摘 要:针对客运专线铁路中等跨度预应力混凝土箱梁的特点,介绍适应客运专线中等跨度预应力混凝土梁施工的新型造桥机及作业原理,并以干接缝为例,对造桥机节段预制拼装施工工艺进行阐述。
关键词:客运专线; 铁路桥; 预应力混凝土箱梁; 节段拼装法
中图分类号:U445.36 文献标识码:A
文章编号: 100422954 (2008) 0220042203
1 概述
客运专线铁路已成为世界铁路发展的大趋势,已建成和在建的客运专线铁路,采用高架桥的线路里程一般占线路总长的一半或更多,客运专线铁路要求开通能力大、速度快( 350 km /h以上) ,而整孔箱梁抗扭和抗弯刚度大,受力简单,形式简洁,能够满足高速行车平稳性要求,因此,客运专线铁路基本上采用整孔箱梁。
针对客运专线铁路小跨度桥梁,其跨度有32、24、20 m等几种,我国已经开发出900 t架桥机整孔架设,而个别地形条件复杂的桥梁也开发出了移动模架造桥机进行原位浇筑;但由于客运专线铁路线路平、纵曲线要素以及深谷、河流通航能力的限制,某些桥型不得不选用中等跨度预应力混凝土箱梁,而目前我国对这种桥型的架设设备仍是一块空白。
另外,在国外预制节段施工技术发展较快、应用较多的今天,我国预制节段拼装技术却应用较少,尤其是在预制节段逐跨拼装技术方面,尚处于起步阶段。随着我国新建铁路工程环境的变化,桥梁所占比例越来越大,长桥也越来越多,制约施工的条件越加苛刻,同时对快速施工的必要性也越显紧迫,因此,客运专线64 m及以下跨度箱梁节段拼装造桥综合技术则成为了今后铁路建设至关重要的施工配套技术。
预制节段拼装施工技术的主要优点有:
(1)梁体分段预制,施工质量好,风险小;上部结构几何线形容易控制;
(2)施工速度快,工期短,上部结构节段预制与下部结构施工可同时进行;
(3)施工机械化程度高,特别适合于长大桥梁的快速施工;
(4)节段养护时间长,加载龄期晚,成桥后梁体徐变上拱和预应力长期损失小;
(5)对桥址周围自然生态环境破坏小,对桥下现有交通及周边社区环境影响小。
另外,预制节段逐跨拼装施工节段运输较少受到运输设备和运输通道(如隧道)的限制,可以简化制梁工艺,减小梁体徐变上拱,跨度选择不受运输和起吊设备能力的限制,减少了存梁用地,节省了制梁和存梁台座基础处理费用,施工工期与整体预制梁相当等诸多优点;与移动模架逐孔灌筑施工法相比,施工速度快、施工质量容易得到保证;与悬臂现浇施工相比,施工速度快,成桥线形易控制,施工质量容易得到保证。
2 客运专线中等跨度箱梁典型构造
客运专线梁的基本结构形式是双线单箱单室预应力混凝土梁,具有箱梁截面尺寸较大、梁重较重、顶板较宽等特点。下面以56 m跨预应力混凝土箱梁为例作一介绍。该桥箱梁的截面尺寸如图1所示, 56 m跨箱梁混凝土量约628.3 m3 ,整孔梁质量约1 665 t。
该桥设计为造桥机节段预制拼装法施工,整孔梁分为11个梁段,单个预制梁段重量控制在160 t以内,分段在预制梁场预制后在造桥机上拼装建造而成。
3 客运专线节段拼装造桥机简介及性能特点
3.1 主要技术参数
造桥机全长: 156 m;整机自身质量: 1 400 t;整机功率: 155 kW;龙门吊额定起重量: 160 t;适应最小曲线半径: ≥2 500 m;造桥机前移速度: 0.3 m /min;适应桥型: 64 m及以下跨度客运专线预应力混凝土梁;龙门吊走行速度:变频调速0～10 m /min;龙门吊起升速度: 0.6 m /min。
3.2 主要结构组成
客运专线节段拼装造桥机是满足客运专线中等跨度预应力混凝土箱梁架设需要的一种大型联合铁路施工装备,主要由支架、悬吊系统、龙门吊、自行牛腿、运梁车等部分组成。结构总图如图2所示。
(1)支架
支架是造桥机的主要结构组成部分,为变截面结构,高度由6.4 m变化到3.4 m,支架总长大于2倍跨径,便于造桥机在各墩之间移动,其主要包括前后导梁、主梁和横梁等。造桥机前后导梁和主梁均为桁架结构,由23种基本杆件组成。组装后以4.8 m为1个基本节间,可以根据预架设桥梁的跨度和等强度理论进行灵活调配,使造桥机在合理的受力状况下适应不同的跨度需要。
两主梁中心距为13.995 m,两主梁间用横梁连接,横梁布置3道,分别为前、中、后横梁,除连接两主梁外,还兼作倒装自行牛腿时支撑造桥机和后支点小车用。
(2)悬吊系统
悬吊系统主要起支撑预制梁段的作用,由扁担梁、吊具、纵横移装置、垫槽等部分组成。扁担梁为独立的箱形结构,可以根据预制梁段分段的长短进行纵向调整,适应性较强。梁段在三维方向上的调整均采用液压驱动,具有机械化程度高、操作简单、调整精度高等特点。
(3)龙门吊
主要由龙门架、走行台车、起升系统、走行动力系统、电气液压系统等部分组成。可以在主梁范围内自由走行,主要负责将运梁车运送到造桥机尾部的预制梁段吊运到安装位置,并进行预制梁段的粗略调位;同时,该龙门吊的吊具具有旋转功能,可以将预制梁段旋转90°,以方便预制梁段的吊装。在龙门吊的主梁上安装有5 t电动葫芦,可倒运造桥机施工中使用的小型机具和材料等。龙门吊的大车走行采用变频无极调速技术,启动平稳,对造桥机的主梁影响很小。
(4)自行牛腿
自行牛腿作为造桥机的支撑机构是造桥机的关键部件,是联系造桥机和桥墩的纽带。在客运专线造桥机的设计中充分调研了国内外造桥机的支撑形式,以牛腿倒装方便灵活、结构简单明确、对桥墩的要求尽可能少为原则,采用了墩旁三角架支撑,挂轮悬挂倒运,推进小车顶推过孔的形式。自行牛腿的效果如图3所示。
自行牛腿主要由悬挂系统、推进系统、横移系统、支撑系统、滚轮箱、对拉螺纹钢、液压动力系统等部分组成。由造桥机传递的竖向力靠墩身预留的方孔承受,一般应根据墩身混凝土的强度等级和竖向力的大小对预留方孔进行局部加强,一个桥墩的左右两牛腿之间靠对拉螺纹钢连接,克服水平内力,使两单边牛腿将墩身牢牢抱住。造桥机前移过孔工况和架梁工况下分别支撑在滚轮箱和机械自锁千斤顶上,使得造桥机走行时滚动阻力小,架梁时承载能力大。该自行牛腿在倒装时悬挂在主梁两侧的吊轨上,解除对拉螺纹钢并利用牛腿的横移系统将牛腿三角架身预留方孔后,启动推进系统便可自行到下一安装位置。自行牛腿单边有9个液压缸,全部动作均由液压缸完成,具有操作简单,对位准确等特点。
(5)运梁车
运梁车为轮胎式,平台高度为1 500 mm, 2纵列6轴线, 12套悬挂。运梁车装载质量160 t,车辆自身质量35 t,轴载质量16.3 t,行车速度0～12 km /h。该车运行灵活,可直行和八字转向,最小转弯半径为7 m。
3.3 结构模型建立及计算
采用M IDAS2006大型空间结构计算程序进行结构分析,按照造桥机的实际情况建模。
造桥机杆件(包括前横梁)采用空间梁单元,中、后横梁用板单元建模,而梁与板单元之间采用刚性连接。
荷载用梁单元或板单元压力荷载输入,分两大工况:工作状态和拖拉状态。工作状态按照梁段摆放顺序进行逐级加载,拖拉状态按照造桥机每移动1个节间(4.8 m)进行模拟。计算结果均在容许应力范围内。
3.4 主要技术特点
(1)造桥机组拼灵活多变
造桥机主结构采用桁架式,由一系列基本杆件组成,以4.8m为1个基本节间,同时还有1.6、2.4 m辅助节间,可以根据施工桥梁的孔跨不同组拼成不同跨度的造桥机,既减少了造桥机的自重又提高了造桥机的施工灵活性。
(2)牛腿自行倒装
牛腿悬挂于主梁上,自带动力和调位系统,可以不借助其他机具自行倒装至前方墩,并且对桥墩无特殊的要求,尤其适合深沟峡谷及跨江跨河的高墩,使得造桥机的使用不受地面条件的影响。
(3)采用节段预制后拼装化整为零
由于起重及运输设备的限制,客运专线整孔架设的箱梁一般限制在32m跨及以下跨度,节段预制拼装法则将整孔梁划分为若干个梁段(一般单个梁段的重量控制在150 t左右) ,单个梁段在预制场内生产,达到一定强度和龄期后吊运至造桥机上拼装张拉成形。由于梁段的预制是在预制场内生产,降低了天气对梁段生产的影响,在施工中采取自动化生产的程度较高,施工的速度大幅度提高,生产的成品质量有保证,施工误差及意外发生的机率可降到最低。
4 造桥机主要施工工艺
造桥机节段预制拼装工法是根据拼装机具、运输车辆的能力等,将桥梁沿纵轴线方向分成若干个适当长度的节段,在工厂或桥位附件的场地进行节段预制施工,在桥墩施工完成并达到设计强度后,利用梁段运输车将预制好的梁段运送至现场,利用造桥机为依托将预制梁段拼装到位,并按步骤施加预应力,完成整孔梁建造。根据节段的连接方式主要分为湿接缝和干接缝两种,客运专线造桥机对这两种节段拼装的连接方式都能适应,下面以干接缝为例对主要施工工艺作简单介绍。造桥机节段预制干接缝施工工艺主要分为预制梁段运输起吊对位、环氧树脂胶拼、临时预加压力顶紧、预应力张拉成梁、孔道压浆和封锚等工序。
4. 1 预制梁段运输起吊对位
预制梁段由运梁车从梁段预制场运送到造桥机的尾部,通过造桥机龙门吊将梁段吊运到安装位置,调整预制梁段三维方向的位置,使其达到设计的线形。在梁段调整中,最重要的是起始节段的测量控制,它是整跨梁的起点,直接控制着整跨梁的线形,所以起始节段要在里程、轴线、高程3个方向上进行精确定位,并将其直接支撑于永久支座上,后续梁段均以此为标准进行调整。由于存在拼装过程的累计误差或起始梁段定位的不准确,梁的最后一个节段难免出现一定的偏差,为纠正偏差,可先采用临时支座支撑,在梁体完成预应力束张拉后进行整体调整。
4. 2 环氧树脂胶拼
在干接缝施工中,节段之间一般选用无溶剂型环氧树脂胶结剂将相邻的2块梁段粘结成一个整体,它主要起润滑、锚栓、防水、传递应力等作用。当一跨内预制梁段全部吊装完毕后,从1号段起按预张拉顺序进行涂胶作业,涂胶不能过厚,单个面以1 ～1.5 mm为宜。1号、2号段涂完胶后,纵移2号段向1号靠拢,调整节段位置,使其中线、高程接缝完全吻合后进行挤胶张拉作业。
4. 3 临时预加压力顶紧
临时预加压力顶紧是为了使接缝紧密接触,将节段拼成整体,并保证在永久张拉前一段时间内节段之间不会发生错动。预加压力一般利用梁段顶板和底板上的凸块,采用精轧螺纹钢筋、JLM型锚具和YC60型张拉千斤顶进行张拉。张拉力的控制以使混凝土表面产生不小于30 N / cm2 的压应力,并保证在大气温度下节段任何截面不产生拉应力为宜。
4. 4 预应力张拉成梁
预应力张拉应分节段对称张拉,其张拉顺序按设计规定进行。张拉力的控制一般以应力控制,以伸长值为校核,实际伸长值与理论伸长值之差应控制在6%以内,同时预应力筋断丝、滑移控制也应严格按规范控制。
4. 5 孔道压浆和封锚
孔道压浆是为了保护钢筋,以免钢筋生锈、松弛,并通过水泥浆使钢筋与孔道粘结、填充以达到结构的整体性。孔道压浆如采用真空压浆,则应用强度等级为42.5R以上的普通硅酸盐水泥。为保证孔道压浆达到饱满和密实的效果,孔道内的预抽真空压力应达到- 0.06～ - 0.09MPa,在真空压浆前,如果节段拼接缝处有不密贴的情况,应先用环氧树脂注浆填缝处理,待环氧树脂固结后方可进行压浆处理。
5 应用情况
该造桥机针对郑西客运专线、太中银铁路以及包西铁路的实际,分别形成了32、48、56、64 m全系列型号,目前,在郑西客运专线磨沟河大桥和列斜沟大桥的32 m箱梁已采用本套造桥机进行施工,梁段连接方式为湿接缝,现正处于架梁准备阶段。
6 结语
由于我国幅员辽阔,地形条件复杂,随着客运专线铁路的快速发展,必将有越来越多跨越深沟峡谷和大江大河的桥梁出现,而利用造桥机节段预制拼装法建造中等跨度预应力混凝土梁正是适应这一趋势,具有施工质量易控制、施工工期短、适应性强、预应力混凝土干缩徐变小、施工干扰小等特点,必将为我国客运专线的桥梁建设作出一定的贡献。
参考文献:
[ 1 ] 李怡厚. 铁路客运专线架梁铺轨施工装备[M ]. 北京:中国铁道出版社, 2003.
[ 2 ] 吴信然,杨启兵. 秦沈客运专线箱梁和轨道工程施工新技术[M ].北京:中国铁道出版社, 2003.
