重庆菜园坝长江大桥钢桁梁整体节段施工技术

1重庆菜园坝长江大桥钢桁梁整体节段施工技术李德坤李兴华涂满明魏善平(中铁大桥局集团菜园坝大桥有限公司)摘要：本文介绍了重庆菜园坝长江大桥正交异性桥面板整体节点钢桁梁设计、施工的新理念，并对钢桁梁整体施工关键技术进行了研究，总结了钢桁梁工厂组拼、整体节段运输、吊装、现场、对接拼装等工艺措施及要点。关键词：钢桁梁施工技术1工程概况重庆菜园坝长江大桥为特大公轨两用无推力钢箱系杆拱桥，主桥采用刚构与提篮式钢箱系杆拱、钢桁梁的组合结构。系杆拱主跨420m，桥跨布置为(88+102+420+102+88)m，主桥全长800m。主梁为正交异性桥面板钢桁梁，钢桁梁上弦平面为公路桥面，设六线汽车行车道及双侧人行道，下弦平面的横梁上布置双线城市轻轨，构成双层特大公轨两用桥，其规模为世界同类桥梁之首。桥型设计新颖、美观，见图1。钢桁梁采用桁架和正交异性桥面板组合体系，标准节段长16m，宽39.8m，高11.2m，重230t，节段最大重量为360t(拆分后最大吊装重量280t)。桥面为正交异性板，采用工厂分单元制造，然后预拼为16m的标准节段，整体运输到桥位，通过大型缆索吊机提升，实现整体对接拼装，以便实现快速、优质架梁。其中边侧跨在支架上对接拼装，中跨采用缆索吊机直接拼装，这种技术在国内是首次应用(国内钢桁梁悬臂拼装均是逐根拼装的)。2钢桁梁节段设计特点本桥钢桁梁共51个正交异性桥面板钢桁梁整体节段，一个正交异性桥面板钢桁梁整体节段由以下杆件单元组成：正交异性桥面板块、带桥面的中上弦杆及边上弦杆、桥面横梁、主桁斜腹杆、下弦杆、下横梁、下平纵联、斜撑杆、吊点整体节点、下弦整体节点，见图2。标准的正交异性板由厚16mm的桥面板、纵向“U肋”和横梁组成。“U肋”间距为320mm，横梁间距为4m，车道以外的桥面板由板肋加劲。桥面系的中弦杆既是钢桁梁的上弦杆又是桥面系的纵梁，故为主要的压(拉)弯杆件。桥面系的边弦杆则主要是为桥面系局部承力体系所设。节段内16m桥面系横向分割为5个板块，4根杆件。其中5个板块为：一个中板块，一对侧板块，一对边板块。2正交异性板块间采用熔透焊对接，横梁之间用高强螺栓连接。节段间桥面板连接为熔透焊工地对接，上下弦杆及斜杆采用高强螺栓连接。钢桁梁采用全焊整体节点、节点外拼装形式。3主要施工技术及方法钢桁梁整体节段施工总体施工步骤分为厂内杆件及板单元制造、运输到拼装场进行节段拼装、将节段运送到桥址、用缆索吊机进行起吊，边侧孔钢梁通过在支架上顶推滑移，到达边侧孔位置，进行对接拼装，中跨钢梁直接用缆索吊机吊装就位拼装。3．1钢梁杆件及板单元制造3．1．1一般杆件制造一般杆件包括主桁斜腹杆、临时竖杆、斜撑杆、平联杆件、拼接板等，杆件截面多为箱形和工形。箱形杆件制造工艺流程是：板材预处理→精切下料→矫正→隔板机加工→腹板机加工→组装槽形→焊接隔板→箱形盖板→焊接→修整→数控钻孔→倒棱→表面处理→涂装。在加工过程中控制插入节点杆件的宽度公差，扣盖前修整槽形至合格。工形杆件制造工艺流程是：板材预处理→精切下料→矫正→腹板机加工→胎形组装→焊接→修整→数控钻孔→倒棱→表面处理→涂装。板件制造工艺流程为：板材预处理→精切下料→矫正→数控或样板钻孔→倒棱→表面处理→涂装。3．1．2整体节点弦杆制造整体节点弦杆结构复杂，见图3，杆件制造质量是全桥安装精度的关键。在专门设计的组装胎位上采用正装法组装，组装顺序见图4。3由于结构形式所限，有些孔在杆件组焊后难于钻制，采用先孔法和后孔法相结合的钻孔方案。工艺流程为：切割节点板及竖版→矫正→刨对接坡口→焊接→划线→刨底边坡口→组肋板→焊接→修整→组槽形→焊接→修整→组箱形→焊接→修整→钻孔→组附属件→焊接→划线→卡样→钻孔→机磨头→切磨手孔→切磨弧→锤击→倒棱→表面处理→涂装。关键控制点：节点板精度、接料直度、隔板垂直度、槽型的矫正、合理的焊接方法和焊接顺序、整体节点板内宽尺寸、杆件扭曲变形的控制、钻孔精度。3．1．3桥面板单元件制造板单元的制造质量直接关系到节段的整体精度以及桥面的平面度，更重要的是会影响桥面板纵横焊缝焊接间隙精度，因此在制造中应重点控制焊接变形和准确预留焊接收缩量。在保证制造质量和满足设计要求的前提下，根据工厂制造工艺条件，综合考虑供料、运输及批量生产等因素，尽可能将板单元尺寸做大，以减少种类及焊接工作量。依据设计图纸，将每节段桥面板单元按宽度方向分解成19～21块单元。板单元制造按照“钢板赶平及预处理→精确下料→U形肋压型→组U形肋→反变形焊接→局部修整”的顺序进行，其关键工艺如下：钢板赶平及预处理、数控切割机下料、U形加劲肋压型、板单元胎型组装、板单元焊接采用反变形技术。3．2钢桁梁工厂组拼3．2．1桥面板块制造在整体节段拼装前，先在预拼场现有厂房内进行桥面板整体组装，即将上弦杆、边弦杆、横梁与接宽后的桥面板单元组装在一起，并焊接除解体部位以外的全部焊缝、施拧除解体部位以外的高强度螺栓。解体后分成七部分：2个上弦杆、2个带边弦杆的桥面板边块、2个桥面板端块和1个桥面板中间块，再与桁梁其4他杆件进行整体节段组焊及预拼装。桥面板块制造工艺流程：桥面板单元接宽→上弦杆定位→组中间块横梁→组边弦杆→组边块横梁→组外侧边块横梁→组装桥面板→高强度螺栓施拧→焊接→修整→打号标记→解体。3．2．2钢桁梁节段组拼根据菜园坝长江大桥架设的工期要求，组拼场设计了两条长度为52m的拼装线，配置2台45t龙门吊，铺设龙门吊及运转平车轨道，，每条拼装线每次可拼装3节段，留下后一节段，参与下一轮次组拼，前两个节段出胎进入附属件焊接和补涂装工序。节段组拼实景如图5所示。节段组拼顺序：下弦杆→下横梁→下平纵联→斜杆及临时支撑→上弦杆→桥面板中间块→斜撑杆→桥面板左右边块→桥面板端块，实现立体阶梯形推进方式逐段组装与焊接。组装时，以胎架支墩上的中心线为基准，重点控制桥梁的拱度、直度等几何尺寸精度、栓孔重合率、相邻接口匹配。整体节段出胎采用大型轨道平车转运。预拼装完成后，拆除节段间连接及胎架加强横梁，轨道小车驶入胎架，支撑在节段图示位置，使节段重心在两支点之间，将节段顶起移位，安装临时节点连接件，使下弦杆、斜杆、平联杆连接在一起，保证节段整体刚度和稳定，防止运输过程杆件变形，最后将节段运至存梁区。3．3钢桁梁总体节段运输由于节段超长、超高、超宽、超重，滑移装船是运输的关键环节。整体节段出胎后，用轨道小车运送到斜船架上，通过下河轨道下放，与运输船对接滑道,整体滑移上船。对于节段重量超过280t的非标准节段，采用拆分端板(或边板)、斜撑杆的办法。运输船采用两艘300t钢质甲板驳组成(另一组由两艘370t钢质甲板驳船组成)，甲板驳船型长44m，型宽10.1m，型深2.1m。两艘甲板驳船并联、进行刚性连接，两船总宽20.2m，长44m，总载重量为736t，受载后船舶正浮状态的平均吃水1.055m，类似双体船性能，满足横向稳定性能要求。5为了保证钢桁梁滑移上船时的稳定，采用30m长的斜船架将运输船托起固定，如图6所示。钢梁上船后安装固定设施，斜船架继续滑移下水至船体自然浮起，拖轮顶推到桥位。每次运送一个节段。3．4钢桁梁架设3．4．1钢桁梁架设总体布置根据结构特点及设计思想。全桥施工顺序为：基础、墩身及Y构施工→边侧孔钢桁梁架设→张拉边跨系杆、体系转换→钢箱拱安装→中跨钢桁梁架设。钢桁梁通过水上运输到桥位，吊装采用跨度420m、420t缆索吊机(含吊具，净吊重280t)，缆索吊机塔高152m，分扣塔和缆塔两部分。扣塔高124m，兼作钢箱拱架设用，缆塔高28m，缆塔和扣塔之间采用铰接。缆索吊机塔架设在主墩位置的Y构上，边侧孔钢桁梁只有通过支架滑移就位，总体布置见图7。钢桁梁滑移支架根据地质条件分别采用钻孔桩基础和扩大基础，水中部分支墩分两部分，标高+190m以下为钢管，以减小水流阻力，+190m以上采用万能杆6件。上部采用常备式拆装梁，上下游各设一组，距桥中线距离6m(两组之间中心距离12m)。在拆装梁上面安装分配梁和滑道梁。中跨钢桁梁等钢箱拱合龙后，由缆索吊机直接吊装架设。3．4．2边侧孔钢桁梁架设在Y构施工同时，进行钢桁梁滑移支架和缆索吊机施工。Y构施工完成后(后次横梁先不施工)，安装架设边侧孔钢桁梁。施工顺序为：缆索吊机安装→拼装支架、滑道安装→钢桁梁水上运输、定位→钢桁梁起吊→前移→对接→起吊下一节钢桁梁→前移→与上一节对接→重复上述步骤，完成边、侧孔节段前移、对接→安装斜撑杆、侧板→安装边孔系杆，张拉系杆，落钢桁梁，实现体系转换。主要施工方法及技术措施：(1)钢桁梁吊装每段钢桁梁设4个吊耳。由于钢桁梁结构尺寸大，每段钢梁重心位置不一样，如何保证钢桁梁吊起时平稳，并使4个吊点均匀受力，是吊装的关键。首先计算每个节段的重量和重心位置，设计纵向调节扁担，使钢梁重心在起吊中心。在纵向调节扁担上设置横向扁担(横向扁担兼作钢箱拱吊装扁担)，将重量分配到缆索吊机的4个吊点上。由于缆索吊机4个天车各由两台卷扬机单独牵引，为了解决4个天车同步提升和均匀受力问题，在横向扁担上设置调节分配梁A、B，通过吊带和调节导链相连。(2)钢桁梁滑移钢桁梁起吊提升后，放在Y构前端的顶推支架滑道上。滑道上安放4个支点(上滑道)，落钩时要做到纵横向轴线初步对位，落到位之后的钢桁梁和上滑道用夹箍临时固定在一起，待检查确认无误后方可松钩。然后用缆索吊机起吊该节段所对应的轻轨轨道梁，放于钢桁梁桁内下平联之上，随该节段一起纵移至节段设计位置(即节段拼装位置)。该项工作之后开始进行钢桁梁的纵移。钢桁梁上下滑道之间采用不锈钢板，左右设有限位装置，在下滑道上设置反力座，用连续千斤顶牵引纵移，每次拖拉二个节段。滑道布置见图8,钢桁梁在纵移过程中应均匀、慢速、保持上下游同步，出现偏差时及时修正。(3)钢桁梁节段拼装钢桁梁滑移到设计位置时，利用调节装置调整对位，见图9。平面位置的纵横向精确调整通过下滑道上的反力装置和千斤顶完成，竖平面的标高调整通过桁梁下的千斤顶完成。调节顺序为：先平面位7置，再标高，最后纵向靠近对接。由于整体节段对接时有8个点需同时插入对接，每个点都应有人进行观测和调整操作，并听从统一指挥，防止擦挂摩擦面。弦杆之间是对接，斜腹杆插入整体节点连接。由于边、侧跨端块及斜撑杆部分被拆分，此部分待两节段上下弦杆及平联对接完成后，利用桥上简易起吊设备补装。整体节点杆件拼装的顺序，原则上是先合龙上、下游主桁的杆件，使之尽快形成稳定的受力结构，然后再将边上弦杆及下平联对接。首先，将前一节段的下弦杆、斜腹杆与所拼节段的下弦整体节点相连，再连接中、上弦杆。为快速闭合杆系的三角形，连接处在对孔后立即打入少数定位冲钉，转入下一连接处，然后在各连接处补齐50％冲钉，再安装高强度螺栓。高强度螺栓完成后，进行桥面正交异性板的面板及U肋、板肋对接施焊.(4)体系转换待中跨第1个节段(N16节段)安装好且所有高强度螺栓均已终拧，桥面板焊接后，即可开始体系转换工作。体系转换即是将已安装钢桁梁部分的承力支点从临时支架上转换到边墩(P16，P19)及交界墩(P15、P20)顶的支座上和拱梁连接处托梁的支点上。3．4．3中跨钢桁梁架设中跨钢桁梁全部采用整体节段拼装。节段重量255t，直接采用缆索吊机调节对位。高强度螺栓施拧完成后，缆索吊机松钩，并挂上吊索，张拉至监控要求吨位和标高，吊装钢梁轨道梁，进行下一节段架设。节段安装左右岸对称进行，为减少由于钢桁梁重量引起的拱的推力，中跨安装第六节段(A22)及吊杆后，张8拉临时系杆，再架设剩余节段至合龙。钢桁梁中跨合龙是施工的重要环节。主要方法和技术措施如下：(1)按中跨钢桁梁架设步骤对称吊装至A24节段钢梁及轨道梁(A26为合龙段)。(2)吊装北岸A25节段钢梁及轨道梁，将南岸A25节段轨道梁，临时放置在南岸A24节段下横梁上。(3)将合龙段A26节段的桥面板中板、侧板、下横梁、斜撑杆及下弦节点放置在北岸A25桥面上。(4)吊装南岸A25节段钢桁梁，将斜撑杆、下横梁及下弦节点转移至南岸A25节段钢桁梁桥面板上。两端压重量应调整到大体相同，使合龙