鋼桁梁橋懸臂架設施工技術研究

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摘要：近年來隨著國內基建領域的蓬勃發展，鋼結構橋梁以其以其優良的跨躍性能在跨躍江河、山川峽谷、既有設施等領域得到廣泛的應用和長足的發展；越來越多的超重、超大型鋼結構構件在施工環境局限性大的現場得以架設；本文以大跨徑多跨連續鋼桁梁橋懸臂架設安裝施工為研究對象，在鋼結構橋梁現場安裝過程中，通過應用Tekla、Bentley等制圖軟件建立多向鋼桁梁拼裝的三維虛擬模型，進行科學碰撞。并結合Midas等結構受力軟件進行仿真結構受力驗算，減少大臨設施搭建，并確定合理的鋼梁架設安裝順序，確保安全、質量，提高鋼梁安裝工效。

關鍵詞：安全；高效；BIM技術；Midas技術；對稱安裝；杠桿平衡

1研究概述

1.1研究背景。近年來隨著國內基建領域的蓬勃發展，鋼結構橋梁以其獨有的特性倍受青睞；鋼桁梁結構形式以其優良的跨躍性能在跨躍江河、山川峽谷、既有設施等領域得到廣泛的應用和長足的發展；鋼結構桿件受桿件自重大、桿件外形尺寸大、施工環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，傳統架設工藝一般采用較多的臨時結構作為支撐，再配合大型機械設備進行架設，這種方法一般前期準備時間較長，架設時間也比較長，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安全、質量、進度是此類鋼結構橋梁工程能否順利實施的關鍵所在。為滿足這一日益提升的標準和要求，我單位結合以往施工經驗，通過應用Tekla、Bentley等制圖軟件建立多向鋼桁梁拼裝的三維虛擬模型，進行科學碰撞。并結合Midas等結構受力軟件等，展開對大跨徑多跨連續鋼桁梁懸臂架設施工技術研究，以期總結出一套科學合理的跨江、跨河等復雜地形的鐵路鋼橋懸臂架設施工技術性指導文件，為后續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，節間長度為13.5m和14m，節間布置為（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過程為研究對象，進行施工技術研究。1.3大跨徑多跨連續鋼桁梁橋懸臂架設優化施工方案。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向跨中方向開始利用滑動走行橋面全回轉桅桿吊機逐節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：滿足懸臂架設過程中受力要求同時提高安裝質量、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桅桿吊機逐節間雙懸臂拼裝主橋鋼桁梁，隨懸臂長度不斷增長，如何保證：滿足雙懸臂架設受力要求同時減少大量大臨設施的搭建，減少地域環境對施工的影響，減少航道的占用，并滿足架設安全、質量。③在鋼桁梁懸臂架設過程中，架設距離不斷加長，如何保證：鋼桁梁吊裝設備在懸臂架設過程中，均滿足架設需要。④跨洪奇瀝水道特大橋地處繁忙水域，施工環境局限性大，為保證航道通航，不便搭建大臨設施。如何有效提高鋼桁梁架設過程中安全、質量、進度。⑤跨洪奇瀝水道特大橋全長998.8m，共72個節間。在架設過程中如何保證鋼桁梁線型質量，滿足后期鋼桁梁合龍需要。⑥在鋼桁梁單懸臂架設過程中，如何防止傾覆事件的發生并降低由于溫度變化導致的鋼桁梁熱脹冷縮的應力集中。1.3.2優化設計思路。①在主橋鋼桁梁架設過程中，利用Midas軟件對邊跨支架進行整體建模分析，結合不利工況對結構受力提前進行分析和計算，找出其中的受力薄弱環節是否滿足結構受力需要，保證施工作業安全。同時以架設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，保證阻力端的作用力比施力端的作用力足夠大實現單懸臂架設，在架設過程中，保證鋼梁架設過程中的安全系數大于1.3，防止發生傾覆事。②在主橋鋼桁梁架設過程中，利用Midas軟件對邊跨支架進行整體建模分析，結合不利工況對結構受力提前進行分析和計算，找出其中的受力薄弱環節是否滿足結構受力需要，保證施工作業安全。利用中主墩、墩旁托架及臨時桿件形成支點；中主墩兩側鋼桁梁同步、對稱懸拼架設，最終形成類似一種“杠桿平衡”的工藝原理。兩側對稱安裝相差不能超過半個節間，避免在鋼桁梁在架設過程中因受力不均發生傾覆的事故發生，從而保證了鋼桁梁懸臂對稱架設施工的整體安全。③通過對國內同類型鋼桁梁架設設備進行比選，確定采用特制安裝設備，實現隨鋼桁梁節間架設，橋面桅桿式起重機向前走行，從而達到設備與鋼桁梁步履式前行，鋼桁梁逐節間架設的目標。④經討論研究，設計發明了一種“臨時桿件”結構體系，用于連接主橋鋼桁梁與墩旁托架，將鋼桁梁懸臂對稱架設過程中的力有效的進行力的傳遞、分散到下部墩旁托架結構上，避免在鋼桁梁在對稱架設過程中因受力不均發生傾覆的事故發生，從而保證了鋼桁梁懸臂對稱架設施工的整體安全。⑤在鋼梁懸臂架設過程中，測量監控及計算分析貫穿架設施工伊始，確保能發現問題，并及時提供應對處理方案，保證結構施工安全，間接加快施工效率。⑥設計一種柔性后錨結構，保證鋼桁梁逐節間架設過程抗傾覆，同時降低溫度變化鋼梁熱脹冷縮的應力集中。

2課題研究的主要內容及方法

2.1主要研究內容。①研究在主橋鋼桁梁單懸臂架設過程中，形成一種以架設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，保證在單懸臂架設過程中施工質量安全。②研究一套后錨配重系統，保證鋼桁梁在單懸臂架設過程中施工安全，降低鋼桁梁在架設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過程施工安全。④研究一種保證航道通航，減少大量大臨設施的搭建，同時又能有效提高鋼桁梁架設過程中安全、質量、進度的施工方法，以節省施工成本，提高施工效率。⑤研究、使用一種在鋼桁梁懸臂架設過程中，能隨懸臂架設距離不斷加長，鋼桁梁吊裝設備始終滿足架設需求。2.2研究方法。①采用Midas結構受力軟件對邊跨支架進行整體建模分析，結合不利工況對結構受力提前進行分析和計算，找出其中的受力薄弱環節是否滿足結構受力需要，保證施工作業安全。同時以架設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，保證阻力端的作用力比施力端的作用力足夠大實現單懸臂架設，在架設過程中，保證鋼梁架設過程中的安全系數大于1.3，防止發生傾覆事情。②設計出了一種柔性后錨結構，保證鋼桁梁逐節間架設過程抗傾覆系數大于1.3，保證了架設安全，同時降低了由溫度變化鋼梁熱脹冷縮的應力集中。③利用Midas結構受力軟件對鋼桁梁雙懸臂架設過程進行整體建模分析和計算，找出其中的受力薄弱環節是否滿足結構受力需要，保證施工作業安全。同時利用中主墩、墩旁托架及臨時桿件形成支點；中主墩兩側鋼桁梁同步、對稱懸拼架設，最終形成類似一種“杠桿平衡”的工藝原理。同時嚴格控制兩側鋼桁梁對稱安裝相差不能超過半個節間，避免在鋼桁梁在架設過程中，因受力不均，發生傾覆的事故發生，從而保證了鋼桁梁懸臂對稱架設施工的整體安全。④應用BIM技術、Midas結構受力軟件，通過對鋼桁梁由中墩至中跨合龍口雙懸臂架設過程進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施工方案。保證了航道通航，節省了在水中制造大量臨時設施的成本，縮短了施工工期，保證了施工安全。⑤通過對國內同類型鋼桁梁架設設備進行比選，確定采用特制安裝設備，實現隨鋼桁梁節間架設，橋面桅桿式起重機向前走行，從而達到設備與鋼桁梁步履式前行，鋼桁梁逐節間架設的目標。

3主要研究成果

3.1施工準備。3.1.1邊墩邊跨支架安裝。施工現場利用300t履帶吊機進行邊跨E0～E4節間鋼梁安裝施工，受場地限制，需同步安裝臨時支架和鋼梁，即E1、E2節點支架A及E0E1節間鋼梁安裝完成后，每安裝完成一個節間的臨時支架就安裝該節間的鋼梁。具體安裝步驟如圖1。此外每個部位的沖釘和安裝螺栓數量不得少于孔眼總數的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，實現鋼桁梁由邊墩至跨中合龍口單懸臂架設施工。3.1.2中墩墩旁托架對稱安裝。施工現場利用50t汽車吊進行水中墩（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提供施工條件。3.1.3中墩臨時桿件對稱安裝。施工現場利用300t浮吊進場至吊裝工位，進行臨時桿件安裝，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，實現鋼桁梁由中主墩至兩側跨中合龍口雙懸臂同步、對稱架設施工。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臺總成、臂架總成、A型架、主副起升機構、變幅機構、回轉機構、底盤系統、走行機構、錨固裝置、電器控制系統、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，經初步計算，橋面吊機構件吊裝最重為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走行機構安裝。走行機構包含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鋼梁弦桿節點位置，做好錨固。注意事項及驗收標準：嚴格控制走行橫梁間距，現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底盤系統或下車結構安裝。底盤系統及下車結構先在預拼場通過螺栓連接形成一個整體，注意調節得到底盤系統及下車結構橫梁預拱度，通過測量保證，回轉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回轉支撐安裝。將回轉支承與底盤系統回轉支承座連接，將回轉支承定位后，按180°方向對稱交叉擰緊安裝螺栓，同時檢查回轉支承的自由回轉狀況。擰緊螺栓時應該有足夠的預緊力。3.2.4轉臺安裝。轉臺結構采取整體吊裝，與回轉支承內圈螺栓同時安裝。轉臺通過回轉支承連接座與回轉支承的螺栓連接。螺栓安裝方式與下車回轉支承連接座與回轉支承一致。回轉減速機通過減速機底座安裝在轉臺上，通過實配測量劃線確定墊板的厚度及安裝位置。用轉臺底座在轉臺外腹板上實配螺栓孔，調節墊板厚度控制齒輪嚙合間隙。安裝好減速機后進行回轉支承調試：往回轉支承加潤滑油，邊加注邊緩慢回轉。檢查齒輪是否干涉，確認螺栓是否全部擰緊，確認回轉是否正常。3.2.5A型架安裝。利用吊裝設備將A型架整體起吊，A型架與轉臺結構耳座精確對位，穿好銷軸卡板。A型架安裝注意事項及檢驗方法：①A型架吊裝至轉臺后，采用手拉葫蘆進行微調，精確對位后再穿銷軸；②起升設備調整拉桿時，檢查鋼絲繩、吊點等連接，并嚴格按照起重作業要求進行規范操作。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，先粗對位至轉臺上臂架鉸接座。然后用導鏈葫蘆微調，穿好銷軸上卡板，再往筒套內加注輪滑油，在起重設備作用下測試臂架回轉情況，臂架旋轉正常平穩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行，不得隨意變換順序。在臂架頭部位置，人工按設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，作為走行機構到轉臺，再到駕駛室通道。駕駛室安裝在轉臺前部，由支承槽鋼支撐。3.3邊跨柔性后錨系統安裝。當架設到E4節間時，需在邊墩布置后錨系統，以使鋼梁懸拼施工時抗傾覆滿足規范要求，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、錨杯受力以及鋼結構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試完成后，利用橋面桅桿式起重機進行鋼桁梁懸臂架設施工，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、縱梁、上平聯、橫聯，全部桿件安裝完成后形成封閉節間。3.5橋面桅桿式起重機走行下一節間。滑動走行橋面全回轉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，實現步履式行走。起頂吊機向前滑移走行步驟：①拆除錨固系統及錨固吊耳；②起頂吊機，通過液壓油缸向前移動軌道；③走行到位后，此時吊機前支點應支撐在鋼桁梁隔板位置；④鋼桁梁吊裝前，應對吊機錨固鎖定。3.6循環懸臂拼裝至合龍。利用橋面桅桿式起重機進行邊墩至合龍口單懸臂架設，中墩至跨中雙懸臂架設。在懸臂架設過程中桿件拼裝順序如下：下弦桿→下平聯→豎桿→斜桿→上弦桿→縱梁→橫梁→上平聯→橫聯→吊機一位下一節間。在懸臂施工中，沖釘數量不得少于50%，其余孔眼布置螺栓，并且要等一個節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間循環施工直至懸臂架設至合龍口，完成合龍。3.7應力監控及計算結構內力的監控測量包括：鋼桁梁上、下弦桿應力測試，鋼桁梁斜、豎桿和主橫梁應力測試。在鋼桁梁懸臂架設過程中貫穿始終，提供安全保證。避免意外情況對結構造成危害，保證施工過程中橋梁結構安全，并也要保證在運營階段橋梁結構有足夠大的安全儲備。

4研究結論

①采用雙懸臂同步對稱架設施工工藝進行施工，減少了臨時結構的搭設和設備的使用，節省大量的人力物力，省去大量的前期準備時間，而且施工時的受力狀態與建成后的受力狀態基本一致，因而可節省施工用材。并且對于這種跨河跨江的鋼橋架設來說，懸臂施工不影響通航，船只可以正常行駛，非常的省時省力，節省成本。②按照懸臂架設施工工藝進行施工，在有限的空間內進行同步架設施工，并通過測量監控滿足施工架設安全，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在鋼桁梁懸臂架設過程中，采用橋面桅桿式起重機。實現隨節間同步行走，保證了架設過程中設備需求，間接加快了現場安裝效率。

參考文獻：

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[4]GB50205-2001，鋼結構工程施工質量驗收規范[S].

作者:李巖 單位:中鐵六局建安公司鋼結構分公司