郑州黄河公铁两用桥主桥第一联钢梁架设技术(2003版)

郑州黄河公铁两用桥主桥第一联钢梁架设技术研究
宋杰杨梦纯
（中铁大桥局集团有限公司湖北武汉430050）摘要：郑州黄河公铁两用桥是目前世界上修建最长的公铁两用桥梁，是世界上设计标准最高的桥梁。

其主桥第一联为（120+5×168+120）米六塔单索面钢桁结合梁斜拉桥。

采用无断面联接系无上平联的三主桁斜边桁空间桁架形式，结构新颖，施工难度大。

经过对架设方案的分析、研究和比较后，最终确定第一联钢桁梁采用多点同步顶推方法施工。

其顶推长度、顶推重量、顶推跨度等在世界钢桁梁顶推中均列第一，科技含量高。

该方案减少了高空作业和水上作业，有利于保证钢梁架设的安全、质量和施工进度，同时取消了常规方案中在黄河主河槽内设置的大型临时墩，既保证了施工期内黄河渡汛，又减少了后期河道的清理工作，经济效益和社会效益显著。

关键字：钢桁梁；三桁；斜边桁；多点同步顶推
一、工程概况
郑州黄河公铁两用大桥为京广铁路客运专线及河南省规划的中原黄河公路大桥跨越黄河的共用桥梁，桥位距下游京珠高速公路黄河大桥约6km。

北起河南省新乡市境内原阳县原武镇阎庄，接现国道G107线，向南经原阳县原武镇，跨越黄河，与新建的G107辅道相接。

桥址处黄河两岸堤距约10.5km，公铁合建段全部在南北两岸黄河大堤内，合建段全长9176.548m。

该桥主桥分两联布置，总长1684m。

第一联采用121.05+5×168+121.05米六塔单索面钢桁结合梁斜拉桥，联1082.1m。

第二联采用120.95+3×120+120.95米连续钢桁结合梁，联长601.9m。

主桥立面布置详见图1
图1 主桥立面布置图（单位：m）
主桥上层公路桥面宽32.5米，设双向六车道，下层为双线客运专线，线间距7米。

主桁采用无竖杆的三角形桁式，桁高14m，节间距12m。

横向布置为三片桁，中桁垂直，边桁倾斜，倾斜角度14.036°，下弦桁间距8.5m，桁宽17m，上弦桁间距12m，桁宽24m，主桁钢材采用Q370qE，断面形式详见(图2)。

图2 钢桁梁横断面图布置（单位：m）上层公路桥面为混凝土板。

铁路桥面为正交异性整体钢桥面板，道碴槽板与整体桥面采用剪力钉联结。

第一联钢塔布置于中主桁，钢塔采用钢箱结构，塔梁固结形式。

主塔立面布置为“人”字形，塔高37米。

每个主塔布置有5对斜拉索。

斜拉索采用Φ7mm平行钢丝索。

二、工程重点、难点问题
按照设计要求，第一联钢桁结合梁斜拉桥施工时，先架设钢桁梁，然后进行公路桥面板架设并进行钢混结合施工，最后进行斜拉索挂设。

按照原设计，钢桁梁架设时，由北到南从主桥0＃墩往7＃墩进行悬臂拼装。

悬臂拼装属特殊构件高空作业，由于黄河滩地风力较大，在钢桁梁上采用移动式架设吊机悬臂拼装，安全条件较差，且对点困难，尤其三主桁、斜边桁，起吊对点更加困难；本桥钢梁跨度大，悬臂长度长，且需在钢梁上设置移动式钢梁架设吊机，则必须在水中河道中间设置强大的临时墩，临时墩在使用完毕后必须全部清除，费用较高。

从现场实际施工情况分析，由于施工图设计、钢材原材料采购、钢梁制造等环节导致钢梁架设的开始时间滞后，采用原设计方案进行钢梁架设，将导致总工期无法保证。

为克服施工中存在的困难，必须对原设计架梁方案进行优化。

三、方案比选
在进行方案比选时，我们遵循将高空作用优化为平台作业，水上作业优化为陆地作业，野外作业优化为工厂化作业等原则。

根据该桥具体实际情况，对架梁吊机悬臂架设法、多点同步顶推架设法、吊索塔架辅助半悬臂法拼装、双栈桥跨线龙门式吊机悬臂架设法四种方案进行了研究分析。

考虑到设置吊索塔架技术难度大、高空作业多，且在钢桁梁顶产生较大集中荷载，而双栈桥跨线龙门吊机悬臂架设时，需在桥梁上下游跨黄河主河槽设置通长栈桥，投入大，对防洪影响较大，黄河水利委员会批准的难度大，故没有做深入比选。

我们对临时墩辅助悬臂法拼装施工和多点同步顶推架设两种方案进行了详细的比较。

1、临时墩辅助悬臂法拼装施工方案
临时墩辅助悬臂法拼装施工方案采用单栈桥+全回转架梁吊机+临时墩辅助进行半悬臂架设。

从0#墩向7#墩方向拼装。

施工时首先安装0#～1#孔膺架和各孔临时墩，拼装0#～1#孔前3个节间，然后利用已拼好的提升站在已拼钢梁上拼装架梁吊机，钢梁杆件通过栈桥由运梁车运输到位，然后由全回转架梁吊机悬臂架设钢梁直至7#墩。

钢梁架设完成后，使用架板吊机将混凝土桥面板从一端向另一端依次架设，然后进行混凝土桥面板与钢桁梁结合，再由桥面上的龙门吊机安装钢塔，进行斜拉索安装并进行桥面系施工。

架设方案如图3。

图3
本方案特点
单侧设施工栈桥，栈桥设计通行重量较大，需按照80T通行能力进行设计，并且栈桥使用频率高。

缺点是：在水上钢桁梁三桁的高差调整困难，斜边桁安装、对点困难；架梁吊机为专用设备，需要新制；
由于悬臂拼装速度较慢，根据现场实际情况，钢梁从一端往另一端拼装时工期比较长，不能满足合同工期要求。

如必须采用此方案施工，可以采用两台架梁吊机，分别从0＃、7＃墩在支架上架设后采用悬拼，在3＃－4＃墩跨中合拢。

见图4
图4
经过认真研究比选，对其优缺点进行比较，临时墩辅助悬臂法拼装施工方案存在以下优缺点：
主要优点：
（1）为原设计推荐拼装方案，钢桁梁的各种受力工况与设计技术相符。

（2）该拼装方案为成熟钢梁拼装方案，在加强各种管理措施后，能够满足安全、质量要求。

主要缺点：
第一联钢梁跨越主河槽，钢梁悬臂架设需要每孔设置水中临时墩，由于临时墩受力达4000KN，结构庞大，将对黄河防洪渡汛造成不利影响，并且后期清除困难，费用很高；
钢梁悬臂架设时上弦未与混凝土桥面板结合，而在钢梁上弦顶移动的架梁吊机自重较重，增加了悬臂的重量，对钢梁整体稳定不利；
钢梁悬臂架设全部是高空作业且位于水上，安全、质量管理较为困难；钢梁边桁为空间斜桁面，水上悬臂拼装时安装、对点难度较大；
铁路桥面为正交异性板，对焊接环境要求较高，郑州地区气候条件对焊接影响较大，高空悬臂架设时焊接防护较难，焊接质量不易保证；
钢梁第一联长度1080米，若全联从一端开始架设，工期难以保证；若从两端向中间架设，则增加了中间合龙的技术难度，并且增加一套钢梁架设设备和架设人员，钢梁架设需投入的资金较大；
若从两端架设只设置一个预拼场则运输距离较远，吨位较大，对栈桥要求较高；若两岸都设置预拼场则增加征地及费用。

2、多点同步顶推架设架设方案
该方案为，在岸滩上7～8#墩之间设置钢桁梁拼装施工平台支架，利用跨线龙门吊机完成前导梁拼装，将前导梁顶推前移，在空出的散拼支架上利用跨线门吊将钢梁杆件拼装成整体节段，然后整体顶推钢梁及前导梁往0#墩方向前移，在空出的拼装支架上再拼装钢桁梁节段，再整体顶推。

顶推过程中，每次往前顶推一个节间后，用竖向千斤顶将钢梁起顶，将前一个节点下的滑块移至后一个节点下，竖向千斤顶落顶后，往前顶推钢桁梁。

如此循环，完成第一联钢梁的架设。

顶推前在7#至1#墩均设置墩旁支架、墩顶滑道梁和连续水平千斤顶系统，采用先进的多点同步顶推系统，通过电脑控制顶推速度和同步性。

钢梁顶推到位后，进行体系转换，钢桁梁正式支座受力。

最后进行公路桥面板及钢塔架设、桥面板与钢桁梁结合、斜拉索安装并进行附属工程施工。

详见多点同步顶推架设架设整体方案图图5
图5
该方案具有如下优点：
（1）避免水上作业，可以取消主河槽中的庞大的临时墩，对防洪渡汛有利，避免了后期河道的清理，降低环境污染。

见图6
图6
（2）杆件安装及桥面板焊接可采用工厂化作业，可以更好的保证质量；
（3）利用岸上龙门吊机灵活进行水平、垂直、纵向等三维调整，可以有利于斜腹杆的安装、对点，并加快拼装速度。

（4）由于在岸滩支架上进行工厂化拼装，能够对钢梁拼装、高强螺栓施拧、铁路桥面板焊接等工序进行平行流水作业，能够加快进度，确保工期。

见图7
图7正在进行流水化作业的钢桁梁
（5）可以减少高空作业、水上作业，对安全生产非常有利。

（6）在南岸进行拼装，减少拼装场地。

该方案存在如下缺点：
（1）对于大跨度钢桁梁顶推，本工程顶推长度达1082m，顶推重量达3万吨，顶推跨度达168m，在世界钢桁梁顶推中均列第一，科技含量高，需进行艰苦的科研攻关才能实现。

（2）该方案实施时，其顶推过程中的受力状况与结构使用时结构受力状况存在不一致之处，需对钢桁梁结构进行进一步检算，局部还需进行加强。

通过分析，该方案对钢桁梁拼装的安全、质量、工期、环保、科技进步等均能带来明显的好处，而对于存在的缺点均可以通过努力解决。

所以经过专家评审，业主及铁道部审批同意，最终确定实施该方案。

四、关键技术问题研究
我们根据该桥施工的实际情况，对第一联钢桁梁架设方案由原设计的悬臂架设方案优化成多点同步顶推方案进行施工，由于第一联钢桁梁多点同步顶推的长度长、重量大，我们组织了结构设计、施工设计、机械研发、电气研发、软件开发等各方面科研人员进行科技攻关，攻克了多项技术难题。

（1）对三主桁、斜边桁起吊、对点方式，架梁吊机的选用进行认真研究，确保钢桁梁拼装能够安全、优质、快速进行。

（2）钢桁梁多点同步顶推时，钢桁梁重量大，顶推距离远，而钢桁梁的特点只能节点受力，对滑道及滑块系统的强度、刚度、平整度、材质等要求非常高，一旦选择不慎，将严重影响顶推施工；
（3）钢桁梁顶推过程与悬臂拼装过程中钢梁杆件受力工况不一致，需要对钢梁杆件进行全面的检算，确保钢桁梁的整体稳定与局部应力满足验标要求。

由于节点处集中应力大，需要对节点局部进行加固。

（4）顶推的钢桁梁重量大，顶推距离远，在钢桁梁节点处滑块前后倒用过程中，要求竖向重型千斤顶的数量较多，要求的起顶条件也非常高，大量千斤顶使用过程中的同步性及其使用与维护要求高；
（5）水平连续千斤顶采用钢绞线加夹片锚锚固进行牵引，在前移过程中，水平牵引力不均匀且不断变化，加上钢绞线与夹片之间的锚固差异，钢绞线、夹片本身锈蚀、破损、维护等各种原因，导致在长距离顶推过程中，每个墩顶的千斤顶提供的牵引力容易出现不正常而导致各墩千斤顶伸缩不同步。

（6）由于水平多点同步顶推的点多，电液一体化的数据传递量大，数据线较多，技术先进，自动控制系统、连续千斤顶、液压泵站的许多零部件均为精密部件，一些零部件还需要从国外进口，对于在野外现场施工，其保养、维护难度较大。

解决不好，直接影响钢桁梁顶推的效果。

五、结论
经过我们不断的探索、研究，对总体方案设计、液压泵站、自动化控制、大吨位连续千斤顶、设备总成、总体方案实施等分工负责，最终实现了具有自主知识产权的电液一体化的多点同步顶推钢梁架设技术。

该桥第一联钢桁梁已于2009年11月7日拼装完毕并顺利顶推到位。

通过该方案实施，保证了施工质量，也确保工期，达到了预期效果。

该方案无论在钢桁梁顶推重量、顶推距离、顶推跨度均为世界领先，可以为以后钢桁梁架设提供借鉴。