大跨度斜拉桥钢箱桁梁架设关键技术研究

郭星亮

(中铁三局集团有限公司， 太原 030001)

1 工程概况

商合杭铁路裕溪河特大桥主桥为(60+120+324+120+60) m的双塔钢箱桁梁斜拉桥，是目前国内时速350 km高速铁路最大跨度的钢箱桁梁斜拉桥，施工技术难度极大。主塔采用“H”型索塔，塔底以上索塔高为123.00 m，桥面以上塔高105.801 m；斜拉索为平行钢丝拉索、空间双索面，每塔两侧共13条对索，桥址处地势较为平坦，两个主塔墩均位于裕溪河大坝外侧，主桥立面示意如图1所示。

图1 裕溪河主桥立面示意图(m)

主梁钢箱梁桁梁结构，由主桁和钢箱组成，断面示意如图2所示。主桁采用两片平行布置的华伦式桁架，横向间距14.0 m，桁高12.0 m，节间长12.0 m；下弦钢箱梁采用带风嘴的单箱七室截面，为正交异性板结构，梁高2.5 m，梁顶板宽17.64 m。

图2 钢箱桁梁断面示意图(mm)

2 钢箱桁梁架设难点

斜拉桥主梁为箱桁组合结构，结构新颖，为同类桥梁中首次采用，可借鉴的施工经验较少。架设难点主要有：

(1)合理架设方案选择难度大

目前，双塔五跨钢桁梁斜拉桥通常采用对称悬臂架设法施工，具有先塔后梁、中期塔梁同步、后期有多个合龙口等特点，施工速度较慢，因此寻找一种又快又好的钢箱桁梁架设方法是一大难点。

(2)经济型钢箱桁梁架桥机研发难度大

根据主梁结构特点，可采用“桥面吊机+桅杆吊机”、“回转吊机”等方式进行架设，吊机的成本较高且架设工序复杂，因此，研制一种适用本桥钢箱桁梁架设的经济型架梁吊机是另一大难点。

(3)架设中变形协调控制难

钢桁梁安装的节点允许误差为2 mm。斜拉索挂索后，各个节段钢箱梁会产生压缩变形，将对上部钢桁梁的安装产生影响。钢箱梁合龙后再安装钢桁梁，此时，钢箱梁已产生纵向变形而钢桁梁无变形。钢箱梁与钢桁梁间存在纵向变形差，当两者纵向变形差超过2 mm时，钢桁梁杆件的安装存在较大困难。

3 钢箱桁梁架设方案比选

针对钢箱桁梁的结构特点，架设可采用两种工法。

(1)工法一：钢箱梁全部架设完后再架设钢桁梁。该工法具有运输吊装方便、高空作业量小、钢桁梁多作业面拼装、进度快等优点，但因钢桁梁安装于合龙后的钢箱梁上，节点对接对变形较为敏感，调索较为频繁。

(2)工法二：架设若干节间钢箱梁后待有作业空间再架设钢桁梁。该工法具有钢箱梁与钢桁梁变形协调、钢桁梁安装方便、调索工作量小等优点，但因钢箱梁与钢桁梁同时安装，需研制经济型架桥机，且斜拉索展索较麻烦，作业较为复杂。

为确保后期钢箱桁梁线形及受力状态符合设计要求，对比两种工法的优缺点，建议采用工法二。结合现场地形地貌、钢箱桁梁运输、拼装吊机选型、钢箱与钢桁的变形协调等因素，工法二可采用两种方案实现。

(1)对称悬臂拼装方案(方案一)：主塔、辅助墩、边墩施工完成后,在塔旁支架上安装5个节间钢箱桁梁，挂设两侧1对斜拉索后，两侧对称安装桥面吊机，对称悬臂架设钢箱梁至辅(边)墩墩旁支架的钢箱桁合龙口处，利用桥面吊机完成辅(边)跨的钢箱合龙，继续架设中跨钢箱梁直至合龙，整个架设过程中滞后1个节间挂设1对斜拉索及安装钢桁梁。

(2)边跨顶推、中跨单向悬臂拼装方案(方案二)：主塔(或施工至一定节段)、辅助墩、边墩施工完成后，安装拼装平台、顶推支架及顶推设备,利用浮吊安装前导梁及3个节间钢箱桁梁,安装桥面吊机吊装钢箱桁梁，向边跨侧顶推24个节间后,单向悬臂架设中跨钢箱桁梁直至合龙，钢箱桁梁悬拼至一定位置后挂设斜拉索，顶推和单向悬拼过程钢桁梁安装同步或滞后少量节间。

从技术可行性、施工成本、施工工期等方面对方案一和方案二进行比选，结果如表1所示。

表1 钢箱桁梁架设方案比选表

针对斜拉桥施工环境、地理位置和设计要求，经方案比选，最终确定方案二为钢箱桁梁最终的架设方案：边辅跨顶推，中跨悬拼， 跨中合龙，钢箱梁与钢桁梁同步安装，塔梁同步。边跨钢桁梁同钢箱梁同步拼装顶推到位，然后单向悬臂继续同步拼装钢桁梁及钢箱梁，同时挂设斜拉索结构，直至钢箱桁梁合龙。

4 钢箱桁梁架设关键技术

4.1 顶推支架结构

顶推支架由拼装平台支架和临时支墩两部分组成[2]，纵向示意如图3所示。

拼装平台支架为钢管立柱结构，长30 m，宽10.6 m,纵向为4排钢管立柱，间距为5.0 m、13.0 m、5.0 m，横向为4排钢管立柱，间距均为3.0 m，立柱型号为φ1 000 mm×12 mm钢管，其顶部依次设3I63b、3HN900×300分配梁。临时支墩为钢管立柱结构，纵向为间距5.0 m的2排钢管立柱，横向设4排立柱，间距为2.6 m、3.4 m、2.6 m，立柱型号为φ630 mm×16 mm钢管，其顶部依次设3I63b、3HN900×300分配梁。

钢箱梁架设过程中，结构所受荷载为钢梁及导梁自重、架梁吊机自重和吊重、横桥向风荷载。钢箱梁截面较小，风载对钢箱梁顶推与架设受力影响很小，可忽略不计。整个钢箱梁按静力学计算，不考虑钢箱梁所受顶推力及摩阻力[3-4]。

根据步履式顶推千斤顶的工作情况，对钢箱桁梁顶推施工进行有限元模拟分析，以各临时墩受力最不利为原则，得出钢箱桁梁顶推施工过程的各控制工况如表2所示。

表2 墩顶最不利受力结果表

将表2计算所得的最不利反力施加于顶推支架结，有限元模拟计算结果表明：拼装平台分配梁受到的最大正应力为176 MPa(Q345材质)，最大剪应力59 MPa，钢管立柱考虑稳定后的最大组合应力为100 MPa；临时支墩分配梁受到的最大正应力为154 MPa(Q345材质)，最大剪应力58 MPa，钢管立柱考虑稳定后的最大组合应力为99 MPa。顶推支架结构受力满足要求。

4.2 架桥机研制

4.2.1 传统架桥机实现方案

在钢桁梁桥悬臂拼装的基础上，钢箱桁梁可采用“回转吊机”“桥面吊机+桅杆吊机”进行架设：(1)将回转吊机安装在钢桁梁上弦杆顶面，沿线路方向左右各旋转90°能满足架设线路左右侧钢梁杆件的要求，考虑经济效益和利用现有设备的原则，根据架设要求，拼装吊机可采用半回转体系(旋转180°)或全回转体系(旋转360°)；(2)在桥面板位置设置1个桥面架梁吊机，同时在桁架上方设置1个小吨位的桅杆吊机，实现桥面板、钢桁梁的同步架设。

4.2.2 经济型钢箱桁梁架桥机

针对“回转吊机”“桥面吊机+桅杆吊机”成本较高、架设工序复杂等缺点，围绕本桥钢箱桁梁的特点，从竖向起吊、纵向倒运等方面展开架桥机的研究。

(1)设计原则

架梁吊机的设计吊重为230 t，能起吊主梁标准节段长度为8 m、9 m、10 m、11 m、12 m的钢箱梁，能满足从水面运输船上起吊钢箱梁、钢桁梁的高度，能架设相邻钢箱梁节段并完成钢桁梁主桁和平联杆件的倒运作业。

(2)BL230桥面吊机

桥面吊机主要由机架金属结构、吊具纵横移机构、吊具、轨道及前移机构、起升机构、锚固支撑系统、双电葫芦辅助起重系统、液压系统、司机室、电气系统等组成。采用单机双吊点抬吊施工工法，将钢箱梁节段安全准确地提升至桥面，并依靠吊具纵横移机构和吊具调平机构的配合进行对位和拼接。此外桥面吊机配有1套双电葫芦辅助起重系统，用于倒运钢桁梁主桁和平联杆件。BL230桥面吊机纵向及横向示意如图4所示。

图4 BL230桥面吊机示意图(cm)

4.3 钢箱桁梁架设技术

4.3.1 顶推施工技术

1～24节间钢箱梁采用顶推架设方案，首先由浮吊架设起始3个节间钢箱梁，并安装边跨方向的导梁，然后在安装完成的钢箱梁上拼装230 t桥面吊机，后续钢箱梁节段由桥面吊机从运梁船上直接起吊拼装，每拼装完1个节间钢箱梁，整体向边跨方向顶推1个节间。边跨钢梁顶推作业过程中，为保证各个临时墩受力满足设计要求，纵桥向各个支点的各组顶推器及垫座间的高差应控制在1 cm以内，单个支点横桥向两组顶推器及垫座间的高差应控制在2 mm以内[5-6]。

4.3.2 单向悬拼技术

NJ9-NJ13、NJH钢梁采用悬臂架设方案，边跨钢箱梁顶推到位后，对称挂设边跨和主跨已安装完成钢箱梁的斜拉索[7-10]，同时利用桥面吊机单悬臂架设主跨下1节间钢箱梁。其步骤为：

(1)运输船到达指定位置并定位后，根据待吊梁段的重心位置，将桥面吊机滑车调整到指定位置。

(2)桥面吊机空钩下放，检查吊具各插销位置是否适合该节间重心位置，调整平油缸长度，吊具与待起吊的节段插销连接，解除待吊梁段四周锚绳，整体提升10 cm,调平后整体起升到钢梁平面准备进行精确对位。

(3)整节段钢箱梁起吊至已架设钢箱梁平齐时，停止起升，利用顶部油缸向后纵移吊点，使钢梁节段端部靠近已架设钢梁的节点前端。微调起升装置和吊点横移装置，使钢梁节段端部与已架钢梁节点前端准确对位，检查并开始钢箱梁接口焊接，焊接完成并探伤合格后，桥面吊机松钩，整节段钢箱梁安装完成。

(4)钢桁梁杆件通过桥面吊机提升至桥面，双电葫芦辅助起重系统倒运钢桁梁主桁和平联杆件，通过运梁车运输至待架位置，由50 t汽车吊滞后钢箱梁3个节间进行架设，钢桁梁安装顺序：先安装斜腹杆，形成正三角结构，再安装上弦杆，然后安装平联撑杆，最后整体安装平联斜杆。

4.3.3 钢箱梁精确对位测量技术

利用“激光跟踪、纵向调位、中线精调、标高调位”的测量定位方法，实现钢箱桁梁的精确测量定位，步骤如下：(1)全站仪立在混凝土梁端，利用激光朝向正在吊装的梁段中线3点来控制中轴线，将中轴线粗调至2 cm误差以内；(2)利用桥面吊机的伸缩功能调整前后距离(顺桥向)，即下弦节间栓孔间距12 m；(3)精调待吊装梁段中轴线至设计要求，用少量码板固定前后左右防止错位；(4)将待吊装梁段测点全部调整至设计标高；(5)检查轴线、孔距、标高是否符合设计要求，合格后即可开始从梁面、腹板、底板开始码板固定。

5 结束语

本文以商合杭铁路裕溪河特大桥钢箱桁梁架设为工程实例，针对钢箱桁梁的架设难点，通过对钢箱与钢桁架设协调性对比、顶推支架结构设计、经济型钢箱桁梁架桥机研制、钢箱梁节段精确对位测量等关键技术的研究，高质量完成了大跨度斜拉桥钢箱桁梁的架设，得出主要结论如下：

(1)针对钢箱桁梁的结构特点，根据桥址现场施工条件，首次提出了“边辅跨顶推、中跨悬拼、跨中合龙、钢箱梁与钢桁梁同步安装、塔梁同步”的钢箱桁梁架设技术，可为同类斜拉桥主梁的架设提供参考。

(2)针对“回转吊机”“桥面吊机+桅杆吊机”成本较高、架设工序复杂等缺点，围绕本桥钢箱桁梁的特点，研制了具有“竖向起吊、纵向倒运”等功能的经济型架桥机。

(3)提出了“激光跟踪、纵向调位、中线精调、标高调位”的测量定位方法，实现了钢箱桁梁的快速精确测量定位。