周 文,王 保,朱志鋼
(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 長沙 410075; 2.中鐵廣州工程局集團(tuán)有限公司,廣東 廣州 511459)
新建拉林鐵路藏木雅魯藏布江雙線特大橋(以下簡(jiǎn)稱“藏木特大橋”)位于西藏自治區(qū)加查縣桑加峽谷內(nèi)。 大橋主跨采用中承式提籃鋼管混凝土拱橋,計(jì)算跨徑430m、矢高112m、矢跨比1 ∶3.84,提籃拱結(jié)構(gòu)采用4.609 1°內(nèi)傾角。 拱肋采用變管徑、變厚度耐候鋼材質(zhì)鋼管,四肢桁式截面,每隔8m 設(shè)平聯(lián)桿橫向連接,上下鋼管組合截面按懸鏈線方程變高度設(shè)計(jì)。 藏木特大橋橋式布置如圖1 所示。
圖1 藏木特大橋橋式布置(單位:cm)Fig.1 Layout of Zangmu Grand Bridge(unit:cm)
大橋鋼管拱肋由下而上采用1.6 ~1.8m 變管徑、24~52mm 變厚度耐候鋼材質(zhì)鋼管,四肢桁式變桁高截面。 全拱由56 個(gè)拱肋節(jié)段、2 個(gè)合龍段、2 個(gè)支撐橫梁及多種一字形、N 形、K 形及米字形相結(jié)合的橫撐等組成,最大節(jié)段吊重250t。
主橋鋼管拱肋安裝采用纜索起重機(jī)及扣掛法施工[1],即從兩岸拱座向跨中方向分節(jié)段懸臂扣掛拼裝,跨中合龍。 在工廠將拱肋、橫撐等桿件分節(jié)段制造完成后,運(yùn)到預(yù)拼場(chǎng)進(jìn)行節(jié)段拼裝,利用250t下河吊機(jī)裝船,通過船舶沿雅魯藏布江向下游運(yùn)輸至橋位,拋錨定位,纜索起重機(jī)起吊安裝。
在橋位附近沒有場(chǎng)地設(shè)置鋼管拱肋拼裝場(chǎng)。在橋位上游7.5km 峽谷頂巖石堆爆破平整后作為拱肋拼裝場(chǎng),場(chǎng)內(nèi)設(shè)拱肋片狀啞鈴形長段和單元件存放區(qū)、拼裝區(qū)、拱肋存放區(qū)、下河吊機(jī)區(qū)等。 拼裝區(qū)按“2+1”臥拼模式[2]設(shè)置2 幅胎架,每幅胎架長60m、寬16m、高1.3m。 2 臺(tái)門式起重機(jī)沿軌道拼裝四肢桁式拱肋節(jié)段,驗(yàn)收后轉(zhuǎn)至拱肋存放區(qū)存放。拱肋拼裝場(chǎng)布置如圖2 所示。
圖2 拱肋拼裝場(chǎng)地布置(單位:m)Fig.2 Layout of on-site assembly yard for arch ribs(unit:m)
橋址位于藏木水電站大壩上游1.2km 位置,跨越水深達(dá)66m 的雅魯藏布江,橋下水流湍急,河床下切較深。 下河吊機(jī)選址處存在地形復(fù)雜多變、山體花崗巖風(fēng)化嚴(yán)重且破碎、懸崖陡斜和峽谷內(nèi)12 級(jí)大風(fēng)、晝夜最大溫差達(dá)3℃的不利工況,為解決大橋鋼管拱肋節(jié)段翻身和下河運(yùn)輸裝船難題,因地制宜設(shè)計(jì)建造出一種下河吊機(jī),最大控制吊重為250t。在吊機(jī)建造前,針對(duì)橋位實(shí)際地形地貌,對(duì)鋼管拱肋節(jié)段翻身和下河運(yùn)輸裝船所用的下河吊機(jī)(常規(guī)2 臺(tái)碼頭桅桿式重機(jī)[3]抬吊方案和特殊下河吊機(jī)方案)進(jìn)行設(shè)計(jì)比選,下河吊機(jī)設(shè)計(jì)方案比選如表1所示。
表1 下河吊機(jī)設(shè)計(jì)方案比選Table 1 Comparison and selection of design schemes for lower river crane
經(jīng)比選,藏木特大橋鋼管拱肋下河吊機(jī)選用方案2。
下河吊機(jī)長73m、寬42m、高31m,最小凈寬34.2m,最小凈高23.1m,由樁基、承臺(tái)、鋼管立柱、鋼管斜壓桿、斜拉桿、主縱梁、縱梁連接系及起重橫梁等組成;其中主縱梁和連接系的弦桿均采用2H700×300、腹桿采用2[40b、平聯(lián)采用2H390×300,各桿件均通過節(jié)點(diǎn)板連接。 下河吊機(jī)立柱和斜壓桿為矩形結(jié)構(gòu),主縱梁及橫向連接系為矩形桁架結(jié)構(gòu),起重橫梁截面為雙三角桁架結(jié)構(gòu),中間設(shè)置8 道連接系用于連接和限制起重天車起重區(qū)域。下河吊機(jī)如圖3 所示。
圖3 下河吊機(jī)(單位:cm)Fig.3 Lower river crane(unit:cm)
下河吊機(jī)起重橫梁采用雙起重天車(150+150)t,吊點(diǎn)中心距離≥6m;起重天車橫移速度0 ~6.0m/min,2 臺(tái)起重天車可單獨(dú)動(dòng)作或同時(shí)往同一方向動(dòng)作;起升高度達(dá)60m;起重天車主鉤起升電動(dòng)機(jī)采用雙速繞線電動(dòng)機(jī),起升速度為一檔1.0m/min,二檔2.0m/min;縱移臺(tái)車軌距2.0m,縱移速度0 ~7.0m/min(變頻調(diào)速,縱移距離為70m);驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)布置在走行輪箱內(nèi)側(cè),并設(shè)計(jì)專用分配裝置和機(jī)構(gòu)確保輪壓均勻。 起重橫梁橫斷面如圖4 所示。
圖4 起重橫梁橫斷面Fig.4 Cross section of lifting crossbeam
為加強(qiáng)下河吊機(jī)橫向穩(wěn)定性及抗風(fēng)穩(wěn)定性,設(shè)置斜向鋼支撐。 斜向鋼支撐位于立柱Ⅰ上游側(cè)橫向12m 處,鋼支撐下端錨固在深嵌入巖體的混凝土基礎(chǔ),基礎(chǔ)尺寸為3.2m×2m×2m。 斜向鋼支撐使用?630×8 鋼管,與立柱焊連。 斜向鋼支撐設(shè)置3 個(gè)連接系增強(qiáng)穩(wěn)定性。
2.3.1 計(jì)算荷載
1)下河吊機(jī)分級(jí) A3。
2)常規(guī)荷載 ①起重機(jī)自重PG支架部分質(zhì)量PG1=823.6t,起重橫梁質(zhì)量PG2=112t, 縱移臺(tái)車質(zhì)量PG3=50t,起重橫梁上卷揚(yáng)機(jī)等附屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量PG4=50t, 吊具質(zhì)量PG5=20t, 自重振動(dòng)系數(shù)?1=1.1;②起重機(jī)起升荷載 最大吊重PQ=250t,起升動(dòng)荷載系數(shù)?2=1.1,沖擊荷載系數(shù)?4=1.1;③水平慣性力 縱向走行慣性力PQX1=46.27t,橫向走行慣性力PQX2= 30.27t, 加速度a=0.064m/s2,水平慣性力荷載系數(shù)?5=1.5。
3)偶然荷載為風(fēng)荷載 工作狀態(tài)最大風(fēng)力6級(jí),包括橫向風(fēng)荷載PW1及縱向風(fēng)荷載PW2。 10min時(shí)距平均風(fēng)速Vp=13.8m/s,3s 時(shí)距平均瞬時(shí)風(fēng)速Vs=19.32m/s,計(jì)算風(fēng)壓P=233.29N/m2。
4)特殊荷載 風(fēng)荷載。 非工作狀態(tài)最大風(fēng)力為12 級(jí),包括橫向風(fēng)荷載PW3及縱向風(fēng)荷載PW4。10min 時(shí)距平均風(fēng)速Vp=36.9m/s,3s 時(shí)距平均瞬時(shí)風(fēng)速Vs=51.66m/s,計(jì)算風(fēng)壓P=1 667.97N/m2。
2.3.2 計(jì)算工況及荷載組合
采用容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法計(jì)算,不考慮相關(guān)荷載在計(jì)算時(shí)對(duì)應(yīng)的分項(xiàng)荷載系數(shù)。 計(jì)算時(shí)分7 種工況(見表2):①工況1 無風(fēng)提升吊重;②工況2 無風(fēng)吊重走行,考慮制動(dòng);③工況3 無風(fēng)吊裝走行,考慮軌道不平所帶來的沖擊;④工況4 有風(fēng)提升吊重;⑤工況5 有風(fēng)吊重走行,考慮制動(dòng);⑥工況6有風(fēng)吊裝走行,考慮軌道不平所帶來的沖擊;⑦工況7 空載,考慮特殊風(fēng)荷載。
表2 計(jì)算工況及荷載組合Table 2 Calculation conditions and load combination
2.3.3 計(jì)算結(jié)果
下河吊機(jī)結(jié)構(gòu)計(jì)算采用Midas Civil 有限元軟件,針對(duì)每種工況分別建模計(jì)算[4],構(gòu)件按實(shí)際結(jié)構(gòu)用梁?jiǎn)卧M。 鋼管樁底部采用剛接,斜壓桿及斜拉桿采用鉸接,分配梁與分配梁之間采用剛接,主縱梁與分配梁之間采用剛接,起重橫梁與主縱梁之間采用鉸接。 結(jié)構(gòu)自重由程序自動(dòng)生成,起升荷載簡(jiǎn)化為節(jié)點(diǎn)荷載加在起重橫梁上,慣性力作用在各相應(yīng)質(zhì)量上,起升重物的慣性荷載施加到吊重節(jié)點(diǎn)上,結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載按線荷載作用在結(jié)構(gòu)上,吊重物體風(fēng)荷載施加到起升荷載節(jié)點(diǎn)上。
經(jīng)計(jì)算,起重橫梁、主縱梁桁架、分配梁、斜壓桿、斜拉桿及立柱鋼管斜壓桿鉸接處在最不利工況下均滿足要求。
下河吊機(jī)各構(gòu)件均在工廠加工,陸運(yùn)至拱肋預(yù)拼場(chǎng)進(jìn)行分段拼裝,具體安裝流程:擋墻基礎(chǔ)施工及場(chǎng)地回填→下部結(jié)構(gòu)施工(鋼管立柱、斜壓桿、斜拉桿、柱頂分配梁)→上部結(jié)構(gòu)施工(主桁架梁、橫向連接系、起重橫梁)。
為擴(kuò)大下河吊機(jī)處的施工場(chǎng)地,在傾斜岸面上先修建混凝土擋墻,再回填平整土石。 混凝土擋墻采用C20 混凝土,高2 ~7m,截面尺寸為頂部寬1.5m,底部寬2.0m,擋土墻底部向花崗基巖內(nèi)植入70cm 深、2 排?28、長度1.5m 螺紋鋼筋加強(qiáng)連接,縱向間距50mm 布置。 分層回填土石后碾壓密實(shí),確保地基承載力≥200kPa。 下部結(jié)構(gòu)桿件安裝前,先施工下河吊機(jī)的樁基礎(chǔ)、承臺(tái),樁基礎(chǔ)采取人工挖孔樁施工,承臺(tái)頂面準(zhǔn)確設(shè)置預(yù)埋件。
下部結(jié)構(gòu)含鋼管立柱、斜壓桿、斜拉桿、柱頂分配梁,均采用大型汽車式起重機(jī)進(jìn)行安裝。
1)鋼管立柱及斜向鋼支撐安裝 鋼管立柱包含鋼管、樁頭、連接系等部件,分為立柱I,II,III。 除靠江側(cè)鋼管立樁I 因較長分2 次吊裝外,其余鋼管立柱均使用130t 汽車式起重機(jī)一次性整體吊裝。吊裝到位后與預(yù)埋件全接觸焊接固定,焊接加勁板。 靠山側(cè)立柱III 下部管內(nèi)灌注1.5m C30 混凝土。 斜向鋼支撐設(shè)置在鋼管立柱上游側(cè),以增強(qiáng)下河吊機(jī)的橫向穩(wěn)定性。 鋼支撐采用?630×8 鋼管,上端與鋼管立柱焊接,下端錨固于深嵌入巖體的混凝土基礎(chǔ),基礎(chǔ)尺寸為3.2m×2m×2m。
2)斜壓桿安裝 上、下游側(cè)斜壓桿均分2 節(jié)吊裝,現(xiàn)場(chǎng)使用130t 汽車式起重機(jī)吊裝。 斜壓桿第1節(jié)豎直吊裝后在承臺(tái)頂預(yù)埋件上穿上鋼銷軸,并用型鋼臨時(shí)焊接固定在預(yù)埋件上,豎直吊裝第2 節(jié)并在第1 節(jié)上方焊接成整體。 通過設(shè)置2 臺(tái)小型卷揚(yáng)機(jī)用2 根鋼絲繩交叉捆住斜壓桿并受力,切除臨時(shí)型鋼固定桿件,控制鋼絲繩使斜壓桿繞立柱下部銷軸轉(zhuǎn)動(dòng),調(diào)整角度達(dá)到設(shè)計(jì)要求,固定鋼絲繩和纜風(fēng)繩。 纜風(fēng)繩采用重力式混凝土基礎(chǔ),尺寸為2m×2m×2m,基礎(chǔ)上預(yù)埋3 個(gè)?30×200 地腳螺栓作為纜風(fēng)繩連接點(diǎn),連接3 根?21.5 鋼絲繩,可承受180kN 拉力。 斜壓桿安裝步驟如圖5 所示。
圖5 斜壓桿安裝(單位:m)Fig.5 Installation of slant support(unit:m)
3)斜拉桿、樁頂分配梁、連接系等安裝 斜拉桿共2 根,單根質(zhì)量15.8t。 斜拉桿在現(xiàn)場(chǎng)使用50t汽車式起重機(jī)一次吊裝固定。 樁頂分配梁在現(xiàn)場(chǎng)焊接成整體后使用50t 汽車式起重機(jī)吊裝至立柱頂安裝。 分配梁與鋼管立柱樁頭采用全接觸焊接,焊高8mm。 安裝臨時(shí)連接系,并焊接限位鋼板防止轉(zhuǎn)動(dòng)。 斜壓桿頂部的墊座采用130t 汽車式起重機(jī)機(jī)吊裝焊接。
上部結(jié)構(gòu)含主縱梁、連接橫梁、起重橫梁等結(jié)構(gòu)。 主縱梁以斜壓桿頂部的縱梁墊座處鉛垂線為分隔,劃分為江側(cè)主縱梁、山側(cè)主縱梁。 單側(cè)主縱梁質(zhì)量為273.5t,江側(cè)主縱梁、山側(cè)主縱梁分別長16,57m。 現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地狹小,無法滿足大型起重機(jī)站位后整體安裝,只能采用分節(jié)段吊裝后再接長的方案進(jìn)行施工[5]。 上、下游山側(cè)主縱梁從山側(cè)往江側(cè)分段利用大型汽車式起重機(jī)吊裝接長;江側(cè)主縱梁在加工場(chǎng)拼裝后,水運(yùn)至下河吊機(jī)下方,采用自制的提升架分2 次從駁船上分段起吊后拼裝接長;每段焊接完成后再進(jìn)行下一段吊裝,主縱梁安裝過程中設(shè)置纜風(fēng)繩及橫向限位,保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。 連接橫梁、起重橫梁與主縱梁協(xié)調(diào)同步安裝。
3.4.1 主縱梁(山側(cè))安裝
安裝步驟:①吊裝山側(cè)首節(jié)主縱梁 首節(jié)長23m,使用2 臺(tái)130t 汽車式起重機(jī)放置于II,III 立柱上;②吊裝第2 節(jié)主縱梁 第2 節(jié)長16m,使用2 臺(tái)130t 汽車式起重機(jī)放置于I,II 立柱頂面,考慮吊裝第3 節(jié)主縱梁時(shí)下?lián)?,? 節(jié)主縱梁吊裝時(shí)在江側(cè)立柱I 上抄墊25mm 厚鋼板進(jìn)行預(yù)抬高;③吊裝第3 節(jié)主縱梁 第3 節(jié)主縱梁位于江側(cè)立柱I 與斜壓桿頂部之間,上、下游側(cè)第3 節(jié)主縱梁均使用180t 汽車式起重機(jī)吊裝,第3 節(jié)從山側(cè)往江側(cè)吊裝主縱梁,上游側(cè)分為3 段,(12 +4 +2) m;下游側(cè)分為5 段,(8+4+2+2+2)m。 主縱梁節(jié)段之間通過焊接連接,每吊裝一節(jié)段須與前一節(jié)段焊接牢固后才能繼續(xù)下一節(jié)段吊裝。
3.4.2 連接橫梁(山側(cè))安裝
連接橫梁(山側(cè))的桿件、節(jié)點(diǎn)板、加勁板等在加工場(chǎng)制造完成后,運(yùn)至鋼管拱肋預(yù)拼場(chǎng)進(jìn)行拼裝焊接。 連接橫梁制造時(shí)在上游側(cè)留0.5m 長度空間以方便吊裝。 連接橫梁使用2 臺(tái)130t 汽車式起重機(jī)提升安裝,預(yù)留的0.5m 長度空間通過精制螺栓連接[6],預(yù)留處斜桿件最后進(jìn)行焊接。
3.4.3 主縱梁(江側(cè))安裝
1)自制提升架及設(shè)備安裝 自制提升架用于江側(cè)段主縱梁的提升安裝,可沿已布置在山側(cè)段主縱梁頂?shù)能壍肋M(jìn)行移動(dòng)[7]。 提升設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)組拼完成后使用汽車式起重機(jī)吊放至自制提升架,安裝提升架配重塊,進(jìn)行提升架試吊,利用水平布置的卷揚(yáng)機(jī)拖動(dòng)至已安裝的主縱梁江側(cè)前端。
2)主縱梁(江側(cè))安裝 江側(cè)主縱梁為雙層桁架懸臂段,上、下游側(cè)均劃分為2 段(8m+8m),使用自制的提升架進(jìn)行提升安裝。 江側(cè)首節(jié)段與山側(cè)已安裝節(jié)段精確對(duì)位后進(jìn)行焊接,再前移提升架進(jìn)行下一節(jié)段安裝。 江側(cè)主縱梁懸臂節(jié)段安裝如圖6 所示。
圖6 江側(cè)主縱梁懸臂節(jié)段安裝Fig.6 Installation of cantilever segments of the main longitudinal girder on the river side
3)自制提升架及設(shè)備拆除 主縱梁節(jié)段全部安裝完成后,向山側(cè)方向拖動(dòng)自制提升架及設(shè)備,使用130t 汽車式起重機(jī)將提升設(shè)備整體吊至地面運(yùn)走,將提升架吊至地面拆解運(yùn)走。
3.4.4 起重橫梁及天車安裝
1)走行軌道安裝 在主縱梁頂面上通長鋪設(shè)20mm 厚鋼板,上面安裝50 型鋼軌,鋼軌對(duì)接面需焊接并將焊縫磨平,再在鋼軌兩側(cè)焊接限位型鋼進(jìn)行鋼軌限位。
2)起重橫梁和起重臺(tái)車安裝 下河吊機(jī)設(shè)置2根起重橫梁,在橫梁兩端通過8 根連接系連接。 起重橫梁構(gòu)件在鋼管拱肋預(yù)拼場(chǎng)組裝并焊接。 向主縱梁鋼軌上安裝縱向移動(dòng)大車并臨時(shí)固定,使用2臺(tái)130t 汽車式起重機(jī)將2 根起重橫梁前后分別抬吊至移動(dòng)大車上安裝固定,焊接8 根連接系,在起重橫梁頂面安裝起重臺(tái)車所用的走行軌道,最后吊裝起重臺(tái)車,解除臨時(shí)固定設(shè)施。
3.4.5 連接橫梁(江側(cè))安裝
江側(cè)連接橫梁位于江面上方遠(yuǎn)端,無法使用大型汽車式起重機(jī)進(jìn)行安裝,使用下河吊機(jī)已安裝的起重橫梁從江面的運(yùn)輸駁船上垂直起吊安裝。 江側(cè)連接橫梁現(xiàn)場(chǎng)組拼時(shí)在一側(cè)預(yù)留0.5m 長度空間以方便吊裝,駁船運(yùn)輸江側(cè)連接橫梁至安裝位置的正下方,此時(shí)起重橫梁已停放在主縱梁的前端,向山體側(cè)上、下游方向分別設(shè)置橫向纜風(fēng)繩以增強(qiáng)2根穩(wěn)定性。 橫梁提升到位后焊接上游端至上游的主縱梁側(cè)面,下游端缺口處使用配切段進(jìn)行焊連,焊接完成后拆除纜風(fēng)繩。
下河吊機(jī)設(shè)計(jì)最大吊重250t,吊裝工況下最大風(fēng)載為6 級(jí),非吊裝工況下最大風(fēng)載為12 級(jí)。 試吊分為空載試運(yùn)轉(zhuǎn)、靜載試運(yùn)轉(zhuǎn)和動(dòng)載試運(yùn)轉(zhuǎn)3 個(gè)階段[8]。 靜載試運(yùn)轉(zhuǎn)最大荷載為額定起重量的125%,采取雅魯藏布江中的156t 運(yùn)輸駁船+156.5t 型鋼配載;動(dòng)載試運(yùn)轉(zhuǎn)最大荷載為額定起重量的110%,采取鋼管拱肋第3 節(jié)段+32.5t 型材鋼筋配載。
拱肋節(jié)段在預(yù)拼場(chǎng)進(jìn)行臥式拼裝后轉(zhuǎn)移存放,安裝時(shí)從存放區(qū)移運(yùn)至下河吊機(jī)下方,再將拱肋節(jié)段由臥式翻身為立式[9],方便吊運(yùn)下河、運(yùn)輸和安裝。 具體方法如下:拱肋翻身區(qū)設(shè)翻身底座,在底座上鋪設(shè)厚橡膠抗沖擊,防止拱肋下弦管損傷。 拱肋臥躺運(yùn)至下河吊機(jī)下方,起重橫梁的2 個(gè)吊鉤分別捆綁在上弦2 肢鋼管的兩端,下河吊機(jī)提升拱肋轉(zhuǎn)動(dòng)至接近豎立狀。 起重橫梁向江側(cè)方向行走,至與拱肋翻身完成時(shí)重心對(duì)應(yīng)的位置后停止,此時(shí)稍微起升吊鉤,使拱肋節(jié)段重心越過支點(diǎn),依靠自身重力完成節(jié)段翻身。 重新調(diào)整4 根鋼絲繩位置,起重橫梁提升,使4 根鋼絲繩共同受力,吊起拱肋移動(dòng)至下河吊機(jī)前端,將拱肋節(jié)段下放到運(yùn)輸駁船甲板上固定。
結(jié)合峽谷實(shí)際地形將下河吊機(jī)設(shè)計(jì)成前端大懸臂結(jié)構(gòu)形式,利用前端的斜壓桿承受壓力并傳至承臺(tái)和樁基礎(chǔ)上,后端的斜拉桿承受拉力并轉(zhuǎn)移到抗拔樁上,采用橫向斜撐增加其抗風(fēng)穩(wěn)定性;安裝時(shí)主縱梁采用大型汽車式起重機(jī)進(jìn)行分段吊裝,前端大懸臂主縱梁采用自制提升架分節(jié)段從江中駁船上提升安裝,江側(cè)連接橫梁采用下河吊機(jī)的起吊系統(tǒng)在加設(shè)臨時(shí)纜風(fēng)繩的工況下從江中駁船上提升安裝。 拉林鐵路藏木特大橋因地制宜設(shè)計(jì)了大懸臂下河吊機(jī),有效解決了陡峭地形下鋼管拱肋節(jié)段翻身和下河難題,加快了施工速度,降低了大量成本,創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益,保證了國內(nèi)外鐵路第一大跨中承式提籃鋼管拱橋的順利施工。