大跨度钢桁梁上支架拼装柔性拱的方法
技术领域
本发明涉及桥梁施工技术领域。更具体地说,本发明涉及大跨度钢桁梁上支架拼装柔性拱的方法。
背景技术
拱桥在中国有着悠久的历史。由于其结构形式多样、跨越能力大、承载能力高、造型美观等特点,长期以来是中国主要桥型之一。我国的拱桥按材料分类主要分为石拱桥、钢拱桥和混凝土拱桥三种类型,其中石拱桥是我国修建最早的。
2000年以前,钢拱桥在中国修建较少,2000年以后,钢拱桥的应用日益增多。相比于其他拱桥,钢拱桥在中国大量应用的时间还较短,设计、制作与架设等方面的经验积累与总结还不够,理论研究与规范制定还有许多工作要做。与钢管混凝土拱桥和钢筋混凝土拱桥相似,支架法、悬臂施工法和转体施工法是中国钢拱桥最常用的施工方法。除上述3种方法外,由于构件自重相对较轻、刚度较大,还有一些其他施工方法,如整体顶推法和大节段吊装法等。支架施工法主要用于跨径不大的桥梁,特别是刚梁柔拱的铁路桥,其加劲梁采用一般梁桥的架设方法完成后,再在其上面搭设支架原位架设拱肋部分。对于水深较浅、航运要求不高的小跨径钢拱桥,也有采用临时支架的施工方法。
发明内容
本发明还有一个目的是提供大跨度钢桁梁上支架拼装柔性拱的方法,其施工方法可确保梁上拼装拱肋进度,施工简便、缩短了工期、降低施工成本且施工风险较小。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点,提供了大跨度钢桁梁上支架拼装柔性拱的方法,包括以下步骤:
步骤一、在已施工完成的钢桁梁主梁面上搭设与拱肋线性相匹配的拼装支架;
步骤二、首节段拱肋沿长度方向的一端具有销孔,采用履带吊起吊首节段拱肋,使其一端的销孔与第一桥墩处的拱脚耳板对位,另一端缓慢落于支架顶部,调整线形及标高至设定位置后,立即将首节段拱肋的一端与拱脚耳板通过销轴铰接,另一端在支架顶部通过焊卡板进行临时限位,然后履带吊松钩;
步骤三、履带吊起吊第一中间节段拱肋至支架顶部上,第一中间节段拱肋沿长度方向的一端与首节段拱肋另一端进行粗调位匹配,通过焊卡板进行临时限位后履带吊松钩后,选择无日照偏晒,温差在5℃以内的时段,采用支架顶部布置的三向千斤顶精确调整第一中间节段拱肋,待线形及标高调整为设定位置后,立即对第一中间节段拱肋的一端和首节段拱肋另一端之间的接缝处进行码板和焊接;
步骤四、钢桁梁主梁面上的多个拱肋相对的每一节拱肋节段均同步拼装,第一中间节段拱肋的一端和首节段拱肋另一端焊接完成后,选择无日照偏晒,温差在5℃以内的时段,利用汽车吊起吊拱肋平联连接相邻的首节段拱肋,并对连接处的接缝进行码板和焊接;
步骤五、重复步骤三和步骤四,先拼装第二中间节段拱肋,再拼装相邻第一中间节段拱肋之间的拱肋平联,依次重复拼装,直至完成第一桥墩一侧边整个半拱圈的拼装和焊接;
步骤六、完成第一桥墩一侧边整个半拱圈的拼装后,重复步骤一和步骤二完成与第一桥墩一侧边相邻的第二桥墩拱脚处的首节段拱肋的拼装,继续重复步骤三、步骤四、步骤五依次拼装完成第二桥墩靠近第一桥墩一侧边的半拱圈的拼装,从而完成拱肋在拼装支架上的拼装。
优选的是,所述钢桁梁为三主桁结构,且采用双层正交异性桥面板。
优选的是,所述拼装支架采用角钢构件和格构柱式结构体系。
优选的是,所述拱肋拼装为动态拼装,具体步骤如下:1)实测拱脚处销轴转动轴中心坐标和已拼装首节段拱肋另一端监控点坐标;2)根据实测销轴转动轴中心坐标,代入拱肋理论拼装线形模型,可推导出已拼装首节段拱肋另一端监控点的理论坐标;3)将首节段拱肋另一端实测坐标与推导出的理论坐标进行比较,得出偏差值,如果偏差在5mm以内,则继续拼装;否则,须调整首节段拱肋另一端的空间位置,然后重新测量和计算,直至满足偏差在5mm以内,才能继续拼装第一中间节段拱肋;4)重复步骤1)、步骤2)、步骤3),完成第一中间节段拱肋的拼装,完成后再继续拼装下一个节段拱肋,直至完成整个拱肋的拼装。
优选的是,所述拱肋为钢箱型结构,三桁拱肋同步进行焊接,相邻节段拱肋焊接接缝时先对称焊接拱肋两侧腹板,然后焊接底板,最后焊接顶板。
优选的是,所述步骤六中,在拼装第二桥墩半拱圈时,相邻第一中间节段拱肋之间的拱肋平联和相邻首节段拱肋之间的拱肋平联先不拼装,待所有拱肋节段及其余的拱肋平联拼装焊接完成,履带吊退场后,再利用汽车吊起吊拼装相邻第一中间节段拱肋之间的拱肋平联和相邻首节段拱肋之间的拱肋平联,以完成第二桥墩侧边半拱圈的拼装。
本发明至少包括以下有益效果:
第一、本发明采用角钢格构柱式结构体系的拱肋拼装支架,相比传统钢管或其他型钢塔架结构体系,重量轻,可有效降低施工过程中主桁梁关键部位的应力水平和变形;迎风面小,抗风稳定性好;支架搭设和拆除非常方便快捷,缩短了施工工期,提高了经济效益。
第二、本发明中三拱肋钢箱拱肋拼装施工采用成熟的支架法拼装工艺,采用履带吊和汽车吊辅助起重设备,施工方便快捷,风险小;拱肋拼装可多作业面施工,对多肋柔性拱而言,有效缩短施工工期。
第三、本发明的钢桁梁梁面拼装裸拱肋,采用从两端拱脚往跨中的拼装方法,拱肋拼装完成,接着完成平联的安装,采用现有拼装方法使用的龙门吊机或者桥面吊机,都会导致设备最后到了跨中无法走出来,而本发明采用履带吊或者汽车吊都比较灵活机动。
第四、现有的桥梁主梁是混凝土梁,刚度比本发明拼装方法中的柔性拱钢桁梁主梁大很多,且拱肋拼装高度不大,所以有条件布置龙门吊机;而本发明是在钢桁梁梁面拼装拱肋,拼装时拱肋高度达20多米,且三桁拱肋结构和钢桥面板不利于龙门吊机的布置。
第五、本发明的施工方法适用于具有以下3个特点的柔性拱:1)本发明为柔性拱钢桁梁,钢桁梁施工完成后,其主梁跨中下挠变形大,在钢桁梁上支架拼装拱肋,在拱肋自重荷载作用下钢桁梁变形更大,同时拼装设备自重对钢桁梁安装影响也较大,因此现有的拼装方法中使用的吊装设置不适用于本发明的施工,本发明使用的履带吊和汽车吊自重较轻且行动灵活;2)实施的桥梁为公铁两用桥,跨度大、荷载大,梁上支架重量受限,支架重量过大将导致钢桁梁自身结构的安全有问题;而现有的混凝土梁刚度大、变形小,且拱肋采用的是钢管混凝土的刚性拱,拱肋拼装时自身变形很小,控制难度小,而本发明采用的拱肋为箱型结构且拼装时先拼装两个半拱圈,再竖转体合龙完成整个拱,支架搭设不用太高,自重自然轻,满足本发明钢桁梁的荷载;3)实施安装的拱肋为柔性拱且为三拱肋,本发明的拱桥的拱相比主梁的刚度弱,拼装过程中拱肋自重也会对拱肋拼装线性有影响,因此在逐节拼装拱肋节段时,需要动态调整,不同于现有技术的一次性拼装成型。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现,部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明拱肋拼装总体立面图;
图2为本发明拱肋拼装总体平面图;
图3为本发明拱肋拼装完成后的总体立面图;
图4为本发明拱肋拼装支架总体断面图;
图5为本发明拱肋拼装支架搭设布置图;
图6为本发明拱肋吊装图;
图7为本发明拱肋精确调位图;
图8为本发明拱肋平联吊装图;
图9为本发明首节段拱肋与拱脚耳板的连接图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明,以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是,下述实施方案中所述实验方法,如无特殊说明,均为常规方法,所述试剂和材料,如无特殊说明,均可从商业途径获得;在本发明的描述中,术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
如图1至9所示,本发明提供大跨度钢桁梁上支架拼装柔性拱的方法,包括以下步骤:
步骤一、在已施工完成的钢桁梁主梁面上搭设与拱肋线性相匹配的拼装支架3;拼装支架3结构较为灵活,所起的作用均为支撑拱肋成型,不会因支架不同导致拼装过程的差异化,因此本发明不一一列举拼装支架3的具体结构;
步骤二、采用履带吊2自桥面存放处吊装首节段拱肋101至平板车1上,平板车1运输首节段拱肋101至待拼装处,拼装时从第一桥墩8的拱脚位置开始往跨中方向逐节拼装,首节段拱肋101沿长度方向的一端具有销孔,此销孔与拱脚处的耳板孔相配合,采用履带吊2起吊首节段拱肋101,使其一端的销孔与第一桥墩8处的拱脚耳板10对位,与拱脚进行调位销铰连接,另一端缓慢落于支架3顶部,履带吊2在起吊首节段拱肋101调位过程中不松钩,调整线形及标高至设定位置后,此设定位置为通过计算得出的理论线形和标高,同时满足高速铁路验收标准及监控要求,具体调整后的误差不超过理论值为:竖向2mm、横向5mm、纵向5mm,立即将首节段拱肋101的一端销孔与拱脚耳板孔通过销轴插入铰接,另一端在支架3顶部通过焊卡板进行临时限位,然后履带吊2松钩;
步骤三、平板车1运输第一中间节段拱肋102至待拼装处,履带吊2起吊第一中间节段拱肋102至支架3顶部上,第一中间节段拱肋102沿长度方向的一端与首节段拱肋101另一端进行粗调位匹配,履带吊2松钩后通过焊卡板进行临时限位,此时履带吊2及其他行走设备退回至第二桥墩9顶位置停放,选择无日照偏晒,温差在5℃以内的时段,采用支架3顶部布置的三向千斤顶4精确调整第一中间节段拱肋102,待线性及标高调整为设定位置后,此设定位置为通过计算得出的理论线形和标高,同时满足高速铁路验收标准及监控要求,具体调整后的误差不超过理论值为:竖向2mm、横向5mm、纵向5mm,立即对第一中间节段拱肋102的一端和首节段拱肋101另一端之间的接缝处进行码板和焊接,为防止焊接变形对拱肋线形的影响,三桁拱肋的拱肋节段接缝处同步进行焊接;
步骤四、钢桁梁主梁面上的多个拱肋相对的每一节拱肋节段均同步拼装,也就是桥面上有多个并排的拱肋,拼装时相对的每一节拱肋节段同步拼装,塔吊5直接提升拱肋平联上桥至平板车1上,平板车1运输拱肋平联至待拼装处,第一中间节段拱肋102的一端和首节段拱肋101另一端焊接完成后,选择无日照偏晒,温差在5℃以内的时段,利用汽车吊6起吊首节段拱肋间的拱肋平联201连接相邻的首节段拱肋101,并对连接处的接缝进行码板和焊接;拱肋平联滞后拱肋一个节段进行安装,以避免对拱肋线形造成影响。拱肋拼装的施工过程中,拱肋吊装及粗调位不限时段;精调位时,先将桥面临时荷载进行清理,起重设备必须停靠在桥墩顶区域,然后选择在夜晚气温相对恒定时段进行拱肋的精确调整,也就是选择无日照偏晒,温差在5℃以内的时段,以避免桥面临时荷载和温差对拱肋线形造成影响。拱肋在精确调位完成,立即进行码板焊接,为防止焊接变形对拱肋线形的影响,三桁拱肋同步进行焊接。
步骤五、重复步骤三和步骤四,先拼装第二中间节段拱肋103,再拼装相邻第一中间节段拱肋之间的拱肋平联202,依次重复拼装,根据设定的半拱圈线型及标高完后后续的拱肋节段拼装,直至完成第一桥墩一侧边整个半拱圈的拼装和焊接;
步骤六、完成第一桥墩8一侧边整个半拱圈的拼装后,利用塔吊5拆除第二桥墩9桥面处桥面吊机7,重复步骤一和步骤二完成与第一桥墩8一侧边相邻的第二桥墩9拱脚处的首节段拱肋101的拼装,继续重复步骤三、步骤四、步骤五依次拼装完成第二桥墩9靠近第一桥墩8一侧边的半拱圈的拼装,从而完成拱肋在拼装支架3上的拼装。
在另一种技术方案中,所述钢桁梁为三主桁结构,且采用双层正交异性桥面板。三主桁结构使得拱肋也是三个并排的拱肋,拼装时同步进行拼装,另外三拱肋拱脚处需要确保后期竖向转动时转动绞同心,也就是同一桥墩处的三个拱脚耳板10处与首节段拱肋101的一端铰接的销轴轴心位于同一直线上。
在另一种技术方案中,所述拼装支架3采用角钢构件和格构柱式结构体系。拼装支架3与主梁顶面预留座进行焊接连接,结构轻便且抗风稳定性好。拱肋拼装支架在工厂内分节制作,陆运至施工现场,采用第二桥墩处的塔吊提升上桥,通过平板车运至待拼装处,再采用汽车吊进行搭设,拼装支架的底部焊接到钢桁梁主梁面预留的底座上;支架与支架之间通过螺栓连接,能加快拼装的进度。
在另一种技术方案中,所述拱肋拼装为动态拼装,拱肋每拼装完成一个节段,须根据实测主梁线形和拱脚中心坐标,重新计算拱肋理论线形,再与拱肋实测线形进行比较分析,提出下一节段拱肋的拼装控制坐标,以动态有效掌控拱肋的拼装线形,具体步骤如下:1)实测拱脚处销轴转动轴中心坐标和已拼装首节段拱肋另一端监控点坐标;2)根据实测销轴转动轴中心坐标,代入拱肋理论拼装线形模型,可推导出已拼装首节段拱肋另一端监控点的理论坐标;3)将首节段拱肋另一端实测坐标与推导出的理论坐标进行比较,得出偏差值,如果偏差在5mm以内,坐标的每个点均需满足此偏差,则继续拼装;否则,须调整首节段拱肋另一端的空间位置,然后重新测量和计算,直至满足偏差在5mm以内,才能继续拼装第一中间节段拱肋;4)重复步骤1)、步骤2)、步骤3),监控单位再发出下一节段拱肋拼装指令的控制坐标,现场按指令坐标拼装下一节段拱肋,完成第一中间节段拱肋的拼装,完成后再继续拼装下一个节段拱肋,直至完成整个拱肋的拼装。与常规不同的是,每次均要实测拱脚转动轴中心坐标,然后带入模型理论算出拱肋的理论线形,这个线形是动态的,不是一成不变的。主梁跨度大,自重也大,拱肋及支架自重依靠主梁来承受,其跨中下挠量大,拱肋每拼装完成一个节段,须根据实测主梁线形和拱脚中心坐标,重新推算拱肋理论线形,再与拱肋实测线形进行比较分析,提出下一节段拱肋的拼装控制坐标,以动态有效掌控拱肋的拼装线形,控制起来比较繁琐复杂。而对于拱肋常规原位拼装方法,拱肋线形都是一次给定的,无需反复调整,线形控制相对简单很多。常规原位拼装拱肋过程中,主梁变形小,可以忽略不计,拱肋逐节拼装过程中,就像在地面拼装一样,所以拱肋线形是一次计算完成,不需要动态调整;而本发明在拱肋拼装过程中,主梁变形大,导致拱肋线形每拼装完一节,不在原模型计算的坐标位置,所以需根据现场实际主梁变形量,动态调整模型,才能计算出拱肋实际应当在的位置,由于每拼装一节,就要重新调整一次计算模型,控制起来当然非常的繁琐复杂。
在另一种技术方案中,所述拱肋为钢箱型结构,三桁拱肋同步进行焊接,相邻节段拱肋焊接时先对称焊接拱肋两侧腹板,然后焊接底板,最后焊接顶板。所述拱肋为钢箱梁结构,拱肋节段及拱肋平联在制造厂内制造,通过驳船运输至第二桥墩9桥位处桥面吊机7下方,采用桥面吊机7提升上桥,利用平板车1运输至边跨桥面临时存放;使用时,再利用履带吊2吊至平板车1上运至待拼装位置处,现场焊接。焊接时两个拱肋节段接头位置按照一定的顺序焊接,能避免拱肋轴线偏位过大,确保了拱肋拼装质量。由于钢结构焊接时会受热,受热就会膨胀,同样冷却下来就会收缩变形,两侧腹板同时焊接,钢结构这张变形也会相互制约,不至于产生过大的轴偏;如果先焊接底板,由于底板空间只够一个人操作,不可能做到对称同时焊接,如此必然会导致焊接变形使拱肋轴线偏向一侧;先对称焊接腹板还有一个好处,腹板焊接完成后,拱肋的线形相对而言已经固定了,在焊接其他部位,不会导致拱肋出现过大的轴偏。
在另一种技术方案中,步骤六中,在完成第二桥墩9半拱圈的拼装时,相邻第一中间节段拱肋之间的拱肋平联202和相邻首节段拱肋之间的拱肋平联201先不拼装,给起重运输设备进出留出空间,待所有拱肋节段拼装焊接完成,履带吊退场后,再利用汽车吊6起吊第一中间节段拱肋之间的拱肋平联202和首节段拱肋之间的拱肋平联201完成拱肋平联拼装,以完成第二桥墩9侧边半拱圈的拼装。至此,拱肋在梁面支架上拼装完成,等待后续的竖向转体及合龙施工。
实施例
背景:
沪通长江大桥天生港专用航道桥为刚性梁柔性拱桥,跨度布置为:140+336+140m,是目前世界跨度最大的钢桁梁柔性拱桥。主梁为三主桁钢桁梁结构,桁间距17.25m;拱肋为Q500qE钢结构,箱形截面,柔性拱矢高60m,拼接方式为全焊,杆件最重约60.5t;拱梁结合部位为整体节点,上弦杆顶底板在该处连续,节点板穿过上弦杆顶板连接拱肋竖板。
拱肋平面设置联结系,加劲弦之间设置交叉形平联,横联杆件截面均为工字形。平联材质为Q345qD,平联与拱肋采用现场焊接连接。专用航道桥钢桁梁主跨合龙后,在桥面上搭设支架安装拱肋节段,利用吊索塔架辅助竖转、合龙。
沪通长江大桥钢拱桥拱肋梁面支架拼装法与常规支架法施工区别在于:
(1)钢桁梁主梁跨度大、自重也大,在梁面搭设支架拼装拱肋时,须严格控制支架自重不超设计限值,客观要求拼装支架设计时力求轻便,且能满足施工期间的结构受力及稳定性要求。
(2)钢桁梁跨度大,变形大。拱肋拼装完成后,主梁跨中最大下挠变形达20cm,拱肋拼装过程中,主梁线形是动态变化的,拱肋整体线形控制难度大。
(3)钢桁梁、拱肋、支架均为钢结构,日照、气温和施工荷载的布置等因素均会对拱肋拼装线性造成较大影响。
具体施工方法:
多桁刚性梁柔性拱钢拱桥拱肋拼装的施工方法,包括在已施工完成的钢桁梁主梁面搭设拼装支架、中桁拱脚现场装焊,还包括以下步骤:
步骤一、平板车1运输首节段拱肋101至待拼装处,从第一桥墩8拱脚位置开始往跨中方向拼装拱肋,采用100t履带吊2起吊首节段拱肋101,首节段拱肋101在图1中的左端缓慢落在支架3顶部,右端与拱脚进行调位销铰连接。100t履带吊2在起吊首节段拱肋101调位过程中不松钩,待线形及标高满足监控及设计要求后,立即将首节段拱肋101与拱脚耳板10对位后的销接孔打入销轴,在支架3顶对首节段拱肋101前端加焊卡板进行临时限位,然后100t履带吊2松钩,依次继续拼装下一节段拱肋。
步骤二、平板车1运输第一中间节段拱肋102至待拼装处,100t履带吊2起吊安装第一中间节段拱肋102进行拼装,与首节段拱肋101左端进行粗调位匹配,松钩后临时限位;100t履带吊2及其他行走设备退回至第二桥墩9顶位置停放,选择无日照偏晒,温差在5℃以内的时段,采用支架3顶部布置的三向千斤顶4精确调整第一中间节段拱肋102线形及标高,满足设计及监控要求后,立即对拱肋接缝处进行码板和焊接。
步骤三、1000t.m塔吊5直接提升拱肋平联上桥至平板车1上,平板车1运输首节段拱肋的拱肋平联201至待拼装处,利用50t汽车吊6起吊首节段拱肋的拱肋平联201进行拼装,选择无日照偏晒,温差在5℃以内的时段,进行拱肋平联对接缝的码板焊接;拱肋平联滞后拱肋一个节段进行安装,以避免对拱肋线形造成影响。
步骤四、重复步骤二、三继续依次拼装第二中间节段拱肋103和第一中间节段拱肋的拱肋平联202,直至完成第一桥墩8侧整个半拱圈的拼装和焊接。
步骤五、在完成第一桥墩8侧半拱圈的拼装后,利用1000t.m塔吊5拆除第二桥墩9桥面处75t桥面吊机7,重复步骤一完成第二桥墩9侧拱脚首节段拱肋的拼装,继续重复步骤二、三依次拼装完成其他拱肋节段,期间第二桥墩9侧拱脚处第一中间节段拱肋的拱肋平联202和首节段拱肋的拱肋平联201暂不拼装,给起重运输设备进出留出空间,待所有拱肋节段拼装焊接完成,100t履带吊2退场后,再利用50t汽车吊6拼装第一中间节段拱肋的拱肋平联202和首节段拱肋的拱肋平联201,以完成第二桥墩9侧半拱圈的拼装。至此,拱肋在梁面支架3上拼装完成,等待后续的竖向转体及合龙施工。
尽管本发明的实施方案已公开如上,但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用,它完全可以被适用于各种适合本发明的领域,对于熟悉本领域的人员而言,可容易地实现另外的修改,因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下,本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。