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大跨度悬索桥斜跨特大拱吊装方法

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:26:20 [收藏]

    摘 要：本文介绍采用大跨度悬索桥斜跨特大拱的吊装方法，对钢结构桥梁进行了成功的安装，同时降低施工造价，该工程的成功施工为类似工程提供了可借鉴的经验。
    关键词：大跨度、下承式、悬索桥、特大拱、吊装

    1.工程概况
    张家口清水河通泰大桥是河北省张家口市城市快速路北环线跨清水河上的一座下承式钢结构悬索拱桥。主梁与拱通过28根吊索连接。
    主梁与拱材质均为Q345E，工程钢结构重量约6500吨，其中拱约1800吨。

    主梁跨径190m，宽33.34m，高3m（中心线），位于R=600m的平面曲线上，桥面不设纵坡，设置双向2％的横坡，主梁跨中设20cm预拱度，制作时主梁分为65段，每段分为两节共计130节。
    拱斜跨主梁，通过吊索连接，拱脚间距180m，矢跨比0.3451，拱中心长度223.5m，拱为单箱单室钢箱，宽7.04m，高3.8m，属于特大型陡拱。制作过程中，拱分为13段，轴线长度分别为26m、23m、15m、13m和9.5m，其中26m、23m、13m各两段，15m六段，9.5m一段，单段重量最小GL7为83吨，最大GL13和GL1为212吨。
    由于拱的截面尺寸大、单体构件重、临时支架搭设困难，拱的吊装难度在整个工程中最大，本文主要介绍拱临时支架搭设和吊装方法。

    2.吊装方案的确定
    根据工期要求和现场实际情况，可以采用的吊装方案有以下两种：
    方案一：采取先吊装拱、后吊装主梁的吊装顺序。拱的临时支架直接搭设在河床上面，采用450吨履带吊作业。此方案的优点现场有足够的场地进行拱的二次组装，拱的临时支架搭设计算简单，吊车站位选择余地大，450吨吊车可以尽早离场，改用150吨履带吊吊装主梁，吊车的费用小，成本低；缺点是主梁吊装时间滞后，现场大量的焊缝和高强螺栓施工有可能进入冬季施工，施工条件恶劣、质量和工期没有保障。
    方案二：采取先吊装主梁、后吊装拱的吊装顺序。此方案的优点是拱和主梁同时制作，主梁的加工周期短，吊装速度快，冬季前有足够的时间完成现场大量的焊接，焊接质量有保证；缺点是拱的临时支架有一部分直接搭设在主梁上面，造成主梁受压、临时支架的计算复杂等问题，450吨履带吊装需要从主梁的一侧转场到另一侧，吊车的占用时间相对较长，租赁费用大，成本高。
    综合分析以上方案，在兼顾工程质量、工期、成本三大因素的基础上，同时考虑安全因素，本工程最终决定采用方案二：采取先吊装主梁、后吊装拱的吊装顺序。待吊索张拉完成后，拆除临时墩，完成体系转换。
    下面分步对拱的吊装方案进行阐述。

    3.临时支撑体系
    （1）支撑体系的结构形式
    为满足拱分段吊装的要求，拱临时支架采用塔架式支撑体系，塔架之间采用桁架拉接，塔架两侧拉设缆风绳，使其在拱所在平面内、平面外具备抵抗轴向和平面外水平力推力，确保支撑体系的稳定性。
    拱临时支撑体系由12 座塔架组成，布置在拱段与段接口位置，从西环向东环方向依次编号TJ-1至TJ-12。其中TJ-1、TJ-2、TJ-10、TJ-11、TJ-12五个塔架分别在主桥外侧，矗立在河床砼基础上；TJ-3 至TJ-9七个塔架在主梁顶板上，通过主梁内对应位置和主梁下部对应位置的支撑体系传递到桥下河床上的砼基础上。
    竖向荷载：拱自重→支撑塔架→桥面→主梁内部支撑→主梁下部支撑→河床砼基础。水平荷载：拱及塔架→揽风绳→地锚。

    每个塔架外形尺寸8m×3.5m，采用6根Ф508×8螺旋焊钢管作为立柱，L180×12单边角钢作为水平支撑和斜撑，沿立柱每2m最为一组布置，如下图示意：

    TJ-1、TJ-2、TJ-10、TJ-11、TJ-12五个塔架，通过预埋直接连接在河床基础砼上，搭设到设计要求高度。
    TJ-3至TJ-9七个塔架对应位置主梁下部支撑，采用600*600碗口式脚手架，脚手架U托上部和主梁地板接触部位放置横竖两排工字钢，形成井字系统，避免传力不均匀现象。支架位置与主桥上部及桥内支撑位置相对应，保证上部的力量全部传至基础。

    主桥内采用碗口式脚手架，上、下端借助于型钢与箱梁顶板顶紧，U肋间隙用方木或者H型钢填充垫实。最大限度保证主箱梁只传递上部力量，而不受力，以保证箱梁的外形尺寸及桥体预拱度不受影响。
    上部塔架与主梁顶板采用固定铰接，限制塔架底端侧向位移。保证塔架支撑体系的整体稳定性。在塔架底部加柱脚板，调整好柱脚板倾斜角度，在桥面上铺设600*600*I18 井字格排架，横向16排，纵向7排。井字架于主桥顶板点焊固定，塔架柱脚板和井字架满焊固定。

    支撑体系在拱平面内具有侧向刚度，并且满足整体稳定的要求，在拱平面外该支撑体系不具备抵抗平面外水平力的能力，特别是在拱拼装阶段。因此，需要配备相应的缆风绳等侧向稳定设施。
    为保证塔架的侧向稳定性，在主桥两侧各设置两个200吨级地锚，通过钢绞线和塔架连接起来，这样TJ3至TJ10就有了侧向约束，TJ1、TJ12两个支架由于高度较低，侧向力较小，可以不考虑，故主桥端头没有设地锚和缆风绳，在顺桥向需要加设缆风绳。示意图如下：

    （2）支撑体系的截面几何特性

    经核算，对于立柱钢管和角钢，长细比λ＜容许细长比[150]，立柱钢管和角钢截面选择满足要求。
    （3）支撑体系的荷载
    塔架主要受竖向荷载和水平荷载作用。
    竖向荷载：竖向荷载主要是钢结构自重，综合考虑各种重量，钢拱按照100KN/m计算，以最长段按照26m，则最大分段重量：
    N = 100×26＝2600 kN
    吊装动力系数按照1.3计。由于构件自重考虑富余较大，因此忽略施工活荷载。
    水平荷载：水平荷载主要考虑风荷载，计算公式：

    （4）支撑体系的受力验算
    两主轴平面内约束信息：


    整体稳定，按5.1.3-3进行计算


    计算和实践表明，塔架的设计稳定，安全系数较高，保证了拱的吊装质量。

    4.拱的吊装
    （1）总体安排
    在拱吊装前，根据吊装平面示意图放出正确的吊车站位点；450吨履带式起重机提前三天进入安装现场开始组杆、支车；整个吊装过程中，450吨履带式起重机共站位6次，上游下游各3次，其中需要一次中间转场（从上游到下游）。
    全桥拱总体吊装布置如下：
    上游吊装：拱GL13至拱GL8（共6段）；
    下游吊装：拱GL1至拱GL7（共7段）；
    具体拱吊装平面图见下图：

    （2）技术措施
    拱顶控制点的标高、拱轴线偏移、拱垂直度是吊装拱的三个关键点。
    拱提升高度超过支架高度，停止提升。吊车再次调整，调整主杆角度使拱进入支架上方，开始拱安装就位。此时测量人员严密监控，为吊装提供调整依据。
    拱就位距支架还有200毫米时调整。测量人员通过观测预先设好的控制点进行观测控制，及时指挥吊装调整工作。
    首先观测控制拱的平面坐标，即控制调整拱轴线的准确。紧跟其后进行拱就位，通过支架顶部的砂箱调整拱的标高。砂箱在拱吊装前预先安装，其顶面标高要高于拱梁底标高，并进行预压实验。保证拱就位时梁底标高高于设计标高，这样通过逐步释放砂箱中的干砂，降低拱标高到设计标高。最终拱安装就位。用预先准备好的码板进行临时固定，实现与两侧拱的初步定位。
    为保证砂箱与拱接触密实，传力合理，在砂箱顶板与拱梁底之间增设三角斜铁。 使拱重量尽可能多的以竖直力经支架传递，减少拱对支架的侧推力。最大可能增强支架的稳定性。
    （3）拱分步吊装顺序
    GL13吊装第一步
    450吨履带吊加超起状态下48米臂杆，16米半径起重能力是285吨，而GL13重212吨，起吊后直接将GL13安装就位。见下图：

    GL13吊装立面图

    GL12吊装步骤
    450吨履带吊超起状态20米半径起重能力是226吨，而GL12重165吨，直接起吊，回转，履带吊携超起向前行走，将GL12安装就位。见下图：

    GL12吊装立面图

    先后完成GL13-GL8的吊装后，需拆杆转场到下游进行GL1- GL7的吊装，其吊装程序同GL13- GL8。
    当首段拱GL13吊装就位后，马上进行轴线和高程测量，确认测量无误后对拱拱脚处加强筋与拱脚焊接，与拱脚预埋板用预埋螺栓连接，形成铰接状态，待拱合拢完毕后，再进行焊接。上端和塔架临时焊接固定，焊接强度满足要求后，且通过测量人员观测塔架无明显沉降后方可摘钩，且在塔架上前后左右各设限位挡，防止拱跑偏（在拱吊装前砂箱进行预压）。见下图：

    第二段拱GL12就位后，与第一段接口定位需要从高程、线形、接口平整度三方面进行检查，通过砂箱调整高程，测量人员配合检测线形，接口平整度通过顶底板处定位板调节。确认标高、拱轴线偏移、拱垂直度无误后，进行接口固定、焊接。接口焊接至焊缝深度的 2/3后，GL12可以摘钩，准备下一段的吊装，以此类推完成后续各段的吊装。
    （4）拱的合拢控制方面
    拱从两侧开始吊装，中间一段GL7为最后合拢段。制作合拢段GL7的过程中，充分考虑到整个拱焊接收缩、气温影响造成长度方向的变化。按照GL7两端各预留20mm共计40mm的富余量，待最后实测后截取需要长度。两侧吊装过程中，每吊装一段均要用全战仪等测量仪器精确测量标高、水平坐标，把每段定位误差控制在与轴线偏差、高度偏差2mm范围内，后一段就位过程也是对前一段的修正过程。最终保证合拢轴线、控制点误差均在规范之内。


    连续三日定时测量拱GL6与GL8接口控制点标高、坐标以及合拢接口实际间距，为合拢段拱肋GL7的最终调整提供准确的数据。最后截取GL7，做好控制点的打点放样工作。
    由于计算准确、准备充分，合拢当天，拱GL7与GL6、GL8按照计划准时合拢，合拢接口误差均在规范允许范围之类。拱焊接完成后，本工程相继完成进行了吊索施工和体系转换。

    5.结束语
    实践证明了该方案的可行性，建成后的通泰大桥如下：

    由于该方案在技术措施得当、安全性高、大大缩短了工程工期，受到了业主方、设计方、监理方的高度赞扬。事实证明，类似通泰大桥斜跨特大拱的吊装，只要通过合理的设想、精确的理论计算、严格的现场操作，是能够安全有效、优质完成的。本工程的实施为类似工程提供了相关的经验和数据，对同类工程具有一定的指导和借鉴作用。

    参考文献：
    1.《建筑钢结构施工手册》中国钢结构协会编著
    2.《建筑施工计算手册》中国建筑工业出版社、江正荣编著
    3.《机械设计手册》燃料化学工业出版社、联合编写组编著
    4.《工程测量规范》(GB 50023-95)
    5.《公路桥涵施工技术规范》(JTG 041-2000)
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