张立青,隋明国

(1.北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044；2.中铁十三局集团第四工程有限公司,哈尔滨 150001)

1 概述

正在大规模兴建中的铁路客运专线桥梁上部结构以标准跨度预应力混凝土简支箱梁为主,但是在跨越公路、铁路、市政道路和其他设施由于条件限制无法采用连续梁施工时,钢桁梁亦被采用,特别是在64 m至96 m跨度间,钢桁梁具有较强竞争性,因此其在各客运专线中也有相当数量的应用。相对于传统铁路单线钢桁梁,客运专线钢桁梁具有跨度大，同时更有吨位高、安装精度高等特点,采用何种架设方法也为业内所关注。本文依托国内京津、京沪和京石等线钢桁梁顶推架设工程技术积累,以京沪高速铁路某84 m跨钢桁梁工程为例,对客运专线大跨度、大吨位钢桁梁顶推架设技术进行分析和论述。

2 总体顶推方案

2.1 工程概况

2.1.1 桥梁概况

京沪高速铁路跨某桥主桥上部结构为下承式双线简支钢桁梁,跨径84 m(39号墩～40号墩)。设计标准为双线,线间距4.2 m,该桥位于15 000 m半径竖曲线上,钢桁梁斜置,线下为104国道立交桥,宽度32 m,斜交角36.83°,桥左侧为四线运营铁路；主桁采用无竖杆三角桁架布置,钢桁梁总重10 858 kN。全桥平立面如图1所示。

图1 桥梁概况[1](单位：mm)

2.1.2 钢梁结构

主梁采用无竖杆三角桁,桁高12.3 m,节间长度12 m,主桁中心距10.6 m；上、下弦杆采用箱形截面,上弦杆高约1 000 mm,下弦杆高约1 500 mm,上、下弦杆内宽均为800 mm；主桁节点采用整体节点,钢梁结构如图2所示。

图2 钢梁结构[2](单位：mm)

2.2 整体顶推方案

2.2.1 技术设计主要范围

钢梁顶推法是指在桥位后方沿桥纵轴线方向将钢梁拼装完毕后顶推,从而使之就位的架设方法,适用水深、桥高或桥下交通繁忙等条件的钢梁架设；顶推法来源于钢桥的纵向拖拉技术,1959年前在建造奥地利阿格尔桥时首次使用；顶推设计内容主要包括拼装系统、导梁(鼻梁)系统、滑道系统(包括上滑道和下滑道)、顶推系统和落梁系统。

2.2.2 初步方案与计算

(1)初步架设方案

在进行顶推设计时,应根据工程实际初步提出多种方案,经经济技术综合比较后确定最终方案。由于本桥所跨国道为立交桥,国道上不具备搭设临时支墩条件。结合其他钢桁梁顶推经验,故建议采用长导梁顶推方案,并以此进行设计和计算分析。

(2)模型建立与分析

根据钢梁顶推架设流程,每顶推一个节间和每个滑道上下主桥永久墩侧排架墩,均考虑为一个工况,分析共存在18个工况。钢梁顶推计算模型节点如图3所示,钢桁梁考虑为三维空间桁架结构,各上滑道垫墩边界条件考虑为单向支座,荷载主要考虑结构自重,分别对18个工况建立模型进行计算和分析。

图3 钢梁顶推模型节点

计算的主要内容包括钢桁梁各节点在各工况下的反力,各支墩在各工况下的竖向荷载,钢桁梁结构在各工况下的内力、变形和稳定性,导梁结构在各工况下的内力、变形和稳定性,结构整体抗倾覆稳定性和抗风稳定性,并以这些数据为基础进行导梁系统、滑道系统等的结构设计和验算。如,以第15工况为例计算其模型和钢桁梁各节点反力结果如图4所示。

图4 工况15上滑道节点反力(单位：kN)

统计各工况各节点上滑道垫墩反力计算结果如表1所示。

表1 各工况各节点上滑道垫墩反力统计 kN

根据顶推过程18个工况的计算结果,统计各支墩(支墩编号可参考图1)在其最不利工况下的最大荷载结果见表2。

表2 各工况下支墩最大荷载统计 kN

各工况下钢桁梁主梁结构的内力、变形和稳定性,钢梁整体抗风稳定性均在规范以内；同时在纵向抗倾覆稳定性计算上,在第8工况下,即最大悬臂状态下,抗倾覆系数K=4.9>1.3[3], 抗倾覆稳定满足要求,计算过程、结果不再详述。

2.2.3 整体方案确定

根据上述计算,最终确定钢桁梁架设采用长导梁顶推方案,在两主墩靠路侧设置排桩临时支墩减少导梁悬臂长度,通过长导梁整体顶推完成钢桁梁架设。结合现场条件,在顶推流程上首先进行临时支墩、拼装平台、顶推系统和滑道系统的施工,再进行导梁和主梁前4个节间拼装,第一次顶推；进行主梁后3个节间拼装,第二次顶推到位,落梁施工。在其他顶推工程中,如果条件许可,采用一次性拼装完毕一次性顶推方案更佳。

3 重点分项工程

3.1 滑道

传统顶推一般为设置在支墩临时垫块上,由光滑的不锈钢板与组合的聚四氟乙烯滑块组成(由四氟板与具有加劲钢板的橡胶块构成)。顶推时,组合的聚四氟乙烯滑块在不锈钢板上滑动,并在前方滑出,通过不断喂入滑块,带动梁身前进[4]。针对大吨位的客运专线钢桁梁,如何安全快速、有效控制方向地顶推钢梁,传统技术方案仍有研究空间；根据京津城际和南京地铁等钢桁梁顶推经验,并根据本钢桁架梁结构受力要求,上滑道采用间断滑道,下滑道采用连续滑道形式；上滑道设置于主桁和导梁下弦杆大节点下,考虑下弦螺栓拼接和预拱度设置,将钢梁整体垫高,且使上滑道底面处于同一水平面；导梁(受力较小)节点上滑道长度为2 m,主梁(受力较大)上滑道长度3.5 m,下滑道用多道50 kg/m钢轨,确保在快速顶推的同时,实现较为准确的控制顶推方向目标,其布置见图1。

3.1.1 梁部

顶推施工下滑道梁部根据表2钢桁梁顶推各工况下的滑道反力值,分别采用贝雷梁及型钢。在跨104国道两侧主桥墩之间采用I45b型钢,其余均采用贝雷梁。

(1)贝雷梁滑道

贝雷梁采用的片数根据滑道反力值进行设计,受力较小的3号～7号支墩滑道部分横向共8片贝雷梁(单侧4片,采用横连槽钢[14a联接),受力较大的7号～9号支墩滑道部分横向共16片贝雷梁(单侧8片,采用横连[14a联接)；贝雷梁上每个节点处均铺I20a横梁,横梁两端与贝雷梁上弦杆之间采用U形螺栓联接,在横梁上铺设滑道钢轨,轨道与横梁之间采用钢轨扣件联接；架设贝雷梁时须使横梁及横垫梁位于节点上,保证贝雷梁的受力点与设计吻合；贝雷梁下采用八三墩做横垫梁,贝雷梁下弦杆与八三墩横垫梁两端之间采用U形螺栓联接。

(2)型钢滑道

从计算结果可知,在跨104国道两侧主桥墩之间滑道(9号～12号支墩滑道部分)受力相当集中,故采用横向10排I45b作为下滑道以确保受力要求,其上满铺八三墩做横梁,确保钢轨横向分配荷载。

3.1.2 下滑道支墩和基础

一般来说下滑道支墩仅在施工中使用,在符合要求的前提下要造价底,便于拆装。支墩根据钢桁梁顶推各工况下的滑道反力值,分别采用制式器材八三墩及钢管排桩结构形式：在跨104国道两侧主桥墩之间采用钢管排桩；其余均采用八三墩,桥墩之间采用2×2截面形式,墩顶直接采用八三墩垫梁。

(1)八三墩临时支墩

根据表2计算结果,采用八三墩的临时支墩荷载最大为1 150 kN,故设计采用2×2截面形式可以满足工程要求；2×2截面形式临时支墩布置形式为横桥向1.75 m,纵桥向1.5 m,按规定布置横向连接系,由于临时支墩较高,故高度方向上每6 m左右设置1道水平连接系,同时下部设置了变截面保持临时墩稳定性,为保证施工中对临时支墩的抗纵向水平力,在临时支墩墩顶附近设置钢绞线与永久墩有效连接。

(2)排桩支墩

根据表2计算结果,在跨104国道两侧主桥墩之间支墩荷载最大为3 850 kN,故设计采用钢管排桩形式临时支墩，以满足顶推钢梁对下滑道支墩的要求；排桩支墩基本截面形式为3×2,钢管截面采用1 020 mm×12 mm。为保证排桩自身的稳定性设计,采用I20b焊接件做水平连接系,支墩高度方向上不大于5 m设置1道。

3.2 导梁

导梁的结构需要进行受力状态分析和内力计算,一般来说导梁的长度可取顶推跨径的0.6～0.7倍,较长的导梁可以减小主梁悬臂负弯矩,但过长的导梁也会导致导梁与钢梁接头处负弯矩和支反力的增加。本桥导梁设置在主梁的前端,采用易拼装、刚度大的八七式抢修钢梁,导梁由过渡段,导梁主体和上墩顶升牛腿(由于在大悬臂上墩过程中前端下挠可能较大,导梁最前端设置顶梁上墩结构)组成,采用直线桁架结构,长度为48 m,“米”字形桁架,为减小导梁自重,采用变高度形式,高8 680 mm和4 340 mm,节间长8.00 m,主桁中心距5 182×2=10 364 mm,总质量约170 t。

为了有利于上滑道,在导梁前端设有上墩顶升牛腿缺口,当钢导梁即将到达前方39号桥墩时,利用牛腿上放置500 kN液压千斤顶接引钢导梁上滑道,上墩顶升牛腿为结合工程特别设计。

3.3 顶推系统

根据计算设置4台1 500 kN水平顶推千斤顶,采用多点顶推方式：2套千斤顶安装在40号桥墩,另2套设置在39号桥墩上,在钢梁横梁下左右布置,中心距离为7.77 m,拉杆采用钢铰线,拉锚器设置于梁底端横梁接缝处。

3.3.1 计算

对顶推工程施工设计,顶推摩擦力的确定和控制是其第一控制要素,按主梁和导梁全部拼装完进行顶推,顶推力12 408 kN,顶推力计算公式[5～6]如下

H=K×G×f+G×I

式中H——顶推力；

K——安全系数,一般取1.2～1.5；

G——顶推钢梁总重；

f——滑道摩擦系数,一般取0.2；

I——顶推桁梁的设计坡度；安全系数K取1.2。

得H约为2 980 kN。需要特别注意的是在方案中应该对摩擦力有充分的估计,技术设计中应确保足够的顶推力储备,在客运专线钢桁梁顶推中,采用数量少的钢轨在重大的移动荷载下,钢轨和上滑道的压强很大,直接增加摩擦因数和摩擦力。因此必须选用合理数量的钢轨(增加下滑道面积,减小压强),必要时取消钢轨方案,直接铺设连续钢板加设聚四氟乙烯滑块做下滑道,甚至采用如MGE高分子材料(MGE具有高抗压承载能力和耐磨、摩擦因数小的特点,抗压强度超过25 MPa,与不锈钢板的摩擦因数为0.03～0.05)做滑板材料[7],合理、适当增加的投入直接减少工期,实际上在总体上降低了工程造价。

3.3.2 顶推系统及相关配置

传统顶推装置分2种,一是水平千斤顶设置于钢梁后侧,通过夹持钢轨顶推钢梁,多用于单点顶推；二是直接设置穿心式千斤顶,通过张拉锚固于后锚装置的钢绞线束完成钢梁的顶推,可单点顶推,也可多点顶推。对客运专线钢桁梁顶推,建议采用第二种方式,同时采用连续千斤顶确保顶推的连续性和平稳性。

(1)顶推千斤顶和钢托架

根据计算结果,设计采用ZLD150型连续顶推千斤顶4台,在40号和39号墩顶各安装2台。顶推千斤顶安装在钢托架上,钢托架锚固在桥墩预埋件上。顶推托架为组焊件,钢托架结构见图5。

图5 钢托架结构(单位：mm)

(2)拉锚器和牵引装置

拉锚器设置在梁底端横梁拼接板处,为组焊件,采用高强螺栓安装在端横梁上；拉锚器采用夹片式锚具；钢绞线束根数依顶推力确定(使其弹性伸长值小于50 mm为准,本桥采用9束),采用抗拉强度1 860 MPa的9-7φ5钢绞线；拉锚器和钢绞线安装好后,采用单束张拉千斤顶进行预紧,以保证顶推过程中钢绞线受力均匀和顶推的连续性,拉锚器布置见图6。

图6 拉锚器布置(单位：mm)

4 结语

本文依托我院近年对国内客运专线大跨度、大吨位钢桁梁顶推技术研究成果,结合多条客运专线钢桁梁顶推工程实例,对钢桁梁顶推技术进行了较为深入的分析,通过在京津、京沪、京石等线钢桁梁顶推工程实例证明,采用本顶推技术可实现技术先进、经济合理、安全适用、快速有效的钢桁梁架设目标,为后续的钢桁梁架设安装工程提供参考。

[1]中铁五院集团公司技术研究院.济南至上海新建高速铁路跨104国道特大桥84 m钢桁梁顶推施工设计图[Z].北京：2009．

[2]铁道第三勘察设计院集团有限公司. 京沪桥通61-Ⅰ-00 84 m钢桁梁[Z].天津：2008．

[3]TB 10123—2002，铁路桥涵施工规范[S].

[4]马如岭.跨铁路线78 m钢桁梁顶推施工[J].铁道建筑,2006(2)．

[5]董启军.连续钢箱梁顶推施工[J].施工技术,2005(5)．

[6]彭仁国.跨铁路钢箱梁顶推施工技术[J].铁道标准设计，2009(7)：45-46.

[7]涂满明,姚发海.超大跨连续钢桁梁多点顶推架设施工技术[J].交通科技,2009(1)．