郑州黄河特大桥40 m铁路简支箱梁预制架设关键技术

王 勇 刘 泽 林国辉

(中铁二局集团有限公司， 成都 610031)

目前，基础建设行业劳动力逐渐呈现老龄化趋势，同时由于其工作环境差，工作强度高，且伴随着较高的风险，导致了基础建设行业劳动力流失。因此，劳动密集型的高速铁路施工须积极发展自动化和智能化，推动机械化换人和自动化减人。

高速铁路桥梁简支梁具有工厂化预制、机械化运输与架设的良好条件。国内外高速铁路桥梁设计采用简支梁结构居多，其中普遍使用的24 m、32 m预应力混凝土简支梁具有受力明确、构造简单、耐久性好、施工便捷等优点。当简支梁桥跨度大于32 m时，主要采用原位浇筑连续梁、连续钢构桥的形式，与预制架设相比，造价较高，且质量难以控制。因此，开展40 m跨度预应力混凝土简支梁设计与应用的研究是一项大胆的探索与创新。中国铁道科学研究院联合相关单位研发了高速铁路跨度40 m 后张法预应力混凝土简支箱梁，并于2016年在中铁房山桥梁场试制成功[1-2]，但工程化应用还面临诸多具体问题。

在郑济铁路郑州黄河特大桥北岸引桥工程中，贯彻绿色发展理念，提升了箱梁预制自动化与信息化水平，创新采用简支箱梁正位提梁上桥及架设方法，推进了40 m铁路简支箱梁标准化生产与工程化应用。

1 工程概况

新建郑州至济南铁路连接山东、河南两省省会，线路呈西南走向。郑州至濮阳段东起濮阳市濮阳东站，终至郑州东站。线路正线全长197.279 km，桥梁共7座，长178.342 km，桥梁比为90.4%。郑州黄河特大桥北岸引桥为公铁两用桥梁，最大坡度为9.5‰，北岸引桥186～371号墩线路长度 7 804 m，预制架设箱梁采用40 m简支箱梁。

铁路40 m简支箱梁可应用于350 km/h高速铁路和160 km/h市域铁路，两者的外形结构相似，参数略有不同。350 km/h无砟轨道采用的40 m简支箱梁，单片梁长40.6 m，计算跨度39.3 m，梁高3.235 m，顶板宽度12.6 m，底板宽5.4 m，跨中截面顶板厚 285 mm，底板厚280 mm，腹板厚360 mm，支点截面顶板变厚至685 mm，底板变厚至700 mm，腹板变厚至 950 mm。腹板预应力束为22孔预应力束单排布置，单片简支箱梁混凝土为370 m3，单片预制箱梁重 925 t。其横断面布置如图1所示。

图1 铁路40 m简支箱梁横断面图布置示意图(cm)

2 铁路40 m简支箱梁特点

合宁铁路客运专线32 m简支箱梁试验成功后，在我国铁路桥梁建设中得到推广应用。对比分析 350 km/h无砟轨道采用的32 m和40 m简支箱梁，得到40 m简支箱梁的特征，针对性地开展技术攻关与创新，解决40 m箱梁预制、运输及架设的技术难题。

2.1 结构尺寸比较

与常规32 m、900 t级预制箱梁相比，40 m、1 000 t级预制箱梁具有跨度大、重量重、高度高、宽度宽等特点。铁路32 m和40 m简支箱梁结构尺寸对比如表1所示。

表1 铁路32 m和40 m简支箱梁结构尺寸对比表

铁路40 m简支箱梁跨中横断面如图2所示。通过计算可知，40 m预制简支箱梁重925 t，而32 m箱梁只有790.25 t。由于相关规范要求须在6 h以内完成预制箱梁混凝土的浇注，在单孔40 m预制简支箱梁混凝土增加17%的情况下，就必须创新浇注工艺，提高工效。同时，40 m预制箱梁自重近 1 000 t，传统的32 m预制箱梁搬运设备无法满足要求，须研制 1 000 t级的箱梁运架设备，才能满足40 m预制箱梁的运架。

图2 铁路40 m简支箱梁跨中横断面图(mm)

2.2 结构设计对比

与常规32 m、900 t级预制箱梁相比，40 m预制箱梁腹板采用22孔的锚具，腹板比32 m预制简支箱梁薄；同时，跨中抗裂安全系数仅为1.32，而32 m箱梁的跨中安全系数为1.40，这就要求40 m预制简支箱梁混凝土浇注质量和有效预应力施加必须更加精确，以保证箱梁的受力状态。

3 箱梁预制关键技术[3]

3.1 绿色梁场建设

运用BIM技术辅助梁场规划建设，贯彻“四节一环保”的绿色施工理念，建立梁场可视化BIM模型，进行施工过程模拟、虚拟漫游、工程量精确计算，辅助梁场布置方案的论证及优化调整，指导现场施工。原阳制梁场采用纵列式布置，分为6个区域，即生活办公区、制梁区、存梁区、提梁区、拌合站、生产辅助区。箱梁预制采用装配式钢构制梁台座、装配式钢筋预扎架、钢筋整体吊架、装配式箱梁预制模型，最大限度地实现收转重复利用；优化给排水系统，实现施工用水回收再利用，尽可能地节约资源和减少环境污染，推动铁路桥梁预制绿色施工技术的发展。

3.2 箱梁预制模具

基于40 m预制简支箱梁结构特点，开发了预制简支箱梁自驱式液压内模系统。模型由底模、侧模、内模、端模等构件组成。底模和侧模采用固定式，底模固定在钢性制梁台座上，侧模调整到位后与底模连接形成整体；内模采用自驱式走行液压设计，通过内模的周转提高模板的使用率，高效利用实现节能环保并降低成本。

自驱式内模采用贝雷式龙骨结构和液压系统，液压收放采用变径断面直收、自动移位和液压系统无线摇控操作；内模行走采用电驱模式，配置1套固定托架、2套驱动托架和2套从动车架，实现箱梁内模快速安全的安装和拆除。通过减量化设计90条螺旋支撑杆，形成管路清晰的简明液压系统，可减少故障、方便维护。箱梁底、侧模及内模如图3所示。

图3 箱梁底、侧模及内模图

3.3 钢筋数控加工及吊装

箱梁钢筋采用数控弯曲中心进行加工，整体绑扎，龙门吊整体吊装。依托智能数控系统，通过触摸屏操作面板设定钢筋加工参数，设备按预先设定好的程序控制伺服驱动系统进行钢筋加工，通过编码器、位移传感器等检测手段实现加工精度及加工状态的精确控制。自动完成钢筋的调直、定尺剪切、对齐传输、托起移送、自动弯曲等工序。箱梁钢筋数控加工如图4所示。

图4 箱梁钢筋数控加工图

箱梁钢筋面积大、重量重，研制钢筋骨架专用吊具，防止起吊时吊具及钢筋发生过大变形；采用两台95 t龙门吊吊装钢筋骨架。

3.4 混凝土浇注

(1)箱梁混凝土浇注工艺

40 m简支箱梁采用的高性能混凝土量较大，为缩短浇注时间，混凝土拌和站及泵送设备均配置两套独立系统。从梁体两端向中间采用斜向分段、水平分层的方式连续灌筑，两端同步对称均匀进行，首先灌筑腹板与底板结合处及底板混凝土，然后从内模顶面预留的混凝土灌筑孔下料补浇底板混凝土，再浇注腹板，最后浇注顶板。确保连续灌筑，一次成型。

(2)混凝土养护

制梁台座上梁体采用土工布覆盖洒水养护，存梁区采用自动喷淋养护系统，箱梁侧面、底板和顶板采用自动喷淋养护，箱梁内箱采用封闭雾化养护。

(3)张拉与压浆

钢绞线采用链式拔管穿束台车，预应力张拉采用自动张拉系统，预应力孔道压浆采用自动压浆系统，自动张拉系统极大地提升了施工效率和施工质量。

3.5 试验检测[4-6]

为掌握40 m简支箱梁预制过程中的结构受力变化，对箱梁混凝土水化热、材料性能测试、预应力摩阻测试、终张拉预应力效果、静载试验等进行数据采集和分析，得出箱梁预制工艺满足设计要求。

(1)梁体内温度检测

箱梁体内埋设温度传感器进行温度检测。测试数据表明，试验箱梁混凝土水化热温度在65 ℃以内，芯表温差在15 ℃以内；局部最大温差出现在梁端与腹板结合部，为22.9 ℃，浇筑完成70 h后，温差小于 15 ℃；跨中截面芯表最大温差位于顶板与腹板结合部，最大为15.0 ℃。受环境温度变化影响，各部位芯表温差达到最大值的历时差别较大，短则13 h，长则38 h，芯表温差随时间呈波动特性，如图5所示。总体上，混凝土水化热温度发展趋势正常，满足技术条件相关要求。

图5 预制箱梁混凝土跨中芯表温差历时曲线图

(2)强度和弹性模量试验

箱梁预制混凝土实测抗压强度和弹性模量满足规范要求。梁体初张拉时(龄期3 d)，混凝土抗压强度约40 MPa，达到设计值的80%；梁体养护龄期至7 d时，混凝土的抗压强度和弹性模量均达到设计值，满足张拉条件。预制箱梁终张拉混凝土强度55～58 MPa，达到设计值110%～116%，弹模40～41 GPa，达到设计值的112%～115%，满足规范要求。

(3)静载试验

采用静载试验自控系统和自平衡式静载试验台进行预制箱梁静载试验，系统自动保存试验数据，生成静载试验计算单和输出静载试验报告。试验预制箱梁静活载挠跨比实测值为1/3 989～1/3 783，小于设计值 1/3 358，竖向刚度满足设计要求；单线设计活载作用下，试验梁扭转角实测值在0.179‰～0.198‰之间，小于理论值0.310‰，梁体扭转刚度符合设计要求。用1.2倍设计荷载测试处于弹性状态的梁体，实测混凝土应力与计算值接近，跨中未发现开裂现象，抗裂安全性满足规范要求。

4 箱梁运输与架设[7-8]

4.1 箱梁转运

铁路40 m整孔箱梁的转运包括箱梁从提梁站到运梁车的垂直运输、运梁车到架桥机待架位置的水平运输。通常大吨位铁路预制简支箱梁转运是通过路基(马道)运输或轮轨式提梁机侧位提升的施工方法。

郑济铁路黄河特大桥北引桥采用“四线双层”的设计方式，普通的提梁机跨度不能满足桥梁架设的要求。为此，首次采用正位提梁新方法，通过联合研制MG500型提梁机实现箱梁垂直运输。正位提梁法的工艺为：在桥下提升站内设置提梁台座，沿桥墩纵向在两侧设置提升机走行轨道并安装提升机，搬运机将箱梁搬运至提梁台座存放，提升机走行至提梁台座正上方，将箱梁提升至桥面高度，纵移提升机至待架桥跨位置，架桥机架设箱梁，架设过程中，运梁车配合架桥机完成箱梁架设。为满足高速铁路40 m、1 000 t简支箱梁通过复杂工况水平运输的要求，联合研制了低位槽型运梁车，采用四纵梁八横梁的网格状槽型结构，最大程度利用隧道和箱梁两侧的空间，降低运梁高度，可满足路基、便道、桥梁、双线隧道内预制箱梁运输作业。

4.2 箱梁架设

基于40 m预制箱梁自重和架桥工况，联合研制了 1 000 t级五支腿大跨度过隧架桥机。采用双主梁四支腿结构，起重小车采用分列式结构设计，中支腿和后支腿采用可翻折式结构设计，前支腿和前辅助支腿采用多级循环伸缩结构设计。隧道内通行时拆除起重小车中支腿下横梁，中后支腿折翻，前支腿收缩，降低高度通过隧道。

4.3 箱梁运架远程监控

针对箱梁运架大型设备在野外复杂工况下的运维安全风险，开发了箱梁运架设备远程监控系统，极大地提升了箱梁运架安全的管控水平。系统采用B/S架构模型，利用专属VPN网络，在广域网上的任一位置通过Web浏览器登录系统，即可实现对运架设备GIS地理信息的展示、运行状态远程视频监控、设备数据统计分析、设备状态及工况预警及报警分析与信息推送、设备远程诊断与维护、现场作业流程管理、指导现场施工、设备电子档案管理等功能。

5 结束语

2018年5月18日，郑济铁路黄河特大桥北引桥成功实现首孔铁路40 m简支箱梁的预制，标志着我国高速铁路40 m简支箱梁预制技术从研究阶段迈向工程化应用；从2018年9月27日成功首架，到2019年11月8日顺利完成344片40 m简支箱梁的预制，实现了我国高速铁路预制梁建设的第三次飞跃。随着我国高速铁路建造技术的持续创新与工程化应用的快速推进，深度融入云计算、大数据、5G、人工智能等信息技术，将会进一步推动我国高速铁路桥梁建设迈向智能化建造的新高度。