工艺工法qc公铁两用桥斜拉桥钢桁梁整节段安装施工工法(国家级工法奖)

'斜拉桥钢桁梁整节段安装施工工法1．前言国家经济的高速发展和科技的不断进步，促进了世界一流桥梁的建设进程，而对于三主桁钢桁梁桥的建设，结合其结构特点和现场的实际情况，采用“工厂组拼＋现场整体安装”的方法，在提高桥梁施工质量和施工安全的同时，也加快了桥梁建设的步伐。xx公铁两用xx江大桥是xx客运专线的过江通道，下层设四线时速为200公里的快速铁路，上层布置时速80公里的双向六线城市机动车道，其中正桥为（98＋196＋504＋196＋98）米双塔三索面三主桁斜拉桥，全桥共78个钢梁桁段，整节段吊装架设其中的52个桁段，现场散拼26个节段（墩、塔顶散拼14个，边、中跨合拢杆件各1个，岸上散拼10个）。2．工法特点整节段钢桁梁架设是将单根杆件现场拼装转变为工厂节段组拼，现场整节段架设的一种方法，它降低了现场劳动强度，提高了施工质量，加快了工程进度，也保障了施工作业的安全。经实践检验，整节段架设的方法取得了显著的经济效益，在此基础上，对其施工方法加以总结，形成了本工法。3．适用范围本工法适用于通航河流上大吨位整节段钢桁梁的安装，特别是结构上采用三片主桁的钢桁梁，使用整节段钢梁架设的方式，具有多方面的优势。4．工艺原理整节段钢桁梁在工厂内完成组拼后脱胎转运，利用船舶运抵架设水域，通过设于已架钢桁梁上的架梁起重机进行现场整体起吊、安装，在钢梁高栓施拧、焊接完成后，架梁起重机前行一个节间后固定，进行下一个节段的架设。13 5．施工工艺流程及施工要点5.1施工流程图图5.1.1-1施工流程图5.2700t架梁起重机情况介绍700t架梁起重机是整节段钢桁梁起吊安装的主要设备，它通过安全准确的提升装置，依靠吊点纵横移机构及吊具调平装置的配合进行对位和安装。该起重机最为创新的地方在于边、中桁三点同时起吊，三吊点所用卷扬机控制系统相互独立，随着排绳模式的转变，三组卷扬机可以联动，也可以单动。通过计算机集中控制系统，三个吊点的实际负荷值始终被控制在设定的额定值内，当其中某吊点负荷超过额定值时，暂停该点的起升，在单动模式下微调另外两吊点，使起重机平稳起升整节段钢梁。5.2.1起重机的主要参数额定起重量：700t（不含吊具）13 起升速度：0～1.0m/min吊点纵横移速度：0～0.5m/min起重高度：桥面下45m，桥面上0.5m空载爬坡能力：4％整机装机容量：350kw整机总重：366t单个前支点的最大反力：652t工作幅度：Rmin＝10.9m，Rmax＝14m后锚固距前螺旋顶距离：23.1m5.2.2起重机的主要构造和系统1．结构系统结构系统是起重机的主体受力结构，它包括机架结构和锚固系统两个部分，机架结构又分为底盘结构和菱形结构架，其它的系统都是与它的连接下展开工作的，起重机驾驶室、卷扬机等装置布置在底盘结构上，而吊点纵横移系统位于菱形结构架的顶部。图5.2.2-1700t架梁起重机实景图锚固系统为整个起重机的受力支撑，它分为四部分：前部螺旋顶、后部拉锚、前、后液压支顶及滑靴滑道。在架梁起重机固定时，前、后液压支顶未与钢梁接触，滑靴也与滑道托空，受力支撑为前部螺旋顶和后部拉锚；而在走行过程中，起重机所用支撑有两种情况：一是单独移动滑道时，滑靴和滑道脱离，此时前后液压支顶受力，另外一种情况是当滑靴在滑道上滑动时，收缩液压支顶，此时起重机重量由滑靴承受，走行到位后，利用前后液压支顶使滑道和滑靴脱离，然后在将支撑转换为固定时的状态。13 2．起升系统起重机主要起升设备为3组共六台卷扬机，每台卷扬机由1台45kw变频电机拖动，采用变频器－涡流制动器组合调速控制方式，保证在重载条件下能进行下放和二次起升等安全操作，每组卷扬机在结构上相对独立，可以联动，也可以单动。吊具由动滑轮组、主梁、扁担梁、调平油缸等组成，其可转动式主梁（主梁的中部同动滑轮组铰接）通过油缸的伸缩来改变主梁同动滑轮组的相对角度，调平扁担梁，扁担梁两端设有铰接式吊耳。钢丝绳直径为Ф36，总倍率m＝20，单绳拉力为195KN。图5.2.2-2吊具结构图3．纵横移系统架梁起重机有两套独立的纵横移系统，一套是整机前移机构，包括滑道、支撑滑靴、走行油缸几个部分，油缸的尾部同机架结构铰接，活塞杆头部通过连接座同轨道梁铰接，依靠油缸伸缩使支撑滑靴在轨道上滑动来实现整机的移动；一套是吊点纵横移机构，它通过油缸推动可移动的支座在轨道上滑动来实现起重机在吊装过程中整节段钢梁纵横向微动，其中，顺桥向可调距离为3m，横桥向可调距离为±50mm。4．电气系统700t架梁起重机电气系统主要由主起升动力拖动，计算机集中控制管理系统、吊具调整控制、吊点纵横移控制、机架步履式走行控制等部分组成。电气系统采用的是380V/50HZ三向四线制供电方式，整机供电容量为350kw，计算机集中控制系统对起吊过程中钢丝绳位移量、电机转速、载荷等信号采集并进行处理分析，当需要调整时适时输出控制信号。根据施工实际状况，吊具调整控制、吊点纵横移控制、机架步履式走行控制等电器设备相互独立，由专人现场操作。5．液压系统13 在液压回路中，液压泵从油箱吸入液压油后，输出到各执行机构，各执行机构直接回油到油箱，构造简单，散热和滤油条件好。本机有三套互相独立的液压系统：底盘液压系统、吊点纵横移液压系统、吊具调平液压系统。其中底盘液压系统安装在机架底盘上，它为前支顶、后支顶、走行油缸及横移油缸提供动力。5.3整节段钢桁梁运输整节段钢桁梁在大桥局七公司场内胎座上完成组拼后，通过转运台车运抵下河码头，倒运到整节段钢桁梁运输船上，整节段钢梁的重量通过6个钢性支墩和6个柔性支墩支撑并固定在船体上。图5.3.1-1整节段钢桁梁位于运输船体上侧面图钢性支墩根据不同位置分A、B两类，左舷侧为A类支点，靠近船舶纵隔舱，加固方法为将刚性支点直接与纵隔舱焊固即可；右舷侧为B类支点，介于船舶两个纵隔舱之间，加固方法为在两个纵隔舱壁加固后再用分配梁来分配支撑；柔性支撑介于两个刚性支撑之间，用枕木搭设而成，柔性支撑可适当减小钢性荷载，并扩散船舶甲板荷载。整节段钢桁梁与船体的固接采用刚性连接和柔性连接相结合的方式连接固定。横向刚性固定：采用在各钢性支墩上焊接钢结构牛腿，牛腿应能承受船舶9度横倾时引起的水平荷载，限制整节段钢梁在横向发生位移。竖向刚性固定:采用在各钢性支墩上焊接压板的方案，将整节段钢梁扣压在钢性支墩上；柔性固定：采用在船舶前后左右四边作地耳，用8mm~10mm钢丝绳，2吨级花篮螺丝绞紧。5.4整节段钢桁梁架设过程5.4.1钢梁整节段定位、锚定整节段钢梁由船运到架设水域，采用定位船辅助定位，即先根据架设时整节段钢梁垂直13 投影位置定位好靠帮船后抛锚固定，在整节段钢梁到达现场时，通过锚绳将运输船连接在靠帮船上，实现定位。在定位船的顺水方向抛设2个6t的霍尔锚，另抛设2个6t边锚以抗测向风力和波浪力。5.4.2整节段钢梁起升700t架梁起重机纵移到位后锚固，根据待架节段重心位置调整好吊具，使整节段钢梁重心与吊点中心在同一条铅垂线上，整节段钢梁定位完成后，下放吊具、插销，调节调平油缸，，解开钢梁与船体约束后，开始起吊钢梁。钢梁起升分每桁50t、100t、150t、200t、起升脱离船体五步来操作，当钢梁起升到脱离船体1m后暂停起升，做2次刹车制动，运梁船即可返航，此时起重机继续起升钢梁，直到待架钢梁下弦杆与已架钢梁下弦杆平齐时停止起升。5.4.3整节段钢梁对位钢梁起升到位后，调整700t架梁起重机顶部纵移油缸使其处于同一刻度位置，按20cm／级分步纵向移动钢桁梁，纵移过程中，通过在已架弦杆上设置的刻度线来观察钢梁纵移是否同步，当两边桁纵移相差超过2cm时，暂停纵移，检查待架钢梁节点板是否与已架钢梁相碰，在纵移过程中逐步将待架梁段整体提升5cm，当至正交异性板贴近（仅差5cm）后停止纵向移动，此时斜杆贴近已架下弦、下弦之间都相差5cm。斜杆的插入是在2台10t的手动螺旋千斤顶辅助下完成的，整节段吊装前，画好需要布顶的位置并标好布顶的先后顺序，在斜杆插入的过程中，使用手动螺旋顶将节点板撑开3mm，通过不断改变螺旋顶的位置，分步骤地使斜杆插入到位。斜杆进入整体节点后，在公路面布设4×10t倒链做为钢梁纵向移动的动力，缓慢地牵引钢梁上弦杆对位，而下弦杆插入则利用布置在铁路面上的3台张拉单索顶为动力，向内牵引。5.4.4整节段钢梁冲钉对位和高栓施拧整节段钢桁梁纵移到位后，调整上弦杆底部标高，开始打入上弦杆和斜杆的冲钉，打冲钉的步骤为：①通过两到三颗尖冲钉过孔；②在四个角上穿好并拧紧工作螺栓，以避免打冲钉时拼接板张开而导致高栓无法拧紧；③通过尖冲钉和普通冲钉来打定位冲钉，定位冲钉孔一般选第二排，而不是板面最顶部或最底部，以防冲钉无法退出；④按梅花形打入25%的冲钉。上弦杆、斜杆冲钉完成后，进行高栓施拧。在下弦杆的腹板或顶底板打入6~10颗冲钉，开始解除临时竖杆与下弦杆的连接，调整好下弦杆的位置，对其进行高栓施拧。至此，700t13 架梁起重机完全松钩，解除吊具与钢梁的连接，拼接下平联及正交异性板的纵梁，在高栓全部施拧完成后，开始上弦杆及桥面板的焊接。5.4.5钢梁现场焊接整节段钢梁现场安装中，主要的焊接工作有：1、铁路横梁面板与下弦杆横梁接头板的对接焊缝；2、上弦杆的对接焊缝；3、桥面板与上弦杆的焊接；4、桥面板焊接；5、U肋嵌补段焊接。其中⑴、⑵、⑶、⑷项采用的是平位反面贴陶质衬垫CO2气体保护焊打底，埋弧自动焊填充盖面单面焊双面成型的焊接工艺，焊接的顺序为先焊上弦杆的对接焊缝，然后进行桥面板与上弦杆的焊接和桥面板焊接，最后进行铁路横梁面板与下弦杆横梁接头板的对接焊缝。而⑸采用了反面贴钢衬垫手工电弧焊、仰焊单面焊双面成型的焊接工艺。5.4.6架梁起重机走行在全部高强度螺栓终拧和焊缝施焊完成后，起重机即可前行一个节间。起重机走行前先以钢梁上弦杆中轴线为依据放线，将滑道梁前移到放线位置后，托空前螺旋顶，解开后锚，前后调平油缸同时顶起，使整个700t架梁吊机重量由6个调平油缸承受，吊机前螺旋顶脱空不承载，旋转收缩前螺旋顶，操纵水平横移油缸，将螺旋顶向两侧移动0.65m，让开轨道梁位置。检查并调整前、后轨道梁的方向位置，将前、后调平油缸回油，使前、后的滑靴支座均贴近于前、后轨道梁上（不受力，起保险作用），在走行油缸的作用下将前轨道梁前移6米，再调整前轨道梁的方向和位置，安装前、后轨道梁之间的连杆。图5.4.4-1架梁起重机走行前结构图前、后轨道梁在走行油缸的作用下前移3米，观察走形过程中前后轨道梁是否偏位。将前、后调平油缸回油，使前、后滑靴均支撑于前、后轨道梁上，此时整个700t架梁起重机重量由前后滑靴支座承担，将前、后调平油缸回缩。前、后滑靴支座落在前、后轨道梁上，同步操纵走行油缸，使700t架梁吊机整体在三桁的走行油缸作用下步履式前移7米。13 图5.4.4-2架梁起重机走行时结构图将前后调平油缸同时顶起，使得前后滑靴稍微脱离轨道梁（起保险作用），此时整个700t架梁吊机重量由6个调平油缸承受。在走行油缸的作用下，将前、后轨道梁一起前移7米。将前后调平油缸回油，使得前、后滑靴支座落在前、后轨道梁上，将前、后调平油缸回缩。同步操纵走行油缸，使700t架梁起重机整体在三桁的走行油缸作用下步履式前移7米。前、后调平油缸顶起，使得前后滑靴稍微脱离轨道梁（起保险作用），此时整个700t架梁吊机重量由6个调平油缸承受。在走行油缸的作用下，将前、后轨道梁一起前移4米，使后轨道梁让开后锚位置，拆掉连杆。在走行油缸的作用下，将前轨道梁后退6米，让开前螺旋顶位置。测量三片主桁前支点、后锚处标高，通过调平进行调整。操纵前螺旋顶水平横移油缸，将吊机前螺旋顶回位，旋紧前螺旋顶。将前、后调平油缸回油，使得前螺旋顶和后滑靴支座分别受力，将前、后调平油缸回缩。安装后锚装置，将后锚与钢梁段锚固，在斜拉索施工完成后，即可开始下个节段梁的吊装。6．材料和设备整节段钢桁梁吊装包括运输船定位、节段起升及纵横移、杆件对位及打入冲钉、高强度螺栓施拧、焊接工作、吊机走行及固定。完成这些工作要用到的机具设备如表6-1：表6-1整节段钢桁梁吊装设备资源表序号设备名称数量用途1JQJ型700t架梁起重机4整节段钢梁起吊及对位2整节段运输船4运输整节段钢梁3800t定位船4靠帮定位钢桁梁运输船4抛锚船2抛设霍尔铁锚5霍尔铁锚16锚固定位船6定扭矩扳手98高强度螺栓施拧7表盘扳手40高强度螺栓检测8扭矩测量仪2扭矩扳手的标定9电焊机12现场焊接10倒链葫芦20辅助对点11水准仪5对位时测量13 12手动螺旋顶12辅助斜杆对位13单束张拉千斤顶24牵引下弦杆就位14其它一些辅助设备若干xx公铁两用xx江大桥采用了4条运输船将整节段钢梁从工厂运抵现场,运输船尺寸如表6.2：表6-2整节段钢桁梁运输船尺寸表船号尺寸（长×宽×吃水深度）江航11886.8m×15m×3.4m渝多80686.5m×14.2m×4.2m悦江1001（1002）84.7m×14m×3.5m整节段运输船通过800t定位船实现定位，800t定位船为普通驳船。7．质量控制7.1安装质量应满足以下标准：①《铁路桥涵施工规范》TB10203-2002②《铁路桥涵工程施工质量验收标准》TB10415-2003③《客运专线铁路桥涵工程施工质量验收暂行标准》铁道部-2006④《铁路钢桥保护涂装》TB/T1527-2004⑤《铁路钢桥高强度螺栓连接施工规定》TBJ214-92。7.2整节段钢桁梁吊装人员主要包括管理人员、技术人员和协力队伍。特殊工种作业人员必须持有与作业工种相对应的专业上岗证书方可上岗，其它作业人员则要经过专门培训并合格后才能到现场进行相关操作，管理人员要有丰富的现场指挥经验，技术人员要熟悉掌握整节段钢桁梁吊装工艺和工作程序。7.3在架设过程中，测量组对整节段钢梁进行跟踪测量，以便于现场指挥员根据测量结果对架设质量进行分析、处理。7.4在工地焊接区域设置临时挡风板，减小大风对焊缝质量的影响，在环境温度低于5℃或遇到大雨天气时，停止施工，另外环境相对湿度不宜高于80%，否则采用火焰烘烤或其他必要的工艺措施除湿后才能开始焊接。7.5工地搭设存放高强螺栓的临时库房，下雨、下雪天时停止高强度螺栓施工，以免螺13 栓受潮。严格按照工艺要求对高强度螺栓进行复检，对欠拧的高栓进行补拧，对超拧的高栓进行更换，在高栓施拧的每班前、后电动扳手各校验一次，电动扳手的每次校验均应作好记录、签证工作，对于班后电动扳手标定值超差的，应立即对该扳手所施拧的螺栓再次检查。7.6切割上弦杆吊耳时，切割剩下2cm后，用打磨机磨平，不损坏主桁母材。8．安全措施8.1.施工人员安全管理措施①建立健全的安全责任制度及安全管理制度，对每个作业点设置安全负责人和督导队员，督导队员常驻现场，直接对安全问题进行监督、处罚和勒令整改。②在整节段钢梁吊装之前对现场操作人员进行专门的安全培训，提高现场人员安全防范意识和自我保护能力，对高空作业人员进行严格的身体检查，只有在检查合格后才能进入现场进行操作。③施工现场的所有人员必须戴好安全帽，在钢梁面操作的作业人员必须穿好救生衣，高空作业时必须系好安全带。④特殊工种作业人员(司机、电工、起重工等)持特殊工种执业证书上岗。8.2.700t架梁起重机安全措施①起重机上装有载荷限位器，驾驶室内显示屏可直接显示起重机各吊具的起升重量、起升高度，另外，当起重机起重力矩超过94％额定力矩时预警，在超过104％额定力矩时自动限动。②司机室内安装有系统运行及故障监控系统、视频监视系统，可以对吊点及吊点周围情况进行观测。③吊具设有高度限位装置，保证起重机起升高度不会超过限定值。④在卷扬机上装有棘轮棘爪制动器，出现如停电等异常情况时，吊机能瞬间锁定，达到制动的效果。⑤为预防大风，在起重机顶部装有大风警报器，当风速超过13.8米/秒时报警，运用防风锚定装置固定。⑥吊机立柱顶部装有避雷设备。8.3整节段钢桁梁吊装安全①起重机吊装前，对各项起吊准备工作进行专门的检查，由检查人员、负责人确认无误后签证确认。13 ②整节段钢梁吊装前将其需要占用航道的位置和时间与海事部门沟通，海事部门根据我部提供的情况调整航道及设置航标灯，并提供专门船只为钢梁运输船护航。③在吊装过程中，有专人负责观察墩旁船只过往情况，遇到紧急情况，通知施工人员停止作业，待桥下船只安全通过后才能恢复施工。④起吊过程中，现场总指挥对各个工点作业人员进行调配，起重机司机密切注意起重重量及其它预警装置。⑤铁路面、公路面各种高空作业平台按规范安装栏杆，平台下装好安全防护网。⑥在起重机起升过程中，将整节段钢桁梁提升1m后对其进行调试，并多次调试刹车系统，在确认无异常情况时，船体才能离开现场返航。⑦起升过程中，有专人负责对后锚点、前支点、墩旁托架进行监测，如发现有异常情况，立即通知现场指挥人员，由指挥员统一协调，找出异常原因后才能继续架设。⑧施工水域风力大于6级时，现场必须停止一切吊装作业。9．环保措施9.1.重点调整午间、夜间及中、高考期间的施工作业时间，分区段进行高噪音的作业，以免给周边居民带来影响，给工程施工造成不必要的麻烦。9.2保持施工现场的整洁，建筑材料合理堆放，施工过程产生的废渣、废料必须袋装下桥，不允许将废料直接扫入河道中。9.3设置房间，专门保管对水体有污染的物品，如油漆等，不允许其污染河道。10．资源节约10.1运用整节段安装施工工法，通过合理的安排和调配，现场施工人员的劳动强度降低，所需劳动力数量也有所下降。10.2钢梁杆件在工厂内完成拼装，而现场不需重新设置大场地，免除了工地预拼﹑场内转运﹑杆件存放﹑倒运等工作，在天兴洲xx江大桥的修建中，天兴洲岸存梁空间有限，使用整节段钢桁梁安装的方法，成功地解决了这个问题。10.3整节段钢桁梁安装过程中，由于使用的辅助设备较散拼时有所下降，大部分设施可以循环利用，节省了大量的钢材和设备。10.5由于合理的组织和技术的革新，总体工期缩短，节省了大量的人力，物力，带来了明显的经济效益。13 11．效益分析xx公铁两用xx江大桥采用的是双塔三主桁三索面结构，大桥共78个节间，重量为430～680吨不等，由于该大桥结构形式新颖，工作任务量比较大，而且该大桥处于xx江航运最发达的河段之一，为了解决上述问题，提高大桥安全性、经济性，同时也保证航道正常运行，故采用了700t架梁起重机吊装整节段钢桁梁代替了常规的钢梁散拼安装，该大桥从2008年3月开始整节段架设来看，该方法发挥了其特有的优势，取得了明显的效益，具体有如下几个方面：11.1部分现场工作转到工厂完成，提高了钢桁梁安装施工质量。尽量使工作在条件较好的工厂完成，相应的减少工地工作量，是提高钢桁梁安装质量较为有效的途径之一，采用整节段工厂组拼较现场散拼在提高质量上有明显的优势。整节段钢桁梁吊装时，工厂完成的工作量与现场工作量对比如下：（1）桁段在工地完成的对接焊缝减少，采用整节段钢桁梁吊装时，工地焊接工作量约为51%，其它49%的焊接工作量都在工厂完成。（2）桁段的高栓施拧量减少，本桥在架设一个整节段时，在工厂施拧完成全部高栓的58%。（3）免除了工地预拼﹑场内转运﹑杆件存放﹑倒运等工作。11.2桁段按短线法（本桥为三个桁段）在工厂组拼，并在桁段上加设临时杆件，使之成为一个稳固的整体。桁段经过工厂组拼﹑整体脱胎﹑运输，整体安装与散件拼装相比，更易保证工地钉孔重合率和钢桁梁预设拱度的精度。11.3当钢梁节段采用散拼时，水上高空作业范围较大，安全网需通常拉设，本桥散拼时，安全网拉设不方便，而整节段拼装时，作业面较小，几个主要工作点都装有护栏的平台，安全网铁路面脚手板形成稳固的系统，安全性明显提高。11.4桁段安装时间明显缩短，架梁安全性有所增加。根据本桥钢桁梁安装实际进度，一个桁段安装时间：散件拼装为12~15天，而整节段钢桁梁吊装为6~8天。由于本桥是在通航河流上架设钢桁梁，架设工期的短缩对桥下船只通航安全有积极意义。而对于双向大伸臂的梁塔而言，施工期间发生抖振的可能性也有所下降，这对全桥的安全性是有所帮助的。12．工程实例xx公铁两用xx江大桥整节段钢桁梁运用了本工法施工，在施工过程中，现场整节段实13 际架设时间为6～8天/节间，缩短了架设时间，完全满足了天兴洲大桥施工进度要求，且安全无事故，施工质量较散拼架设有明显的提高。13'