鋼桁梁橋懸臂架設(shè)施工技術(shù)研究

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摘要：近年來隨著國內(nèi)基建領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)橋梁以其以其優(yōu)良的跨躍性能在跨躍江河、山川峽谷、既有設(shè)施等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用和長足的發(fā)展；越來越多的超重、超大型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在施工環(huán)境局限性大的現(xiàn)場得以架設(shè)；本文以大跨徑多跨連續(xù)鋼桁梁橋懸臂架設(shè)安裝施工為研究對象，在鋼結(jié)構(gòu)橋梁現(xiàn)場安裝過程中，通過應(yīng)用Tekla、Bentley等制圖軟件建立多向鋼桁梁拼裝的三維虛擬模型，進(jìn)行科學(xué)碰撞。并結(jié)合Midas等結(jié)構(gòu)受力軟件進(jìn)行仿真結(jié)構(gòu)受力驗算，減少大臨設(shè)施搭建，并確定合理的鋼梁架設(shè)安裝順序，確保安全、質(zhì)量，提高鋼梁安裝工效。

關(guān)鍵詞：安全；高效；BIM技術(shù)；Midas技術(shù)；對稱安裝；杠桿平衡

1研究概述

1.1研究背景。近年來隨著國內(nèi)基建領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)橋梁以其獨有的特性倍受青睞；鋼桁梁結(jié)構(gòu)形式以其優(yōu)良的跨躍性能在跨躍江河、山川峽谷、既有設(shè)施等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用和長足的發(fā)展；鋼結(jié)構(gòu)桿件受桿件自重大、桿件外形尺寸大、施工環(huán)境局限性大等因素疊加影響，大跨度鋼桁梁對施工工藝工法要求越來越高，傳統(tǒng)架設(shè)工藝一般采用較多的臨時結(jié)構(gòu)作為支撐，再配合大型機械設(shè)備進(jìn)行架設(shè)，這種方法一般前期準(zhǔn)備時間較長，架設(shè)時間也比較長，工程成本也較多，而且對安全方面的要求也比較高。如何更好的保證大跨徑鐵路鋼橋懸臂架設(shè)安全、質(zhì)量、進(jìn)度是此類鋼結(jié)構(gòu)橋梁工程能否順利實施的關(guān)鍵所在。為滿足這一日益提升的標(biāo)準(zhǔn)和要求，我單位結(jié)合以往施工經(jīng)驗，通過應(yīng)用Tekla、Bentley等制圖軟件建立多向鋼桁梁拼裝的三維虛擬模型，進(jìn)行科學(xué)碰撞。并結(jié)合Midas等結(jié)構(gòu)受力軟件等，展開對大跨徑多跨連續(xù)鋼桁梁懸臂架設(shè)施工技術(shù)研究，以期總結(jié)出一套科學(xué)合理的跨江、跨河等復(fù)雜地形的鐵路鋼橋懸臂架設(shè)施工技術(shù)性指導(dǎo)文件，為后續(xù)類似工程實施提供有效借鑒。1.2項目簡介。新建鐵路廣州南沙港鐵路跨洪奇瀝水道特大橋主橋采用下承式鋼桁梁柔性拱，主跨通航凈空為300×24m。跨度布置（138+360+360+138）m，全橋長998.8m。鋼桁梁設(shè)兩片主桁，桁高16m，桁間距15m，寬跨比1/24；拱肋矢高65.0m，矢跨比1/4.67采用華倫式，節(jié)間長度為13.5m和14m，節(jié)間布置為（4*13.5m+15*14m+8*13.5m+18*14m+8*13.5m+15*14m+4*13.5m），全橋共72個節(jié)間。下面以跨洪奇瀝水道特大橋主橋鋼桁梁由邊跨至跨中，跨中至邊跨懸臂架設(shè)過程為研究對象，進(jìn)行施工技術(shù)研究。1.3大跨徑多跨連續(xù)鋼桁梁橋懸臂架設(shè)優(yōu)化施工方案。1.3.1問題的提出。①跨洪奇瀝水道特大橋主橋鋼桁梁在由邊墩單側(cè)向跨中方向開始利用滑動走行橋面全回轉(zhuǎn)桅桿吊機逐節(jié)間單懸臂拼裝主橋鋼桁梁，懸臂長度不斷增長，最大長度為98m，如何保證：滿足懸臂架設(shè)過程中受力要求同時提高安裝質(zhì)量、工效。②跨洪奇瀝水道特大橋主橋鋼桁梁在由中墩向跨中方向利用滑動走行橋面全回轉(zhuǎn)桅桿吊機逐節(jié)間雙懸臂拼裝主橋鋼桁梁，隨懸臂長度不斷增長，如何保證：滿足雙懸臂架設(shè)受力要求同時減少大量大臨設(shè)施的搭建，減少地域環(huán)境對施工的影響，減少航道的占用，并滿足架設(shè)安全、質(zhì)量。③在鋼桁梁懸臂架設(shè)過程中，架設(shè)距離不斷加長，如何保證：鋼桁梁吊裝設(shè)備在懸臂架設(shè)過程中，均滿足架設(shè)需要。④跨洪奇瀝水道特大橋地處繁忙水域，施工環(huán)境局限性大，為保證航道通航，不便搭建大臨設(shè)施。如何有效提高鋼桁梁架設(shè)過程中安全、質(zhì)量、進(jìn)度。⑤跨洪奇瀝水道特大橋全長998.8m，共72個節(jié)間。在架設(shè)過程中如何保證鋼桁梁線型質(zhì)量，滿足后期鋼桁梁合龍需要。⑥在鋼桁梁單懸臂架設(shè)過程中，如何防止傾覆事件的發(fā)生并降低由于溫度變化導(dǎo)致的鋼桁梁熱脹冷縮的應(yīng)力集中。1.3.2優(yōu)化設(shè)計思路。①在主橋鋼桁梁架設(shè)過程中，利用Midas軟件對邊跨支架進(jìn)行整體建模分析，結(jié)合不利工況對結(jié)構(gòu)受力提前進(jìn)行分析和計算，找出其中的受力薄弱環(huán)節(jié)是否滿足結(jié)構(gòu)受力需要，保證施工作業(yè)安全。同時以架設(shè)的鋼桁梁自身為撬桿、部分臨時支架作支點、加后錨配重系統(tǒng)，保證阻力端的作用力比施力端的作用力足夠大實現(xiàn)單懸臂架設(shè)，在架設(shè)過程中，保證鋼梁架設(shè)過程中的安全系數(shù)大于1.3，防止發(fā)生傾覆事。②在主橋鋼桁梁架設(shè)過程中，利用Midas軟件對邊跨支架進(jìn)行整體建模分析，結(jié)合不利工況對結(jié)構(gòu)受力提前進(jìn)行分析和計算，找出其中的受力薄弱環(huán)節(jié)是否滿足結(jié)構(gòu)受力需要，保證施工作業(yè)安全。利用中主墩、墩旁托架及臨時桿件形成支點；中主墩兩側(cè)鋼桁梁同步、對稱懸拼架設(shè)，最終形成類似一種“杠桿平衡”的工藝原理。兩側(cè)對稱安裝相差不能超過半個節(jié)間，避免在鋼桁梁在架設(shè)過程中因受力不均發(fā)生傾覆的事故發(fā)生，從而保證了鋼桁梁懸臂對稱架設(shè)施工的整體安全。③通過對國內(nèi)同類型鋼桁梁架設(shè)設(shè)備進(jìn)行比選，確定采用特制安裝設(shè)備，實現(xiàn)隨鋼桁梁節(jié)間架設(shè)，橋面桅桿式起重機向前走行，從而達(dá)到設(shè)備與鋼桁梁步履式前行，鋼桁梁逐節(jié)間架設(shè)的目標(biāo)。④經(jīng)討論研究，設(shè)計發(fā)明了一種“臨時桿件”結(jié)構(gòu)體系，用于連接主橋鋼桁梁與墩旁托架，將鋼桁梁懸臂對稱架設(shè)過程中的力有效的進(jìn)行力的傳遞、分散到下部墩旁托架結(jié)構(gòu)上，避免在鋼桁梁在對稱架設(shè)過程中因受力不均發(fā)生傾覆的事故發(fā)生，從而保證了鋼桁梁懸臂對稱架設(shè)施工的整體安全。⑤在鋼梁懸臂架設(shè)過程中，測量監(jiān)控及計算分析貫穿架設(shè)施工伊始，確保能發(fā)現(xiàn)問題，并及時提供應(yīng)對處理方案，保證結(jié)構(gòu)施工安全，間接加快施工效率。⑥設(shè)計一種柔性后錨結(jié)構(gòu)，保證鋼桁梁逐節(jié)間架設(shè)過程抗傾覆，同時降低溫度變化鋼梁熱脹冷縮的應(yīng)力集中。

2課題研究的主要內(nèi)容及方法

2.1主要研究內(nèi)容。①研究在主橋鋼桁梁單懸臂架設(shè)過程中，形成一種以架設(shè)的鋼桁梁自身為撬桿、部分臨時支架作支點，形成類似一種“蹺蹺板”的工藝原理，保證在單懸臂架設(shè)過程中施工質(zhì)量安全。②研究一套后錨配重系統(tǒng)，保證鋼桁梁在單懸臂架設(shè)過程中施工安全，降低鋼桁梁在架設(shè)過程中由溫度造成的熱脹冷縮的影響。③研究在鋼桁梁由中跨至跨中合龍口安裝過程中，利用中主墩兩側(cè)鋼桁梁、中主墩、墩旁托架及臨時桿形成一種“杠桿平衡”的工藝原理，保證鋼桁梁雙懸臂對稱架設(shè)過程施工安全。④研究一種保證航道通航，減少大量大臨設(shè)施的搭建，同時又能有效提高鋼桁梁架設(shè)過程中安全、質(zhì)量、進(jìn)度的施工方法，以節(jié)省施工成本，提高施工效率。⑤研究、使用一種在鋼桁梁懸臂架設(shè)過程中，能隨懸臂架設(shè)距離不斷加長，鋼桁梁吊裝設(shè)備始終滿足架設(shè)需求。2.2研究方法。①采用Midas結(jié)構(gòu)受力軟件對邊跨支架進(jìn)行整體建模分析，結(jié)合不利工況對結(jié)構(gòu)受力提前進(jìn)行分析和計算，找出其中的受力薄弱環(huán)節(jié)是否滿足結(jié)構(gòu)受力需要，保證施工作業(yè)安全。同時以架設(shè)的鋼桁梁自身為撬桿、部分臨時支架作支點、加后錨配重系統(tǒng)，保證阻力端的作用力比施力端的作用力足夠大實現(xiàn)單懸臂架設(shè)，在架設(shè)過程中，保證鋼梁架設(shè)過程中的安全系數(shù)大于1.3，防止發(fā)生傾覆事情。②設(shè)計出了一種柔性后錨結(jié)構(gòu)，保證鋼桁梁逐節(jié)間架設(shè)過程抗傾覆系數(shù)大于1.3，保證了架設(shè)安全，同時降低了由溫度變化鋼梁熱脹冷縮的應(yīng)力集中。③利用Midas結(jié)構(gòu)受力軟件對鋼桁梁雙懸臂架設(shè)過程進(jìn)行整體建模分析和計算，找出其中的受力薄弱環(huán)節(jié)是否滿足結(jié)構(gòu)受力需要，保證施工作業(yè)安全。同時利用中主墩、墩旁托架及臨時桿件形成支點；中主墩兩側(cè)鋼桁梁同步、對稱懸拼架設(shè)，最終形成類似一種“杠桿平衡”的工藝原理。同時嚴(yán)格控制兩側(cè)鋼桁梁對稱安裝相差不能超過半個節(jié)間，避免在鋼桁梁在架設(shè)過程中，因受力不均，發(fā)生傾覆的事故發(fā)生，從而保證了鋼桁梁懸臂對稱架設(shè)施工的整體安全。④應(yīng)用BIM技術(shù)、Midas結(jié)構(gòu)受力軟件，通過對鋼桁梁由中墩至中跨合龍口雙懸臂架設(shè)過程進(jìn)行整體建模分析和計算，確定了一種鋼桁梁雙懸臂對稱架設(shè)施工方案。保證了航道通航，節(jié)省了在水中制造大量臨時設(shè)施的成本，縮短了施工工期，保證了施工安全。⑤通過對國內(nèi)同類型鋼桁梁架設(shè)設(shè)備進(jìn)行比選，確定采用特制安裝設(shè)備，實現(xiàn)隨鋼桁梁節(jié)間架設(shè)，橋面桅桿式起重機向前走行，從而達(dá)到設(shè)備與鋼桁梁步履式前行，鋼桁梁逐節(jié)間架設(shè)的目標(biāo)。

3主要研究成果

3.1施工準(zhǔn)備。3.1.1邊墩邊跨支架安裝。施工現(xiàn)場利用300t履帶吊機進(jìn)行邊跨E0～E4節(jié)間鋼梁安裝施工，受場地限制，需同步安裝臨時支架和鋼梁，即E1、E2節(jié)點支架A及E0E1節(jié)間鋼梁安裝完成后，每安裝完成一個節(jié)間的臨時支架就安裝該節(jié)間的鋼梁。具體安裝步驟如圖1。此外每個部位的沖釘和安裝螺栓數(shù)量不得少于孔眼總數(shù)的1/3，其中沖釘占其中的2/3。邊墩鋼桁梁及邊跨支架安裝完成后，在鋼桁梁上弦位置處安裝橋面桅桿式起重機，實現(xiàn)鋼桁梁由邊墩至跨中合龍口單懸臂架設(shè)施工。3.1.2中墩墩旁托架對稱安裝。施工現(xiàn)場利用50t汽車吊進(jìn)行水中墩（239#）墩旁托架安裝施工，具體安裝步驟如圖2。水中墩（239#）墩旁托架安裝施工，為墩旁托架上方臨時桿件安裝架設(shè)提供施工條件。3.1.3中墩臨時桿件對稱安裝。施工現(xiàn)場利用300t浮吊進(jìn)場至吊裝工位，進(jìn)行臨時桿件安裝，具體安裝步驟如圖3。中墩墩旁托架及臨時桿件安裝完成后，在中墩頂安裝墩頂4節(jié)間鋼桁梁。鋼桁梁安裝完成后在鋼桁梁上弦位置處安裝橋面桅桿式起重機，實現(xiàn)鋼桁梁由中主墩至兩側(cè)跨中合龍口雙懸臂同步、對稱架設(shè)施工。3.2滑動走行橋面桅桿式起重機組裝。橋面桅桿式起重機主要由轉(zhuǎn)臺總成、臂架總成、A型架、主副起升機構(gòu)、變幅機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、底盤系統(tǒng)、走行機構(gòu)、錨固裝置、電器控制系統(tǒng)、駕駛室等組成。橋面桅桿式起重機行走軌道安裝在鋼桁梁上弦桿上，上弦桿距地面高約46m，經(jīng)初步計算，橋面吊機構(gòu)件吊裝最重為42t，吊高38m。邊跨（237#、241#）采用M300S-2履帶吊，中跨（239#）采用300t浮吊安裝能滿足施工要求。下面以一臺橋面桅桿式起重機安裝方法作介紹。3.2.1走行機構(gòu)安裝。走行機構(gòu)包含2個承壓支座、1根橫梁。先將橫梁與承壓座連接好，吊裝到鋼梁起始架設(shè)鋼梁弦桿節(jié)點位置，做好錨固。注意事項及驗收標(biāo)準(zhǔn)：嚴(yán)格控制走行橫梁間距，現(xiàn)場測量控制水平間距誤差不大于2mm，對角誤差不大于±5mm。3.2.2底盤系統(tǒng)或下車結(jié)構(gòu)安裝。底盤系統(tǒng)及下車結(jié)構(gòu)先在預(yù)拼場通過螺栓連接形成一個整體，注意調(diào)節(jié)得到底盤系統(tǒng)及下車結(jié)構(gòu)橫梁預(yù)拱度，通過測量保證，回轉(zhuǎn)連接系平面度誤差小于2mm，整體吊裝至安裝位與滑座連接。3.2.3回轉(zhuǎn)支撐安裝。將回轉(zhuǎn)支承與底盤系統(tǒng)回轉(zhuǎn)支承座連接，將回轉(zhuǎn)支承定位后，按180°方向?qū)ΨQ交叉擰緊安裝螺栓，同時檢查回轉(zhuǎn)支承的自由回轉(zhuǎn)狀況。擰緊螺栓時應(yīng)該有足夠的預(yù)緊力。3.2.4轉(zhuǎn)臺安裝。轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)采取整體吊裝，與回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈螺栓同時安裝。轉(zhuǎn)臺通過回轉(zhuǎn)支承連接座與回轉(zhuǎn)支承的螺栓連接。螺栓安裝方式與下車回轉(zhuǎn)支承連接座與回轉(zhuǎn)支承一致。回轉(zhuǎn)減速機通過減速機底座安裝在轉(zhuǎn)臺上，通過實配測量劃線確定墊板的厚度及安裝位置。用轉(zhuǎn)臺底座在轉(zhuǎn)臺外腹板上實配螺栓孔，調(diào)節(jié)墊板厚度控制齒輪嚙合間隙。安裝好減速機后進(jìn)行回轉(zhuǎn)支承調(diào)試：往回轉(zhuǎn)支承加潤滑油，邊加注邊緩慢回轉(zhuǎn)。檢查齒輪是否干涉，確認(rèn)螺栓是否全部擰緊，確認(rèn)回轉(zhuǎn)是否正常。3.2.5A型架安裝。利用吊裝設(shè)備將A型架整體起吊，A型架與轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)耳座精確對位，穿好銷軸卡板。A型架安裝注意事項及檢驗方法：①A型架吊裝至轉(zhuǎn)臺后，采用手拉葫蘆進(jìn)行微調(diào)，精確對位后再穿銷軸；②起升設(shè)備調(diào)整拉桿時，檢查鋼絲繩、吊點等連接，并嚴(yán)格按照起重作業(yè)要求進(jìn)行規(guī)范操作。3.2.6卷揚機安裝。變幅卷揚機安裝在做好的卷揚機底座上通過螺栓連接。主起升卷揚機和副起升卷揚機通過連接螺栓與轉(zhuǎn)臺腹板與橫向連接角鋼栓接。3.2.7臂架安裝。臂架整體吊裝，先粗對位至轉(zhuǎn)臺上臂架鉸接座。然后用導(dǎo)鏈葫蘆微調(diào)，穿好銷軸上卡板，再往筒套內(nèi)加注輪滑油，在起重設(shè)備作用下測試臂架回轉(zhuǎn)情況，臂架旋轉(zhuǎn)正常平穩(wěn)順暢無異響方可拆鉤。由于是在橋面吊裝，沒有對臂架的支撐，需要在履帶吊機吊裝情況下穿繞變幅鋼絲繩。3.2.8鋼絲繩安裝。鋼絲繩的纏繞按變幅鋼絲繩、主鉤鋼絲繩、副鉤鋼絲繩的順序進(jìn)行，不得隨意變換順序。在臂架頭部位置，人工按設(shè)計圖的鋼絲繩纏繞方式將頂滑輪和動滑輪間的引繩纏繞好。連接好牽引繩和吊機自身鋼絲繩，然后用1t的卷揚機，牽引牽引繩到架梁吊機自身卷揚機位置。利用自身卷揚機將鋼絲繩頭牽引到卷揚機位置停止，將鋼絲繩安裝到卷筒上。再啟動卷揚機，將鋼絲繩纏繞到位。副鉤鋼絲繩纏繞和變幅鋼絲繩纏繞與主起升鋼絲繩纏繞方法一致。3.2.9其他部件安裝。扶梯平臺安裝以安全方便為原則，作為走行機構(gòu)到轉(zhuǎn)臺，再到駕駛室通道。駕駛室安裝在轉(zhuǎn)臺前部，由支承槽鋼支撐。3.3邊跨柔性后錨系統(tǒng)安裝。當(dāng)架設(shè)到E4節(jié)間時，需在邊墩布置后錨系統(tǒng)，以使鋼梁懸拼施工時抗傾覆滿足規(guī)范要求，同時也要滿足后錨裝置在安裝完成后，鋼桁梁橫梁受力、分配梁受力、錨梁受力、鋼絞線受力、錨杯受力以及鋼結(jié)構(gòu)局部受力滿足各部位的承受范圍。3.4鋼桁梁懸臂拼裝。橋面桅桿式起重機組裝調(diào)試完成后，利用橋面桅桿式起重機進(jìn)行鋼桁梁懸臂架設(shè)施工，鋼桁梁桿件吊裝順序如下：下弦桿、斜桿、豎桿、上弦桿、橫梁、下平聯(lián)、縱梁、上平聯(lián)、橫聯(lián)，全部桿件安裝完成后形成封閉節(jié)間。3.5橋面桅桿式起重機走行下一節(jié)間。滑動走行橋面全回轉(zhuǎn)桅桿吊機走行原理為：頂升機架，機架相對橋面固定，通過行走油缸頂推機架在走道上滑移，兩者一靜一動，交錯向前滑移，油缸行程1.2m，每次頂推1m，實現(xiàn)步履式行走。起頂?shù)鯔C向前滑移走行步驟：①拆除錨固系統(tǒng)及錨固吊耳；②起頂?shù)鯔C，通過液壓油缸向前移動軌道；③走行到位后，此時吊機前支點應(yīng)支撐在鋼桁梁隔板位置；④鋼桁梁吊裝前，應(yīng)對吊機錨固鎖定。3.6循環(huán)懸臂拼裝至合龍。利用橋面桅桿式起重機進(jìn)行邊墩至合龍口單懸臂架設(shè)，中墩至跨中雙懸臂架設(shè)。在懸臂架設(shè)過程中桿件拼裝順序如下：下弦桿→下平聯(lián)→豎桿→斜桿→上弦桿→縱梁→橫梁→上平聯(lián)→橫聯(lián)→吊機一位下一節(jié)間。在懸臂施工中，沖釘數(shù)量不得少于50%，其余孔眼布置螺栓，并且要等一個節(jié)間的高栓全部施擰完成后，橋面桅桿式起重機才能走行去吊裝下一個節(jié)間循環(huán)施工直至懸臂架設(shè)至合龍口，完成合龍。3.7應(yīng)力監(jiān)控及計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力的監(jiān)控測量包括：鋼桁梁上、下弦桿應(yīng)力測試，鋼桁梁斜、豎桿和主橫梁應(yīng)力測試。在鋼桁梁懸臂架設(shè)過程中貫穿始終，提供安全保證。避免意外情況對結(jié)構(gòu)造成危害，保證施工過程中橋梁結(jié)構(gòu)安全，并也要保證在運營階段橋梁結(jié)構(gòu)有足夠大的安全儲備。

4研究結(jié)論

①采用雙懸臂同步對稱架設(shè)施工工藝進(jìn)行施工，減少了臨時結(jié)構(gòu)的搭設(shè)和設(shè)備的使用，節(jié)省大量的人力物力，省去大量的前期準(zhǔn)備時間，而且施工時的受力狀態(tài)與建成后的受力狀態(tài)基本一致，因而可節(jié)省施工用材。并且對于這種跨河跨江的鋼橋架設(shè)來說，懸臂施工不影響通航，船只可以正常行駛，非常的省時省力，節(jié)省成本。②按照懸臂架設(shè)施工工藝進(jìn)行施工，在有限的空間內(nèi)進(jìn)行同步架設(shè)施工，并通過測量監(jiān)控滿足施工架設(shè)安全，縮短了整體施工工期。③中墩至跨中鋼桁梁采用雙懸臂同步對稱架設(shè)施工，使的鋼桁梁安裝時間由原來的290天縮短至230天，大大縮短了施工工期。④在鋼桁梁懸臂架設(shè)過程中，采用橋面桅桿式起重機。實現(xiàn)隨節(jié)間同步行走，保證了架設(shè)過程中設(shè)備需求，間接加快了現(xiàn)場安裝效率。

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作者:李巖 單位:中鐵六局建安公司鋼結(jié)構(gòu)分公司