馮延明

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司,北京 102600)

上行式桁架型節(jié)段拼裝移動支架造橋機技術(shù)特點及應(yīng)用

馮延明

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司,北京 102600)

針對上行式桁架型節(jié)段拼裝移動支架造橋機在單箱雙線鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋上的應(yīng)用,簡單介紹節(jié)段拼裝法的施工特點及其優(yōu)越性,詳細(xì)闡述上行式桁架型節(jié)段拼裝移動支架造橋機結(jié)構(gòu)構(gòu)成、施工技術(shù)特點和應(yīng)用范圍。同時,對上行式桁架型節(jié)段拼裝移動支架造橋機施工工藝和關(guān)鍵技術(shù)給予了說明。結(jié)合具體采用上行式桁架型造橋機施工的在建和已建成的橋梁,進行了工效分析。根據(jù)施工過程中的具體體會,文章提出對上行式桁架型造橋機需要完善、改進和提高的幾個方面,并對上行式桁架型造橋機應(yīng)用前景和發(fā)展方向進行了展望。

預(yù)應(yīng)力混凝土;單箱雙線梁;節(jié)段拼裝法;上行式移動支架;造橋機

1 概述

1.1 節(jié)段拼裝法施工特點

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁節(jié)段預(yù)制拼裝的施工方法是沿橋梁的縱向?qū)⒘后w分割成若干節(jié)段單元進行工廠化生產(chǎn),再逐段運至橋位利用移動支架造橋機進行拼裝。由于節(jié)段在預(yù)制場內(nèi)統(tǒng)一生產(chǎn),系統(tǒng)化模板安裝、拆除方便,機械化、自動化程度高,模板利用率高,節(jié)段制作精度好,施工速度和質(zhì)量容易控制,節(jié)段預(yù)制后可獲得足夠的養(yǎng)生時間和齡期,能大大減少后期的收縮徐變。另外采用節(jié)段預(yù)制拼裝,結(jié)構(gòu)上、下部可同時施工,節(jié)省工期,施工不需搭設(shè)地面支架,不受地形限制,改善了工作條件,有利于環(huán)境保護。該施工方法因其在保證施工質(zhì)量、加快施工進度及減少環(huán)境污染等方面具有很大的優(yōu)越性,得到了廣泛推廣。[1]

1.2 我國鐵路早期造橋機

我國鐵路采用節(jié)段拼裝的歷史背景是在 20世紀(jì)90年代。山區(qū)橋墩較高,而當(dāng)時架橋機所能架設(shè)的最大跨度為 32m T梁,因此較大的墩高而配置較小的跨度很不經(jīng)濟;另外跨越黃河、長江以及其他較大河流的鐵路橋梁,需考慮分洪和深基礎(chǔ)施工,也要求橋梁設(shè)計為 40m跨以上;再者鐵路的提速對橋梁的橫向剛度也提出了更為嚴(yán)格的要求,即采用剛度和動力性能較好的箱形梁。正是在這樣的背景下,節(jié)段拼裝移動支架造橋機應(yīng)運而生。[2]

我國鐵路橋梁早期采用節(jié)段拼裝移動支架造橋機是在 1993年建成的靈武鐵路楊家灘黃河特大橋,該橋采用了八七型鐵路應(yīng)急搶修鋼梁(簡稱八七型梁)節(jié)段拼裝移動支架造橋機成功修建了 10孔 48m單線預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁。[3]自此,節(jié)段預(yù)制拼裝施工技術(shù)開始在鐵路行業(yè)陸續(xù)發(fā)展起來,先后在南昆線、內(nèi)昆線、渝懷線、遂渝線、洛湛線、宜萬線等多條鐵路上得以應(yīng)用(圖1)。

圖1 八七型梁移動支架造橋機修建靈武鐵路楊家灘大橋 48m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁

早期的節(jié)段拼裝移動支架造橋機多采用內(nèi)穿式,即造橋機與混凝土梁的位置關(guān)系猶如鐵路穿式梁與火車,混凝土梁在造橋機腹內(nèi)拼裝架設(shè)。這種造橋機多用于單線鐵路的建造,雖然在少數(shù)單箱雙線橋梁上使用過,但其對梁及橋墩的寬度有一定的限制,更為不利的是支架不是支撐在橋墩墩身范圍內(nèi)而是支撐在懸臂托盤上,因而橋墩墩帽內(nèi)必須通過預(yù)埋強大的鋼支架將造橋機的荷載傳遞到墩身范圍內(nèi),這種做法既對橋墩提出了苛刻的要求又增加了工程造價,限制了造橋機的適用范圍。

1.3 上行式桁架型造橋機應(yīng)用背景

近年來,我國鐵路實現(xiàn)跨越式發(fā)展,客運專線大量興建,由于單箱單室的寬橋面預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性好、橫向剛度大、運行平穩(wěn)、易于維護等特點,成為客運專線雙線梁的首選。目前鐵路客運專線橋梁基本上都是一次建成雙線,其梁重和橋面寬都比原單線普通鐵路橋增加了很多,同時單個預(yù)制節(jié)段的質(zhì)量也由原來的 80 t增加到了 160 t。這樣原來的節(jié)段拼裝造橋機無論在結(jié)構(gòu)形式上還是在承載能力上均不能滿足客運專線雙線梁的需要。為了適應(yīng)我國快速發(fā)展的客運專線建設(shè),中鐵五院北方路橋公司專門研制了客專雙線節(jié)段拼裝造橋機,即上行式桁型節(jié)段拼裝移動支架造橋機。它采用上行懸吊式結(jié)構(gòu)形式,改變了傳統(tǒng)單線造橋機正向喂梁的模式,而是將預(yù)制梁段在正常方向上旋轉(zhuǎn) 90°,待預(yù)制梁段吊運至造橋機底部時再利用回轉(zhuǎn)天車將梁段回轉(zhuǎn)至正常位置,這樣對橋面的寬度完全沒有限制,非常適應(yīng)寬橋面、大荷載的客運專線雙線節(jié)段拼裝梁的施工。[4]

1.4 上行式桁架型造橋機施工技術(shù)特點

正是因為早期內(nèi)穿式造橋機的局限性,中鐵五院北方路橋公司開發(fā)出了上行式桁型節(jié)段拼裝移動支架造橋機,并成功應(yīng)用于南昌西環(huán)線贛江特大橋 14-48 m、包西鐵路黑龍溝大橋 9-48m、袁家溝大橋 10-48 m、義南洛河特特大橋7-32m+11-64m單箱雙線鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁,它具有如下特點。

(1)采用上行懸吊式,對梁寬沒有限制,更適合單箱雙線寬橋面箱梁的架設(shè)。

(2)它通過后支腿支撐在已成梁支座處,中支腿支撐在待架孔橋墩墊石上,前支腿作為輔助過孔支腿支撐在前方橋墩上,對橋墩不做任何特殊要求,徹底取消了橋墩預(yù)埋件。

(3)造橋機作業(yè)過程均在梁部以上,方便進行首、末孔施工。

(4)造橋機的承重主梁采用桁架型結(jié)構(gòu),能方便地組合成各種跨度,尤其是一套造橋機通過支腿的變換能在同一座橋上適應(yīng)不同跨度箱梁的拼裝架設(shè)。

1.5 上行式桁架型節(jié)段拼裝造橋機應(yīng)用范圍

上行式桁架型節(jié)段拼裝移動支架造橋適用于鐵路64m及以下跨度的單、雙線等跨或不等跨節(jié)段拼裝箱形簡支梁架設(shè),最小曲線半徑可以達(dá)到1 000m。經(jīng)現(xiàn)有不同桿件、設(shè)備適當(dāng)組裝后,也可應(yīng)用于市政工程橋梁的節(jié)段拼裝法施工。

2 上行式桁架型節(jié)段拼裝移動支架造橋機的總體組成(圖2)

上行式桁架型節(jié)段拼裝移動支架造橋機采用上行懸吊、兩跨邁步式,其主要由承重梁、支撐系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)天車、懸吊系統(tǒng)、運梁裝置、縱移過孔裝置六大部分組成。

圖2 上行桁架型節(jié)段拼裝造橋機構(gòu)造

承重主梁采用桁架型,直接承受其自身重力及混凝土梁重力;支撐系統(tǒng)分前支腿、中支腿、后支腿 3部分,將承重主梁上的荷載傳遞到已成橋墩或箱梁上;回轉(zhuǎn)天車負(fù)責(zé)節(jié)段的起吊、旋轉(zhuǎn)、就位的功能;懸吊系統(tǒng)將節(jié)段懸吊到造橋機承重主梁;運梁裝置將預(yù)制好的節(jié)段喂送到造橋機尾部;縱移過孔裝置將造橋機縱移到下一待架孔位置。

2.1 承重梁

承重梁采用桁架結(jié)構(gòu),可根據(jù)不同跨度采用各種組合,但其總長度比待架梁最大跨度的兩倍稍長,其包括主梁(承受混凝土梁自重的部分)、前導(dǎo)梁(造橋機輔助過孔部分)和尾梁(節(jié)段安裝到造橋機上的過渡結(jié)構(gòu))。

主梁兩兩一組,每組由兩片桁架通過平面聯(lián)結(jié)系、斷面聯(lián)結(jié)系形成整體,組之間拉開 5.8m距離(距離能滿足預(yù)制節(jié)段從中間穿過),并在中支點、后尾梁、跨中設(shè)置斷面聯(lián)結(jié)系聯(lián)結(jié)形成整體;為了減輕前導(dǎo)梁,主梁向前導(dǎo)梁逐步過渡為兩片桁架、變高度截面形式。

桁架標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長 4.8 m,為了調(diào)節(jié)跨度,設(shè)置長2.4m和 1.6 m的畸零節(jié)間。桁架高度從主梁部分7.5m逐步過渡到 6、3m。

2.2 支撐體系

支撐體系是將造橋機重力通過承重主梁傳遞到橋墩上的傳力裝置,根據(jù)位置不同,分為前、中、后支腿。

前支腿為豎向可伸縮的鉸接結(jié)構(gòu),是造橋機前移過孔時倒運中支腿的輔助設(shè)備。

中支腿為一門形框架結(jié)構(gòu),其上方安裝有下滑道,底部用精軋螺紋鋼與橋墩墩頂錨固,造橋機縱移過孔時通過錨固在橋墩上的拉撐抵抗水平力(圖3)。

圖3 中支腿自行邁步上墩

后支腿為一雙懸臂鋼梁,其上方安裝有下滑道,下部支撐在已架設(shè)完成的混凝土梁上的端部(圖4)。

圖4 雙懸臂鋼箱梁后支腿

2.3 回轉(zhuǎn)天車

回轉(zhuǎn)天車是用于將運梁車上的預(yù)制節(jié)段轉(zhuǎn)移至造橋機設(shè)定位置上的配套設(shè)備,可以完成梁段的起升、移運、回轉(zhuǎn)、橫移等功能。該天車走行部分采用變頻調(diào)速技術(shù),走行平穩(wěn),速度為 0～10m/m in無極調(diào)速;起升部分采用 2臺慢速卷揚機,起升速度為 0.4 m/m in?；剞D(zhuǎn)裝置采用大小齒輪嚙合傳動,旋轉(zhuǎn)過程中梁段最外緣線速度控制在 3m/min以內(nèi),保證梁段回轉(zhuǎn)平穩(wěn);梁段橫移由 2套 25 t液壓缸提供動力,橫向調(diào)整范圍為 ±300mm(圖5)。

圖5 回轉(zhuǎn)天車

2.4 懸吊系統(tǒng)

懸吊系統(tǒng)是該機的配套組成部分。該系統(tǒng)由懸吊縱梁、扁擔(dān)梁、吊具、千斤頂、液壓泵站組成。

每個預(yù)制節(jié)段通過扁擔(dān)梁上 4根精軋螺紋鋼懸掛在造橋機主梁內(nèi)的扁擔(dān)縱梁上,用安裝在扁擔(dān)梁上的穿心千斤頂配合雙坐標(biāo)千斤頂可對預(yù)制節(jié)段進行三維調(diào)整,可以完成預(yù)制節(jié)段縱向、橫向、豎向的控制和微調(diào),使節(jié)段精確就位。

2.5 運梁車

運梁車是節(jié)段預(yù)制箱梁從預(yù)制場到橋位的主要運輸裝置,采用輪軌式,軌距 5.16 m,共布置 16個均衡輪,承載能力3 200 kN。為確保起動平穩(wěn),走行驅(qū)動采用變頻驅(qū)動電機,重載運行速度為 21.5m/min,空載運行速度為 43.0m/min;由于運距較長,動力來源采用自帶發(fā)電機。

當(dāng)造橋機縱移過孔時該車可兼作后支點小車(圖6)。

圖6 后支點小車

2.6 過孔裝置

前移過孔動力采用 2臺并聯(lián) 8 t慢速卷揚機作為動力,利用已成混凝土梁作為錨固點,采用上滑道連續(xù)、下滑道分置的方式,滾動過孔。

3 上行式桁架型節(jié)段拼裝移動支架造橋機施工工藝及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 施工工藝(圖7)

上行式桁架型節(jié)段拼裝移動支架造橋機進行梁部拼接施工時,先將造橋機縱移過孔至需要拼接梁部的墩跨間,再將從制梁場運來的預(yù)制節(jié)段運輸?shù)皆鞓驒C尾部,回轉(zhuǎn)天車通過升降、縱移、旋轉(zhuǎn)將節(jié)段預(yù)制箱梁按一定的順序擺放懸掛在懸吊系統(tǒng)上,接著用回轉(zhuǎn)天車配合穿心千斤頂將各梁段調(diào)整到設(shè)計位置,然后穿鋼鉸線、支立模板、澆筑接縫混凝土,待混凝土強度達(dá)到預(yù)定設(shè)計值后進行張拉,即可完成墩頂原位成梁作業(yè)。

圖7 造橋機施工工藝流程

3.2 線形控制

造橋機為桁架式彈性結(jié)構(gòu),在梁段擺放,濕接縫鋼筋綁扎,模板安裝,濕接縫澆筑等施工過程中,隨著梁段重力的變化,造橋機的撓度也在變化,從而影響到梁體的線形,如何控制線形是節(jié)段拼裝的一個重點。

在實際施工中,對造橋機的不同施工階段進行觀測,發(fā)現(xiàn)盡管和理論計算之間存在一定的誤差,但這個差值趨于一個穩(wěn)定的數(shù)值 ΔF,這主要是由于螺栓孔間隙產(chǎn)生的非彈性變形。F1i=Fi-F2i,F1i為通過對梁段的調(diào)節(jié)(澆筑濕接縫前)使 i截面處達(dá)到的線形撓度;Fi為張拉前梁體 i截面處的預(yù)留反拱值;F2i為增加濕接縫對造橋機形成的下?lián)?。通過對施工的分析,梁段按 28 d的齡期上橋組拼,濕接縫強度按照 3 d達(dá)到設(shè)計強度進行張拉、二期恒載上橋時間按照 60 d進行計算,按二次拋物線設(shè)置反拱。

由于每一個梁段均懸吊在 4根精軋螺紋鋼上,并且每個支撐點都有 3個自由度,這 3個自由度相互制約,調(diào)整其中一個必將影響其余 2個,所以梁段調(diào)位是一個反復(fù)調(diào)整、逐漸趨近的過程。

3.3 張拉調(diào)梁

梁段按設(shè)計順序擺放到造橋機上,隨著梁段的增加,造橋機的撓度也逐步增大,當(dāng)澆筑完濕接逢后,造橋機的撓度達(dá)到最大。在預(yù)應(yīng)力的施加過程中,隨著預(yù)應(yīng)力筋的逐步張拉,混凝土梁體逐步形成整體并將其重量分配到支座上,這樣造橋機承受的重力和撓度逐漸減小,造橋機必然反彈,而此時造橋機的剛度比未完全形成整體的混凝土梁的剛度小很多,這樣必然對混凝土梁產(chǎn)生很大的反拱力,且隨著預(yù)應(yīng)力的逐步張拉,混凝土梁體必然逐漸上拱,反拱力增大,混凝土上翼緣受到拉應(yīng)力也將逐步增大。

基于上述原因,為了不使張拉過程中混凝土上翼緣因拉應(yīng)力過大而開裂,且便于拆除懸吊梁段的吊桿,應(yīng)該由造橋機與混凝土梁的剛度以及預(yù)應(yīng)力張拉順序分批調(diào)節(jié)梁段的支撐系統(tǒng)。直到預(yù)應(yīng)力足以承擔(dān)梁體自重,使造橋機脫空,混凝土梁呈理論支點狀態(tài)為止。

4 工效分析

利用上行式桁架型節(jié)段拼裝移動支架造橋機墩頂原位造梁,工藝先進,施工方法簡單可靠,適用范圍廣,節(jié)省圬工數(shù)量多,因而能夠比較大地節(jié)省工程投資[5]。以48m跨度為基準(zhǔn),對不同孔跨計算增加或減少的下部結(jié)構(gòu)圬工計入梁部工程,折算成 48m跨度。分別以南昌西環(huán)線贛江特大橋 14-48m、包西鐵路黑龍溝大橋 9-48m、袁家溝大橋 10-48 m單箱雙線鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁施工為例,通過綜合單價比對,采用上行式桁架型節(jié)段拼裝移動支架造橋機施工比懸灌法施工的連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)梁造價大約低 25%,比懸拼法施工的鋼桁梁大約低 30%。上述比較,由于跨度不同、地域不同,材料價格及運輸條件等不盡相同,作為定量比較難免有不夠準(zhǔn)確之處,但總體來看,造橋機施工是能夠降低造價、節(jié)省工程投資的。

同時,采用上行式桁架型節(jié)段拼裝移動支架造橋機施工,能夠大大縮短梁部施工工期。以南昌西環(huán)線贛江特大橋為例,該橋 14-48m梁部平均架梁速度為 11.5 d/孔,最短架梁速度達(dá)到 9 d/孔;正在施工的義南洛河特大橋16孔 64m跨箱形簡支梁,最快架梁速度達(dá)到12d/孔。由此可見,無論是48m還是 64m跨度的簡支梁,施工速度明顯優(yōu)于同等跨度其他施工方法。

5 結(jié)語

由于我國經(jīng)濟快速發(fā)展、交通壓力與日俱增,中等跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁已在國內(nèi)外鐵路建設(shè)中廣泛采用,國外已經(jīng)普遍采用單箱雙線中等跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁;另外預(yù)制節(jié)段拼裝具有施工速度快、機械化程度高等諸多優(yōu)點有大規(guī)模發(fā)展的趨勢。而上行桁架型節(jié)段拼裝移動支架造橋機吸取了國內(nèi)外同類設(shè)備的優(yōu)點,采用上行懸吊式變截面雙桁結(jié)構(gòu),可適應(yīng)不同寬度雙線箱梁的需求;采用邁步式過孔方式,中支腿設(shè)置斜撐增強了過孔的穩(wěn)定性,使用方便、可靠;針對寬梁而研發(fā)的回轉(zhuǎn)天車,更是一大亮點。對今后研發(fā)適用于更大跨度的單箱雙線簡支箱梁的造橋機具有很好的借鑒作用。

節(jié)段預(yù)制拼裝施工方法根據(jù)接縫形式不同,主要分為干接縫和濕接縫兩種形式。我國鐵路橋梁濕接縫節(jié)段預(yù)制拼裝工藝已得到大面積推廣,并積累了大量的設(shè)計施工經(jīng)驗。近年來公路及城市軌道交通行業(yè)已大量使用干接縫節(jié)段預(yù)制拼裝施工橋梁,如上海明珠線、蘇通大橋、廣州地鐵 4號線等。但在鐵路橋梁工程方面,尤其是高速鐵路,針對干接縫施工工藝尚屬全新的施工方法,沒有應(yīng)用先例,因此上行式桁架型節(jié)段拼裝移動支架造橋機適應(yīng)干接縫節(jié)段預(yù)制拼裝梁是擺在我們面前的一個重要課題。

根據(jù)實際應(yīng)用情況,上行式桁架型節(jié)段拼裝移動支架造橋機在以下幾方面有待完善、改進和提高：大跨度橋梁施工對上行式桁架型造橋機中支腿的要求更高,應(yīng)進一步提高其錨固系統(tǒng)的安全性;增加造橋機在不同工況下自身結(jié)構(gòu)性能參數(shù)的監(jiān)控和預(yù)警裝置;濕接縫鋼筋綁扎、模板安裝作業(yè)平臺不易搭設(shè),應(yīng)完善該設(shè)施,提高作業(yè)效率和施工人員的安全度;進一步研究提高移動支架造橋機對不同標(biāo)準(zhǔn)跨度的適應(yīng)性,不斷改進造橋機走行系統(tǒng)、調(diào)梁系統(tǒng)、濕接縫模板安裝系統(tǒng)的自動化水平。

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1004-2954(2010)07-0037-04

2010-05-10

馮延明(1976—),男,工程師,2000年畢業(yè)于西南交通大學(xué)土木工程專業(yè),工學(xué)學(xué)士,E-mail：fengyanming_01@163.com。