7大跨径悬索桥钢桁加劲梁桥面吊机架设施工工法

7大跨径悬索桥钢桁加劲梁桥面吊机架设施工工法

大跨径悬索桥钢桁加劲梁 桥面吊机架设施工工法 2011 年 4 月 1 、工程背景 2 、工程特点 3 、工艺原理 4 、关键技术创新点 5 、施工工艺流程及操作特点 6 、工程质量与施工安全 7 、工程应用情况 8 、社会及经济效益 目 录 大跨径悬索桥钢桁加劲梁桥面吊机架设施工工法是以贵州坝陵河大桥工程为依托进行总结形成的施工工法。 坝陵河大桥是沪瑞国道主干线跨越坝陵河峡谷的一座特大型桥梁。桥址两岸地势陡峭，地形变化急剧，起伏大，河谷深切达 400 ～ 600m ，桥面至常水位面高约 370m 。 大桥组成：主桥及东、西引桥 主跨跨径： 1088m ；全桥长： 2237m 国内首座跨径超千米的单跨双铰钢桁加劲梁悬索桥，同时也是典型的山区峡谷大跨径桥梁。 钢桁架加劲梁由钢桁架和正交异性钢桥面板两部分组成。 一、工程背景 一、工程背景 一、工程背景 桥型断面图 一、工程背景 钢桁加劲梁组成：主桁架、主横桁架、上（下）平联 节间长 10.8m ，全桥分 100 节间，桁架高 10m ，宽 28m 。 一、工程背景 主桁片 主横桁片 西岸 东岸 91# 81# 20# 10# 钢桁梁断面及临时“铰” 一、工程背景 一、工程背景 桥梁建设条件 典型的山区峡谷地形 —— 黔西地区的高原重丘区 跨越坝陵河大峡谷，河谷深切达 400-600m ，桥面距谷底 370m 两岸山高坡陡，无施工场地 地形变化急剧，起伏较大 钢桁梁跨度大，主跨 1088m ，世界第六、国内第一； 大桥的建设条件特殊。桥位地处黔西地区高原重丘区，地形地貌复杂，施工场地极为狭窄，没有钢桁加劲梁的梁段拼装场，桥下溪沟也不具备水上运输条件，使得钢桁梁的运输、拼装及架设都需要采用非常规施工工艺和手段； 桥面吊机架设法首次运用于悬索桥。桥梁设计期间明确了将桁架结构 “ 化整为零、集零为整 ” 的施工工法，推荐采用全回转桥面吊机和桥面运梁小车结合的上部结构架设方案，在工厂内将钢桁梁杆件首先进行试拼装，确保满足进度要求，分拆为杆件运输到工地，利用引桥桥面，组拼桁架片，可以最大限度节省施工场地，节省费用； 二、工程特点 设置临时铰 架设工艺研究，主缆线形变化情况分析，吊索及杆件受力计算分析，国内首次提出了在钢桁梁上弦杆设置临时铰的施工架设工法，有效释放主桁刚接的钢桁梁施工架设应力； 临时牵引 钢桁梁梁段悬臂架设后吊索不能直接安装就位，需通过专项牵引机构对加劲梁悬臂端进行整体提升以使吊索就位安装，钢桁梁悬臂端的整体牵引提升施工是钢桁梁常规架设中所没有的 二、工程特点 充分利用和发挥常规起重机械进行吊装作业的特点和优势，针对钢桁梁的特殊结构形式以及悬索桥上部结构施工具有的漂浮性和柔性特点，研发专用的步履式全回转桥面吊机，钢桁梁设置“临时铰”改善杆件受力和桥面线形，将悬索桥钢桁梁空中架设以类似陆地常规起重架设方式进行作业，确保架设精确性、高效性及作业安全性。 钢桁加劲梁首节梁段采用杆件散拼、整体拼装及吊装架设、浮吊架设。一般架设单元采用步履式全回转桥面吊机按设有临时“铰”的逐次刚接法进行悬臂架设。临时“铰”按照逐次刚接法架设施工过程有限元分析结果进行设置，以适应主缆在加劲梁架设过程中的线形变化，确保架设过程中吊索及加劲梁杆件内力不超过设计允许内力。加劲梁架设接近跨中合龙前，线形逐步逼近成桥状态，临时“铰”部位下弦杆水平拉力基本为零，进行临时“铰”闭合施工，拆除临时连结。 三、工艺原理 单个架设梁段的主桁架和主横桁架采用平面构架法拼装，架设顺序按照先主桁架，后主横桁架，最后平联及附属结构的顺序进行。一个架设梁段悬臂架设完成后，采用牵引机构对加劲梁悬臂端进行整体牵引，安装悬臂端吊索，完成单个架设梁段的架设任务。一个架设梁段完成后桥面吊机步履走行前移至前端，依照前述步骤依次架设一般梁段，直至合龙段，跨中进行主梁合龙，完成加劲梁全部架设任务； 牵引机构通过液压千斤顶顶升作业调整主缆与加劲梁之间的距离，安装吊索。牵引机构由牵引索夹（钢构件）、牵引吊索、张拉杆、千斤顶、托梁等部件组成。 三、工艺原理 根据特殊的桥梁建设条件，综合分析研究钢桁梁的架设方案、施工工艺流程，采用 “ 化整为零，集零为整 ” 架设方案，首次在国内悬索桥钢桁加劲梁架设中研究和运用桥面吊机悬臂架设方法； 首创了单边两铰逐次刚接法的钢桁加劲梁架设施工新技术和新工艺。通过 “ 临时铰 ” 降低了架设施工中的结构内力，使截面和材料选型更为经济。结合施工架设工法，对临时铰的设置、抗风稳定和闭合、架设设备通过临时铰等各种施工工况进行了计算分析和施工控制，形成了一整套多铰逐次刚接法的钢桁梁架设关键施工技术； 四、关键技术创新点 成功研制和应用了步履式全回转桥面吊机、桁片运输车等专用设备，设备使用效果良好，钢桁梁架设精确性高、费用省、安全可靠； 成功研究架设设备通过临时铰的施工技术，临时铰闭合、钢桁梁跨中合龙技术； 吊索安装所实施的间接牵引施工技术，中长及短吊索区偏心吊装施工技术（ L 型、 C 型吊装技术） 四、关键技术创新点 加劲梁架设计算分析 首节梁段架设 一般梁段主桁架架设 一般梁段主横桁架架设 平联及附属结构架设 悬臂端牵引提升，吊索安装 桥面吊机前移 施工准备 下一个梁段架设 一般梁段架设完成 合龙段架设 临时“铰”设置 一般梁段架设 临时“铰”闭合 架设设备拆除，架设完成 五、施工工艺流程及操作要点 5.1 施工工艺流程 考虑索塔周边的起吊设备作业半径、桥面吊机的工作性能以及结构受力安全等因素，架设方式如下。 方式一：杆件架设法 在索塔侧搭设落地支架或者墩旁鹰架，采用索塔周边的起吊设备或者桥面吊机在支架（鹰架）上进行单根杆件架设拼装，安装吊索。 架设顺序一般先底层杆件，再逐步向上；也可以先纵桁再横桁的顺序进行。整个梁段拼装完成经检测符合精度要求，然后整体更换高强螺栓进行节点固结。 五、施工工艺流程及操作要点 5.2 操作要点 5.2.1 首节梁段架设 方式二：平面构架法架设 将杆件按桁架平面结构拼装，以桁架平面结构为单元进行架设。架设顺序先主桁、后横桁、最后平联。 方式三：整体梁段吊装 在塔底搭设预拼场，采用常规方法进行首节梁段整体拼装，利用以主缆为支承的起吊设备进行梁段整体吊装，安装吊索。 起吊设备在使用前必须进行性能检验和荷载试验，确保起吊系统满足吊装重量要求。 有条件的江河湖海地区还可以采用在预拼场将首节梁段整体拼装成型，利用大型浮吊整体吊装架设，安装吊索。 五、施工工艺流程及操作要点 5.2.2 一般梁段架设 一般梁段架设采用步履式全回转桥面吊机悬臂拼装架设。 单个架设单元一般由两个桁架梁节间组成，采用平面构架法拼装，由运梁车运送到位，通过桥面吊机将主桁片及主横桁片平面构架架设到位，主桁架一端与前一梁段相应节点由高强螺栓刚性连结，另一端悬臂，主横桁片与主桁片刚性连结。 单个架设梁段悬臂拼装完成后，通过牵引机构对悬臂端节点进行牵引提升，安装吊索，完成一个架设梁段的架设任务。 桥面吊机前移一个架设梁段，就位并锚固，进行下一架设梁段的架设。 五、施工工艺流程及操作要点 加劲梁杆件在工厂及车间加工制作完成后，必须进行立体试拼装检验，验证各杆件的相互匹配关系，检验杆件的加工制作精度及制作误差，然后将各杆件进行详细编号，做好标记，以备现场拼装用。 加劲梁运至现场后，一般按照架设单元进行杆件平面拼装即可，检验平面构架的拼装精度。主桁片平面拼装采用 1+1 模式进行，拼装采用 2 个相邻架设单元桁片进行，检查拼装几何精度，满足设计要求后，解除架设单元之间的临时连接，由拼装场专用设备起吊出运，进行悬臂架设作业，剩下架设单元留作下一平面构架拼装接口。依次循环上述拼装工艺进行加劲梁平面构架拼装。 5.2.2.1 加劲梁拼装 五、施工工艺流程及操作要点 加劲梁桁片及杆件运输采用专用运梁车。 运梁车应适应加劲梁在架设过程中的线形变化及临时铰状态，满足纵、横向运输稳定性要求，轮压满足钢桥面板的局部应力及变形要求。运梁车可以是单个小车，也可由两个单体小车组成。 运输轨道布置在已经架设完成的加劲梁正交异性钢桥面板上，为方便桥面吊机起吊，加劲梁桁片需采用 “ 直立式 ” 状态运输。 5.2.2.2 构件运输 五、施工工艺流程及操作要点 加劲梁运输图 五、施工工艺流程及操作要点 1 、架设步骤 1 ）桥面吊机行走至加劲梁前端，机身调整并锚固，大臂回转 180° 起吊加劲梁平面构架，然后旋转至安装位置，大臂调整对位，加劲梁平面构架与安装对接点精确对接，安装拼接板，利用冲钉及工具螺栓进行拼装作业。待所有接口拼接完成并具有足够数量的冲钉后，桥面吊机大臂松钩，加劲梁呈悬臂状态，然后进行高强螺栓施工，高强螺栓施工需满足设计和规范要求。 5.2.2.3 梁段架设 五、施工工艺流程及操作要点 2 ）架设顺序是先纵向主桁架，后主横桁架，最后平联。单个架设梁段若由两个或者多个节间组成，横桁及平联架设应按节间逐步推进，依次架设以确保架设精度。在悬臂拼装架设中，根据现场情况需调整主横桁架吊装角度以精确对位。 一般梁段架设步骤见图。 主桁架及主横桁架架设见图所示。 五、施工工艺流程及操作要点 主 桁 架 及 主 横 桁 架 架 设 五、施工工艺流程及操作要点 对于中、短吊索区，主缆和猫道会和桥面吊机发生干扰，因此需采用特殊吊具辅助。 特殊吊具有两种形式： L 型吊具和 C 型吊具 1 ）中长吊索区主缆斜度较大，采用 L 型吊具辅助架设。 2 ）短吊索区主缆平缓，采用 C 型吊具辅助架设。 2 、特殊吊具 五、施工工艺流程及操作要点 L 型吊具作业 五、施工工艺流程及操作要点 C 型吊具作业 五、施工工艺流程及操作要点 加劲梁悬臂架设后，吊索不能正常安装，需在主缆与桁架之间设置牵引提升机构，通过牵引机构工作安装吊索，完成单个梁段的架设作业。 牵引提升分两种形式：直接牵引和间接牵引。直接牵引是指吊索上设置牵引机构直接牵引钢桁架来安装吊索，其它牵引形式为间接牵引。 牵引提升机构由临时索夹、临时吊索、吊架、张拉杆、张拉千斤顶组成。 牵引作业中各千斤顶需同步顶升，时刻观察和记录油泵工作状态及牵引力值变化情况，确保牵引作业安全。 5.2.3 牵引提升 五、施工工艺流程及操作要点 牵引机构及作业 五、施工工艺流程及操作要点 钢桁加劲梁架设过程中，梁段逐次刚接，主缆线形变化大，杆件内力及吊索力不断增大，因此为释放逐次刚接法架设中加劲梁杆件及吊索的过大内力，消减应力峰值，在加劲梁主桁架上弦杆设置“铰”接形式的临时连结构造，即为临时“铰”。 5.2.4 临时 “ 铰 ” 五、施工工艺流程及操作要点 临时 “ 铰 ” 设置在加劲梁主桁架上弦杆，上弦杆两侧腹板各向上伸出一个耳板，腹板外侧各安装一个带耳板的拼接板，耳板上设置销轴孔，与销轴形成铰节点。临时铰处下弦杆、下平联断开，上弦杆与斜腹杆、上平联之间设置临时连结构件。 5.2.4.1 临时 “ 铰 ” 设置 五、施工工艺流程及操作要点 临时“铰”形成后，该部位下弦杆及下平联断开，使得其横向抗风稳定受到减弱，需设置临时抗风拉索结构连接并张紧前后梁段以抵抗横向风荷载。 5.2.4.2 加劲梁抗风稳定 五、施工工艺流程及操作要点 5.2.4.3 架设设备过 “ 铰 ” 临时 “ 铰 ” 形成后，加劲梁顶面呈现较大的折角，使得桥面吊机、运梁车等架设设备通过临时铰时出现障碍，需采取特殊的处理措施。 1 、桥面吊机过 “ 铰 ” 方式 1 ）方式一：爬坡过铰 临时铰处的加劲梁架设单元直接架设成型，安装吊索，加劲梁形成折线，通过对桥面吊机行走轨道进行支垫调整高差，依靠行走推进油缸工作使桥面吊机前移，完成爬坡过 “ 铰 ” 作业。 五、施工工艺流程及操作要点 桥面吊机爬坡过 “ 铰 ” 五、施工工艺流程及操作要点 2 ）方式二：直线过 “ 铰 ” 临时铰处的加劲梁架设后，吊索暂不安装，通过临时牵引机构悬挂，临时铰暂不形成，桥面吊机按照常规步骤通过临时铰，然后临时牵引机构进行牵引作业，临时“铰”张开，吊索安装就位。 五、施工工艺流程及操作要点 五、施工工艺流程及操作要点 2 、运梁车过 “ 铰 ” 临时“铰”形成后，该部位钢桥面板不能安装，需设置能够适应临时铰变化的简易组焊钢构件，铺设轨道，使运梁车顺利过铰。 随着加劲梁架设推进，加劲梁、钢桥面板及附属结构等一期恒载逐步加载到主缆上，主缆线形逼近成桥线形，临时“铰”逐步闭合。 临时铰闭合实行自然闭合。闭合期间做好观测记录，掌握好闭合时机，实行无应力闭合作业。 5.2.4.4 临时 “ 铰 ” 闭合 五、施工工艺流程及操作要点 临时“铰”闭合施工 五、施工工艺流程及操作要点 合龙段是加劲梁架设的最后架设单元，是加劲梁杆件制作误差及架设误差的汇集点，由此合龙段架设是极为关键和复杂的架设施工工序。 合龙段架设首先是进行架设分析计算，预测主缆及加劲梁的线形状态，有针对性地提出合龙方案和措施；其次是观测和分析各种误差的累积情况，提出误差消除和纠偏措施；第三是计算和确定合理温度条件下的合龙条件，提出合龙段加劲梁杆件的备用方案。 合龙施工分梁段合龙和杆件合龙。先合龙主桁架，然后主横桁架架设。 5.2.5 合龙段架设 五、施工工艺流程及操作要点 钢桁加劲梁架设施工须建立健全质量管理体系，所有操作人员均需培训并考核合格后上岗，做好技术交底工作，增强员工质量意识。 加劲梁拼装精度严格按照相关规范和标准执行。严格按照加劲梁拼装工艺流程作业，认真检测单个架设梁段的整体尺寸及里程坐标，拼装精度满足设计及规范要求。 高强螺栓施工严格按照 《 钢结构高强度螺栓连结的设计、施工及验收规程 》 （ JGJ82-91 ）执行。加强施工质量控制，做好施拧扳手的标定及检验，严格高栓抽检制度。 六、工程质量与安全 认真贯彻 “ 安全第一，预防为主 ” 的安全方针，根据国家有关规定建立健全完善的安全组织管理机构，实行安全生产责任制，确保安全生产的正常进行。 认真编制施工安全专项方案，对架设施工各工序严格进行安全技术交底，加强安全教育及培训工作。 设计和配置专业的安全防护设施。 桥面吊机移机操作严格按照安全操作规程进行 , 吊机移动前及移动就位后都要严格进行安全检查 , 确保吊机支垫及锚固正确 。 六、工程质量与安全 大跨度悬索桥钢桁加劲梁桥面吊机架设施工工法成功运用于贵州坝陵河大桥工程， 2010 年该工法还应用到武汉二七长江公路大桥的钢槽梁及主跨钢梁悬臂架设施工中。 贵州坝陵河大桥主桥采用 248 ＋ 1088 ＋ 228m 的单跨双铰钢桁加劲梁悬索桥。主桥加劲梁采用全高强螺栓联结的钢桁加劲梁结构，全桥供 51 个架设梁段， 100 个节间，其中首节梁段 2 个，标准梁段 48 个，合龙梁段 1 个，采用桥面吊机悬臂拼装架设施工的梁段有 47 个，架设单元最大吊装重量 70t ，相应吊距 22m 。钢桁加劲梁高 10m ，宽 28m 。 标准梁段架设从 2008 年 10 月中旬开始， 2009 年 5 月 18 日主桥合龙，完成全桥架设任务。加劲梁架设高效快捷，节点对位准确，架设安装精度高，架设质量优良，跨中合龙段 “ 零 ” 误差合龙，完全满足设计及规范要求，整体工程质量受到一致好评 。 七、工程应用情况 钢桁梁拼装 钢桁梁翻身 钢 桁 梁 桥 面 吊 机 架 设 钢桁梁运梁小车转运 钢桁梁吊装 钢桁梁主桁拼装 钢桁梁横桁拼装 钢桁梁张拉牵引 桥面板安装 桥面吊机移位 七、工程应用情况 大跨径悬索桥钢桁加劲梁桥面吊机架设施工工法是一项全新的施工技术，填补了国内该领域施工技术的空白，推进了大跨径悬索桥施工技术的进步。 与传统的悬索桥加劲梁架设工法相比较，桥面吊机架设施工工法在生产效率、经济成本有独特的优势，跨径越大，选用桥面吊机架设工法优势越明显 八、社会及经济效益 桥面吊机悬臂架设使加劲梁架设施工一步成型，减少后期的线形调整，可连续均衡施工。 单个架设单元平均架设周期分析： 主桁架片（两片）架设： 1d 主横桁架（两片）及附属构件架设： 2d 牵引提升安装吊索（含牵引装置安装）： 0.5d 钢桥面板（四片）及附属构件架设： 1d 桥面吊机移机及锚固： 0.5d 单个架设梁段（包括附属构件）架设施工净工作时间可以在 5 天内完成，架设施工高效快捷。 采用桥面吊机架设的前期准备及后续拆除等工作单一，可以和现场施工同时展开，不发生干扰，不占用关键工期时间。 8.1 工期效益 八、社会及经济效益 对于超千米跨径的加劲梁悬索桥（以贵州坝陵河大桥为工程实例），选用缆索吊机架设和桥面吊机架设，其费用成本粗略对比如下： 1 、采用缆索吊机架设工法施工的成本费用为： 缆索吊机牵引行走设备、提升设备、各种钢丝绳、锚固及转鞍等各项费用估算总计约为 1500.0 万元； 2 、采用桥面吊机架设工法施工的成本费用为： 桥面吊机设计、制造、检验等各项费用估算总计约为 950.0 万元 3 、费用节省： 1500.00 － 950.00 ＝ 550.0 （万元） 大跨径悬索桥采用桥面吊机架设工法的经济优势明显。 8.2 经济效益 八、社会及经济效益 采用悬索桥钢桁加劲梁桥面吊机架设施工工法，社会效益方面更为突出。国内首座跨径超千米的加劲梁悬索桥成功采用桥面吊机悬臂拼装架设施工工法完成千米跨径主梁架设，受到社会各界的广泛关注，拓展了悬索桥加劲梁的设计及施工技术，实现零的突破，填补了国内该领域的施工技术空白。 桥面吊机悬臂拼装架设施工工法，加劲梁架设高效快捷，节点对位准确，架设安装精度高，架设质量优良。 随着我国大型公路桥梁和铁路桥梁工程建设的不断增多，大跨径桥梁的设计和建设水平迅猛提升，桥面吊机悬臂架设施工工法在悬索桥桥梁建设中将有广阔的运用前景，坝陵河大桥对桥面吊机架设施工技术的研究和成功实施必将为同类桥梁施工提供有益的借鉴和宝贵经验。 8.3 社会效益 八、社会及经济效益 汇报结束！谢谢各位！ 争科技领先，创管理一流！