3251王容大跨度钢管拱桥竖向转体施工技术.docx

3251王容大跨度钢管拱桥竖向转体施工技术.docx

《3251王容大跨度钢管拱桥竖向转体施工技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《3251王容大跨度钢管拱桥竖向转体施工技术.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

3251王容大跨度钢管拱桥竖向转体施工技术

大跨度钢管拱桥竖向转体施工技术

桂江三桥位于广西梧州市区内,全桥长695m,宽25.6m。

主桥为40m+175m+40m三跨自锚中承式拱桥,中孔为钢管混凝土双肋拱,两边孔为钢筋混凝土拱,见图1。

图1　桂江三桥主桥立面示意

主拱跨度175m,矢高43.75m,拱轴采用悬链线（拱轴系数m=1.347）,沿拱轴采用等高度（h=

3.3m）等宽度截面（B=1.8m）;每片拱肋主要由4根<750mm×14mm的钢管组成（拱脚附近为<762mm×20mm）,钢管拱由横向缀板、腹杆连接成双哑铃结构;钢管内填充C50微膨胀混凝土,两边离拱座30m长度范围内,拱肋两边增加2片腹板,腹板内也填充混凝土。

2条主拱肋中距17.8m,设6道“K”字形横撑。

主拱钢管拱架沿轴线长200m,空管重10000kN。

边拱为2片跨度为40m的半拱,拱轴线为抛物线,拱肋为C40钢筋混凝土构件,截面宽度为1.8m,截面高度由2.8m变化到2m,桥面系上承,通过系杆与主跨布置成稳定的自锚结构,系杆锚固于两边拱的端横梁上。

2　竖转方案的提出

2.1　竖转方案的提出

该桥主跨钢管拱施工方案有缆索吊装法、水平转体法、竖向转体法3种施工方案。

缆索吊装法施工是该桥设计推荐的方案,分5段吊装合龙,每段吊装重量650kN。

该方案有成功的经验借鉴,但需要大跨度大吨位的缆索吊机,临时索塔较高组拼困难,且背索布置引起大量建筑物拆迁。

利用缆索系统,在空中实行对接,难度较大,施工周期长,施工质量难以提高。

故此方案不可行。

水平转体法施工需要大量的施工场地,拆迁量大,故此方案也不可行。

竖向转体法施工较好地解决了钢管

拱的安装线形。

拱肋主要在工厂内焊接,焊接质量可以保证。

在施工过程中体系内力容易控制,施工设备自动化程度高,操作方便灵活,安全性好,可靠性高。

施工中可协调通航水道,航运不会受到施工的影响。

且可减少拆迁量,施工设备、物资及人员投入少,造价低。

施工工序简洁,操作规程明确,施工迅速,减少了高空作业量,使安全、质量更有保障。

所以本桥施工采用竖向转体法。

2.2　整体受力分析

竖转系统设计概念是:

在两拱脚墩顶设立塔架,塔架顶部设索鞍,牵转扣索前端连接半拱吊点,锚索后端利用边拱端部做支点,安装动力装置。

塔架采用六五军用墩构件拼组,动力装置采用穿心式液压连续千斤顶,牵转索采用钢绞线束,在拱座内设一临时铰座,铰轴焊在半拱端板上,形成竖向转动体系。

该竖转体系的受力计算简图见图2,施工荷载为:

半拱重G1=5000kN,吊具脚手临时荷载G2=

200kN,起动动力系数取1.20,则起吊最大荷载为G=1.2（G1+G2）=6240kN。

图2　竖转体系受力简图

由图2所示几何关系,可计算出在β角不同时竖转起动时各部受力值（施工水位不同）,见表1。

计算结果表明系统受力随β角（代数值）的增大而减小;β角的变化对塔架的受力影响较大;若β角（代数值）过小则铰轴与铰座对位时,半拱顶端就会落入水中受冲击。

为保证施工安全施工时要求β>-8°9′25″（即施工水位大于6m）。

表1　β角不同时系统受力

序号

竖向角β

吊索力T/kN

塔顶压力V/kN

铰座推力H/kN

1

-8°9′25″

7410

10280

6170

2

-6°33′51″

7320

10090

6160

3

-4°58′21″

7210

9910

6150

4

-3°22′50″

7210

9720

6130

3　牵转系统的设计

3.1　拱脚提升对位系统

由于施工水位低于拱脚标高,半拱铰轴端必须经过垂直提升、平移,使铰轴与铰座吻合。

在墩上安装支架,支架顶部设纵向移动的滑道,利用连续千斤顶垂直提升拱脚与拱座呈水平,再利用200kN倒链牵引承重千斤顶沿滑道纵向移动,完成铰轴就位。

待拱肋底端滑至铰座时,以ZCD顶提供辅助动力使其就位,见图3。

图3　半拱铰轴端就位系统示意

3.2　塔　架

根据大桥主拱设计及施工现场地形特征,在每个主墩上分别设置了1组高51m的塔架,塔架采用六五军用墩拼成。

塔架设2道横联,每个塔架中心对应拱肋轴线方向,塔脚预埋在拱脚混凝土中,顶部设侧缆、背缆及压塔缆。

3.3　竖转牵转系统

钢绞线具有强度高,承载力大,延伸量小,变形稳定等优点,可减少在竖转过程中的非弹性变形,所以扣锚索采用高强低松弛的钢绞线。

采用大吨位千斤顶做牵转动力,其吨位大,速度快。

整个牵转系统控制准确、安全、可靠,其牵转吨位和速度是用传统的卷扬机、滑轮组不可能牵转做到的。

3.3.1　竖转动力系统

根据受力计算,牵转系统每半拱采用6台QDCL200连续提升千斤顶,3台液压泵站及1套自动控制系统即主控台作动力装置,额定动力达12000kN,牵转能力系数为1.6;牵转扣锚索采用过塔连续式的6束12

牵转钢绞线束长170m,固定端制作成轮式P锚;张拉端安装箱式OVM15-19工作锚箱,锚后设

置工作平台和安全网。

3.3.2　竖转受力点

（1）临时铰

为避免在钢管拱竖转时拱脚处产生局部应力集中,施工中在拱脚支座处设置了凹凸式临时铰。

每拱肋端设置1个临时铰,临铰由铰座和铰轴组成,铰的半径为50cm,横轴长100cm;铰座预埋在拱脚混凝土内,铰轴焊在钢管拱肋端,铰座与铰轴接触面吻合,采用16mm钢板,在工厂匹配滚制磨光,见图4。

图4　临时铰示意

（2）索鞍

为保证扣锚索能在塔架顶部自由纵移,减小塔架顶部位移,在塔架顶部设置索鞍对应6束牵转索,每个索鞍由3组转向滚轮、墙板、座板构成,滚轮由铸钢制作,其轮轴中心连线的半径为1.5m,可有效地减小牵转阻力,使钢绞线束顺利转向。

（3）后锚点

在边跨拱端横梁后缘,设置6个特制工作锚箱（见图5）与牵转千斤顶配套,肋端混凝土内布设钢筋网加强。

图5　锚索特殊锚箱

（4）扣索吊点

为使在竖转时钢管拱架的挠度最小,受力最合理,经计算在距半拱顶端10m及25m位置设置2个吊点,每个吊点用3道<47.5捆绑式千斤绳,用120t卡环同平衡千斤绳相连接,吊点位置处弦管采用撑板及垫板加强。

并采用P锚与滑轮组合,使前后吊点受力均衡,确保了扣索与千斤绳连接的安全。

3.3.3　边拱后端配重施工技术

经计算,边拱的自重不能平衡竖转时锚索产生的向上垂直分力,为使边拱下翼缘不致产生过大的拉应力而导致结构开裂或破坏,采用预埋无粘结钢绞线束（P型锚）预压2000kN（每个拱肋）。

4.1　强　度

利用有限元法对塔架进行静力分析,整个塔架上端自由、下端固定,采用杆单元离散,节点按铰接考虑。

塔架在各种已知荷载作用下的计算结果表明,最大压应力均发生在塔架柱根部,按最不利荷载组合,其所承受的压应力之和小于90MPa。

同时考虑到风荷、塔架的横向弯曲及其它因素的影响,最大应力小于110MPa,允许应力[σ]=210MPa,所以塔

架是安全的。

4.2　稳定性

对于塔架这类高耸建筑物,在强度条件满足下,稳定性分析同样十分重要。

塔架可视为下端固支,上端铰接,取长度系数μ=0.7;塔架的回转半径r=（Iy/A）1/2（式中:

A为塔架横截面,Iy为惯性矩）;长细比λ=μh/r;稳定系数<约为0.91,允许应力[σ]约为155MPa。

4.3　塔架位移

塔架下端与墩顶固结,但塔架上端可产生较大的纵向位移,故整个塔架易发生弯、压组合变形,其根部应力可表示为:

σ=-N/A+Ph/Wy

式中:

N、P分别为轴向力和水平纵向力,Wy为抗弯截面模量。

塔架顶在水平力的作用下将产生较大的横向位移。

一方面,水平力使塔架结构发生横向弯曲,在塔架根部产生相应的弯曲应力;另一方面牵转系统沿塔架的轴向的作用力和塔架的自重又进一步加大了塔架的横向弯曲变形,在塔架根部产生附加的弯曲应力。

在扣锚索、风缆等的最大组合荷载作用下,考虑到塔架稳定性,塔顶的允许横向位移[Δ1]=±10cm,纵向位移[Δ2]=0,-5cm。

所以,在钢管拱竖转过程中,为避免塔顶的位移过大,必须对塔顶位移跟踪观测,实时调整风缆,将位移控制在允许值以内。

5　钢管拱受力分析

5.1　强　度

钢管拱架在竖转过程中主要承受结构自重及扣索拉力,其承受的最大轴力为6170kN,钢管应力远小于允许应力,钢管拱架具有足够的强度。

5.2　稳定性

（1）拱肋纵向稳定。

半拱竖转开始时,最大轴力N=6170kN,拱肋纵向稳定应力最大为73MPa,

小于设计控制应力150MPa。

（2）拱肋侧向稳定。

经计算拱肋侧向失稳的临界轴力为62000kN,远大于需要的6170kN,满足竖转要求。

5.3　挠　度

运输及竖转初简支状态下,跨中最大挠度为8cm,f/L=8/9300;在竖转时吊点前端最大挠度fmax=1.6cm,f/L=1.6/2500;吊点与支点间最大挠度fmax=6.54cm,f/L=6.6/6860;允许挠度为[f/L]=1/400,钢管拱架刚度满足要求。

6　整体有限元分析

为确保施工顺利进行,在施工前用SAP93建立空间有限元模型。

扣锚索采用索单元,钢管拱架、塔架采用梁单元分析,计算各工况荷载作用下时塔架、扣锚索、钢管拱等的内力、位移。

计算结果与平面分析及各构件单独分析的结果相近,从而说明只要适时调整风缆,控制好塔架顶位移,塔架、扣锚索、钢管拱架等的强度、刚度及稳定性完全满足施工要求,安全储备较大。

7　竖转施工工艺

7.1　竖转施工

（1）拆除一切与拱肋、吊杆有牵连的物体。

（2）利用拱脚提升对位系统使得铰轴与铰座对位。

（3）同时启动千斤顶对牵转索进行预紧至600kN（以油表读数为准,6束索的索力误差不超过

1%）。

（4）启动主控台自动连续牵转系统开始牵转,牵转速度控制在6～8m/h。

同时进行竖转施工观测。

（5）半拱到位后进行临时锁定。

（6）进行另一半拱转体（转体程序同上）。

7.2　拱肋合龙

为使合龙对接顺利准确,在东半拱拱顶管口内预置一锥形导管,两半拱对接处拱段预先在焊前试拼装,按设计线形和加工余量预装,并将上下弦接口错开约300mm,合龙时须先使两半拱超过设计标高,然后两端同时下放至预拱度位置,焊接拱肋,使两半拱合龙,牵转索最终卸载。

按设计张拉系杆,封拱铰。

8　施工监测

8.1　塔架应力

扣锚索、风缆系统对塔架的作用力可通过理论计算和实验测量获得。

为跟踪塔架受力状况,在塔架立柱的中部和根部布置了压力传感器,用于监测塔架压力,以反应塔架受力情况。

8.2　钢管拱位移

在施工中结合加载过程的位移量测,分别在前吊点及L/4和拱脚处弦管的上下缘设置应变片,在岸边设监测站,连同塔架监测结果一起用计算机分析处理,并将分析结果及时反馈指导施工。

8.3　竖转施工观测

为确保施工安全,在施工中除进行塔架、钢管拱的应力监测外,还应对6台牵转千斤顶的同步性以及受力的同一性,对照实际牵转动力与理论计算结果、拱座位移、拱肋偏离桥轴的位移、上下游拱肋标高等项目进行观测,并及时反馈指导施工。

9　结　语

桂江三桥采用6台QDCL200连续千斤顶同步的控制方法、钢绞线束扣锚索、特制扣索前端连接装置和边拱后端特制锚箱新型牵转体系成功地实现了两半拱竖转合龙。

该桥竖转施工工艺简捷,安全可靠,使用的机具设备少,操作简单,施工效率高,降低了安装费用。

为大跨度拱桥的施工提供了宝贵的施工经验。