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大跨度懸索橋斜跨特大拱吊裝方法

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:20 [收藏]

    摘 要：本文介紹采用大跨度懸索橋斜跨特大拱的吊裝方法，對鋼結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行了成功的安裝，同時(shí)降低施工造價(jià)，該工程的成功施工為類似工程提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。
    關(guān)鍵詞：大跨度、下承式、懸索橋、特大拱、吊裝

    1.工程概況
    張家口清水河通泰大橋是河北省張家口市城市快速路北環(huán)線跨清水河上的一座下承式鋼結(jié)構(gòu)懸索拱橋。主梁與拱通過28根吊索連接。
    主梁與拱材質(zhì)均為Q345E，工程鋼結(jié)構(gòu)重量約6500噸，其中拱約1800噸。

    主梁跨徑190m，寬33.34m，高3m（中心線），位于R=600m的平面曲線上，橋面不設(shè)縱坡，設(shè)置雙向2％的橫坡，主梁跨中設(shè)20cm預(yù)拱度，制作時(shí)主梁分為65段，每段分為兩節(jié)共計(jì)130節(jié)。
    拱斜跨主梁，通過吊索連接，拱腳間距180m，矢跨比0.3451，拱中心長度223.5m，拱為單箱單室鋼箱，寬7.04m，高3.8m，屬于特大型陡拱。制作過程中，拱分為13段，軸線長度分別為26m、23m、15m、13m和9.5m，其中26m、23m、13m各兩段，15m六段，9.5m一段，單段重量最小GL7為83噸，最大GL13和GL1為212噸。
    由于拱的截面尺寸大、單體構(gòu)件重、臨時(shí)支架搭設(shè)困難，拱的吊裝難度在整個(gè)工程中最大，本文主要介紹拱臨時(shí)支架搭設(shè)和吊裝方法。

    2.吊裝方案的確定
    根據(jù)工期要求和現(xiàn)場實(shí)際情況，可以采用的吊裝方案有以下兩種：
    方案一：采取先吊裝拱、后吊裝主梁的吊裝順序。拱的臨時(shí)支架直接搭設(shè)在河床上面，采用450噸履帶吊作業(yè)。此方案的優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)場有足夠的場地進(jìn)行拱的二次組裝，拱的臨時(shí)支架搭設(shè)計(jì)算簡單，吊車站位選擇余地大，450噸吊車可以盡早離場，改用150噸履帶吊吊裝主梁，吊車的費(fèi)用小，成本低；缺點(diǎn)是主梁吊裝時(shí)間滯后，現(xiàn)場大量的焊縫和高強(qiáng)螺栓施工有可能進(jìn)入冬季施工，施工條件惡劣、質(zhì)量和工期沒有保障。
    方案二：采取先吊裝主梁、后吊裝拱的吊裝順序。此方案的優(yōu)點(diǎn)是拱和主梁同時(shí)制作，主梁的加工周期短，吊裝速度快，冬季前有足夠的時(shí)間完成現(xiàn)場大量的焊接，焊接質(zhì)量有保證；缺點(diǎn)是拱的臨時(shí)支架有一部分直接搭設(shè)在主梁上面，造成主梁受壓、臨時(shí)支架的計(jì)算復(fù)雜等問題，450噸履帶吊裝需要從主梁的一側(cè)轉(zhuǎn)場到另一側(cè)，吊車的占用時(shí)間相對較長，租賃費(fèi)用大，成本高。
    綜合分析以上方案，在兼顧工程質(zhì)量、工期、成本三大因素的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮安全因素，本工程最終決定采用方案二：采取先吊裝主梁、后吊裝拱的吊裝順序。待吊索張拉完成后，拆除臨時(shí)墩，完成體系轉(zhuǎn)換。
    下面分步對拱的吊裝方案進(jìn)行闡述。

    3.臨時(shí)支撐體系
    （1）支撐體系的結(jié)構(gòu)形式
    為滿足拱分段吊裝的要求，拱臨時(shí)支架采用塔架式支撐體系，塔架之間采用桁架拉接，塔架兩側(cè)拉設(shè)纜風(fēng)繩，使其在拱所在平面內(nèi)、平面外具備抵抗軸向和平面外水平力推力，確保支撐體系的穩(wěn)定性。
    拱臨時(shí)支撐體系由12 座塔架組成，布置在拱段與段接口位置，從西環(huán)向東環(huán)方向依次編號(hào)TJ-1至TJ-12。其中TJ-1、TJ-2、TJ-10、TJ-11、TJ-12五個(gè)塔架分別在主橋外側(cè)，矗立在河床砼基礎(chǔ)上；TJ-3 至TJ-9七個(gè)塔架在主梁頂板上，通過主梁內(nèi)對應(yīng)位置和主梁下部對應(yīng)位置的支撐體系傳遞到橋下河床上的砼基礎(chǔ)上。
    豎向荷載：拱自重→支撐塔架→橋面→主梁內(nèi)部支撐→主梁下部支撐→河床砼基礎(chǔ)。水平荷載：拱及塔架→攬風(fēng)繩→地錨。

    每個(gè)塔架外形尺寸8m×3.5m，采用6根Ф508×8螺旋焊鋼管作為立柱，L180×12單邊角鋼作為水平支撐和斜撐，沿立柱每2m最為一組布置，如下圖示意：

    TJ-1、TJ-2、TJ-10、TJ-11、TJ-12五個(gè)塔架，通過預(yù)埋直接連接在河床基礎(chǔ)砼上，搭設(shè)到設(shè)計(jì)要求高度。
    TJ-3至TJ-9七個(gè)塔架對應(yīng)位置主梁下部支撐，采用600*600碗口式腳手架，腳手架U托上部和主梁地板接觸部位放置橫豎兩排工字鋼，形成井字系統(tǒng)，避免傳力不均勻現(xiàn)象。支架位置與主橋上部及橋內(nèi)支撐位置相對應(yīng)，保證上部的力量全部傳至基礎(chǔ)。

    主橋內(nèi)采用碗口式腳手架，上、下端借助于型鋼與箱梁頂板頂緊，U肋間隙用方木或者H型鋼填充墊實(shí)。最大限度保證主箱梁只傳遞上部力量，而不受力，以保證箱梁的外形尺寸及橋體預(yù)拱度不受影響。
    上部塔架與主梁頂板采用固定鉸接，限制塔架底端側(cè)向位移。保證塔架支撐體系的整體穩(wěn)定性。在塔架底部加柱腳板，調(diào)整好柱腳板傾斜角度，在橋面上鋪設(shè)600*600*I18 井字格排架，橫向16排，縱向7排。井字架于主橋頂板點(diǎn)焊固定，塔架柱腳板和井字架滿焊固定。

    支撐體系在拱平面內(nèi)具有側(cè)向剛度，并且滿足整體穩(wěn)定的要求，在拱平面外該支撐體系不具備抵抗平面外水平力的能力，特別是在拱拼裝階段。因此，需要配備相應(yīng)的纜風(fēng)繩等側(cè)向穩(wěn)定設(shè)施。
    為保證塔架的側(cè)向穩(wěn)定性，在主橋兩側(cè)各設(shè)置兩個(gè)200噸級(jí)地錨，通過鋼絞線和塔架連接起來，這樣TJ3至TJ10就有了側(cè)向約束，TJ1、TJ12兩個(gè)支架由于高度較低，側(cè)向力較小，可以不考慮，故主橋端頭沒有設(shè)地錨和纜風(fēng)繩，在順橋向需要加設(shè)纜風(fēng)繩。示意圖如下：

    （2）支撐體系的截面幾何特性

    經(jīng)核算，對于立柱鋼管和角鋼，長細(xì)比λ＜容許細(xì)長比[150]，立柱鋼管和角鋼截面選擇滿足要求。
    （3）支撐體系的荷載
    塔架主要受豎向荷載和水平荷載作用。
    豎向荷載：豎向荷載主要是鋼結(jié)構(gòu)自重，綜合考慮各種重量，鋼拱按照100KN/m計(jì)算，以最長段按照26m，則最大分段重量：
    N = 100×26＝2600 kN
    吊裝動(dòng)力系數(shù)按照1.3計(jì)。由于構(gòu)件自重考慮富余較大，因此忽略施工活荷載。
    水平荷載：水平荷載主要考慮風(fēng)荷載，計(jì)算公式：

    （4）支撐體系的受力驗(yàn)算
    兩主軸平面內(nèi)約束信息：


    整體穩(wěn)定，按5.1.3-3進(jìn)行計(jì)算


    計(jì)算和實(shí)踐表明，塔架的設(shè)計(jì)穩(wěn)定，安全系數(shù)較高，保證了拱的吊裝質(zhì)量。

    4.拱的吊裝
    （1）總體安排
    在拱吊裝前，根據(jù)吊裝平面示意圖放出正確的吊車站位點(diǎn)；450噸履帶式起重機(jī)提前三天進(jìn)入安裝現(xiàn)場開始組桿、支車；整個(gè)吊裝過程中，450噸履帶式起重機(jī)共站位6次，上游下游各3次，其中需要一次中間轉(zhuǎn)場（從上游到下游）。
    全橋拱總體吊裝布置如下：
    上游吊裝：拱GL13至拱GL8（共6段）；
    下游吊裝：拱GL1至拱GL7（共7段）；
    具體拱吊裝平面圖見下圖：

    （2）技術(shù)措施
    拱頂控制點(diǎn)的標(biāo)高、拱軸線偏移、拱垂直度是吊裝拱的三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。
    拱提升高度超過支架高度，停止提升。吊車再次調(diào)整，調(diào)整主桿角度使拱進(jìn)入支架上方，開始拱安裝就位。此時(shí)測量人員嚴(yán)密監(jiān)控，為吊裝提供調(diào)整依據(jù)。
    拱就位距支架還有200毫米時(shí)調(diào)整。測量人員通過觀測預(yù)先設(shè)好的控制點(diǎn)進(jìn)行觀測控制，及時(shí)指揮吊裝調(diào)整工作。
    首先觀測控制拱的平面坐標(biāo)，即控制調(diào)整拱軸線的準(zhǔn)確。緊跟其后進(jìn)行拱就位，通過支架頂部的砂箱調(diào)整拱的標(biāo)高。砂箱在拱吊裝前預(yù)先安裝，其頂面標(biāo)高要高于拱梁底標(biāo)高，并進(jìn)行預(yù)壓實(shí)驗(yàn)。保證拱就位時(shí)梁底標(biāo)高高于設(shè)計(jì)標(biāo)高，這樣通過逐步釋放砂箱中的干砂，降低拱標(biāo)高到設(shè)計(jì)標(biāo)高。最終拱安裝就位。用預(yù)先準(zhǔn)備好的碼板進(jìn)行臨時(shí)固定，實(shí)現(xiàn)與兩側(cè)拱的初步定位。
    為保證砂箱與拱接觸密實(shí)，傳力合理，在砂箱頂板與拱梁底之間增設(shè)三角斜鐵。 使拱重量盡可能多的以豎直力經(jīng)支架傳遞，減少拱對支架的側(cè)推力。最大可能增強(qiáng)支架的穩(wěn)定性。
    （3）拱分步吊裝順序
    GL13吊裝第一步
    450噸履帶吊加超起狀態(tài)下48米臂桿，16米半徑起重能力是285噸，而GL13重212噸，起吊后直接將GL13安裝就位。見下圖：

    GL13吊裝立面圖

    GL12吊裝步驟
    450噸履帶吊超起狀態(tài)20米半徑起重能力是226噸，而GL12重165噸，直接起吊，回轉(zhuǎn)，履帶吊攜超起向前行走，將GL12安裝就位。見下圖：

    GL12吊裝立面圖

    先后完成GL13-GL8的吊裝后，需拆桿轉(zhuǎn)場到下游進(jìn)行GL1- GL7的吊裝，其吊裝程序同GL13- GL8。
    當(dāng)首段拱GL13吊裝就位后，馬上進(jìn)行軸線和高程測量，確認(rèn)測量無誤后對拱拱腳處加強(qiáng)筋與拱腳焊接，與拱腳預(yù)埋板用預(yù)埋螺栓連接，形成鉸接狀態(tài)，待拱合攏完畢后，再進(jìn)行焊接。上端和塔架臨時(shí)焊接固定，焊接強(qiáng)度滿足要求后，且通過測量人員觀測塔架無明顯沉降后方可摘鉤，且在塔架上前后左右各設(shè)限位擋，防止拱跑偏（在拱吊裝前砂箱進(jìn)行預(yù)壓）。見下圖：

    第二段拱GL12就位后，與第一段接口定位需要從高程、線形、接口平整度三方面進(jìn)行檢查，通過砂箱調(diào)整高程，測量人員配合檢測線形，接口平整度通過頂?shù)装逄幎ㄎ话逭{(diào)節(jié)。確認(rèn)標(biāo)高、拱軸線偏移、拱垂直度無誤后，進(jìn)行接口固定、焊接。接口焊接至焊縫深度的 2/3后，GL12可以摘鉤，準(zhǔn)備下一段的吊裝，以此類推完成后續(xù)各段的吊裝。
    （4）拱的合攏控制方面
    拱從兩側(cè)開始吊裝，中間一段GL7為最后合攏段。制作合攏段GL7的過程中，充分考慮到整個(gè)拱焊接收縮、氣溫影響造成長度方向的變化。按照GL7兩端各預(yù)留20mm共計(jì)40mm的富余量，待最后實(shí)測后截取需要長度。兩側(cè)吊裝過程中，每吊裝一段均要用全戰(zhàn)儀等測量儀器精確測量標(biāo)高、水平坐標(biāo)，把每段定位誤差控制在與軸線偏差、高度偏差2mm范圍內(nèi)，后一段就位過程也是對前一段的修正過程。最終保證合攏軸線、控制點(diǎn)誤差均在規(guī)范之內(nèi)。


    連續(xù)三日定時(shí)測量拱GL6與GL8接口控制點(diǎn)標(biāo)高、坐標(biāo)以及合攏接口實(shí)際間距，為合攏段拱肋GL7的最終調(diào)整提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。最后截取GL7，做好控制點(diǎn)的打點(diǎn)放樣工作。
    由于計(jì)算準(zhǔn)確、準(zhǔn)備充分，合攏當(dāng)天，拱GL7與GL6、GL8按照計(jì)劃準(zhǔn)時(shí)合攏，合攏接口誤差均在規(guī)范允許范圍之類。拱焊接完成后，本工程相繼完成進(jìn)行了吊索施工和體系轉(zhuǎn)換。

    5.結(jié)束語
    實(shí)踐證明了該方案的可行性，建成后的通泰大橋如下：

    由于該方案在技術(shù)措施得當(dāng)、安全性高、大大縮短了工程工期，受到了業(yè)主方、設(shè)計(jì)方、監(jiān)理方的高度贊揚(yáng)。事實(shí)證明，類似通泰大橋斜跨特大拱的吊裝，只要通過合理的設(shè)想、精確的理論計(jì)算、嚴(yán)格的現(xiàn)場操作，是能夠安全有效、優(yōu)質(zhì)完成的。本工程的實(shí)施為類似工程提供了相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，對同類工程具有一定的指導(dǎo)和借鑒作用。

    參考文獻(xiàn)：
    1.《建筑鋼結(jié)構(gòu)施工手冊》中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)編著
    2.《建筑施工計(jì)算手冊》中國建筑工業(yè)出版社、江正榮編著
    3.《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》燃料化學(xué)工業(yè)出版社、聯(lián)合編寫組編著
    4.《工程測量規(guī)范》(GB 50023-95)
    5.《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG 041-2000)
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