋主梁為箱桁組合結構，結構新穎，為同類橋梁中首次采用，可借鑒的施工經驗較少。架設難點主要有：

(1)合理架設方案選擇難度大

目前，雙塔五跨鋼桁梁斜拉橋通常采用對稱懸臂架設法施工，具有先塔后梁、中期塔梁同步、后期有多個合龍口等特點，施工速度較慢，因此尋找一種又快又好的鋼箱桁梁架設方法是一大難點。

(2)經濟型鋼箱桁梁架橋機研發難度大

根據主梁結構特點，可采用“橋面吊機+桅桿吊機”、“回轉吊機”等方式進行架設，吊機的成本較高且架設工序復雜，因此，研制一種適用本橋鋼箱桁梁架設的經濟型架梁吊機是另一大難點。

(3)架設中變形協調控制難

鋼桁梁安裝的節點允許誤差為2 mm。斜拉索掛索后，各個節段鋼箱梁會產生壓縮變形，將對上部鋼桁梁的安裝產生影響。鋼箱梁合龍后再安裝鋼桁梁，此時，鋼箱梁已產生縱向變形而鋼桁梁無變形。鋼箱梁與鋼桁梁間存在縱向變形差，當兩者縱向變形差超過2 mm時，鋼桁梁桿件的安裝存在較大困難。

3 鋼箱桁梁架設方案比選

針對鋼箱桁梁的結構特點，架設可采用兩種工法。

(1)工法一：鋼箱梁全部架設完后再架設鋼桁梁。該工法具有運輸吊裝方便、高空作業量小、鋼桁梁多作業面拼裝、進度快等優點，但因鋼桁梁安裝于合龍后的鋼箱梁上，節點對接對變形較為敏感，調索較為頻繁。

(2)工法二：架設若干節間鋼箱梁后待有作業空間再架設鋼桁梁。該工法具有鋼箱梁與鋼桁梁變形協調、鋼桁梁安裝方便、調索工作量小等優點，但因鋼箱梁與鋼桁梁同時安裝，需研制經濟型架橋機，且斜拉索展索較麻煩，作業較為復雜。

為確保后期鋼箱桁梁線形及受力狀態符合設計要求，對比兩種工法的優缺點，建議采用工法二。結合現場地形地貌、鋼箱桁梁運輸、拼裝吊機選型、鋼箱與鋼桁的變形協調等因素，工法二可采用兩種方案實現。

(1)對稱懸臂拼裝方案(方案一)：主塔、輔助墩、邊墩施工完成后,在塔旁支架上安裝5個節間鋼箱桁梁，掛設兩側1對斜拉索后，兩側對稱安裝橋面吊機，對稱懸臂架設鋼箱梁至輔(邊)墩墩旁支架的鋼箱桁合龍口處，利用橋面吊機完成輔(邊)跨的鋼箱合龍，繼續架設中跨鋼箱梁直至合龍，整個架設過程中滯后1個節間掛設1對斜拉索及安裝鋼桁梁。

(2)邊跨頂推、中跨單向懸臂拼裝方案(方案二)：主塔(或施工至一定節段)、輔助墩、邊墩施工完成后，安裝拼裝平臺、頂推支架及頂推設備,利用浮吊安裝前導梁及3個節間鋼箱桁梁,安裝橋面吊機吊裝鋼箱桁梁，向邊跨側頂推24個節間后,單向懸臂架設中跨鋼箱桁梁直至合龍，鋼箱桁梁懸拼至一定位置后掛設斜拉索，頂推和單向懸拼過程鋼桁梁安裝同步或滯后少量節間。

從技術可行性、施工成本、施工工期等方面對方案一和方案二進行比選，結果如表1所示。

表1 鋼箱桁梁架設方案比選表

針對斜拉橋施工環境、地理位置和設計要求，經方案比選，最終確定方案二為鋼箱桁梁最終的架設方案：邊輔跨頂推，中跨懸拼， 跨中合龍，鋼箱梁與鋼桁梁同步安裝，塔梁同步。邊跨鋼桁梁同鋼箱梁同步拼裝頂推到位，然后單向懸臂繼續同步拼裝鋼桁梁及鋼箱梁，同時掛設斜拉索結構，直至鋼箱桁梁合龍。

4 鋼箱桁梁架設關鍵技術

4.1 頂推支架結構

頂推支架由拼裝平臺支架和臨時支墩兩部分組成[2]，縱向示意如圖3所示。

拼裝平臺支架為鋼管立柱結構，長30 m，寬10.6 m,縱向為4排鋼管立柱，間距為5.0 m、13.0 m、5.0 m，橫向為4排鋼管立柱，間距均為3.0 m，立柱型號為φ1 000 mm×12 mm鋼管，其頂部依次設3I63b、3HN900×300分配梁。臨時支墩為鋼管立柱結構，縱向為間距5.0 m的2排鋼管立柱，橫向設4排立柱，間距為2.6 m、3.4 m、2.6 m，立柱型號為φ630 mm×16 mm鋼管，其頂部依次設3I63b、3HN900×300分配梁。

鋼箱梁架設過程中，結構所受荷載為鋼梁及導梁自重、架梁吊機自重和吊重、橫橋向風荷載。鋼箱梁截面較小，風載對鋼箱梁頂推與架設受力影響很小，可忽略不計。整個鋼箱梁按靜力學計算，不考慮鋼箱梁所受頂推力及摩阻力[3-4]。

根據步履式頂推千斤頂的工作情況，對鋼箱桁梁頂推施工進行有限元模擬分析，以各臨時墩受力最不利為原則，得出鋼箱桁梁頂推施工過程的各控制工況如表2所示。

表2 墩頂最不利受力結果表

將表2計算所得的最不利反力施加于頂推支架結，有限元模擬計算結果表明：拼裝平臺分配梁受到的最大正應力為176 MPa(Q345材質)，最大剪應力59 MPa，鋼管立柱考慮穩定后的最大組合應力為100 MPa；臨時支墩分配梁受到的最大正應力為154 MPa(Q345材質)，最大剪應力58 MPa，鋼管立柱考慮穩定后的最大組合應力為99 MPa。頂推支架結構受力滿足要求。

4.2 架橋機研制

4.2.1 傳統架橋機實現方案

在鋼桁梁橋懸臂拼裝的基礎上，鋼箱桁梁可采用“回轉吊機”“橋面吊機+桅桿吊機”進行架設：(1)將回轉吊機安裝在鋼桁梁上弦桿頂面，沿線路方向左右各旋轉90°能滿足架設線路左右側鋼梁桿件的要求，考慮經濟效益和利用現有設備的原則，根據架設要求，拼裝吊機可采用半回轉體系(旋轉180°)或全回轉體系(旋轉360°)；(2)在橋面板位置設置1個橋面架梁吊機，同時在桁架上方設置1個小噸位的桅桿吊機，實現橋面板、鋼桁梁的同步架設。

4.2.2 經濟型鋼箱桁梁架橋機

針對“回轉吊機”“橋面吊機+桅桿吊機”成本較高、架設工序復雜等缺點，圍繞本橋鋼箱桁梁的特點，從豎向起吊、縱向倒運等方面展開架橋機的研究。

(1)設計原則

架梁吊機的設計吊重為230 t，能起吊主梁標準節段長度為8 m、9 m、10 m、11 m、12 m的鋼箱梁，能滿足從水面運輸船上起吊鋼箱梁、鋼桁梁的高度，能架設相鄰鋼箱梁節段并完成鋼桁梁主桁和平聯桿件的倒運作業。

(2)BL230橋面吊機

橋面吊機主要由機架金屬結構、吊具縱橫移機構、吊具、軌道及前移機構、起升機構、錨固支撐系統、雙電葫蘆輔助起重系統、液壓系統、司機室、電氣系統等組成。采用單機雙吊點抬吊施工工法，將鋼箱梁節段安全準確地提升至橋面，并依靠吊具縱橫移機構和吊具調平機構的配合進行對位和拼接。此外橋面吊機配有1套雙電葫蘆輔助起重系統，用于倒運鋼桁梁主桁和平聯桿件。BL230橋面吊機縱向及橫向示意如圖4所示。

圖4 BL230橋面吊機示意圖(cm)

4.3 鋼箱桁梁架設技術

4.3.1 頂推施工技術

1～24節間鋼箱梁采用頂推架設方案，首先由浮吊架設起始3個節間鋼箱梁，并安裝邊跨方向的導梁，然后在安裝完成的鋼箱梁上拼裝230 t橋面吊機，后續鋼箱梁節段由橋面吊機從運梁船上直接起吊拼裝，每拼裝完1個節間鋼箱梁，整體向邊跨方向頂推1個節間。邊跨鋼梁頂推作業過程中，為保證各個臨時墩受力滿足設計要求，縱橋向各個支點的各組頂推器及墊座間的高差應控制在1 cm以內，單個支點橫橋向兩組頂推器及墊座間的高差應控制在2 mm以內[5-6]。

4.3.2 單向懸拼技術

NJ9-NJ13、NJH鋼梁采用懸臂架設方案，邊跨鋼箱梁頂推到位后，對稱掛設邊跨和主跨已安裝完成鋼箱梁的斜拉索[7-10]，同時利用橋面吊機單懸臂架設主跨下1節間鋼箱梁。其步驟為：

(1)運輸船到達指定位置并定位后，根據待吊梁段的重心位置，將橋面吊機滑車調整到指定位置。

(2)橋面吊機空鉤下放，檢查吊具各插銷位置是否適合該節間重心位置，調整平油缸長度，吊具與待起吊的節段插銷連接，解除待吊梁段四周錨繩，整體提升10 cm,調平后整體起升到鋼梁平面準備進行精確對位。

(3)整節段鋼箱梁起吊至已架設鋼箱梁平齊時，停止起升，利用頂部油缸向后縱移吊點，使鋼梁節段端部靠近已架設鋼梁的節點前端。微調起升裝置和吊點橫移裝置，使鋼梁節段端部與已架鋼梁節點前端準確對位，檢查并開始鋼箱梁接口焊接，焊接完成并探傷合格后，橋面吊機松鉤，整節段鋼箱梁安裝完成。

(4)鋼桁梁桿件通過橋面吊機提升至橋面，雙電葫蘆輔助起重系統倒運鋼桁梁主桁和平聯桿件，通過運梁車運輸至待架位置，由50 t汽車吊滯后鋼箱梁3個節間進行架設，鋼桁梁安裝順序：先安裝斜腹桿，形成正三角結構，再安裝上弦桿，然后安裝平聯撐桿，最后整體安裝平聯斜桿。

4.3.3 鋼箱梁精確對位測量技術

利用“激光跟蹤、縱向調位、中線精調、標高調位”的測量定位方法，實現鋼箱桁梁的精確測量定位，步驟如下：(1)全站儀立在混凝土梁端，利用激光朝向正在吊裝的梁段中線3點來控制中軸線，將中軸線粗調至2 cm誤差以內；(2)利用橋面吊機的伸縮功能調整前后距離(順橋向)，即下弦節間栓孔間距12 m；(3)精調待吊裝梁段中軸線至設計要求，用少量碼板固定前后左右防止錯位；(4)將待吊裝梁段測點全部調整至設計標高；(5)檢查軸線、孔距、標高是否符合設計要求，合格后即可開始從梁面、腹板、底板開始碼板固定。

5 結束語

本文以商合杭鐵路裕溪河特大橋鋼箱桁梁架設為工程實例，針對鋼箱桁梁的架設難點，通過對鋼箱與鋼桁架設協調性對比、頂推支架結構設計、經濟型鋼箱桁梁架橋機研制、鋼箱梁節段精確對位測量等關鍵技術的研究，高質量完成了大跨度斜拉橋鋼箱桁梁的架設，得出主要結論如下：

(1)針對鋼箱桁梁的結構特點，根據橋址現場施工條件，首次提出了“邊輔跨頂推、中跨懸拼、跨中合龍、鋼箱梁與鋼桁梁同步安裝、塔梁同步”的鋼箱桁梁架設技術，可為同類斜拉橋主梁的架設提供參考。

(2)針對“回轉吊機”“橋面吊機+桅桿吊機”成本較高、架設工序復雜等缺點，圍繞本橋鋼箱桁梁的特點，研制了具有“豎向起吊、縱向倒運”等功能的經濟型架橋機。

(3)提出了“激光跟蹤、縱向調位、中線精調、標高調位”的測量定位方法，實現了鋼箱桁梁的快速精確測量定位。