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扁箱型钢结构桥梁采用支架拼装时竖向线型的控制

作者：张 强    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
采用钢桁架作为大跨度钢桥的拼装支架进行现场吊装时，由于钢桁架在承重后的弹性挠曲变形将引起拼装单元内已就位桥段的标高变化，从而影响成桥后竖向线 形和各梁段间的接口对接。
    摘 要：采用钢桁架作为大跨度钢桥的拼装支架进行现场吊装时，由于钢桁架在承重后的弹性挠曲变形将引起拼装单元内已就位桥段的标高变化，从而影响成桥后竖向线 形和各梁段间的接口对接。因此，必须在钢桥拼装阶段采取预变形措施抵消支架 承载后的变形，以保证钢桥各段安装成桥后的标高符合桥梁设计线形。
    关键词：拼装支架 挠曲变形 竖向线形 预变形

    一、工程概况
    本工程是西安灞河2#桥，该桥为斜拉索桥，主跨145米。桥的索塔为钢箱结构，与水平面成75°倾斜角，垂直高度78米。主跨钢箱梁及钢塔的制造及安装总工程量为4400吨。钢箱梁的结构形式为双箱、双室扁箱型钢箱梁，箱梁截面高度2.41米，梁面宽度29.80米。钢桥总重为2800吨。梁底板距河床高度为11.86米。钢桥在厂内分段制作，出厂前预拼装后运到现场。现场采用军用墩支架搭建拼装平台，支架的每个安装单元跨度为12米，每个安装单元内可拼装四个钢梁分段，总重约250吨。钢桥成桥后如图1所示。

    二、施工要点
    桥梁施工过程中，必须确保结构内力及变形满足成桥后的设计要求。灞河2# 桥钢箱梁的安装采用支架搭建拼装平台，便于安装中钢梁纵桥向轴线偏差控制，同时最大程度减小结构安装及焊接过程形成的附加内力。但由于拼装平台所用桁架梁为弹性结构，承载后的弹性变形将引起支架顶部钢箱梁安装标高的变化，从而影响成桥的竖向线型。因此采用支架拼装的方法进行钢箱梁安装时，竖向线形的控制便成了重点控制环节。


    钢桥在工厂内分段制作过程中，按照设计线形，设置专用胎架进行拼装，以保证全跨各分段钢箱梁标高满足桥梁设计的竖向线形要求。通过出厂前的预拼装，检查拼装成的桥梁标高与设计竖向线形的制作偏差。预装后，各段间接口处焊接定位耳板，用于现场安装定位。
    三、安装用支架
    钢桥现场拼装支架，采用64式军用梁作为承重桁架梁，65式军用墩作为支墩，组成拼装支架。桁架梁采用标准杆件拼装而成，所有连接均为铰接。


    桁架梁上横向布置双I40b工字钢作为载荷分配梁，分配梁上纵向布置I32a～I10不等高度的工字钢为垫梁，用于放置可调楔形块，作为钢梁段放置的支撑点，以便于梁底标高微量调整和钢梁挂索的落架。钢梁段在支架上的各支撑点布置在相应的钢梁腹板位置，各支撑点的标高均取定于钢桥桥面标高，应符合对成桥竖向线形的设计要求，支架形式见图4、图5。


    根据施工载荷，军用墩、桁架梁及垫梁、分布梁自重和支撑点的分布，采取ANSYS实体建模，拼装支架结构受力分析结果如下：
    军用墩的最大墩身压力为-536133N，最小墩身压力为-266788N；军用墩的最大墩身压应力为-33.5MPa，军用墩的最小墩身压应力为-16.7MPa；军用墩的最大竖向位移为0.178cm。由计算结果可以确定军用墩强度及变形均满足施工要求。
    军用梁构件的最大压力为-331145N，最大拉力为254954N；军用梁的最大构件压应力为-162MPa，军用梁的最大拉应力为123MPa；军用梁的最大竖向位移为2.340cm。由计算结果可以确定军用梁强度满足施工要求，其竖向变形可通过增加预制拱度以消除其对钢梁拼装的影响。
    四、支架基础
    由于支架基础直接建造在灞河河床上，必须保证基础的承载力及抗沉降的能力，才能保证桥梁拼装过程测量尺寸的稳定性。依据《建筑桩基技术规范 JGJ 94-94》和西安康特管桩技术有限公司提供的静压桩资料，结合灞河2＃桥工程7＃墩和8＃墩之间地质柱状图中土体性状的工程地质描述，钢梁拼装平台基础的设计综合考虑上部结构荷载条件、工程地质条件、场地与设备制约等因素，选用PHC-AB400-95-12型静压桩，采用静压法施工。桩顶部设置承台，与管桩刚性连接。承台顶部预埋钢板和地脚螺栓与上部支架连接。桩基示意图见图6。

    静压法施工时，如果桩压到设计标高，将桩中伸入承台的接长钢筋直接与桩帽焊接，焊缝长度应不小于5倍钢筋直径；如果桩未压到设计标高，由于管桩的桩头均采用专用工具锯断，口平齐，故不能利用桩帽与钢筋连接。需在桩头的桩管内填充不小于420mm深的C30细石混凝土，并在混凝土中均分插入6*φ14钢筋与承台连接。根据拼装支架的结构形式，桩按列排布，桩总数为140根。桩位布置图见图6。


    五、钢桥安装线形控制
    桥梁的拼装支架以12米长度为一个拼装单元，在完成一个拼装单元的钢梁吊装、线形调整和焊接后，再进行后续单元的吊装。钢桥从主跨两端分两个吊装单元分别向跨中方向进行吊装。吊装过程对钢桥竖向线形跟踪测控。全桥吊装作业最终在跨中完成合拢。
    使用64式军用梁做为钢桥拼装支架，在施工前根据施工各阶段的工况进行不同加载阶段的支架变形计算。拼装支架在自重、分配梁重及垫梁重量作用下的状态为基准状态，确定各支撑点初始状态标高。采用ANSYS实体建模，计算各梁段在支撑桁架上依次吊装就位后，桁架在每个加载阶段的各点标高值。对照初始状态桁架上各支撑点标高值，计算出各承载阶段桁架的变形量。将单元内全部钢梁载荷加到桁架梁上后，各梁段支撑点处的最终变形值，作为钢梁分段吊装前的各支点位置的预变形标高。通过在各支撑点设置预变形标高，与单元内桥段吊装就位后支架的变形抵消，使各桥段最终安装标高与设计竖向线形相符。
    各支撑点布置就位，完成各点预设标调整后，便可进行钢梁分段的吊装。每段钢梁在支架上就位后，首先调整其纵桥向中心与钢梁中心线重合，然后测量桥段顶板对应支点位置的标高。标高测量一般在早上或无日照影响的情况下进行。与预先采用ANSYS建模计算对应位置标高值对比，确定偏差值。偏差值小于3mm时，下部支点暂不调整；超出3mm时，调整各支点的标高值。后续各段钢梁依次进行吊装就位，每段吊装就位后，均应对前部已安装段及新就位段的梁顶面标高进行复测，与计算值比照，并且在偏差超标情况下进行相应支点标高的调整 。由于后续钢梁段的吊装就位引起支架整体变形，会导致前部已就位钢梁段的标高和对接口间隙变化，因此后续钢梁段安装就位时仅与前段钢梁顶板上的定位板用螺栓连接定位，下底板及腹板上的定位板暂不连接定位。
    完成单元内全部梁段的吊装就位后，对单元内的梁段顶板标高进行复测，与钢桥的设计线形所对应的各点的标高进行对比，各对应点的标高偏差值小于3mm时不做调整，超出此偏差值时进行相应支点的标高调整。单元段钢梁全部吊装就位后便可以进行后续单元支架的拼装及垫梁、调整垫铁的布置和标高调整。
    已吊装到支架上的钢梁先进行线形调整和测量，再进行各分段接口的腹板、顶板、底板对接口的调整和固定。焊接开始前对梁顶标高进行复测，确认偏差在规定范围内后，进行钢梁的焊接。整体焊接顺序与吊装顺序相同，先焊接梁段间腹板接口，再焊接下底板的接口，最后焊接上顶板的接口。单元内梁段焊接完成后，进行后续单元梁段的吊装。首先根据前一单元段吊装过程中支架实际变形量的测量值，对照各支撑点标高计算值，进行比较后，对后续单元钢梁段安装前的支撑点点预设标高值进行修正。梁段吊装过程中，每次支架加载后都应对支墩基础进行沉降观测，及时掌握基础沉降对支架标高的影响。各桥段的吊装，按既定程序进行跟踪测量和调整。依次完成全桥各段钢梁的吊装。钢桥拼装见图8。

    六、结束语
    在西安霸河2#桥钢桥安装中，采用了军用墩支架作为拼接平台的施工方法，节省了约800吨施工周转材料。由于采取从主跨两端同时向跨中方向进行吊装的施工顺序，提高了施工机具和现场人员的工作效率，缩短了工期。通过对拼装支架承载后变形进行计算，根据计算结果，对支撑桁架上钢梁就位的支撑点设定预抛高，使钢梁拼装过程中的预变形抵消桁架承重后的下挠变形。钢梁安装就位后，梁顶面标高与成桥竖向线形标高偏差可以控制在5mm以内。提高了安装精度，减少了钢桥就位后的调整工作量，保证了全桥的竖向线形控制达到设计要求。
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