独柱钢塔分离式超宽钢箱梁斜拉桥上部结构施工工法.pdf
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1、独柱钢塔分离式超宽钢箱梁斜拉桥上部结构施工工法独柱钢塔分离式超宽钢箱梁斜拉桥上部结构施工工法目录 1 前言1 前言.12 工法特点2 工法特点.13 适用范围3 适用范围.24 工艺原理4 工艺原理.25 施工工艺流程及操作要点5 施工工艺流程及操作要点.25.1 施工工艺流程5.1 施工工艺流程.25.2 操作要点5.2 操作要点.35.2.1 边跨梁段吊装5.2.1 边跨梁段吊装.35.2.2 边跨支架梁段全焊高程控制措施5.2.2 边跨支架梁段全焊高程控制措施.55.2.3 桥面吊机静载试验5.2.3 桥面吊机静载试验.55.2.4 悬拼施工阶段约束体系5.2.4 悬拼施工阶段约束体系.
2、65.2.5 钢箱梁悬臂架设5.2.5 钢箱梁悬臂架设.65.2.6 钢箱梁中跨合龙5.2.6 钢箱梁中跨合龙.85.3 劳动力组织5.3 劳动力组织.96 材料和设备6 材料和设备.96.1 主要材料6.1 主要材料.96.2 主要设备6.2 主要设备.107 质量控制7 质量控制.107.1 工程质量控制标准7.1 工程质量控制标准.107.1.1 执行标准7.1.1 执行标准.117.1.2 规范更新情况7.1.2 规范更新情况.117.2 工程质量要求7.2 工程质量要求.117.3 质量保证措施7.3 质量保证措施.128 安全措施8 安全措施.129 环保措施9 环保措施.1210
3、 效益分析10 效益分析.1310.1 经济效益10.1 经济效益.1310.2 社会效益10.2 社会效益.1311 应用实例11 应用实例.1311.1 工程概况11.1 工程概况.1311.2 施工情况11.2 施工情况.141独柱钢塔分离式超宽钢箱梁斜拉桥 上部结构施工工法 独柱钢塔分离式超宽钢箱梁斜拉桥 上部结构施工工法 1 前言 1 前言 随着大跨径斜拉桥的迅猛发展,斜拉桥主梁趋向轻型化,钢结构主梁得到广泛应用。同时,由于景观或构造的需要,索塔及主梁结构也趋于多样化,分离式钢箱梁近年来也逐步得到推广应用。该结构可以有效适应独柱型索塔,对于一定宽跨比的斜拉桥有突出的景观优势,并具有优
4、良的行车效果,也可以节省下部结构体量,缩短施工周期,具有可观的经济效益。此外,分离式钢箱梁相较于整幅钢箱梁,有着良好的颤振稳定性能,尤其适用于抗风性能要求高的建设条件和超大跨径缆索结构桥梁,在大跨度桥梁领域有着较好应用前景。中交第二航务工程局有限公司承建的浦仪公路西段夹江大桥为独柱钢塔分离式钢箱梁结构,结构新颖,景观效果好,装配化程度高,施工速度快。主桥钢箱梁断面分幅布置在索塔两侧,标准横断面总宽54.4m。该桥梁独柱型钢塔具有刚度弱的特点,悬臂拼装阶段需对结构体系的稳定性和安全性重点考虑。分离式钢箱梁中间采用横系梁联结,横系梁相对梁体较弱,吊装和运输过程中易发生变形,需展开技术攻关。为了促进
5、该桥型在我国类似桥梁工程项目中得到推广应用,根据浦仪公路西段夹江大桥上部结构施工实践经验特编制本工法。本工法关键技术获实用新型专利 1 项(一种桥面吊机竖向静载试验机构,专利号:ZL202020928990.6),1 项发明专利已受理(专利名称:一种支架段钢箱梁全焊接高程控制方法,申请号:202110060789.X)。2021 年 4 月 17 日,本工法被评选为 2020 年度中交第二航务工程局有限公司企业工法。2021 年 5 月 15 日本工法关键技术经中国公路建设行业协会组织专家委员会评价,达到国际先进水平。2 工法特点 2 工法特点 1、针对主桥钢塔结构刚度偏弱的特点,对上部结构钢
6、箱梁施工,提出并应用“边跨高支架存梁+中跨单悬臂拼装”工艺。该工艺较常规斜拉桥双悬臂拼装方案能够有效保证施工期结构安全。施工采用的“全漂浮钢塔斜拉桥悬拼阶段结构体系”对于塔柱刚度偏弱和边跨位于浅水区斜拉桥施工均有借鉴意义。2、“大跨径钢箱梁斜拉桥边跨支架全焊几何控制关键技术”能够有效解决钢箱梁焊接引起的梁段间夹角变形累积难题,有效保证支架上全焊接梁段落架后线型和应力准确。3、“一种桥面吊机竖向静载试验结构”通过设置钢结构平台对桥面吊机进行荷载试验,较常规的桥面吊机横卧、对拉方案受力与施工工况更吻合,且能有效避免桥面吊机“翻身”时自身结构发生变形。4、悬臂施工过程中,桥面吊机站位梁段和起吊梁段由
7、于受力状态不一致导致横向错缝过大,此特点在分离式超宽钢箱梁施工中表现突出。针对此设计总结出一套调整工装,有效消除相对变形。5、采用的“自然温差合龙”法相比常规的配切合龙和顶推合龙,对天气温度要求降低,不需要顶2推的步骤,将钢箱梁斜拉桥合龙的风险、临时设施投入、合龙难度均降至最低,且具有较高的合龙口焊缝控制精度。3 适用范围 3 适用范围 本工法以独柱分离式超宽钢箱梁斜拉桥上部结构施工为研究对象,形成一套成熟的工艺成果。其关键技术可广泛应用于各类型钢箱梁斜拉桥施工。4 工艺原理 4 工艺原理 钢箱梁斜拉桥标准梁段多采用桥面吊机悬臂拼装法施工。常规做法为在塔区 0#块位置拼装桥面吊机,后向两侧悬臂
8、拼装钢箱梁。为保证结构安全,在塔区设置临时锚固。独柱钢塔较常规混凝土索塔刚度偏弱,若采用双悬臂拼装方案,结构整体抗横风稳定性差,施工安全风险大。结合依托项目桥位边跨位于浅水区的水文特点,提出并应用“边跨高支架存梁+中跨单悬臂拼装”工艺进行上部结构钢箱梁施工。即边跨侧梁段在高支架上按照施工阶段线型要求调整里程位置和标高,焊接形成整体;中跨侧钢箱梁采用桥面吊机单悬臂拼装。在中跨侧箱梁拼装过程中对称挂设两侧斜拉索。在此总体方案条件下,针对边跨支架上全焊接梁段,“如何消除顶底板不均匀收缩引起的残余应力”是质量管控一大重难点。施工中从焊接收缩测量和支反力测量的角度出发推算出焊接变形量,对每一道焊接夹角变
9、化进行监测并在下一道焊缝予以补偿,从而有效避免了误差累积。合龙段常用施工方法有顶推法和配切法,本工法依托项目采用“自然温差合龙技术”:在温度影响下合龙口缝宽发生变化,利用温差,适时吊装合龙段,在适宜温度下实现合龙口锁定、焊接施工。5 施工工艺流程及操作要点5 施工工艺流程及操作要点 5.1 施工工艺流程 5.1 施工工艺流程 施工阶段 1:存梁高支架搭设 对边跨和 0#块高支架专项设计,在基础和桥塔施工阶段进行支架搭设。施工阶段 2:边跨、塔区存梁 汛期利用 800t 级浮吊船完成塔区梁段和边跨侧梁段吊装,后在高支架上按照监控指令对梁段进行调位,将边跨和塔区梁段焊接成整体。施工阶段 3:桥面吊
10、机安装 对塔区梁段调位、焊接完成后在 WZ1 梁段上拼装中跨侧悬拼用桥面吊机。施工阶段 4:标准梁段吊装 中跨侧 WZ2WZ15 梁段采用单悬臂拼装工艺,运梁船在桥面吊机正下方抛锚定位,直接起吊安装。过程中对称张拉斜拉索,边跨侧梁段斜拉索完成张拉后,取出梁底支垫,完成“落架”。在辅助墩墩顶梁段斜拉索张拉完成后按照监控指令施加第一次边跨压重。施工阶段 5:合龙段吊装 15#索的第二次张拉后,用桥面吊机吊装中跨合龙梁段,中跨合龙。后施加第二次边跨压重。3(a)汛期完成边跨梁段高支架存放(b)桥面吊机单悬臂拼装钢箱梁(c)辅助墩墩顶梁段斜拉索张拉后,边跨设置配重,继续悬臂拼装钢箱梁图 5.1-1 钢
11、箱梁安装总体施工流程图 5.2 操作要点 5.2.1 边跨梁段吊装 5.2 操作要点 5.2.1 边跨梁段吊装 1、起吊设备选型 存梁阶段边跨和 0#块支架已连接形成整体,将梁段直接吊放至已经搭设完成的高支架上,需浮吊顺江方向抛锚,浮吊大臂指向与钢箱梁宽度方向一致。依托项目钢箱梁宽度达 54.4m,支架顶距离水面高度达 30m,钢箱梁吊装过程中箱梁挑臂可能与浮吊大臂冲突,对浮吊要求高。项目处于南京长江大桥上游,大桥通航净高度为 24 米,满足吊装需求的浮吊 A 字架大多高于限高,无法到达施工区域。最终选择主钩最大起吊高度达 70m 的 800t 浮吊现场施工。图 5.2-1 浮吊照片 42、钢
12、箱梁吊装吊索具配置 分幅式钢箱梁整体吊装采用大型钢结构吊具。支架存放梁段长度分为 16m、9.6m、6.7m 几种,吊点纵向间距也不同,针对结构特点在吊具上面设置多组吊点。吊具在设计过程中考虑“与起重船连接的绳索”和“与钢箱梁连接的绳索”在吊具上挂接同一块吊耳板,从而减少吊具主梁结构内力。图 5.2-1 吊具平面布置图(单位:mm)图 5.2-2 吊具吊装横断面布置图(单位:mm)吊具下方吊点与钢箱梁上吊点平面位置对应,采用软质吊带连接,保证吊装过程中吊索具对钢箱梁无水平分力,避免箱梁变形。图 5.2-3 主桥钢箱梁边跨吊装照片 55.2.2 边跨支架梁段全焊高程控制措施 5.2.2 边跨支架
13、梁段全焊高程控制措施 梁段间的焊接可能导致梁段间夹角发生变化。对于悬臂安装梁段,这个变化可以根据定位测量和连接后测量来获得。但是对于支架安装梁段,此变化量将被掩盖而体现在临时支垫反力的变化上,而一旦落架此连接变形就会被释放出来,此时可能已经造成了较大的误差而难以修正了。在施工过程中,从支反力测量、还原角度对梁段修正,具体方式如下(图 5.2-4 所示):1)焊接前记录新节段支顶千斤顶的荷载;2)焊接后将新节段支顶千斤顶荷载恢复至焊接前;3)测量焊接引起的高程变化,并在下一个节段定位时予以修正。图 5.2-4 梁段焊接变形高程调整措施 在支架梁段高程控制过程中除了采用测力并恢复的措施外另外对焊缝
14、顶底板收缩的情况进行同步测量,从而为后续节段高程定位补偿提供更为可靠的数据支持。5.2.3 桥面吊机静载试验 5.2.3 桥面吊机静载试验 桥面吊机组装完成后,需要进行 1.25 倍静载实验。传统工艺采取将桥面吊机“翻身”后“平卧”,对设备钢结构进行对拉试验。施工中需要将组装好的桥面吊机翻转,后将两台吊机对拼。桥面吊机主体结构节点位置均为栓接或销接结构,大幅度的翻转调位容易造成吊机结构变形。此工艺仅对桥面吊机主弦杆受力和变形检测,吊机的吊具系统、后锚固系统可靠性均未得到验证。基于此,提出在桥机拼装区附近设置静载试验平台的方案:按照桥面吊机前支点和后锚点位置分别打设管桩基础,设置支撑横梁。在后锚
15、点对应的横梁上焊接吊耳板,模拟施工工况对后方锚固,前支点直接支撑于对应横梁上。吊机前端吊具对应位置打设两排钢管桩基础,用于提供荷载试验所需的抗拔力。在桥面吊机主弦杆件特征位置设置应力和位移监测点,试验中按施工吊重(标准梁段重 394t,悬拼梁段采用 2 台桥面吊机吊装,则单机荷载为 1970KN)的 5%、10%、20%、40%、60%、80%、100%、105%、6110%、115%、120%、125%逐级加载,每级荷载下持荷 5 分种,进行应力和变形数据统计。图 5.2-5 现场桥面吊机荷载试验 5.2.4 悬拼施工阶段约束体系 5.2.4 悬拼施工阶段约束体系 依托项目桥塔为独柱型钢塔,
16、没有横梁,很难像常规斜拉桥一样形成塔梁固结。为保证施工过程中的安全和合龙的准确,必须对主梁进行自由度的约束。具体方法:主梁 0 号块下设置支撑座与梁段支架焊接成整体,实现竖向位移和竖向转角的约束;提前安装主梁 0 号块横向抗风支座,实现横向位移约束;钢箱梁悬臂拼装过程中在纵向阻尼器待安装位置临时焊接纵向支撑钢管,实现钢梁整体纵向约束。主梁0 号块锚固如图 5.2-6 所示。(a)立面 (b)平面 图 5.2-6 主梁 0 号块锚固(单位:cm)5.2.5 钢箱梁悬臂架设 5.2.5 钢箱梁悬臂架设 钢梁悬臂架设采用 2 台 250t 桥面吊机吊装,桥面吊机提升机构采用钢绞线穿心千斤顶。2 台桥
17、面吊机由一套操作系统控制,可实现吊机的联动和单动,保证吊装过程中上下游的同步性。图 5.2-7 桥面吊机吊装施工 在斜拉桥钢箱梁吊装过程中,待安装梁段和已安装梁段之间存在相对变形。经分析,对已安装梁段横向变形的影响程度由大到小依次为吊机前支点反力、斜拉索索力、梁段自重、吊机自重;待安装梁段 7的横向变形主要决定因素为梁段自重和吊点设置。本工程钢箱梁结构宽度达 54.4m,且为分离式结构,匹配施工前梁段间横向相对变形最大达到 52mm。图 5.2-8 已安装梁段的接口断面变形 图 5.2-9 待安装梁段的接口断面变形 为了矫正超宽钢箱梁梁段的横向变形差,实现梁段的匹配,于现场实践经验中设计出了一
18、套调整工装,其总体布置如图 5.2-10 所示。图中,各数字序号代表的构造分别为:内腹板反压横梁(1)、反压立柱(2)、千斤顶(3)、锚箱(4)、拉杆(5)、手拉葫芦(6)、外腹板固定工装(7)、连接杆(8)。图 5.2-10 调整工装总体布置三维图 施工过程中主要通过以下两种方式完成箱梁横向匹配:方案 1、外腹板锁定+内腹板处千斤顶反压(横向相对变形35mm)在桥位处进行临时匹配时先连接刚度较大的外腹板,在外腹板位置将起吊的梁段和前一梁段做临时连接使之可以承受一定竖向荷载,之后在内腹板位置设置反力架,采用千斤顶施加竖向荷载。现场施工表明,在施加 500KN 以内荷载的情况下可有效消除梁段腹板
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