大跨度钢管拱异位拼装、纵移和提升施工方法研究

DOI:10.7672/sgjs2020020049

2020年1月下

CONSTRUCTIONTECHNOLOGY

施　工　技　术

　49

大跨度钢管拱异位拼装、纵移和提升施工方法研究

唐　剑1,喻明灯2,汪泉庆3

(1.中交路桥建设有限公司,北京　100027;2.武九铁路客运专线湖北有限责任公司,

湖北　武汉　430200;3.中交路桥华东工程有限公司,上海　201203)

∗

[摘要]郑万高铁汉江特大桥主桥为(109+220+109)m连续刚构拱组合桥,结合工程特点,主拱安装采用异位拼装+整体纵移+整体提升施工技术。介绍纵移段长度选取、异位支架拼装形成临时系杆拱、远距离纵移和垂直提升完成主拱合龙及体系转换等。主桥拱部安装实际用时40d,安装精度和线形均达到规范和设计要求,取得良好的实施效果。

[关键词]桥梁工程;钢结构;钢管拱;异位拼装;纵移施工;提升;体系转换[中图分类号]U445.46

[文献标识码]A

[文章编号]1002-8498(2020)02-0049-06

ResearchonConstructionMethodsofHeterotopicAssembly,LongitudinalMovementandLiftingofLargeSpanSteelPipeArch

(1.Road&BridgeInternationalCo.,Ltd.,Beijing　100027,China;2.Wuhan-JiujiangRailwayPassengerTransportation(Hubei)Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei　430200,China;3.Road&Bridge

EastChinaEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai　201203,China)

TANGJian1,YUMingdeng2,WANGQuanqing3

Abstract:ThemainbridgeofHanjiangSuperLargeBridgeofZhengzhoutoWanzhouHighSpeedRailwayisa(109+220+109)mcontinuousrigidframearchcompositebridge.Combinedwiththecharacteristicsoftheproject,theconstructiontechnologyofheterotopicassembly+overalllongitudinalmovement+overallliftingisadoptedfortheinstallationofthemainarch.Theselectionofthelengthofthelongitudinalmovementsection,thetemporarytiedarchformedbyheterotopicsupportassembly,thecompletionofthemainarchclosurebylong-distancelongitudinalmovementandverticalliftingandtheaccuracyandalignmentmeettherequirementsofthecodeanddesign,andgoodeffectisachieved.construction;lifting;systemtransformation0　引言

大跨度钢管拱桥因具有跨越能力强、承载力高及抗震性能好等优点获得青睐,钢管拱成桥线性控制是施工重点、难点[1]。钢管拱架设施工,常见的有原位支架拼装、竖转法及提升法等,不同施工方法对工程工期、钢管拱成桥线形控制等方面影响程度不同。结合实际工程特点,选择合适的施工方法及有效控制成桥线形成为钢管拱施工重点。109)m连续刚构拱结构,所有墩位全部在水中,90,

∗中交路桥建设有限公司科技研发项目:铁路钢管混凝土拱桥异位拼装、整体纵移和提升施工技术研究(ZJLJ-2019-09)

[作者简介]唐　剑,高级工程师,E-mail:51160849@qq.com[收稿日期]2019-11-12

systemtransformationarefurtherintroduced.Ittakes40daystoinstallthemainarch.TheinstallationKeywords:bridges;steelstructures;steeltubearch;ectopicassembly;longitudinalmovement

91号为主墩。连续刚构箱梁设计为单箱双室、变高度、变截面预应力钢筋混凝土箱梁。箱梁0号块处高度为12m,跨中合龙段高度为5.5m,箱梁底部宽

主拱拱肋计算跨度为220m,设计矢高44m,矢10.8m,桥面宽13.2m,拱座区加宽至16.6m。

跨比为1/5,2榀拱肋间横向中心距为12m。主拱为钢管混凝土结构,为3.4m等高度哑铃形截面,拱肋主钢管直径1.2m,上、下主钢管之间采用缀板连接,主钢管及缀板内均填充C50自密实收缩补偿混凝土。2榀拱肋间共设置11道格构型横撑,其中拱顶为米字形,其余为K字形。主拱共设计22对钢绞12m。主桥整体布置如图1所示。

线整体挤压索吊杆,吊杆纵向间距9m,横向中心距

结合本项目工程特点和实际情况,采用异位拼

郑万高铁汉江特大桥主桥设计为(109+220+

　50施工技术第49卷

桥4跨48m简支箱梁上同步利用汽车式起重机采用支架法拼装纵移段钢管拱,张拉4束临时预应力系杆形成临时系杆拱结构[5]。主桥连续梁施工完成后,通过纵移系统将临时系杆拱顶推至主跨跨中垂直提升位置,然后利用提升主塔和液压同步连续千斤顶系统提升4个吊点,将纵移段钢管拱垂直提

图1　钢管拱总体布置(单位:m)

升至设计安装位置,最后采用现场配切法完成主拱2　关键施工技术合龙。

装+整体纵移+整体提升施工方法,并在施工方法选取、关键施工技术等方面做重点介绍。

2.1　纵移提升段钢管拱长度选取

1　钢管拱施工方案1.1　施工方案比选

主桥220m主拱施工时,综合考虑安装高度大、高空作业多、施工工期要求紧、现场无大型浮吊等影响因素,分析和比选各施工方法。

原位支架法、竖转法和原位整体提升法高空作业多,施工风险大,须在连续梁完成后施工,施工关键线路时间长[2]但纵移质量大,超过引桥简支梁和主桥连续梁最大。整体纵移法虽然施工速度快[3],

承重能力,而且整体纵移段按安装高度拼装后纵移到位直接合龙,造成纵移段高宽比大,横向倾覆风险大,不能在220m连续梁拱上直接运用。异位拼装+整体纵移+整体提升法选取合适长度和质量的纵移提升段钢管拱,既保证纵移过跨的箱梁结构安全,还可以较低高度进行纵移后再提升合龙,明显减少纵移段高宽比,提高横向稳定系数,而且后期垂直提升对接合龙精度高,线形容易控制,另外,异位拼装施工不占用关键线路,施工工期最短,综合优势最明显,所以采用主拱异位拼装+整体纵移+整体提升法施工。

1.2　总体施工方法

郑万高铁汉江特大桥连续刚构拱组合体系桥采用异位拼装+整体纵移+整体提升法施工属于“先梁后拱”法范畴[4]梁,钢管拱分为纵移提升段和拱脚段。先用挂篮悬臂浇筑施工连续

2部分。主拱安装施工总体方法如图2所示。图2　钢管拱施工

用“支架法1)拱脚段施工”原位拼装施工　拱脚段利用汽车式起重机采

,异位拼装侧的拱脚原位段须在纵移段钢管拱纵移到提升位置后再安装2)纵移提升段施工　主桥连续梁施工时,。

在引

选取的纵移提升段长度越长,异位拼装拱肋工程量越多,后期整体提升的高度就越小,拱脚段原位拼装段就会越少,越能充分发挥施工速度快的优点。但纵移段重心会随之抬高,导致高宽比变小,使横向稳定性变得更差,同时必须充分考虑纵移经过引桥48m简支梁、主桥连续箱梁的承载力满足安全要求。所以纵移提升段长度选取原则为:在纵移总质量满足纵移经过永久结构承载力安全和纵移段横向稳定性安全的前提下,应选取长度更大的纵移段,以减少高空作业和后期工期关键线路上施工量,缩短工期。

经过多次比选和计算,确定纵移段总体水平长22.度为157.9m,轴线长度为168.5m,钢管拱高为

约为7m。28.叠加纵移台车高度后3m,重心高度为18.576m,,纵移段拼装后高度含临时结构总质量为800t。

2.1.1　纵移经过永久结构安全计算

验算时纵移段总重以1000t计算,纵移段单端作用力取5000kN,计算包括基桩、墩身和箱梁强度与裂缝宽度。

纵移过程计算时应充分考虑轮组在轨道和混凝土轨道基础的应力分散效应。首先根据主桥和引桥箱梁的不同腹板位置,合理设置轨道间距。在保证箱梁受力安全的前提下,两侧轨道间距取大值以降低纵移段高宽比。轨道设计为2组共4根P43钢轨,2组轨道中心间距6.5m,同组轨道间距50cm。钢轨下设置1.0m宽、15cm厚C50钢筋混凝土基础,轨道基础和梁面铺塑料薄膜隔离层,混凝土基础表面预埋带锚筋的底座钢板用于固定钢轨。箱梁与轨道横截面布置如图3所示。

根据轨道布置4排轮箱,每排为8个钢轮。由于轮组支撑箱刚度大,单端32个钢轮按均匀受力计算2015《,单级风计算横向风荷载引起两侧轮压差为公路桥涵设计通用规范个轮受力为156kN。同》规定时根,按百年一遇据JTGD60—39kN。10纵移段单端荷载如图4所示。

2020No.2唐　剑等:大跨度钢管拱异位拼装、纵移和提升施工方法研究　51

在主桥连续梁施工时,在引桥的4跨48m现浇梁上采用原位支架法同步拼装钢管拱纵移段,安装好纵移系统、张拉临时预应力系杆后落架形成临时2.2.1　拼装支架设计与施工

图3　箱梁与轨道横截面布置

系杆拱。

设计引桥现浇梁上钢管拱异位拼装支架时,要充分考虑拱肋长度、质量和起重机吊臂作业空间等因素。

由于陆路运输的,纵移段分为13个节段加工并运输至现场。在现场拼装支架两侧的梁面翼图4　纵移段单端轮箱横桥向荷载分布

分别选取48m简支梁和主桥连续梁跨中标准截面建立模型,同时也考虑20kN/m二期荷载、20℃不均匀升温、10℃不均匀降温等荷载。计算得出在最不利荷载组合下,引桥和主桥箱梁钢筋、混凝土应力和梁体最大裂缝宽度均满足要求,主桥边墩支座不会出现支反力,桥墩和基桩受力验算也在安全范围内,其中最大裂缝宽度出现在主桥顶板跨中位置TB,10002.为0.19mm,3—2005《允许铁路桥涵钢筋混凝土和预应力裂缝宽度为0.24mm,满足混凝土结构设计规范》的要求。

2.1.2　纵移抗倾覆性计算

钢管拱走行状态形心高度为18576mm,在横桥向风作用时,为抗倾覆不利工况。风荷载取10级风。根据《公路桥涵设计通用规范》可知,施工区风速为27.3m/s,风压为0.45kPa。整桥布置如图5所示。

图5　钢管拱立面迎风面布置

钢管拱主要迎风面为钢管拱拱肋,上、下游各有1个迎风面,根据GB50009—2012《建筑结构荷载规程》可知,相邻结构距离为8~20m时,前一个迎风面体型系数为另一个迎风面的4倍。计算横向稳定系数为　27.　由计算2.结9≥2.果可0。

知,在横向标准风力可以保证横向抗倾覆稳定安全系数为3m/s时,纵移段主拱在不需要任何措施条件下10级风2.9。为保证,施工安全,当风力超过6级时,严禁进行钢管拱纵移施工。在非工作状态下,防止结构由于风力过大造成倾覆,钢管拱及运拱台车均设置缆风绳。2.2　纵移段钢管拱拼装施工

板上卧拼成7大段,尽量减少现场高空作业,每个吊

装节段拼装位置与支架顶安装位置相对应以便于吊装。拼装节段最大轴线长度约为27.7m,质量约为45.6t,最高拼装高度约为28.3m。故将支架设计为6组格构柱形式,两拱脚纵移台车同为拼装支撑点,相邻格构柱之间均预留约22.5m的起吊作业空间。纵移段钢管拱拼装支架如图6所示。

图6　纵移段钢管拱拼装

格构柱由4根ϕ800×10钢管组成,每组钢管立柱的横向间距为7.0m,纵向间距为3.0m,钢管立柱之间设置HN450×200或[20型钢平联,底部与梁体上部预埋件栓接固定。每排钢管立柱顶部设置双拼H450×200型钢作为承重梁,两端设置悬挑三角架,承重梁上设置月牙形可调钢管拱托盘组件和钢

管拱撑杆,用于支撑和临时固定精调的拱肋。

2.2.2　纵移段钢管拱拼装施工

根据在梁面翼板上卧拼成7个安装节段的最大尺寸、质量和吊高参数,查阅汽车式起重机技术参数并模拟对比吊装空间可知,采用2台130t汽车式起重机抬吊可完成全部钢管拱节段安装。

纵移段钢管拱采用从两侧向中间的顺序安装,直至在拱顶合龙。单个节段安装顺序为:先安装两侧主拱节段,调整到位并与相邻节段主拱固定连接,再安装相应节段内支撑,最后焊接主拱和内支撑接头。

由于已提前将拱肋节段在对应安装支架两侧卧拼成型,抬吊时只需垂直提升拱肋大节段向外侧

　52施工技术第49卷

转动小角度避开承重主梁,再往内侧转动放置到承重主梁弧形座上进行精调和临时固定。整个过程必须有专业吊装工人统一指挥,吊装节段两端必须系软麻绳风缆防止拱肋转动和碰撞,各角度均有工2.2.3　临时预应力系杆张拉

157.9m,重约800t,经计算,在无临时水平系杆条件下,拱顶会产生较大下挠,无法按设计线形要求完成主拱安装。为防止钢管拱下挠过大,钢管拱纵由于中跨整体提升段钢管拱水平长度达作人员观察防止碰撞。

图7　钢管拱纵移台车

提升钢绞线束下锚点由24mm厚竖向钢板和30mm厚水平钢板组焊而成,设置在钢箱侧面板上。钢箱结构如图8所示。

移、提升直至主拱合龙落架前均必须安装临时水平系杆[6]通过试算比选。

,选取每侧拱肋的临时系杆张拉力为2800kN时,张拉落架、纵移和提升过程中拱顶17.最大变形为6.1mm,拱肋应力变化最大为

12千斤顶进行单端张拉ϕ65MPa。s15.2钢绞线每侧,拱单束张拉力为肋临时水平,钢筋线束张拉和固定端托架

1400kN,系杆采使用用2200t束均销接在拱脚纵移台座上。

纵移段所有杆件焊缝全部检测合格后,解开其与所有承重支架支撑点的焊缝,分三级同步张拉两0侧拱肋的4束临时钢绞线系杆。→50%→75%→100%,每张拉1张拉力加载分级为后对钢管拱线形进行监测,并观察支架脱空情况级均需静置20min。最后1级张拉完成后检查纵移段整个线形是否与计算值相符。如果拱轴线偏差超过允许范围,可以适当调整临时预应力钢绞线束张拉力。需要注意张拉后的水平钢绞线束产生风振现象,造成夹片脱落或钢绞线断裂,必须每间隔≤35m安装1道梳齿板。

2.3　纵移段钢管拱纵移施工

钢管拱纵移采用夹轨式千斤顶推动拱脚纵移台车在轨道上行走,使纵移段临时系杆拱沿着梁面布置的轨道纵移330m至连续梁跨中垂直提升位置。

2.3.12　台纵移台车分别设置在纵移段两端纵移台车拱纵移段设置临时系杆、顶推纵移和垂直提升的关,是钢管

键部件,由拱座钢箱+箱形支撑架+轮箱组组成。纵移车台如图7系杆均锚固在钢箱上1)钢箱　所示提升钢绞线下锚固横梁。

,将系杆张拉力和提升钢绞线、临时预应力

的提升力均传递至异位拼装钢管拱上,是受力最集中和复杂的关键部件。台车钢箱为Q345B钢板组焊结构。钢箱总高度约为4.2m,腹板宽30mm,其顶部腹板加工成与拱肋相同倾斜度,通过钢箱腹板顶部焊缝和4个钢板带抱箍与钢管拱固定并传力。

图8　纵移锚固钢箱结构

形结构2),箱形支撑架分别与上部钢箱和下部行走轮箱栓接　钢管拱支撑架为双肢横向箱

,起到连接、承力和增加稳定性的作用。支撑架横箱共设置2道,架体由16,24mm钢板组焊而成,截面尺寸为750mm×1200mm,支撑架之间采用平联连接成为整体框架。假设支撑梁平均承担两侧拱肋自重时,最大应力出现在外侧悬臂支座位置,最大应力为97.3MPa,考虑到钢管拱纵移时两侧轨道不等高或纵移千斤顶不同步导致单端两侧质量不均匀,按不均匀系数1.2计算,得出外侧悬臂支座位置处最大应力为箱总高度要满足纵移时支撑架能够安全跨过拱座3)轮组箱159.　2MPa,轮组箱设计要考虑满足规范要求。

2大因素:①轮

预埋钢筋的高度;②轮箱钢轮要足多,以减小轮压分布面荷载,保证引桥和主桥箱梁顶板承载力满足要求。

经计算已施工的拱座预埋预应力筋距离梁顶最大高度为2.16m,轮箱总高度为2.7m,满足支撑架底距离拱座钢箱顶端0.5m安全距离的要求。较2.没有49m,提降低了纵移高度升步骤的普通,纵增加了横向安全系数移法的轮组箱高。度低

纵移钢箱通过拱座位置时空间关系如图9

所示。

纵移段总重800t,在2.1.1节由纵移过程永久结构安全计算可知,单侧台车设置32个滚轮满足永久结构承载力安全要求。

2.3.2　顶推系统顶推系统由顶推油缸和夹轨器组成,顶推系统2020No.2唐　剑等:大跨度钢管拱异位拼装、纵移和提升施工方法研究　53

图9　纵移结构通过拱座

设置在前进端纵移台车后部,共设置2个50t液压千斤顶,左、右幅内侧轨道上各1台。按相关规范规定,静摩擦系数取0.1,动摩擦系数取0.01,同时考虑1%纵向坡度,经计算,顶推力满足要求。

2.3.3　纵移施工

待主桥连续梁施工完毕并达到强度,检查整个纵移系统,解除纵移台车与钢轨间的临时限位,启动顶推系统顶准纵移台车开始纵移。千斤顶顶推时夹轨器夹紧钢轨,千斤顶顶缸产生顶推力,然后同步带动夹轨器滑移到下一个夹紧位置。集成控制泵站控制2台千斤顶同步动作,如此往复顶推[6]钢管拱顶推前进速度控制在0.5m/min。

,

顶推施工的关键是控制左、右侧台车行程的同步性和防止钢轮脱轨。顶推前在轨道上标记好里程刻度,顶推过程中严格控制前后端左、右侧纵移台车的里程差。当前端左、右侧台车里程差>5cm时,通过单顶调整使行程同步。如果后端左、右侧台车里程差>5cm,检查临时预应力钢绞线是否松弛或后端台车钢轮是否碰到障碍物。防止钢轮脱轨主要采取预防手段,在钢轨安装时严格控制4条钢轨高差和相对间距在3mm以内,同时改进使用加宽双轮缘钢轮,提高行走安全系数。如果有钢轮轮缘与钢轨严重咬边时立即停止,采取有效纠正措施后才可继续纵移。

由于改进后的纵移台车有着较强的水平方向刚度,很好地保证了前端左、右侧台车行程的同步性,未出现错位和脱轨现象,耗时9h安全纵移到位。

2.4　整体提升施工

纵移段钢管拱纵移到位后,利用两侧提升塔架和8台200t液压连续千斤顶采用4点提升法垂直提升临时系杆拱17.73m设计位置进行精调和合龙施工。钢管拱垂直提升总体布置如图10所示。

2.4.1　提升塔设计与施工

整个施工过程中,纵移段钢管拱整体提升时提升塔受力最大,受力时间最长,并且搭设高度大,提升塔河床以上高约80.0m,整体稳定性控制至关重

图10　钢管拱整体提升总体立面布置

要[7]工的关键。因此。

,提升塔设计成功与否是整个钢管拱施提升塔设计为门式结构,每个提升塔有2个支腿,单个支腿由4根ϕ1000×10竖向钢管立柱和ϕ426×6钢管内支撑形成格构结构。立柱钢管入土深度≥9.0m。2个支腿底层和顶层各有1个大桁架平联连接成整体,2个支腿与梁体设置1道附墙杆件,以增加整体稳定性。提升塔顶设HN700×300型钢垫梁和HN900×300型钢承重主梁,为提升千斤顶提供安装位置。

提升塔在连续梁施工时同步施工,采用100t履带式起重机配合P7015-10结构。

型塔式DZ150起重机振桩锤振设钢管立柱安装和拆除提升塔,上使用部2.4.2　提升系统设计与安装

采用4吊点整体提升800t重提升段时,每个吊点布置2台200t液压同步提升千斤顶,总提升能力为1600t,有2.0倍储备系数。每台千斤顶使用1束15ϕs捻需要交错布置以防止打绞15.2提升钢绞线,同一束钢绞线中。

,左右互

吊点按照竖直提升原则布置。2个提升塔中心顺桥向间距约140.8m,里程与纵移钢箱下吊点相对应,提升千斤顶横桥向布置与纵移钢箱两侧的下锚点位置相对应,以使受力状态的提升钢绞线呈竖直11状态所示,避免提升塔架偏心受压。

。提升系统布置如图图11　提升系统布置

　施工技术第49卷

2.4.3　整体提升施工

提升系统安装完成后,启动液压千斤顶,收紧提升钢绞线束,拆除运拱台车钢箱与下部支撑架的连接。8台千斤顶同步分4级加载,每加载1级检查提升架和上下吊点,直至加载至100%设计提升4h以检测提升塔沉降和整套提升系统。

力,仔细检查4个吊点脱空情况,并提空20cm悬吊

提升过程中,清除提升通道上的障碍物并控制

　　1)控制液压连续千斤顶,分4级卸载提升力,直至钢桁架主拱完成落拱。预应力系杆。体系转换。

2)卸载临时预应力系杆张拉力,拆除主拱临时3)利用提升系统下放4吊点的提升钢箱,完成体系转换完成后,对整个主拱和桥面连续梁线形进行通测,进一步完成拱肋混凝土灌注及吊杆安3　结语装、张拉。

4吊点8台千斤顶的同步性。提升前在4个吊点和拱顶均安装棱镜,各吊点高程差须<5cm。现场通过1的台总控计算机指挥4台千斤顶,可以全程监控每台千斤顶提升力2台泵站各控制同一提升塔顶。

若单顶提升力差值>100kN,须停止提升,查明原因解决问题后再继续提升。提升过程中还必须全程观察提升拱肋与提升塔架有无位置冲突,如有障碍物,需提前处理。

提升钢管拱节段最后精调时,需调整提升段拱顶和4个合龙口的标高、里程、横向间距及纵向轴线。待各项控制参数达到允许范围后,在提升塔内侧钢管支架上、下位置安装2。

层横向限位装置,同时起到抗风防止晃动的作用

[8]

2.5　合龙施工和体系转换提升段钢管拱两端均有合龙段[9]段提升过程中与拱脚段钢管拱发生位置冲突,为避免提升

,将合龙段设计成倒梯形,其上弦钢管长度为1.98m,下弦钢管长度为3.35m。

钢管拱合龙采用现场配切法同步施工2个合龙段。在10~15℃设计合龙温度下,精调到位后,连续观测合龙口尺寸,分别配切合龙段上弦管、下弦管和中腹板,然后利用汽车式起重机将合龙段嵌入合龙口,采用码板临时锁定

[10]

序为下弦管→上弦管→中腹板。合龙段安装和焊接顺

,全部安装并监测合格后方可解除临时限位。合龙段安装精度结果如表1所示。

表1　合龙段安装精度的理论值与实测值对比

位置理论值/m实测值/m偏差/mm高程偏距高程偏距高程偏距右小107.0718.500107.0868.5131513右大107.071

8.500

107.0

8.509

179左小107.071-3.500107.083-3.5181218左大

107.071-3.500107.086-3.497

15

3

　注:“表示右幅

小”表示小里程侧,“大”表示大里程侧,“左”表示左幅,“右”

　整体纵移和整体提升的施工方法　由于郑万高铁汉江特大桥主拱采用异位拼装,体系转换步骤、较多。

郑万高铁汉江特大桥连续刚构拱采用异位拼装、整体纵移和提升方法安装就位,拱部安装实际用时仅40d,拱部线形及安装精度全部符合规范要求。本施工方法适用范围广、施工工期短、合龙精度高,可为同类型大跨度连续梁钢管拱桥的钢管拱安装提供有价值的经验借鉴。

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