跨运河钢桁梁拖拉系统优化及施工技术研究

邓圣贤

（中铁二十四局集团上海铁建工程有限公司 上海 200070）

1 引言

随着社会经济发展，交通路网建设日趋密集交错，跨河跨线钢梁桥建设十分普遍，这也促使了其施工技术的不断发展。如今拖拉施工作为钢桁梁架设施工的主要方法之一，也在实践中不断地改进优化。结合无锡市京沪铁路无锡北至无锡段改造工程项目部跨锡澄运河80m钢桁梁拖拉施工的应用，重点介绍拖拉施工的关键工艺处理，施工过程中结构安全的验算及应对措施。

2 工程概况

锡澄运河特大桥水中墩钢桁梁位于江苏省无锡市境内，位于既有京沪线右侧与既有京沪线平行，跨越既有锡澄运河，跨锡澄运河桥为 80 m双线简支钢桁结合梁，钢桁梁桥中心设计里程为DK1322+854.905，对应京沪铁路上行线里程为K1322+762。

本桥为1-80 m无竖杆整体节点平行弦三角桁架下承式钢桁结合梁，共8个节段，每个节间长度为10m，桁高11.6 m；结构采用两片主桁，主桁中心距11.8 m，钢桁梁全长82 m，梁端距支座中心1 m。主桁采用栓焊结合的整体节点，在工厂内将杆件和节点板加工完成，运到工地架设时，除桥面板和下弦杆顶板采用熔透焊连接外，其余板件均在节点外采用高强度螺栓连接。

钢桁梁靠近铁路侧外边缘在9#墩离既有京沪铁路线上行线中线距离为17.36 m；在10#墩离既有京沪铁路上行线中线距离为17.19 m。

3 钢桁梁架设方案选取

既有锡澄运河航道通航紧张、繁忙，无法在航道中直接搭设支墩，故本钢桁梁架设采用岸上拼装，因拖拉动力系统安装在岸上，以及本方案不采用后导梁增设动滑轮组，所以架设方案采用钢桁梁前端加导梁悬臂拖拉和顶推的组合方式。

拖拉系统优化：与以往施工方法不同，重物移运器正放与钢支架为一整体，钢梁在上面滑动，两台卷扬机动力系统间隔距离较近、钢梁自身结构以及动力系统不同步等原因，导致在拖拉过程中钢梁出现扭转，难以限位纠偏。本方案根据钢桁梁本身结构，采用重物移运器倒放，在钢桁梁下弦节点增加连接板，将重物移运器和钢桁梁本身采用高强度螺栓连接，而且重物移运器增加四个导向轮进行限位纠偏，减少操作。

钢桁梁桥面板及其余附属设施施工过程中存在物品坠落的可能，影响航道的通航安全；钢桁梁架设过程中需对航道进行临时封航，钢桁梁施工对既有锡澄运河通航影响较大。此方案充分利用了钢桁梁自身结构和拖拉系统设备的优点，拖拉施工速度能够控制在0.6 m/min以上，在保证安全的前提下缩短时间可以最大程度上减少封航带来的影响。

4 钢桁梁拖拉施工设计

4.1 支架与基础施工，如图1、图2所示

图1 钢支架平面图

图2 钢支架立面图

本工程钢支架分为陆地钢支架和水中钢支架，钢管采用Φ609×12mm的螺旋钢管，为增加结构稳定性，需在钢管之间设剪刀撑，剪刀撑规格为[16#槽钢，横梁、纵梁均采用I45c工字钢，横向、纵向都采用平坡。陆地钢支架基础采用12 m深的Φ800 mm钻孔桩，钻孔桩顶面为3 m×1.5 m的系梁，钢支架采用50 t履带吊配合人工进行安装。水中钢支架采用150 t履带吊和DZ60振动锤配合人工进行安装，经计算钢管桩入土深度至少16 m，施工时分段下沉。

4.2 钢桁梁拖拉动力系统

4.2.1 重物移运器布置，如图3所示

图3 重物移运器设计

钢桁梁在拼装钢支架上安装完成，分别在E0、E1、E2、E3、E4、E3’、E2’、E1’、E0’以及导梁 5个节点双侧安装 400 t重物移运器装置，共计28个重物移运器，钢桁梁下弦有预拱度，通过各个节点的重物移运器上的钢垫箱高低来调整，重物移运器倒放在滑道上，上方设置钢垫箱通过高栓与钢桁梁连接为整体，重物移运器四周设置导向轮来进行限位纠偏，随着拖拉依次将动滑轮组安装在钢桁梁E0、E2、E2’、E0’节点横梁位置，动滑轮组与钢桁梁采用高栓连接，在10’#墩顶安装定滑轮组，在地面设置两台80 kN卷扬机和导向轮，安装好完整的拖拉体系。

4.2.2 滑轮组设置，如图4所示

图4 动滑轮组

本次拖拉工程采用滑轮组型号为80 t级6门滑轮组，每套卷扬机动力系统由10根钢丝绳并联，钢桁梁横梁共设置4处安装动滑轮组，动滑轮安装在钢桁梁大节点横梁上，分别设置在E0、E2、E2’、E0’四处节点，用8套10.9级M24高强度螺栓将动滑轮组固定在横梁上，两套拖拉系统间隔8.74 m,对称布置在本钢桁梁最大间隔距离处，更有利于拖拉的同步性。

动滑轮组通过高强螺栓固定在钢桁梁节点横梁上，固定螺栓主要承受剪力，8套10.9级M24高强度螺栓的屈服强度为940 MPa,抗剪强度为310 MPa，总的抗剪力为：

式中，n——M24螺栓数量；

fbv——10.9级M24高强度螺栓的抗剪强度；

Ae——M24螺栓有效截面面积；

ψ——螺栓受力非均匀系数，取0.9。

N=8×310×3.14×20.752^2/4×0.9=754 416 N≈754 kN

固定动滑轮组采用8套10.9级M24螺栓满足要求，两组动滑轮抗剪力为1 508 kN大于最大启动静摩擦力864 kN（见4.2.4拖拉力计算）。

4.2.3 卷扬机施力同步控制

拖拉系统采用两套80 kN卷扬机和动、定滑轮组组成，为使实际拖拉施工中两套动力系统能够统一，采取两套动力系统钢丝绳串联方式，以保证两套动力系统施力的同步性，以确保钢桁梁行走按照预定轴线，大大减少实际拖拉过程中的纠偏工作量。

图5 钢桁梁顶推布置图

实际拖拉施工中，钢桁梁下方两条行走轨迹出现不平衡摩擦、卷扬机回缩钢丝绳不平衡等情况时，钢桁梁可能出现偏转情况，此时采用扣件将8 t转向轮处钢丝绳扣紧，可以将原本为一体的动、定滑轮组拖拉系统转化成两套独立系统，此时通过开、停左右两套动力系统对钢桁梁进行纠偏。

4.2.4 拖拉、顶推装置以及动力计算，如图5所示

（1）卷扬机选配、动力计算

拖拉总重量：最大总拖拉重量约1 200 t，该重量包含82 m长钢桁梁1 050 t，36 m长导梁92 t，28个节点的400 t重物移运器装置共58 t，根据重物移运器厂家提供参数及以往钢梁拖拉经验，滑道与重物移运器之间的静摩擦系数为0.06，滚动摩擦系数约为0.033，在地面砼基础上固定两台8 t卷扬机作为动力。

1）①拖拉力计算（最大启动静摩擦力）

式中：K—安全系数，取1.2；

G—顶推结构重量，1 200 t；

f—摩擦系数，静摩擦系数取0.06，动摩擦系数取0.033；

经计算：F静=1.2×1 200×10×0.06=864 kN

②拖拉力计算（滚动摩擦力）

经计算：F动=1.2×1200×10×0.033=475.2 kN

2）钢丝绳选用规格为6×19+FC纤维芯钢丝绳，直径为φ21.5 mm，长度为460 m，钢丝绳公称抗拉强度为1 770 MPa，钢丝绳最小破断拉力为263 kN，每套拖拉系统由10根钢丝绳并联，受力远小于破断拉力。

3）拖拉速度

选用8t慢速JM电动卷扬机两台，每台卷扬机的容绳量为460 m，平均出绳速度为6 m/min，每台配置动、定6门轮滑轮组穿绕牵引钢丝绳拖拉钢梁，牵引力的估算：

钢丝绳倍率：i=2×5=10

牵引力：2×8 t×10×10=1 600 kN >864 kN

卷扬机出绳速度：6 m/min，滑轮组钢丝绳倍率i=10。因此，选择电动卷扬机牵引速度：6÷10=0.6 m/min。

（2）顶推千斤顶选配

因拖拉动力系统安装在岸上，以及本方案不采用后导梁增设动滑轮组，所以钢桁梁拖拉步骤中，最后一步采用两台千斤顶顶推7.1 m，采用两台500 t千斤顶，最大顶程为1 700 mm。千斤顶的反力架焊接在钢桁梁尾部的纵向滑道上，当千斤顶顶出1 600 mm后，千斤顶油缸回缩，在前端放置1 500 mm顶铁，继续向前顶推，这样循环连续顶推，直到顶推设计位置为止。

4.2.5 导梁设置，如图6所示

图6 导梁结构设计图

导梁采用两片主桁架结构，总长度36 m，分6个节段，采用300×300 mm型钢杆件，横向间距为11.8 m。导梁总重约92 t，在导梁最前端设置接应支撑点，钢桁梁的导梁即将到达9#墩钢支架时，在9#墩钢支架的纵梁端头位置各设置一台200 t重物移运器，在其上面放一台50 t千斤顶，当导梁到达9#墩钢支架时用50t千斤顶将导梁顶起，使200 t重物移运器、50 t千斤顶和导梁跟着钢桁梁一起向前移动，直到导梁的第一个节点上400 t重物移运器装置爬上到9#钢支架的纵梁上去。

4.3 钢桁梁拖拉施工

初始状态：在钢桁梁E2节点横梁位置安装动滑轮组，在10#墩顶安装定滑轮组，定、动滑轮组间距为39.8 m，在地面安装两台8 t卷扬机，安装好完整的拖拉体系。

步骤一：利用两台8t卷扬机将钢桁梁向前拖拉35 m，钢桁梁导梁前端悬挑30 m。拆除E2节点位置的动滑轮组，安装到E3’节点位置横梁，定、动滑轮组间距34.8 m。

步骤二：钢桁梁继续向前拖拉30 m，拆除E3’节点位置的动滑轮组，安装到E0’节点位置横梁，定、动滑轮组间距34.8 m。

步骤三：钢桁梁继续向前拖拉30 m，拆除定、动滑轮组装置。

步骤四：在钢桁梁尾部的纵梁上设置反力架，在每根纵梁上方设置一台500 t千斤顶，千斤顶每次顶升1.5 m，缩回千斤顶活塞后，在前端安放1.5 m顶铁，千斤顶继续顶升，总共顶升7.1 m钢桁梁到达设计位置。

步骤五：钢桁梁拖拉到位后，分别在9#、10#墩上设置两台400 t千斤顶在千斤顶下方设置顶铁，在上方用钢垫块和钢板抄垫，将钢桁梁顶起10 cm，拆除导梁、9#临时钢支架和与10#墩之间的水中钢支架纵梁、横梁以及影响落梁施工的所有附属构件。通过两个桥墩上的4台400 t千斤顶将钢桁梁下落至支座上，9#墩端钢桁梁下落1.326 m，10#，墩端钢桁梁下落1.005 m。

4.4 钢桁梁试验方案

4.4.1 钢桁梁悬臂试验

试验目的： 钢桁梁悬臂最大跨度56m时，钢桁梁导梁的最大挠度值。

试验过程： 2019.1.28下午，天气晴，温度13℃，试验采用10台油压千斤顶，分别布置在E0、E2、E3、E2’、E0’铁路侧和便道侧，E0位置采用320t油顶，E2、E3、E2’ 位置采用500t油顶，E0’位置采用200t油顶，铁路侧和便道侧对称布置，油顶上方抄垫钢板，油顶从无锡北依次往无锡方向顶升2cm左右，循环顶升直至10cm左右，钢桁梁各点顶升高度一致，拆除E0位置千斤顶，此时形成钢桁梁悬臂最大跨度56m。

试验结果：最大悬臂状态 56m时，便道侧导梁前端最大挠度 85mm，铁路侧导梁前端最大挠度80mm，与MIDAS有限元建模计算挠度值75.4mm相近。

4.4.2 钢桁梁整体强度试验：

试验目的： 钢桁梁导梁上9#墩支架滑道时，需要在导梁前端设置千斤顶，顶升导梁使小坦克顺利上9#墩滑道，导梁强度是否满足。

试验过程： 2019.1.28下午，天气晴，温度13℃，试验采用两台50t油压千斤顶，分别布置在导梁最前端三脚架下方，往上顶升8cm左右，持续15分钟。

试验结果：导梁没有异响、油漆无剥落，导梁无明显变化。

4.4.3 钢桁梁与导梁焊接强度试验

试验目的： 钢桁梁拖拉悬臂过孔步骤中，钢桁梁支座支点还没有到达 9#墩支架上时，导梁的第6个支点反力最大，通过有限元建模计算，该支点单边反力值为158.97t，导梁杆件所受的应力值最大，导梁与钢桁梁前端连接处的焊缝强度是否满足进行试验。

试验过程：2019.1.29上午，天气阴，温度8℃，拆除导梁第六个重物移运器，在支撑点位置设置两台500t油压千斤顶，左右分别各设置一台，根据顶升力换算成油压表读数，顶升至200t。

试验结果：持压 15分钟左右，导梁无明显变化、焊接缝无开裂、没有异响，油漆没有剥落等现象，导梁与钢桁梁焊缝强度满足使用要求。

5 结语

钢桁梁桥在跨河跨线建设中应用及其广泛，通常采用拖拉施工的方法，本工程跨越繁忙的锡澄运河，宽度大，又邻近营业线施工，施工风险较大，本工程采用拖拉施工，通过合理布置水中支架及陆地支架、优化拖拉系统并建立有限元模型进行受力计算，通过对不利工况进行试验，确保拖拉施工的安全，通过本工程的实施，钢桁梁拖拉系统设计及施工技术对今后跨河跨线的钢梁施工具有一定的参考价值。