曹虹 孙九春 薛武强

腾达建设集团股份有限公司

摘 要：在大跨度连续梁的预制拼装中，通常采用桥面吊或大跨度架桥机进行悬臂拼装，前者要求桥下有足够的空间，后者要求架桥机3个支腿均支撑于桥墩墩顶。上海市轨道交通10号线上跨6号线的节点桥为40 m+75 m+40 m的预应力混凝土连续梁桥，采用U形+箱形结构断面。受周边条件限制，原有的悬臂拼装工艺可能无法实施，为此创造性地提出了大跨度连续梁的单T构悬臂拼装工艺及其技术，成功实现了精确合龙，做到了快速、准确、安全施工，可为其他类似桥梁提供参考。

关键词：连续梁桥;U形梁;非对称加载;悬臂拼装;施工技术;

1 工程概况

上海轨道交通10号线二期工程是目前运营的10号线东延伸段，线路在上跨轨道交通6号线出入场高架时，受10号线轨顶标高与6号线接触网高度限制，跨线节点桥设计为40 m+75 m+40 m三跨变截面连续梁，采用U形+箱形结构断面、预制节段悬臂拼装工艺施工。全桥共计38个预制梁段、2个现浇段、2个边跨合龙湿接缝、1个中跨合龙湿接缝，如图1所示。该节点桥设有平曲线与竖曲线，桥面最大纵坡为2.8%,与6号线在平面上小角度叠交。接触网电线从U形梁下穿过，距U形梁底面的最短高差为0.6 m。除此以外，施工范围内还有浅覆土污水箱涵、航油管、上水管等众多重要管线相互交错，如图2所示。

图1 全桥梁段示意

图2 施工场地平面示意

受现场环境限制，仅边跨侧具备起吊条件，跨中侧无法垂直起吊预制梁段。同时，可作业范围内管线众多，包括合流污水管、航油管等，大型设备作业停放位置受限。施工作业需要在运营的地铁6号线上方进行，下部空间有限，同时也必须保证施工安全与保护环境，因此转体施工、悬臂浇筑、顶推施工等方法都无法采用，只有悬臂拼装法较为适合[1,2,3,4,5]。传统的悬臂拼装法要求桥面吊机对称布置作业，但受桥下场地限制无法实施[6];同时，主跨两个主墩中的一个受管线搬迁影响暂时无法施工，传统的支撑于墩顶的架桥机缺少一个支撑点，且大型架桥机规模较大，受周边环境影响，架桥机的安装难度大、风险高，因此该方法也不具备实施条件。

为此，依托此节点桥，从悬拼设备、施工工艺、过孔技术、计算模型及控制技术等多方面对传统悬臂拼装技术进行了创新与改进，创新性地提出了低影响模式下大跨度U形梁单T构悬臂拼装工艺，并以实际工程应用验证了该工艺的可行性。

2 悬臂拼装设备创新

悬臂拼装设备主要包括架桥机、可调移动式防护平台、自动跟随式张拉吊篮、轴力自动伺服系统。

由于该节点桥采用低影响模式下大跨度U形梁单T构悬臂拼装工艺，传统的悬臂拼装设备均不能满足要求，因此研制了适用于此工艺的新型架桥机。架桥机由主桁梁、天车、支腿、动力与控制系统等组成，如图3所示，具有自行移动、三维姿态调整、实时状态监控等功能，可在不影响6号线运营的情况下，完成节段梁架设。

图3 架桥机示意

受桥面坡度和平曲线影响，要求架桥机的3个承载支腿能三向调节。为此，在架桥机支腿上设置了调节高度的液压千斤顶，在支腿底部设置水平千斤顶，实现支腿的左右移动。为了满足架桥机过孔和1号支腿移动时临时支承主桁架的需要，设置了辅助支腿，如图4所示，由底座、固定桁架、高度调节装置、斜撑杆等组成。为适应复杂工况需要，辅助支腿各构件可拆卸，可调节高度，可整体移动，可局部拆解后过梁，可分解成3部分通过支腿间的狭窄空间重新拼装成整体。

图4 辅助支腿结构示意

注：a-横梁***;b-横梁B;c-活动横梁；d-主桁梁；e-斜撑

可调移动式防护平台，由型钢骨架、防抛网、行走滚轮、外部绝缘板等组成，如图5所示，具有防坠、防电、防火、防水功能，能够实现前后位置移动、上下空间调整，满足小净距空间的施工需要，保障地铁运营安全。

图5 可调移动式防护平台示意

自动跟随式张拉吊篮悬挂于架桥机主桁梁下方，如图6所示，可自动行走、上下左右伸缩，满足防护平台的空间需要与抗风要求。轴力自动控制系统设置在跨中侧的0号块下方，如图7所示，既能提供恒定轴力，又能根据需要实时调整轴力，实现结构力学状态的主动控制。

3 低影响模式下大跨度U形梁单T构悬臂拼装工艺

为了尽量减少节段拼装施工对既有6号线的影响和降低管线搬迁滞后对轨道交通施工进度的影响，创造性提出了低影响模式下大跨度U形梁单T构悬臂拼装工艺：架桥机的2号支腿与3号支腿支撑于桥墩上，1号支腿支撑于已拼好的桥面结构上，形成3个支点来支承架桥机，节段梁从边跨起吊，天车运至中跨上方悬臂安装，流程如图8所示。每拼装2个梁段，架桥机1号支腿和主桁架向前移动1次，2号支腿和3号支腿保持不动，流程如图9所示。这样，仅利用单个T构和边墩即可完成半幅桥的施工。其优点在于：

图6 自动跟随式张拉吊篮示意

图7 轴力自动伺服系统示意

图8 梁块悬臂拼装示意

图9 架桥机前进示意

(1)2号支腿与3号支腿固定于中墩与边墩墩顶，安全性高；

(2)不影响中跨下方空间的正常使用，可确保轨道交通6号线正常营运，影响性小；

(3)可满足不同跨径的拼装需求，适应性强；

(4)只利用单侧T构，灵活性高；

(5)设备规模小，经济性好。

东侧T构施工完成后，架桥机利用已建成的T构作为支点过孔，进行西侧T构的施工，最终完成中跨与边跨的合龙。

4 大悬臂T构梁上的悬拼设备过孔技术

受周边环境限制，架桥机不具备拆解后再安装的条件，必须采用高空过孔方式。

传统架桥机均是在架设好的桥梁上过孔，成桥结构一般均能满足架桥机过孔要求。但对于施工中的T构，其承载安全性远低于同等跨度的成桥结构。 架桥机要实现大跨度T构悬臂梁上过孔，取决于T构的承载能力能否满足架桥机的荷载要求[7]。该工程T构悬臂端部设计最大承载220 t, 但架桥机采用步履式工艺过孔时，T构悬臂端需要承载360 t(架桥机主桁梁与辅助支腿还未接触时),超载严重，如图10所示。

图10 步履式工艺过孔示意

由于架桥机在悬臂端过孔国内外均无先例可循，作业风险非常大，因此通过周密的分析计算，制订了“支腿按需挪换接力、天车科学配重、桁架逐步前移”的过孔原则，从两方面来解决这一问题：一是通过拆解局部构件、改变支腿高度、桁架提前支撑和支腿悬挂等来降低T构悬臂端荷载；二是通过轴力自动控制系统、主梁顶板施加通长临时预应力、部分节段间施加临时预应力、边跨段设置随动配重等来提高T构的承载能力。

5 基于桥机耦合模型的力学计算与控制技术

在传统的架梁中，架桥机支腿支撑于桥墩位置，上部梁体一般作为传力结构[8]。但在本工艺中，架桥机1号支腿支撑于桥梁中跨悬臂端，U形梁直接承担架桥机支腿荷载；同时，U形梁受力变形后支腿变位又会引起架桥机的附加内力，单独建立U形梁或架桥机模型，均无法得到与实际相符的受力形态。因此，建立了包含架桥机及U形梁的桥—机耦合模型，如图11、图12所示，以保证分析模型最大限度符合实际施工情况。

图11 架梁期间的桥—机耦合模型

图12 过孔期间的桥—机耦合模型

6 偏载作用下T构力学状态的主被动控制技术

架桥机1号支腿作用于桥梁中跨悬臂端，使T构呈偏载受力状态。在节段架设、架桥机支腿移动、悬臂拼装设备过孔期间，由于前支点反力值呈现出大范围变动，会引起T构力学状态的大幅波动，因此导致体系可能出现倾覆或者桥面拉应力超标，如图13所示。为了解决这一问题，本工艺通过主动控制技术和被动控制技术来保证施工过程中结构体系的安全。

在主动控制方面，设置主动干涉装置，通过“分阶段分批次张拉T构两侧抗拉束、运用轴力伺服系统精准施加竖向支撑反力、按需降低1号支腿反力、临时预应力加固梁体”等手段，主动施加消减措施，如图14所示。

图13 T构力学状态示意

在被动控制方面，设置被动受力装置，依靠“抗压柱、随动压重”等被动受力装置，确保结构体系的安全。通过设置刚度强大的抗压柱，确保即使主动控制措施失效时结构仍然是安全的；通过在T构边跨侧设置配重系统，跟随1号支腿的反力大小来自动平衡部分倾覆力矩，如图14所示。

图14 主动控制措施示意

7 大跨度U形梁合龙与体系转换的精准控制技术

在对称悬臂拼装的体系中，结构的力学状态是基本确定的，外荷载引起的力学状态波动很小，线形控制主要是解决施工误差问题，一般采用拼缝中加垫片的方法来微调线形[9]。但在非对称受力体系中，T构的力学状态变化较大，很难提前确定出线形规律来施加垫片。为此，本工艺提出基于应力与位移的U形梁体系转换控制方法，以实现合龙与体系转换的精准控制。

7.1大跨度U形梁施工期与运营期力学状态的特点

U形梁的特点是截面形心比较低，预应力的作用点比较高[10]。施工时在预应力作用下，其上缘压应力大，下缘压应力小(如图15所示的倒梯形);但在成桥后的运营阶段列车荷载作用下，U梁上缘受压、下缘受拉，二者直接叠加后无法满足全截面受压的控制要求，且跨度越大，这种差异也越大。为此要求成桥后的U梁结构下翼缘具有较大的压应力储备，如图15所示的正梯形。

7.2基于应力与位移的U形梁体系转换控制方法

为实现桥梁施工阶段与运营阶段的力学状态相一致，普遍采用压重合龙方法，合龙配重往往是直接卸载，相当于在梁底施加了向上的反力，容易导致顶部拉应力超标。为此，通过桥面压重与二期恒载(轨道、承轨台、铺装层等)的逐步等效替代，来实现施工状态到成桥状态的体系转换要求。

图15 U形梁力学状态示意

施工期间，先进行边跨合龙，再对全桥进行压重，最后实施中跨合龙，如图16所示。在中跨合龙后，先卸载边跨压重和施工中跨压重范围外的二期恒载，再卸载部分压重并外移腾挪出剩余的二期恒载作业面，待施工完全部二期恒载后卸载中跨剩余压重，完成全桥的体系转换。通过压重与二期恒载的等效替代，来实现力学状态的转换，既满足了U梁的应力控制要求，又满足了已铺轨道的标高控制要求。

图16 合龙施工步骤示意

8 超复杂工况下跨既有运营地铁线路的安全保障技术

除通过可调移动式防护平台和自动跟随式张拉吊篮等设备保证施工安全外，本项目还应用了架桥机安全监控系统、全球眼安全监控系统，开发了结构力学状态监控系统。

架桥机安全监控系统由工控机组态软件、可编程控制器PLC、起重量限制器、风速仪和编码器等组成，可实现对起重量、起升高度、运行行程等参数的全方位监测，超载、撞击等多种不同危险的预警以及作业的信息化管理，能够有效提升架桥机的安全水平和作业效率。结构力学状态监控系统，如图17所示，在节段拼装施工中实时监测架桥机桁架杆件的应力变化和挠度变化等参数，确保结构安全。全球眼安全监控系统可通过互联网，对现场施工情况进行全天实时监控。

图17 结构力学状态监控系统原理

此外，为确保作业人员能够充分理解与掌握各个作业工况，编制了《悬臂拼装作业手册》,针对悬臂拼装、架桥机过孔中每个作业步骤进行详细说明，在每个步骤中设置作业人、检查人、监督人各一名，以保障施工安全；还对架桥机的操作、维修保养等事项做了详细说明。施工期间，所有参建人员均要对照手册中的工作内容，各司其职，确保实施过程与理论计算的一致性。

9 结语

上海市轨道交通10号线上跨6号线的节点桥是世界上目前跨度最大的轨道交通U形混凝土连续梁桥，由于施工环境受限，传统的悬臂拼装法不能应用。因此，从施工工艺、悬拼设备、过孔技术、计算分析及控制技术、合龙与体系转换、安全防护等多方面进行了创新研究与改进，并成功实现了建设目标，合龙偏差控制在3 mm以内，施工期间未对运营中的6号线产生任何影响。本工程的实施经验可为其他桥梁应用提供借鉴。

参考文献

[1] 雷俊卿.桥梁悬臂施工与设计[M] .北京：人民交通出版社，2000.

[2] 刘磊.跨既有铁路线连续箱梁桥转体施工技术研究[D].济南：山东大学，2017.

[3] 龚修平.T形刚构桥转体施工控制关键因素分析[D].成都：西南交通大学，2015.

[4] 赵人达，张双洋.桥梁顶推法施工研究现状及发展趋势[J].中国公路学报，2016,29(2):32-43.

[5] 胡大琳，陈定市，赵小由，等.大跨径钢筋混凝土拱桥悬臂浇筑施工控制[J].交通运输工程学报，2016,16(1):25-36.

[6] 蔺晓东，刘本正.桥梁节段预制拼装应用与研究[J].技术与市场，2018,25(5):106-107.

[7] 陈礼忠，陈钰晶，章志.节段预制、悬臂拼装工艺在工程中的综合运用[J].世界桥梁，2009,(S1):59-63.

[8] 张耀辉，陈士通.大型架桥机设备在高铁施工中的应用[J].筑路机械与施工机械化，2011,28(4):23-29+49.

[9] 潘志群.轨道交通中的“双U+箱形”变截面梁节段拼装线形控制技术[J].建筑施工，2016,38(6):782-784.

[10] 谢炯.上海轨道交通高架桥U形梁的技术特点[J].城市轨道交通研究，2012,15(3):53-57.

............试读结束............

查阅全文加微信：3231169

如来写作网：gw.rulaixiezuo.com（可搜索其他更多资料）