客運(yùn)專線中等跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁造橋機(jī)節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)研究

摘　要:針對(duì)客運(yùn)專線鐵路中等跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的特點(diǎn),介紹適應(yīng)客運(yùn)專線中等跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁施工的新型造橋機(jī)及作業(yè)原理,并以干接縫為例,對(duì)造橋機(jī)節(jié)段預(yù)制拼裝施工工藝進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞:客運(yùn)專線; 鐵路橋; 預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁; 節(jié)段拼裝法

中圖分類號(hào):U445.36　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào): 100422954 (2008) 0220042203

1　概述

　　客運(yùn)專線鐵路已成為世界鐵路發(fā)展的大趨勢(shì),已建成和在建的客運(yùn)專線鐵路,采用高架橋的線路里程一般占線路總長(zhǎng)的一半或更多,客運(yùn)專線鐵路要求開通能力大、速度快( 350 km /h以上) ,而整孔箱梁抗扭和抗彎剛度大,受力簡(jiǎn)單,形式簡(jiǎn)潔,能夠滿足高速行車平穩(wěn)性要求,因此,客運(yùn)專線鐵路基本上采用整孔箱梁。

　　針對(duì)客運(yùn)專線鐵路小跨度橋梁,其跨度有32、24、20 m等幾種,我國(guó)已經(jīng)開發(fā)出900 t架橋機(jī)整孔架設(shè),而個(gè)別地形條件復(fù)雜的橋梁也開發(fā)出了移動(dòng)模架造橋機(jī)進(jìn)行原位澆筑;但由于客運(yùn)專線鐵路線路平、縱曲線要素以及深谷、河流通航能力的限制,某些橋型不得不選用中等跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁,而目前我國(guó)對(duì)這種橋型的架設(shè)設(shè)備仍是一塊空白。

　　另外,在國(guó)外預(yù)制節(jié)段施工技術(shù)發(fā)展較快、應(yīng)用較多的今天,我國(guó)預(yù)制節(jié)段拼裝技術(shù)卻應(yīng)用較少,尤其是在預(yù)制節(jié)段逐跨拼裝技術(shù)方面,尚處于起步階段。隨著我國(guó)新建鐵路工程環(huán)境的變化,橋梁所占比例越來(lái)越大,長(zhǎng)橋也越來(lái)越多,制約施工的條件越加苛刻,同時(shí)對(duì)快速施工的必要性也越顯緊迫,因此,客運(yùn)專線64 m及以下跨度箱梁節(jié)段拼裝造橋綜合技術(shù)則成為了今后鐵路建設(shè)至關(guān)重要的施工配套技術(shù)。

預(yù)制節(jié)段拼裝施工技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有:

　　(1)梁體分段預(yù)制,施工質(zhì)量好,風(fēng)險(xiǎn)小;上部結(jié)構(gòu)幾何線形容易控制;

　　(2)施工速度快,工期短,上部結(jié)構(gòu)節(jié)段預(yù)制與下部結(jié)構(gòu)施工可同時(shí)進(jìn)行;

　　(3)施工機(jī)械化程度高,特別適合于長(zhǎng)大橋梁的快速施工;

　　(4)節(jié)段養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng),加載齡期晚,成橋后梁體徐變上拱和預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)期損失小;

　　(5)對(duì)橋址周圍自然生態(tài)環(huán)境破壞小,對(duì)橋下現(xiàn)有交通及周邊社區(qū)環(huán)境影響小。

　　另外,預(yù)制節(jié)段逐跨拼裝施工節(jié)段運(yùn)輸較少受到運(yùn)輸設(shè)備和運(yùn)輸通道(如隧道)的限制,可以簡(jiǎn)化制梁工藝,減小梁體徐變上拱,跨度選擇不受運(yùn)輸和起吊設(shè)備能力的限制,減少了存梁用地,節(jié)省了制梁和存梁臺(tái)座基礎(chǔ)處理費(fèi)用,施工工期與整體預(yù)制梁相當(dāng)?shù)戎T多優(yōu)點(diǎn);與移動(dòng)模架逐孔灌筑施工法相比,施工速度快、施工質(zhì)量容易得到保證;與懸臂現(xiàn)澆施工相比,施工速度快,成橋線形易控制,施工質(zhì)量容易得到保證。

2　客運(yùn)專線中等跨度箱梁典型構(gòu)造

　　客運(yùn)專線梁的基本結(jié)構(gòu)形式是雙線單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土梁,具有箱梁截面尺寸較大、梁重較重、頂板較寬等特點(diǎn)。下面以56 m跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁為例作一介紹。該橋箱梁的截面尺寸如圖1所示, 56 m跨箱梁混凝土量約628.3 m3 ,整孔梁質(zhì)量約1 665 t。

　　該橋設(shè)計(jì)為造橋機(jī)節(jié)段預(yù)制拼裝法施工,整孔梁分為11個(gè)梁段,單個(gè)預(yù)制梁段重量控制在160 t以內(nèi),分段在預(yù)制梁場(chǎng)預(yù)制后在造橋機(jī)上拼裝建造而成。

3　客運(yùn)專線節(jié)段拼裝造橋機(jī)簡(jiǎn)介及性能特點(diǎn)

3.1　主要技術(shù)參數(shù)

　　造橋機(jī)全長(zhǎng): 156 m;整機(jī)自身質(zhì)量: 1 400 t;整機(jī)功率: 155 kW;龍門吊額定起重量: 160 t;適應(yīng)最小曲線半徑: ≥2 500 m;造橋機(jī)前移速度: 0.3 m /min;適應(yīng)橋型: 64 m及以下跨度客運(yùn)專線預(yù)應(yīng)力混凝土梁;龍門吊走行速度:變頻調(diào)速0～10 m /min;龍門吊起升速度: 0.6 m /min。

3.2　主要結(jié)構(gòu)組成

　　客運(yùn)專線節(jié)段拼裝造橋機(jī)是滿足客運(yùn)專線中等跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁架設(shè)需要的一種大型聯(lián)合鐵路施工裝備,主要由支架、懸吊系統(tǒng)、龍門吊、自行牛腿、運(yùn)梁車等部分組成。結(jié)構(gòu)總圖如圖2所示。

(1)支架

　　支架是造橋機(jī)的主要結(jié)構(gòu)組成部分,為變截面結(jié)構(gòu),高度由6.4 m變化到3.4 m,支架總長(zhǎng)大于2倍跨徑,便于造橋機(jī)在各墩之間移動(dòng),其主要包括前后導(dǎo)梁、主梁和橫梁等。造橋機(jī)前后導(dǎo)梁和主梁均為桁架結(jié)構(gòu),由23種基本桿件組成。組裝后以4.8 m為1個(gè)基本節(jié)間,可以根據(jù)預(yù)架設(shè)橋梁的跨度和等強(qiáng)度理論進(jìn)行靈活調(diào)配,使造橋機(jī)在合理的受力狀況下適應(yīng)不同的跨度需要。

　　兩主梁中心距為13.995 m,兩主梁間用橫梁連接,橫梁布置3道,分別為前、中、后橫梁,除連接兩主梁外,還兼作倒裝自行牛腿時(shí)支撐造橋機(jī)和后支點(diǎn)小車用。

(2)懸吊系統(tǒng)

　　懸吊系統(tǒng)主要起支撐預(yù)制梁段的作用,由扁擔(dān)梁、吊具、縱橫移裝置、墊槽等部分組成。扁擔(dān)梁為獨(dú)立的箱形結(jié)構(gòu),可以根據(jù)預(yù)制梁段分段的長(zhǎng)短進(jìn)行縱向調(diào)整,適應(yīng)性較強(qiáng)。梁段在三維方向上的調(diào)整均采用液壓驅(qū)動(dòng),具有機(jī)械化程度高、操作簡(jiǎn)單、調(diào)整精度高等特點(diǎn)。

(3)龍門吊

　　主要由龍門架、走行臺(tái)車、起升系統(tǒng)、走行動(dòng)力系統(tǒng)、電氣液壓系統(tǒng)等部分組成?？梢栽谥髁悍秶鷥?nèi)自由走行,主要負(fù)責(zé)將運(yùn)梁車運(yùn)送到造橋機(jī)尾部的預(yù)制梁段吊運(yùn)到安裝位置,并進(jìn)行預(yù)制梁段的粗略調(diào)位;同時(shí),該龍門吊的吊具具有旋轉(zhuǎn)功能,可以將預(yù)制梁段旋轉(zhuǎn)90°,以方便預(yù)制梁段的吊裝。在龍門吊的主梁上安裝有5 t電動(dòng)葫蘆,可倒運(yùn)造橋機(jī)施工中使用的小型機(jī)具和材料等。龍門吊的大車走行采用變頻無(wú)極調(diào)速技術(shù),啟動(dòng)平穩(wěn),對(duì)造橋機(jī)的主梁影響很小。

(4)自行牛腿

　　自行牛腿作為造橋機(jī)的支撐機(jī)構(gòu)是造橋機(jī)的關(guān)鍵部件,是聯(lián)系造橋機(jī)和橋墩的紐帶。在客運(yùn)專線造橋機(jī)的設(shè)計(jì)中充分調(diào)研了國(guó)內(nèi)外造橋機(jī)的支撐形式,以牛腿倒裝方便靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明確、對(duì)橋墩的要求盡可能少為原則,采用了墩旁三角架支撐,掛輪懸掛倒運(yùn),推進(jìn)小車頂推過(guò)孔的形式。自行牛腿的效果如圖3所示。

　　自行牛腿主要由懸掛系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、橫移系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、滾輪箱、對(duì)拉螺紋鋼、液壓動(dòng)力系統(tǒng)等部分組成。由造橋機(jī)傳遞的豎向力靠墩身預(yù)留的方孔承受,一般應(yīng)根據(jù)墩身混凝土的強(qiáng)度等級(jí)和豎向力的大小對(duì)預(yù)留方孔進(jìn)行局部加強(qiáng),一個(gè)橋墩的左右兩牛腿之間靠對(duì)拉螺紋鋼連接,克服水平內(nèi)力,使兩單邊牛腿將墩身牢牢抱住。造橋機(jī)前移過(guò)孔工況和架梁工況下分別支撐在滾輪箱和機(jī)械自鎖千斤頂上,使得造橋機(jī)走行時(shí)滾動(dòng)阻力小,架梁時(shí)承載能力大。該自行牛腿在倒裝時(shí)懸掛在主梁兩側(cè)的吊軌上,解除對(duì)拉螺紋鋼并利用牛腿的橫移系統(tǒng)將牛腿三角架身預(yù)留方孔后,啟動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)便可自行到下一安裝位置。自行牛腿單邊有9個(gè)液壓缸,全部動(dòng)作均由液壓缸完成,具有操作簡(jiǎn)單,對(duì)位準(zhǔn)確等特點(diǎn)。

(5)運(yùn)梁車

　　運(yùn)梁車為輪胎式,平臺(tái)高度為1 500 mm, 2縱列6軸線, 12套懸掛。運(yùn)梁車裝載質(zhì)量160 t,車輛自身質(zhì)量35 t,軸載質(zhì)量16.3 t,行車速度0～12 km /h。該車運(yùn)行靈活,可直行和八字轉(zhuǎn)向,最小轉(zhuǎn)彎半徑為7 m。

3.3　結(jié)構(gòu)模型建立及計(jì)算

　　采用M IDAS2006大型空間結(jié)構(gòu)計(jì)算程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,按照造橋機(jī)的實(shí)際情況建模。

　　造橋機(jī)桿件(包括前橫梁)采用空間梁?jiǎn)卧?中、后橫梁用板單元建模,而梁與板單元之間采用剛性連接。

　　荷載用梁?jiǎn)卧虬鍐卧獕毫奢d輸入,分兩大工況:工作狀態(tài)和拖拉狀態(tài)。工作狀態(tài)按照梁段擺放順序進(jìn)行逐級(jí)加載,拖拉狀態(tài)按照造橋機(jī)每移動(dòng)1個(gè)節(jié)間(4.8 m)進(jìn)行模擬。計(jì)算結(jié)果均在容許應(yīng)力范圍內(nèi)。

3.4　主要技術(shù)特點(diǎn)

(1)造橋機(jī)組拼靈活多變

　　造橋機(jī)主結(jié)構(gòu)采用桁架式,由一系列基本桿件組成,以4.8m為1個(gè)基本節(jié)間,同時(shí)還有1.6、2.4 m輔助節(jié)間,可以根據(jù)施工橋梁的孔跨不同組拼成不同跨度的造橋機(jī),既減少了造橋機(jī)的自重又提高了造橋機(jī)的施工靈活性。

(2)牛腿自行倒裝

　　牛腿懸掛于主梁上,自帶動(dòng)力和調(diào)位系統(tǒng),可以不借助其他機(jī)具自行倒裝至前方墩,并且對(duì)橋墩無(wú)特殊的要求,尤其適合深溝峽谷及跨江跨河的高墩,使得造橋機(jī)的使用不受地面條件的影響。

(3)采用節(jié)段預(yù)制后拼裝化整為零

　　由于起重及運(yùn)輸設(shè)備的限制,客運(yùn)專線整孔架設(shè)的箱梁一般限制在32m跨及以下跨度,節(jié)段預(yù)制拼裝法則將整孔梁劃分為若干個(gè)梁段(一般單個(gè)梁段的重量控制在150 t左右) ,單個(gè)梁段在預(yù)制場(chǎng)內(nèi)生產(chǎn),達(dá)到一定強(qiáng)度和齡期后吊運(yùn)至造橋機(jī)上拼裝張拉成形。由于梁段的預(yù)制是在預(yù)制場(chǎng)內(nèi)生產(chǎn),降低了天氣對(duì)梁段生產(chǎn)的影響,在施工中采取自動(dòng)化生產(chǎn)的程度較高,施工的速度大幅度提高,生產(chǎn)的成品質(zhì)量有保證,施工誤差及意外發(fā)生的機(jī)率可降到最低。

4　造橋機(jī)主要施工工藝

　　造橋機(jī)節(jié)段預(yù)制拼裝工法是根據(jù)拼裝機(jī)具、運(yùn)輸車輛的能力等,將橋梁沿縱軸線方向分成若干個(gè)適當(dāng)長(zhǎng)度的節(jié)段,在工廠或橋位附件的場(chǎng)地進(jìn)行節(jié)段預(yù)制施工,在橋墩施工完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,利用梁段運(yùn)輸車將預(yù)制好的梁段運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng),利用造橋機(jī)為依托將預(yù)制梁段拼裝到位,并按步驟施加預(yù)應(yīng)力,完成整孔梁建造。根據(jù)節(jié)段的連接方式主要分為濕接縫和干接縫兩種,客運(yùn)專線造橋機(jī)對(duì)這兩種節(jié)段拼裝的連接方式都能適應(yīng),下面以干接縫為例對(duì)主要施工工藝作簡(jiǎn)單介紹。造橋機(jī)節(jié)段預(yù)制干接縫施工工藝主要分為預(yù)制梁段運(yùn)輸起吊對(duì)位、環(huán)氧樹脂膠拼、臨時(shí)預(yù)加壓力頂緊、預(yù)應(yīng)力張拉成梁、孔道壓漿和封錨等工序。

4. 1　預(yù)制梁段運(yùn)輸起吊對(duì)位

　　預(yù)制梁段由運(yùn)梁車從梁段預(yù)制場(chǎng)運(yùn)送到造橋機(jī)的尾部,通過(guò)造橋機(jī)龍門吊將梁段吊運(yùn)到安裝位置,調(diào)整預(yù)制梁段三維方向的位置,使其達(dá)到設(shè)計(jì)的線形。在梁段調(diào)整中,最重要的是起始節(jié)段的測(cè)量控制,它是整跨梁的起點(diǎn),直接控制著整跨梁的線形,所以起始節(jié)段要在里程、軸線、高程3個(gè)方向上進(jìn)行精確定位,并將其直接支撐于永久支座上,后續(xù)梁段均以此為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整。由于存在拼裝過(guò)程的累計(jì)誤差或起始梁段定位的不準(zhǔn)確,梁的最后一個(gè)節(jié)段難免出現(xiàn)一定的偏差,為糾正偏差,可先采用臨時(shí)支座支撐,在梁體完成預(yù)應(yīng)力束張拉后進(jìn)行整體調(diào)整。

4. 2　環(huán)氧樹脂膠拼

　　在干接縫施工中,節(jié)段之間一般選用無(wú)溶劑型環(huán)氧樹脂膠結(jié)劑將相鄰的2塊梁段粘結(jié)成一個(gè)整體,它主要起潤(rùn)滑、錨栓、防水、傳遞應(yīng)力等作用。當(dāng)一跨內(nèi)預(yù)制梁段全部吊裝完畢后,從1號(hào)段起按預(yù)張拉順序進(jìn)行涂膠作業(yè),涂膠不能過(guò)厚,單個(gè)面以1 ～1.5 mm為宜。1號(hào)、2號(hào)段涂完膠后,縱移2號(hào)段向1號(hào)靠攏,調(diào)整節(jié)段位置,使其中線、高程接縫完全吻合后進(jìn)行擠膠張拉作業(yè)。

4. 3　臨時(shí)預(yù)加壓力頂緊

　　臨時(shí)預(yù)加壓力頂緊是為了使接縫緊密接觸,將節(jié)段拼成整體,并保證在永久張拉前一段時(shí)間內(nèi)節(jié)段之間不會(huì)發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。預(yù)加壓力一般利用梁段頂板和底板上的凸塊,采用精軋螺紋鋼筋、JLM型錨具和YC60型張拉千斤頂進(jìn)行張拉。張拉力的控制以使混凝土表面產(chǎn)生不小于30 N / cm2 的壓應(yīng)力,并保證在大氣溫度下節(jié)段任何截面不產(chǎn)生拉應(yīng)力為宜。

4. 4　預(yù)應(yīng)力張拉成梁

　　預(yù)應(yīng)力張拉應(yīng)分節(jié)段對(duì)稱張拉,其張拉順序按設(shè)計(jì)規(guī)定進(jìn)行。張拉力的控制一般以應(yīng)力控制,以伸長(zhǎng)值為校核,實(shí)際伸長(zhǎng)值與理論伸長(zhǎng)值之差應(yīng)控制在6%以內(nèi),同時(shí)預(yù)應(yīng)力筋斷絲、滑移控制也應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)范控制。

4. 5　孔道壓漿和封錨

　　孔道壓漿是為了保護(hù)鋼筋,以免鋼筋生銹、松弛,并通過(guò)水泥漿使鋼筋與孔道粘結(jié)、填充以達(dá)到結(jié)構(gòu)的整體性?？椎缐簼{如采用真空壓漿,則應(yīng)用強(qiáng)度等級(jí)為42.5R以上的普通硅酸鹽水泥。為保證孔道壓漿達(dá)到飽滿和密實(shí)的效果,孔道內(nèi)的預(yù)抽真空壓力應(yīng)達(dá)到- 0.06～ - 0.09MPa,在真空壓漿前,如果節(jié)段拼接縫處有不密貼的情況,應(yīng)先用環(huán)氧樹脂注漿填縫處理,待環(huán)氧樹脂固結(jié)后方可進(jìn)行壓漿處理。

5　應(yīng)用情況

　　該造橋機(jī)針對(duì)鄭西客運(yùn)專線、太中銀鐵路以及包西鐵路的實(shí)際,分別形成了32、48、56、64 m全系列型號(hào),目前,在鄭西客運(yùn)專線磨溝河大橋和列斜溝大橋的32 m箱梁已采用本套造橋機(jī)進(jìn)行施工,梁段連接方式為濕接縫,現(xiàn)正處于架梁準(zhǔn)備階段。

6　結(jié)語(yǔ)

　　由于我國(guó)幅員遼闊,地形條件復(fù)雜,隨著客運(yùn)專線鐵路的快速發(fā)展,必將有越來(lái)越多跨越深溝峽谷和大江大河的橋梁出現(xiàn),而利用造橋機(jī)節(jié)段預(yù)制拼裝法建造中等跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁正是適應(yīng)這一趨勢(shì),具有施工質(zhì)量易控制、施工工期短、適應(yīng)性強(qiáng)、預(yù)應(yīng)力混凝土干縮徐變小、施工干擾小等特點(diǎn),必將為我國(guó)客運(yùn)專線的橋梁建設(shè)作出一定的貢獻(xiàn)。

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