大跨度钢箱系杆拱桥悬臂拼装施工工法

'大跨度钢箱系杆拱桥悬臂拼装施工工法中铁**集团有限公司中铁**集团第一工程有限公司1.前言武广铁路客运专线汀泗河特大桥采用1-140m下承式钢箱系杆拱桥斜跨京珠高速公路，为国际上基于350km/h的客运专线同类型桥型中最大跨径。此类桥型结构力学性能优良，同时造型优美，跨越能力大，在力学上为外部静定内部超静定体系，与混凝土梁桥相比，具有建筑高度低，一期恒载作用小等特点，在桥下净空要求较高且桥上受线路坡度限制时，还能减少引桥的长度。随着当代工程技术的发展及钢材质量的不断提高，钢箱系杆拱桥的应用越来越广泛。目前国内该桥型桥梁主要采用原位拼装法或顶推拖拉就位法，无论采用哪种工法，均需设置系梁拼装平台及拱肋拼装平台，临时工程数量巨大。拼装下节系梁直至完成，纵横梁同步安装吊杆吊装线形应力监控吊杆拼装直至完成，吊杆间横联同步吊装临时工程拱脚吊装拱脚定位系梁吊装线形应力监控对称拼装拱肋直至完成，横撑同步吊装拱肋吊装线形应力监控合龙体系转换根据拼装分段地面拼装系梁线形调整线形调整线形调整图5.1大跨度钢箱系杆拱桥拼装施工工艺流程图武广铁路客运专线汀泗河特大桥“大跨度钢箱系杆拱拼装施工新法探索”QC成果获得了2009年度湖北省工程建设QC成果一等奖和全国优秀QC成果小组。武广铁路客运专线汀泗河特大桥综合施工技术二〇一〇年十一月通过了湖北省科技厅的技术鉴定，达到国际领先水平。该成果对拼装施工过程中临时工程、拼装施工和施工监控等关键技术进行了深入的研究、开发和应用，首次利用系梁的自身刚度进行悬臂拼装、利用刚性吊杆作为主要支撑进行拱肋拼装的施工方法，丰富了我国大跨度钢箱系杆拱桥的施工技术和经验。我们将有关施工技术进行了精炼和总结，形成本工法。2.工法特点1、利用拱桥系梁的自身刚度进行悬臂拼装，不设置系梁拼装平台，减少了临时工程数量及投入成本。2、利用拱桥刚性吊杆作为主要支撑拼装拱肋，不设置拱肋拼装支架，减少了临时工程数量及施工成本。3、拼装工期较短。因临时工程数量减少，且钢箱系杆拱桥的安装基本不影响附近引桥的施工，其工期相应缩短。4、该工法施工简单，适用性强，容易推广应用。3.适用范围本工法适用于铁路、公路、水电等大跨度下承式钢箱系杆拱结构。4.工艺原理4 增设临时支墩；建立整体计算分析模型，采用MIDAS/Civil软件对施工全过程进行仿真计算，采用系统的线形监控及应力监控，确保临时支墩的稳定，适时调控各悬臂拼装段的线形和全桥线形，确保拼装、体系转换过程中临时结构和主体工程的质量和安全；采用网络计划技术，优化施工组织，优质、高效完成全桥施工任务。5.施工工艺流程及操作要点5.1工艺流程工艺流程见图5.1。5.2操作要点图5.2.1-1支墩顶部构造图5.2.1临时支墩临时支墩的设计是拼装施工质量与安全保障的关键，临时支墩基础可根据地质情况采用桩基础或扩大基础，临时支墩一般采用钢管立柱，顶部根据需要设置分配梁、托梁，考虑到卸载时操作方便，还应设置垫梁，并预留千斤顶位，以便于线形调整（图5.2.1-1、5.2.1-2）。临时支墩设计需进行支墩承载力计算、承台配筋计算、地基承载力计算、地基沉降计算等内容，并根据计算结果修正支墩设计参数。施工过程中应严格控制支墩顶标高，拼装过程中每节间拼装前后均应对临时支墩进行沉降监测，与理论计算值相比较，修正施工方案，沉降监测采用电子水准仪，按国家二等水准测量规范要求施测。图5.2.1-2临时支墩布置立面图5.2.2系梁系梁吊装设备根据需吊重量及场地情况选择不同吨位的汽车吊或履带吊，从固定端往活动端依次悬臂拼装拱脚、系梁及纵横梁（如图5.2.2-1）。图5.2.2-1系梁悬臂拼装每一节系梁拼装完成后，均应进行线形及应力观测，并根据观测结果对线形进行调整，确保钢梁应力水平在设计允许范围内，节间拼装误差不大于2mm。线形检测分梁底线形监测及梁顶绕度检测。梁底线形监测在每一节段前端底板位置布置测点，1、2、3点，采用电子水准仪从墩顶临时水准点测量其高程，或采用全站仪从施工控制网点直接引测高程，与理论值比较，调整在预期精度范围内，保障桥梁预拱度符合理论计算值（如图5.2.2-2）。梁顶绕度监测主要是保障桥梁局部线形平顺，各箱梁施工节段顶板距前端约10cm处设置A、B两挠度测点（焊接2cm左右高的钢筋头），在其后各节段的安装施工中，测定系梁的挠度变形，跟理论值进行比较，修正后续施工参数(如图5.2.2-3)。4 图5.2.2-2梁底线形控制点示意图图5.2.2-3梁顶挠度测点示意图5.2.3吊杆及拱肋图5.2.3拱肋拼装系梁拼装完后在系梁上对称安装拱肋吊杆并将吊杆局部加强且连成整体，在吊杆上分段安装拱肋、横撑，直至拱肋合龙（见图5.2.3）。拱肋合龙时温度应在设计检算允许温度范围内。吊杆吊装时主要进行垂直度监测，在每根吊杆的顶部和底部适当位置布置测点，安装测距专用反射片，在控制点上架设全站仪进行测量，使吊杆顶部的坐标与底部的坐标一致。拱肋安装时必须保证拱肋轴线位置，使拱肋轴线控制在精度之内（±2mm）。在拱肋拼装过程中，在每一节段接头轴线位置处的拱肋侧面外壁处分别布置测点，安装专用测距反射片，在控制点上架设全站仪进行测量，使其在理论位置处。对主拱肋钢箱、系梁等进行温度监测，以获得与线形及位移相对应的大气温度，以及主拱肋箱体温度，为控制的理论分析提供可靠的温度值。由于温差会引起拱肋和系梁等的长度变化和侧向变形，监测应尽量选择早晚温差较小时进行。5.2.4体系转换整体体系转换之前，需将全桥的标高及轴线进行复测，并将其与转换之后的结果相对应。同时拱肋上装有的应变计初始应变数值记录下来，每拆除一组临时墩时都要进行详细的应变测试，得出相应的结果，与理论计算值相比较，指导下步施工。卸载分组进行，总体上准遵循以下原则：（1）先卸载较薄弱支墩；（2）对称卸载；（3）每组临时支墩同时采用气割缓慢割开卸载。5.2.5监控措施1、位移监测和线形控制线形控制的最终目标是保证桥面的整体标高和局部平顺性，使成桥后主梁的标高满足上述两方面的要求。桥面的实际桥轴线与理论桥轴线的偏差应符合设计和桥梁工程质量评定标准等要求。两端桥墩顶部各布置4个位移测点，使用电子水准仪（安平精度±0.2″）定期测量，用于监测桥墩的沉降，并与理论计算值相比较，对后续施工进行误差预测，修正施工参数。2、应力和温度监测4 1）应力监测中，应力的理论值通过有限元分析计算得出，应力的实测值通过现场测得的应变，经过温度修正后再乘以弹性模量得出。应力监测的目的主要是观测钢箱系杆拱桥在各个施工阶段的应力变化情况，确保钢梁应力在设计允许范围内，并与理论计算值进行比较，对未施工部分进行误差预测，如有问题及时采取适当的补救措施。应力监测主要是考虑长期观测并能保证足够的精度，在相应部位布置钢弦式表面应变计及配套的频率接收仪，钢弦式表面应变计自带温度测试功能，能够测试所布置截面的温度场数据。2）温度监测的部位主要集中在主拱肋钢箱和系杆，以获得与线形和位移相对应的结构温度，为控制的理论分析提供可靠的温度值。温度场测试采用自带温度测试功能的钢弦式应变计。6.材料与设备主要在于施工拼装主吊车的确定，通过角度及臂长计算，确定吊车吨位，同时考虑到场地大小，选用轮式吊车或履带式吊车。主要施工设备及监控检测设备如表6-1、表6-2所示。主要施工设备配备表表6-1序号机械名称及规格单位数量说明1250t履带吊台1钢梁拼装250t汽车吊台1钢梁拼装325t汽车吊台2临时结构拼装450t平板车台1钢梁倒运5高强螺栓试验设备套16电动扳手套3用于高强螺栓施拧7表盘带响扳手套1用于高强螺栓施拧8油漆施工设备套19200t千斤顶台4拱肋合龙变形观测主要设备表表6-2序号观测内容仪器配备名称规格数量1拼装时线性、应力、温度观测全站仪2”2mm+2ppm22电子水准仪DNS0323钢弦式应变计埋入式104钢弦式表面应变计525钢弦读数仪JMZX-300126钢弦采集仪32通道27.质量控制1、钢箱梁在出厂前要进行试拼装，试拼装时注意各节段在吊装、移位过程中,要采取有效的防变形措施。2、由于钢箱系杆拱超静定的结构特性，系梁、拱肋一旦拼装完成后其线形将几乎不可调整，因此在施工过程中应及时进行应力、应变及线形监控，根据监控数据指导调整施工方法。3、系梁拼装自固定端往自由端进行拼装，使钢梁随温度变化的伸长量往自由端方向进行。4、体系转换时临时支墩卸载宜对称进行，且每次卸载需进行应力应变监测，监控施工状态。8.安全措施1、施工前对各工况建立有限元模型进行分析，对施工过程中临时支墩、支架，主体杆件的受力、变形进行计算，同时需检算施工过程中的稳定性。2、对参加的工作人员进行技术培训和安全教育，通过考核考试并颁发工作证，持证上岗，熟练掌握作业程度。3、对临时支墩加强应力应变及沉降监测，发现异常情况及时预控及调整。4、跨既有线施工应编制既有线专项防护（保通）方案并报相关单位评审审批，同时需对参建人员进行专项培训。9.环保措施4 1、对施工区域及其周围的建筑物进行调查，会同其产权、维护单位共同划定需要施工防护的范围，需要拆迁的建筑物，在受到建筑单位委托的前提下，及时与产权单位签订拆迁协议，并尽早拆迁。需保留的与产权单位商定加固防护方案，采取切实可行的措施，保证施工中正常使用及以后的使用维修。2、严格执行国家、铁道部、地方政府及建设单位有关生态环境保护的规定，贯彻“预防为主、保护优先，开发与保护并重”的原则，“三废”按规定排放，确保工程所处环境及河水不受污染，并确保施工中的环境保护监控与监测结果满足业主和设计文件要求及有关规定。10.效益分析1、采用本工法，节省了系梁拼装平台及拱肋拼装支架，同时采用悬臂拼装简化了工序，加快了系梁的拼装进度，技术工艺简单，成本低。2、大跨度钢箱系杆拱拼装施工研发新的拼装工艺在切实可行的防护安全措施的保障下，利用系梁自身刚度悬臂拼装系梁，节省了系梁拼装平台，利用刚性吊杆作为受压杆件，拼装拱肋，节省了拱肋拼装支架。创新的拼装系杆拱新工艺，有效保证了主跨的高精度拼装，线形良好。11.应用实例武广客运专线汀泗河特大桥位于赤壁市泉口镇，全长4368.71m，采用1-140m钢箱系杆拱以30º角斜跨京珠高速公路，高速公路沿新建铁路方向宽56m。系梁高3.5m，宽同拱肋均为2m，两拱肋变截面平行布置，横向中心间距16m，拱轴中心线形为二次抛物线，矢高30m，矢跨比1/4.67，吊杆间距8m；全桥设5道横撑，横撑高度适应拱肋变化，全桥均用高强螺栓进行连接，全桥钢结构重约3642t。本桥采用悬臂拼装法施工，于2008年9月25日开始拼装，2008年12月25日顺利合龙，其中由于钢材供应问题影响了钢梁制造约1个月，实际拼装时间仅需62天。利用系梁自身刚度进行悬臂拼装，利用刚性吊杆作为主要支撑拼装拱肋的技术，在该桥得到了成功应用。4'