图1 半悬拼法架设施工布置图
李 闻
(中铁第五勘察设计院集团有限公司， 北京102600)
摘 要：以黄陵至韩城至侯马铁路新黄河特大桥156 m简支钢桁梁桥施工为背景，简述了大跨度钢桁梁主要施工方法及其适用条件。详细论述在复杂条件下施工方案选择及现场施工条件的影响，简述本桥顶推施工的总体方案，以钢桁梁顶推施工工艺为主线，系统地阐述了大跨度钢桁梁顶推施工的拼装拆卸、导梁、滑道、牵引、顶升等五大系统设计及需要注意的主要问题，为实现施工方案的标准化、系统化设计提供参考。施工结果表明，采用上述五大系统的顶推施工方案，可以保证施工过程中结构安全可靠、施工过程安全可控。本工程的顺利实施可为类似条件下大跨度钢桁梁施工提供借鉴。
关键词：复杂条件； 铁路； 钢桁梁； 顶推施工
黄陵至韩城至侯马铁路新黄河特大桥[1]位于陕西省韩城市和山西省河津市交界黄河卡口处。线路为单线，设计速度按旅客列车最高速度120 km/h设计。主桥采用1跨156 m简支下承式钢桁梁跨越黄河主河道，为目前国内较大跨度铁路简支钢桁梁。新建桥并行于既有侯马至西安铁路黄河桥下游22 m处。主桁为整体节点无竖杆平行弦三角式桁架，主桁中心距8.6 m，桁高17 m，计算跨度156 m，最大杆件重为38.79 t，全桥总重 2 173 t。
桥位处环境、地形及水文气象等条件复杂，主桥跨越黄河主河道，水深达30 m，主河道较窄，宽约130 m。主桥两侧地势起伏较大，地质分布不均，基岩埋藏深度变化大；两端施工场地条件比较差，特别是0号台～4号墩之间地形复杂，高差超过12 m，其间有灌溉水渠、闸门、水沟，临近1号墩约4 m有35 kV高压线及铁塔，主桥大里程侧位于副河河道内，汛期副河河道全部淹没。
黄河卡口处风速大(最大风速16 m/s)、水流急(施工期防洪标准为20年一遇洪水，设计洪峰流量20 000 m3/s，流水速度达10 m/s)、水中泥沙含量较高(8月份平均含沙量为74.4 kg/m3)、河床冲刷变化大(河床地质以细砂、中砂为主，冲刷深度可达15 m以上)，黄河汛期时间长，对施工影响较大；钢桁梁杆件长、重量大，施工作业场地狭小，距离既有线较近，施工过程中安全风险高，工程整体施工难度大。
常用的钢桁梁施工方法主要有：吊装施工法、悬臂拼装施工法、膺架拼装施工法、顶推施工法、缆索吊机施工法等。悬臂拼装法、膺架拼装施工法、缆索吊机施工法，适用于桥下有条件施工临时支墩的钢桁梁施工，施工较安全，易于调整钢梁线形，造价相对较低，施工质量易保证，悬臂拼装法一般是首选施工方案；顶推施工法具有不影响桥下交通、节省大量施工脚手架、减少高空作业、施工安全可靠、便于集中管理和指挥等特点，但对于大吨位钢桁梁来说，需要大型的顶推牵引设备，一般是在桥下空间不能占用、临时墩架设困难等特殊条件下采用。
2.1 施工方案
根据现场的条件，初期拟定4种施工方案进行分析比选，具体方案如下：
方案1：在节点位置设置临时支墩，采用半悬拼法架设施工。
在主河槽边滩位置施工临时墩，在永久墩和临时墩之间架设军便梁，在军便梁上拼装两边各3个节间，采用行走吊机对称悬臂拼装杆件，直到跨中合龙，拆除军便梁和临时墩，施工桥面系，如图1所示。
图1 半悬拼法架设施工布置图
方案2：水中不设置临时墩，采用全悬臂顶推施工。
由于黄河卡口处流速大，地层、地形不均匀，水中施工临时墩基础难度较大，工期较长，汛期易受水流冲击发生破坏。因此考虑采用水中不设置临时支墩，八七梁作为导梁结构，导梁长度约为100 m，全悬臂顶推施工[5] ，如图2所示。
图2 全悬臂顶推施工布置图
方案3：水中不设置临时墩，利用斜拉索，辅助顶推施工。
在4号墩顶设置斜拉塔柱，根据顶推施工过程中导梁与主梁受力情况，调整斜拉索锚点位置，并调整斜拉索索力，辅助顶推施工，如图3所示。
图3 钓鱼法施工布置图
方案4：黄河中设置1处临时支墩，采用顶推法进行施工。
水中设置临时支墩，减小顶推最大跨度。导梁长度约为64 m，在临时支架上拼装后，由大里程向小里程方向顶推，如图4所示。
2.2 方案比选
方案1：半悬拼法拼装架设的拼装膺架设置水中临时墩的数量至少为6组，每组至少2根钻孔桩。受水流急、河床冲刷变化大、风速大、汛期及凌期等的影响，主河道水中临时支墩基础设计及施工难度大。不设置水中临时墩或尽最大可能减少水中临时墩设置数量是拼装架设施工方案优化的主要目标。
方案2：顶推过程中导梁弦杆轴力达到近700 t，超过八七梁弦杆X1的容许承载力650 t。部分斜杆轴力达到300 t，超出F1杆件最大容许承载力208 t。八七梁导梁受力无法满足要求。上滑道支点反力最大值为1 560 t，反力过大，造成滑道局部受力过大，造成滑道局部破坏。单支点反力过大还会造成临时下滑道挠度偏大，增大顶推过程中顶推力和调整难度。最大悬臂挠度理论计算值为1.1 m，考虑导梁销孔变形，最大悬臂工况下，前端点挠度估算在1.5 m以上，造成导梁前端点上墩设计的困难以及风险。由于悬臂过大，主梁后面需要压重，无形中增加了结构的自重，也相应增加了顶推所需的顶推力，对结构设计不利。
图4 设置水中墩顶推法施工布置图
方案3：计算时导梁按照4 t/m的总重量考虑(导梁从构造上看质量分布不均匀，计算应实际模拟)，4号墩位置的斜拉塔从地面以上按70 m考虑，按照10个控制步骤，分22个工况进行了模拟计算。结果显示，采用100 m长八七型军用梁作为导梁，部分斜杆受力达到300 t以上，大于斜杆208 t的容许承载力。上、下弦杆和竖杆的受力基本控制在容许值范围内。导梁与主梁过渡段区域轴向受力到达550 t，由于导梁与主梁在竖直方向轴心有约350 mm的偏差，水平方向同样存在截面形式的变化，增大了过渡区域构件的设计难度。钢桁梁在顶推前移过程中，斜拉索也随之在移动，同时又要保证拉索的张拉力不变，体系受力随着边界条件的变化，不断改变，需要根据钢桁梁和导梁各杆件受力情况，调整斜拉索锚固点和索力，增加了施工难度，并对索力控制精度提出了较高要求。施工过程中，导梁悬臂跨度较大，尾部钢梁的一次拼装长度较长，增加了后部连续梁的外载荷。
方案4：导梁在顶推整个过程中，弦杆轴力绝对值最大为162.5 t，竖杆轴力绝对值最大为167.9 t，斜杆轴力绝对值最大为178.1 t，导梁受力满足要求。大里程侧最大支点反力为650 t，箱梁腹板范围内最大支点反力约为160 t，水中临时支墩上最大反力为970 t，小里程侧最大支点反力为600 t。最大悬臂挠度理论计算值为20 cm，相对较小。
综上所述，方案4施工难度相对较小，质量容易保证，施工过程更容易控制，本工程推荐施工方案4。
钢桁梁顶推施工一般包括拼装拆卸、导梁、滑道、牵引、顶升等五大顶推系统。
3.1 拼装拆卸系统
拼装拆卸系统主要包括预拼场地、拼装拆卸平台、门吊等。顶推施工的钢桁梁是由引桥桥墩顶推至主墩的，桥墩上作业空间较小，可以搭设拼装平台，也可以在地面拼装场地拼装完成，由门吊吊装至顶推初始位置。顶推施工过程中，需要拆除前端已上墩的导梁部分，需要搭设拆卸平台，利用门吊拆卸不需要的杆件。本工程杆件存放及预拼场地选择在9号～11号墩左侧滩地上，分存放区和预拼区。直接以临时下滑道作为钢梁拼装平台，采用长臂履带吊车直接将钢梁杆件由存放场地吊至桥上安装位置进行拼装作业。导梁及其过渡段拆除是在临时下滑道支墩上完成的，即直接将临时下滑道梁作为拆卸平台，为保证所拆除的节间不受力，滑道长度需保证至少2个节点落在滑道上，导梁上滑道间距为8 m，考虑上滑道长度、上墩斜坡及施工误差，下滑道长度不小于16 m。
3.2 导梁系统
对于大跨度钢桁梁顶推施工，为防止悬臂顶推工程中，主梁倾覆失稳，并有效减小杆件内力，一般在主梁前设置一段导梁。导梁一般采用制式器材(八七梁)拼装而成，长度根据顶推跨度和结构杆件受力确定，一般为0.4倍主梁跨度，本项目导梁长度取64 m。长导梁为了减轻导梁自重，设置成变高度形式[6] 如图5所示。主梁与导梁连接位置杆件形式突变受力较复杂，以往是加工一连接构件与主梁螺栓连接，然后导梁与接头之间采用杆件焊接。由于现场焊接质量不易保证，而且杆件截面没有过渡，经常出现开焊的情况。为了解决这一问题，采用过渡段连接，导梁过渡段杆件设计为变截面杆件，以实现导梁与主桁之间的连接。
3.3 滑道系统
3.3.1 滑道系统组成
滑道系统主要包括上滑道和下滑道2个重要组成部分，其中下滑道又包括滑道、梁部、支墩、基础等几部分。
图5 导梁及过渡段设计图
3.3.2 上滑道
上滑道设置于主桁和导梁下弦杆大节点上，在顶推施工中与主梁临时固定，同时向顶推方向移动的滑道。采用八三墩3号杆件横放，节点处八三墩数量根据节点处上滑道与下滑道之间的高分子MGE滑板受力确定，分别布置不同数量八三墩。八三墩下焊接28 mm厚钢板，钢板面焊接4 mm不锈钢板，为方便喂块，钢板纵桥向前后端需要削坡处理[7]。
一般来说，上滑道底面是在同一标高上，需要根据预拱度值调整上滑道高度。对于跨度较小桥梁来说，预拱度值较小，可采用加垫钢板调整，但对于大跨度钢桁梁桥，预拱度较大，如果仍在上滑道范围内加垫钢板，会造成不必要的浪费。因此采用仅在腹板位置设置加垫钢梁，钢梁为钢箱中填充混凝土结构，图6为上滑道横断面布置图。
图6 上滑道横断面布置图(mm)
3.3.3 下滑道
下滑道由滑道、梁、支墩及基础组成。下滑道是相对固定的，主梁及导梁通过上滑道在下滑道上行走，下滑道起到导向的作用。根据临时滑道梁受力、支墩结构形式等，滑道梁可选用贝雷梁、型钢、自加工钢梁、混凝土等结构。临时支墩结构选择也与其受力和下滑道梁结构有关，可采用八三墩、混凝土墩柱、钢管搭设临时支架。根据施工现场地质以及上部荷载情况，确定临时支墩基础形式，如图7所示。
图7 下滑道现场照片
根据工况分析，位于5号～6号墩、3号～4号墩之间上滑道支点反力较大，需采用混凝土下滑道梁和混凝土墩柱；6号～8号墩上滑道支点反力较小，采用贝雷梁作为下滑道梁[8]。由于现场地质条件较差，考虑采用桩基础，为施工方便，墩柱同样采用混凝土墩柱。
3.4 牵引(顶推)动力系统
顶推系统顶推力的提供方法以及相应顶推设备种类较多，目前多采用水平连续千斤顶单点或多点拖拉牵引施工，现场照片如图8所示。牵引系统主要由牵引动力、拉杆、锚固端及辅助结构等几部分组成，有时还需要布置纠偏设备。
图8 5号墩顶连续千斤顶现场照片
牵引动力一般由安装在墩顶、桥台顶的千斤顶托架上的水平千斤顶提供，千斤顶吨位根据所需克服滑道间摩阻力确定，所需水平力F=K×μ×G，其中K为安全系数，一般取1.2～1.5；μ为摩擦系数，根据实际施工得到的数据，根据现场实测静摩擦系数约为0.13，动摩擦系数约为0.08；G为顶推施工总重。
3.5 顶升系统
顶升系统主要包括落梁顶升、导梁前端上墩顶升、顶推前试验时的顶升操作以及横移、纠偏等施工系统[8-9] 施工设计如图9所示。
图9 导梁上墩设施设计图
通过施工现场实际情况来看，施工过程中需要注意以下几点：在施工过程中要严格控制滑道顶面的标高误差，标高误差可能造成顶推过程中横向偏移，增加横向纠偏工作量，降低施工效率；施工过程中要按设计要求铺设滑板，否则可能造成滑道局部开裂、滑板局部破坏变形，增大摩阻力，增加临时支墩水平力，可能会造成结构破坏；充分重视横向纠偏措施，对于大跨度钢桁梁，现场条件复杂、影响因素较多，很容易出现横向偏移，施工过程中必须严格控制横向偏移尺寸，否则可能出现下滑道梁及上滑道加垫钢梁破坏等安全事故。
综上所述，通过施工前精心设计、充分准备，并在施工过程中注意以上问题，加强现场关键断面监测，顶推施工过程必将顺利可控。
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Study on Construction Technology of Long-span Steel Truss Girder Bridge Under Complex Conditions
LI Wen
(China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Beijing 102600,China)
Abstract：On the background of the construction design of 156 m simply-supported steel truss of new Yellow River super major bridge on Huangling-Hancheng-Houma Railway,this paper briefly describes the construction method and application conditions for long-span steel truss girder and the overall bridge launching construction scheme and discusses in detail the selection of construction schemes and on-site construction condition’s effect under complex conditions. Based on steel truss girder launching construction technology,this paper discusses systematically design and cautions of installation and disassembly system,guide girder system,slide way system,traction system and hoisting system for long-span steel truss girder launching construction,which provides reference and experience for standardized and systematic design of construction scheme. The result of construction shows that use of the above five-system launching construction scheme can guarantee the safety and reliability of the structure during the construction and safety of construction. The smooth implementation of the work can provide references for construction of large-span steel truss girder under the similar condition.
Key words：complex conditions; railway; steel truss girder; launching construction
收稿日期：2013-11-28
作者简介：李闻(1979-)，男，高级工程师。
文章编号：1674—8247(2014)02—0032—05
中图分类号：U445.462
文献标志码：B