桥钢箱梁安装设计方案.docx
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桥钢箱梁安装设计方案
钢箱梁安装设计方案
一、结构简述
公路2号桥位于XX市XX区铁西三期开发片区内XX公路上，修筑起点桩号K0+314.365，修筑终点桩号K0+804.365，桥梁总长1170米，其中主桥采用跨径为（40+90+230+90+40=490m）的自锚式悬索桥，中间三跨主梁采用正交异性板钢箱梁，40m边配跨采用预应力钢筋混凝土箱梁结构。
钢箱梁全长384m，桥面全宽50m，含风嘴总宽51.162m，梁高3.0m。
主跨处于R=20000m的圆弧竖曲线上。
桥梁立面图见下图。
钢箱梁采用流线型正交异形板结构，分为顶板、底板、横隔板、纵腹板、风嘴及悬索吊耳等。
其中顶板宽度50米，中央设置1.5%的双向横坡，桥梁中心线处梁高3.0米。
顶板厚度16毫米，在主缆区局部加强至40毫米，在顶板下顺桥向间隔600毫米设置加劲纵肋，板厚为8毫米，穿过横桥向3.0米间距的横梁，组成正交异性结构的顶板。
箱梁底板厚度为14毫米，在底板上顺桥向间隔800毫米设置加劲纵肋，板厚6毫米。
箱梁纵向设有九道纵隔板，腹板厚度16毫米，间距4～7.5米。
全桥钢箱梁分为6种类型43个梁段，分为标准梁段、端梁锚固段、合龙段及塔下梁段等，其中标准梁段共34个，长9m，其他梁段共9个，长从7.5m至10.4m不等。
钢箱梁制作段的划分及编号见表1。
：
表1
分区
梁端类型
梁段设计分段情况
长度（m）
桥面宽度宽度（m）
重量（t）
数量（块）
主跨合拢段
A
10.4
50
294.6
1
正常梁段
B
9
50
255.0
34
塔区梁段
C
7.5
50
212.5
2
D
7.5
50
212.5
2
E
8.6
50
243.6
2
钢混结合段
F段和过渡段
10.2
50
459.5
2
合计
11219.32
43
钢箱梁制造采用“板→板单元→涂装→桥位预拼装、焊接”方式生产，即公司厂内完成零件及板单元，直接运输至桥位现场，桥位处逐块吊装、匹配预拼装、焊接成整体。
二、安装思路及安装顺序
二号桥钢箱梁板单元在山桥厂内制作，陆路运输至现场进行安装。
钢箱梁安装分为塔区安装和主跨、边跨钢箱梁安装，均采用支架法安装。
塔承台施工后立即进行基础回填并进行夯实处理。
全桥均采用支架法安装，板单元运输至现场后直接吊装至支架上进行拼装焊接。
首先安装塔区梁段和钢混结合段，然后以塔区为中心向两边逐段进行全桥钢箱梁的安装。
钢箱梁吊装采用2台200吨履带吊机进行。
三、板单元划分和厂内制造
由于受陆上运输及施工场地、工期条件制约，钢箱梁无法按照设计分段制造、运输及安装，故把钢箱梁的制作分厂内板单元制造、桥位节段拼装两个阶段进行。
以钢厂板材的供货能力和公司现有板单元制造设备、工装及公路运输不超限为原则，将每个梁段划分为若干板单元，便于陆上运输。
工厂内板单元划分见下图：
图2板单元分布直观图
图3板单元划分示意图
四、支架方案
4.1、支架方案的选定原则：
支架体系应牢固可靠，满足施工需要；必须要成本低（支架成本包含基础成本、支架材料摊销成本、进出场运输费用、支架搭设费用、拆卸费用）；施工速度快，组织协调灵活。
因此，我部将投标时初步的贝雷支架方案优化为钢管柱支架，支架采用纵向工字钢作分配梁，横向采用工字钢作为支撑体系，钢管柱间隔采用槽钢剪刀撑连接系加固。
4.2、支架的总体布置
依据吊装工艺及安装顺序，钢箱梁支架自塔区向两边划分为塔区段支架、正常段支架、钢混结合段支架三个部分。
塔区段支架布置：
塔区支架如图11所示，中间部分在主塔下横梁上直接搭设支撑横梁和牙板，外形高程与梁底一致，塔柱外侧两根采用φ500×8mm螺旋焊管钢管柱用以支撑E梁段悬挑出塔柱外侧的部分，钢管柱中心间距为3.8m，两钢管柱分别与邻近的支柱14、16及54、56之间采用18a槽钢剪刀撑和剪刀上下横撑连接，剪刀撑相交处采用焊接方式连接成整体。
正常段支架布置：
中间支架横向布置7排钢管柱，采用φ500×8mm螺旋焊管钢管柱，钢管柱钢管柱中心间距6*7.5m，横向两钢管柱之间采用18a槽钢剪刀撑和剪刀上下横撑连接，剪刀撑相交处采用焊接方式连接成整体。
每排钢管柱顶沿纵向布置50b工字钢作为重力分配梁，用以支撑梁段支点。
（正常段支架如图10所示）
钢混结合段支架布置：
由于钢混结合段钢箱梁重量大，钢箱梁完成后还要承受部分现浇混凝土的重量，横向钢管柱先按正常段间距布置，然后进行加密，并设置了悬挑梁支撑，如图13所示，断面共设置了15根钢管柱，所有钢管柱均采用φ500×8mm螺旋焊管。
管柱中心间距为1.9m+3.75m×12+1.9m，（详细布置如图12所示）
横桥向每排支架中部采用剪刀撑及横撑连接成整体后，顶部使用槽钢进行连接用做焊接及涂装用施工脚手架。
纵桥向钢管柱设置原则为间隔1横隔板设置1根，正常段间距为6m，间隔设置剪刀。
支架布置具体见图10~图14。
4.3、钢管柱受力分析
本支架最高处支架高度为25.2m，进行支架受力验算是按照25.2m高度进行计算。
各种规格钢管支撑力计算如下：
4.3.1钢管柱采用直径φ500mm（外径），壁厚8mm的钢管，每根钢管柱的长度为25.2m，下端支承在扩大的混凝土基础上，上端支承在钢箱梁底板上，在此条件下，钢管柱两端视同铰支；则
杆件计算长度
=杆件实际长度
=25.2m
单根钢管支架的截面回转半径:
长细比
，查《建筑钢结构设计规范》GB/T50017-2003，属于b类截面杆件。
查受压杆件纵向弯曲系数
；
钢管的受压截面毛面积
钢管采用螺旋焊管，材质为Q235钢，取2.0安全系数，容许应力按
。
单根钢管的容许支撑力：
。
4.4、钢管柱支架组合设计
4.4.1、纵桥向按照每间隔1道横隔梁下设置一排钢管支点，然后采用50b工字钢将每根钢管纵向连接起来，每2道横隔梁有1道横隔梁支点设置在工字钢上，纵桥向共设置71排钢管柱，横桥向共布置7排钢管，共计497根钢管桩。
横桥向上部使用槽钢连系起来，可做人员脚手平台。
纵横向分别使用槽钢连接系固定。
钢管柱采用φ500×8mm钢管按6m+6m布置，横桥向按照6*7.5m，共布置7根，如附件图所示。
4.4.2、本支架方案即相当于横向每排支架支撑纵桥向6m长的钢箱梁。
（1）全桥钢箱梁重：
12104.37t；
（2）全桥支架钢材总重2600吨；
（3）施工位置人员、机具等其他荷载7t；
4.4.3、单根桩施工最大压力N=（12104.37+2600）/497=29.6t。
假设人员、机具施工荷载由横向单排（7根）承担，则每根桩承载7/7=1t。
所以单根桩实际最大压力为N=29.6+1=30.6t。
N=30.6＜[N]=47.36t，钢管支架强度满足要求。
4.4.4、纵向分配梁、横梁的受力计算
纵梁、横梁材料材质为Q235，取安全系数为2.0，则允许应力为[σ]=117.5MPa，[τ]=68.15MPa.
横梁采用工45b，纵梁采用工50b。
工45b截面特性：
Ix=3.376e8mm4，Wx=1500400mm3；
工50b截面特性：
Ix=4.856e8mm4，Wx=1942240mm3；
参照《钢结构设计规范》GB50017-2003进行验算。
1）横梁工45b计算：
横梁承受钢箱梁及自重荷载共12104.37（钢箱梁重量）+1100（横梁自重）=13204.37吨，纵向每延米重13204.37/384=34.39t/m
横隔板间距3米，每3米重34.39*3=103.17t，
每条横梁上横向均布荷载q=103.17/45=2.29t/m
取其中一段按照简支、均布荷载计算：
Mmax=ql2/8=2.29*7.5*7.5/8=16.1t·m
Tmax=ql/2=2.29*7.5/2=8.59t
强度计算：
σ=Mmax/Wx=16.1e7/1500400=107.3MPa＜[117.5MPa]，满足要求
τ=Tmax/A=8.59e4/（414*13.5）=15.37MPa＜[68.15MPa]，满足要求
稳定计算：
h0/tw=414/13.5=31＜80，按照构造配置加劲肋
b/t=76/18=4.2＜13，满足要求。
2）纵梁工50b计算：
纵梁承受钢箱梁及横纵梁等自身荷载，共12104.37（钢箱梁重量）+1100（横梁自重）+275（纵梁自重）=12275t；
纵向每3米重3479.37/384*3=105.3t；
横向共7个支撑点，每个支撑点承受荷载P=105.3/7=15.04t，
其中柱处支撑点受力直接传给立柱，仅中间点承受P荷载。
Mmax=PL/4=15.04*6/4=22.56t·m
Tmax=P/2=15.04/2=7.02t
强度计算：
σ=Mmax/Wx=22.56e7/1942240=116.2MPa＜[117.5MPa]，满足要求
τ=Tmax/A=7.02e4/（460*14）=10.9MPa＜[68.15MPa]，满足要求
整体稳定计算：
自由长度L1=6m，查表φb=0.8>0.6，则φb’=1.07-0.282/0.8=0.7175
σ=Mmax/φb’Wx=22.56e7/（0.7175*1942240）=162MPa＜215，满足要求
局部稳定计算：
h0/tw=460/14=33＜80，按照构造配置加劲肋
b/t=80/20=4＜16，满足要求。
4、支架基础设计
1）支架基础设计
每根钢管底部平均压力30.6吨，钢管支承柱下做扩大混凝土基础，基础厚度均为60cm，基础承压面尺寸为2.5m×2.5m布置，基础混凝土选用C25级混凝土，扩大基础中间1.5m×1.5m范围内铺设15cm×15cm（即10+10根）的φ12钢筋网片。
如下图所示：
图4：
钢管支架混凝土扩大基础示意图
2）基础承载力验算
查施工区域中密砂土承载力200KPa，地基容许承载力[P]=200KPa×（1.8m×1.8m）=64.8t，单个1.8m×1.8m基础最大支撑力P工作=30.6+1.8×1.8×0.6×2.5=35.5t，P工作＜[P]，地基承载力满足要求。
3）混凝土抗剪强度验算
混凝土顶预埋700×700×10mm钢板，钢管柱底直接焊在钢板上，钢管柱施加的压力=306000N/0.49m2=0.62MPa，C25混凝土抗剪强度1.27MPa，考虑1.5的安全系数，混凝土冲切强度ft=0.85MPa。
5、本支架方案支架材料成本估算：
（1）φ500×8螺旋焊接钢管1137.8吨；
（2）50b号工字钢272.7吨；
（3）45b号工字钢945.4吨；
（4）12mm牙板64.9吨；
（5）20a号槽钢209.3吨；
（6）18a号槽钢205.0吨；
（7）10mm厚钢板20.9吨；
（8）20mm厚钢板73.0吨；
（9）C25基础混凝土1069米3；
支架钢材总重约2992吨，基础处理C25混凝土1069m3，钢材按照2000元/吨摊销，C25混凝土按照300元/m3计，支架材料成本共计630.5万。
五、钢箱梁板单元吊装方案
1、通过多种起重吊装方案比选，最终选定采用200吨履带吊机进行钢箱梁板单元桥位吊装，优点如下：
1）履带吊机可同时进行多个作业面吊装施工；
2）对场地适应性强，本桥位现场地势起伏，履带吊机不受限制；
3）运输车辆直接运送钢箱梁板单元至安装位置处，避免空中位移，减少高空作业工作量；
4）履带吊机可负重行走，组织灵活；
5）作业速度快，成本低。
2、履带吊机吊杆长度及工况选择
本桥钢箱梁底至原地面最高处29.2m，灌注桩施工及下部承台施工是弃土整体回填1m，吊装最大高度31.2m。
外边排支架最大高度为31m。
最外排支架距桥位中心线距离25m。
吊装桥中心线处板单元时最小回转半径42m，最大要求吊杆长度82m，如下计算图：
图5：
履带吊机最小回转半径、最长吊杆计算图
本桥中间块板单元吊装时吊机回转半径最大，中间块板单元最大重量为9.9吨（结合段），根据200吨履带吊机性能参数，选择主臂直接起吊，自身配重的工况，吊杆长度85.5m，起吊回转半径42m的工况，起吊重量10吨，满足吊装要求。
图6200吨履带吊86米主臂工作范围图
图7200吨履带吊86米主臂性能表
吊装示意图如下：
图8：
板单元吊装
六、吊装顺序
总体安装顺序：
先安装塔区B、C、D、E节段及边跨区结合段F节段，然后由塔区向两侧分4个作业面同时展开工作。
在边跨和主跨分别设置合拢节段。
见总拼顺序图9。
节段板单元吊装顺序：
每个标准梁段分割成50块板单元，采用200吨履带吊机，按照底板、斜底板→横、纵隔板、锚箱→中间顶板→边顶板→风嘴的吊装顺序，实现立体阶梯形推进方式逐段组装与焊接。
组装采用“正装法”，以胎架为外胎，以横、纵隔板为内胎，各板单元按纵、横基线就位，辅以加固设施以确保精度和安全，重点控制钢箱梁几何形状和尺寸精度、相邻接口的精确匹配等。
以标准段为例，具体步骤如下：
1）组装底板
先将中间一块底板单元置于胎架上，使其横、纵基线在无日照影响的条件下与胎架上的基线精确对正并固定。
然后依次对称组装两侧底板，焊接同一块体中相邻的两块底板，焊接相邻节段的底板间焊缝。
组装时应按设计宽度精确预留焊接收缩量，使用经纬仪控制底板基准头在同一直线上。
见图17.
横基线
纵基线
图17底板组装
2）组装中间横隔板
组装前底板上划好横隔板中心线。
因钢箱梁位于一定的竖曲线上，横隔板不与大地铅垂，这时应采用吊铅垂的方法控制横隔板倾斜角度，以保证横隔板与底板垂直，吊铅垂测量时应取隔板两端及中间3点。
两侧隔板点焊时应检查隔板对中情况，对中合格时方可点焊固定。
见图18。
图18中间横隔板组装
3）组装中间纵隔板
以底板横、纵基线为基准，组装中间纵腹板。
组装时纵腹板侧面加临时斜撑，通过斜撑上的丝杠来调整纵腹板垂直度。
组装时确保中间纵隔板在桥梁中心线上。
见图19。
图19组装中间纵膈板
4）组焊边横隔板及边纵隔板、锚箱单元件
依次组装边纵腹板及边横隔板、锚箱单元件，确保各边横隔板及中间横隔板在同一平面上。
焊接时应严格执行焊接工艺规程，保证焊接顺序无误，防止箱梁变形过大。
见图20。
图20边横隔板、边纵膈板、锚箱组焊
5）组装中间顶板
横向以胎架两端标志塔上标志线为中心，定位中间顶板。
纵向根据实际放样的数据，采用吊铅垂的方法，确保顶底板纵向相对位置。
同时应使用水准仪检测顶板标高。
见图21。
图21组装中间顶板
6）组焊边顶板
以中间顶板为基准，依次组装边顶板。
使用经纬仪控制所有顶板横基线在同一直线上，使用卷尺控制顶板间的间距，注意预留焊接收缩量。
组装时应注意检查顶板与横隔板间的间隙在公差范围以内。
焊接时严格执行焊接工艺，以防止箱梁变形过大。
顶板焊接完毕后焊接其他结构及附属结构。
见图22。
图22组焊边顶板
图9：
总拼装顺序
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