双幅大跨度钢管拱桥横移式缆索吊机吊装斜拉扣挂施工工法.doc

2004年度参评三级工法双幅大跨度钢管拱桥横移式缆索吊机吊装斜拉扣挂施工工法双幅大跨度钢管拱桥横移式缆索吊机吊装斜拉扣挂施工工法1、前言大跨度拱桥无支架法施工，可根据具体的桥梁结构形式、周围的地理环境因地制宜的采用缆索吊机的方式吊装，扣挂体系亦有多种形式。对于钢管拱桥，钢管拱各吊装节段用高强螺栓临时连接，简化了安装程序，降低了劳动强度，加快了拼装速度，提高了缆索吊机的工作效率，因此采用缆索吊装这种优势更为明显。为此，在吸取各方面的实践经验和在集团公司内外专家的指导下，我单位在东莞水道大桥施工中，经过共同研究，多方优化，针对双幅拱桥自行设计了280T可滑移式缆索吊机和塔扣分离的扣挂系统，采用了双幅大跨度钢管拱桥缆索吊装斜拉扣挂施工工法，制定了详细的施工工艺和操作规程，获得了成功。2、工法特点2.1在工厂内进行钢管拱肋的分段加工和预拼装工作，采用陆路和水路运抵施工现场，易于保证结构复杂的钢管拱肋的加工质量。2.2缆索吊装和扣索塔斜拉扣挂自成体系，安装过程中互不干扰，受力明确，计算简便。2.3扣挂体系中，采用塔顶过鞍和张拉转换系统，减少了高空作业的同时，使扣索调整工艺简单、方便快捷。2.4施工中采用了左右侧拱肋对称安装固定,然后再安装横撑的施工顺序，有助于安装过程中的安全稳定。2.5钢管拱肋接头在焊接前采用了等强度外法兰板连接方式，可有效的应对台风到来时的不利影响。2.6钢管拱线形控制采用大型有限元通用软件模拟钢管拱的受力状况进行计算，并以自编程序予以复核的方式，使钢管拱的线形控制从理论上得到了保证。2.7对原桥台基础进行加固处理，作为缆索吊机的后锚；在边拱拱顶设置预埋件，直接利用边拱的自重平衡扣索索力，利用拱座作为扣塔的基础，做到了经济、安全、实用。3、适用范围本法普遍适用于跨越深水、深谷、航运繁忙的河道上的拱型桥梁，尤其适用于平原地区边拱设计较为强大的大跨度飞燕式双幅钢管砼系杆拱桥拱肋的拼装架设。4、工艺原理本工法采用可横移式缆索吊机吊装斜拉扣挂法，就是针对需要跨越深水、深谷或通航河道的大跨双幅拱桥施工中，由于无法采用支架或拱架用量过大的情况下而采用的。施工前，针对设计图纸所确定的拱肋分段重量，进行缆索吊机的设计安装，每一节段采用缆索吊机吊装就位后，通过扣挂体系临时固定和微调，进而完成所有拱段的安装，实现合龙。安装过程中，按提前计算拟定的各节段预抬标高值进行设置，达到对拱肋的安装线型进行控制的目的。安装完一幅拱肋后，通过预先设置的横移滑道横移缆索吊机，安装另一幅钢管拱肋。5、工艺流程及操作要点5.1工艺流程图1施工工艺流程图5.2操作要点钢管拱肋现场安装采用两岸双肋并举的对称方式进行施工。先安装完右幅桥主拱肋,待缆索吊机横移后再进行左幅桥主拱肋的安装。具体参见钢管拱肋安装图2。图2钢管拱肋安装图5.2.1钢管拱肋加工及运输钢管拱采用厂内制造方案，主要包括筒节制造、节段弦管制造、节段匹配制造、半拱肋预拼装四个阶段。零件下料（除节段两端筒节）采用预加补偿量一次下料的工艺，均采用数控精密切割，坡口在专用平台上切割完成；管相贯接口切割由数控相贯线切割机完成；主弦管弯制由大型中频弯管机完成；筒节及筒节对接在专用平台上制造；主拱肋匹配制造胎架按桥线型设计制造，在胎架上完成主拱肋制造和预拼、腹杆相贯线预拼及临时连接件的安装。钢管拱采用陆路、水路运输相结合的方式，根据钢管拱肋现场吊装先后顺序，南北岸成对配载，以满足现场吊装要求。5.2.2缆索吊机安装5.2.2.1主塔安装索塔安装采用“单件拼装、摇杆安装”，逐节向上拼接直至设计高度。摇头扒杆起吊能力为10KN。拼装达到缆风绳位置时，在塔架上加设缆风绳，确保安全。5.2.2.2主索架设采用“小索代主缆直接拖拉法”安装工艺，先在两座塔架间对拉2根工作钢丝绳，作为60主缆索安装的滑行轨道。固定好后，用50KN卷扬机将主缆索拖拉过河。起重、牵引索的安装方法基本上和主缆索相同。5.2.2.3索鞍、跑车安装索鞍与运行小车等较重部件，在地面进行分解后，利用索塔上滑轮组配卷扬机将各零部件吊至索塔顶，并在塔顶进行组装后，吊到主索上。5.2.3扣挂体系安装5.2.3.1塔架安装扣塔塔架先拼装成较大节段，利用己安装好的缆索吊机进行安装。5.2.3.2扣索安装钢绞线先在地面上做好端头锚固，将锚固好的钢绞线使用缆索吊机整体吊装，放置于扣索塔索鞍内，一端放入张拉体系内，另一端牵至安装好的节段上面，等到安装拱段基本就位后，将其牵引至该段扣点处连接，张拉端收紧到工作状态。5.2.3.3转换体系的安装根据张拉结构形式进行组装，以销轴和精轧螺纹钢连接，准确测量，保证各锚箱之间形成平行关系，防止扭曲变形。5.2.4钢管拱肋悬臂拼装5.2.4.1拱脚预埋段安装在拱座承台上进行拱脚（定位架及预埋段）的吊装预埋。预埋时，必须经反复多次测量检查，确认其位置、坐标、标高、倾角均达到设计位置和要求后才能最后固定定位架和预埋段，且在灌注拱座砼之前，将定位架支撑牢固以防变形。5.2.4.2拱肋及风撑安装a、吊装第一分段拱肋拱肋起吊后，下端嵌扣预埋段内导管，由于内衬管与第一节段端口失圆的影响，安装困难较大，可采用对内衬管进行切割，减小内导管尺寸的方法，加快安装速度。就位后焊接好接头法兰和拼接板，安装螺栓、冲钉。将拱铰的下座板及锚栓嵌埋入拱座预留槽孔中。调准拱肋线型、标高、拱肋间距后吊装横撑及斜撑，焊接横撑管接头，而K撑端头只用马板与主拱弦管定位而不焊接。拱肋标高定位采用缆索吊机徐徐松钩和扣索徐徐加力的方式进行。b、吊装第二分段拱肋起吊后，下端嵌扣进第一分段内导管并用冲钉及螺栓将法兰板及拼接板连接，调准拱肋线型、标高、拱肋间距后将拱肋定位好，安装临时横撑及斜撑，焊接横撑管接头，而K撑端头只用马板与主拱弦管定位而不焊接。待全桥合拢并焊接完成后，拆除临时支撑，安装肋间钢横梁，高强度螺栓施拧须严格按“钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规程进行。c、吊装第三七分段拱肋施工工艺与第二节段相同。5.2.4.3合拢段安装吊装前，调准全拱拱肋线型、标高、位置等，在最接近设计温度的时间时，反复测量高空合拢口的水平距离，以保证测量精度。依据实测值切割掉合拢段两端余量，由于受缆索吊机起升高度的影响，上弦管一端多切除60cm,以便于安装过程中转动和调整，同样在最接近设计温度的时间内吊装合拢段，拉动第七分段的滑动内导管使其插入合拢段，及时装焊接头处法兰板及连接板并用冲钉及螺栓栓接。调准拱肋线型、标高及拱肋间距后吊装拱顶风撑，焊接风撑横管接头。多切除的端头段采用两个半圆钢管补焊。合拢段安装见图3图3合拢段安装图5.2.5钢管拱焊接主拱拱肋及风撑（横撑、斜撑）的工地焊接顺序。主拱拱肋分段接头处焊接顺序为：吊装三个分段后及时焊接最下面一个弦管接头和相应的风撑接头。等主拱拱肋合拢焊接完成后，切除接头处法兰板及其它板件，焊接包板，补焊后焊腹管及缀、腹板。5.2.6扣索拆除钢管拱肋全部焊接完成后，即可拆除扣索，拆除时要对照线形控制中反映的变形情况进行，先南北岸自上而下对称拆除拱肋将向下变形处的扣索，然后拆除向上变形处的扣索。5.2.5线形控制5.2.5.1目标：使拱肋合龙后各控制点的标高满足设计要求，即拱轴线符合“理想裸拱轴线”。这是安装过程中线形控制的基准。5.2.5.2思路：每一节段在吊装时刻均有一预抬高值，随着吊装节段的增多，在自重作用下，拱肋轴线愈来愈逼近设计的“理想裸拱轴线”，当拱肋合龙松扣后，其轴线即位于该“理想裸拱轴线”。5.2.5.3拱肋安装阶段预抬高值计算原理在线形控制计算中，采用大型有限元通用软件对钢管拱肋吊装阶段进行模拟计算。模型中采用分段直线梁单元模拟悬链线形拱肋，杆单元模拟拉索。拱段间连接按半刚性考虑。先用“前进分析”计算扣索的受力状态和各段拱肋控制点标高与理想轴线的差值，然后再用“倒退分析”确定各段拱肋在吊装时刻控制点的标高。5.2.5.4确定松扣挠度拱肋合龙后，由于松扣引起的拱肋控制点挠度为松扣挠度，计算模型如图3示。其计算原理是，在各扣点作用一个反向索力，在反向索力作用下，计算空钢管各点的挠度。反向索力的大小为合龙时各段的最终索力。5.2.5.4计算假定及相关说明 在吊装过程中扣塔不发生水平及竖向变位，在施工中保证塔顶偏移量不大于20cm，对拱肋安装标高影响可以忽略。 不考虑温度变化对扣挂过程中拱轴线形的影响，施工中拱肋精确定位全部选择在夜晚10点钟以后进行，尽量降低温度变化对安装标高的影响。 扣索绕过设置在塔架上的索鞍后锚固在边拱端部，在计算中忽略了扣索与转鞍轮之间的转动摩擦，认为前索和背索的张力大小相等，但施工中发现，索鞍处摩擦力影响较大，对索力有较大影响。5.2.6缆索吊机横移设计时，在塔架底部设置滑道，滑道主要由工字钢、槽钢组成，结构形式可见图4。滑移采用YCW液压千斤顶拖拉，起动时，在塔架后部增设辅助的顶推千斤顶。滑移前，放松承重索，既有缆风和新设缆风互紧互松，协调配合进行。横移到位后，安设另幅拱肋。图4滑道结构图6、机具设备6.1缆索吊机6.1.1技术性能指标6.1.1.1额定起重量；主索Q=240=80t;6.1.1.2建筑跨度：L=400m;6.1.1.3工作有效跨度：Lv=400m-2=320m6.1.1.4承重索跨中最大挠度：(含气温38影响)fmax=28m6.1.1.5钢支架高度:H=99m;6.1.1.6运行速度：运行小车运行速度Vx=010m/min；起升速度Vq=0.922m/min；6.1.1.7承重索形式：单跨二索制。主索采用60mm的钢丝绳12根；6.1.1.8缆索起重机工作级别(GB3811-1983)总设计寿命12500小时，起重利用等级U6；名义载荷系数Kp=0.5;载荷状态Q3-重级利用等级A7。6.1.1.9缆索起重机主要技术参数表1项目承重牵引起升载荷5397.6KN249.552=499KN4002=800KN利用等级A7A7A7滑轮底径412mm672mm420mm动力系数1=1.21=1.21=1.3钢丝绳型号6V43+IWR6V37s+NF34w7+IWR钢丝绳直径60mm42mm26mm速度0.3210m/min0.3210m/min上0.922m/min下0.924m/min卷扬机型号2JM28F.110A型JMW8F.10102型 牵引拉力280KN80KN电机型号YVP280M-6型YVP250M-6型电机功率60KW37KW电机转速N=990m/minN=990m/min卷筒绳速V=10.023m/minV=12.73723.207m/min容绳量48m1200m绳径42mm26mm制动器YWZ3-315/90YWZ3-315/90减速器ZQ75-40.17-3ZZQ65-23.34-3Z卷筒直径8001040mm4801000mm1625mm无线电遥控系统FST716型FST716型变频系统6S7031-51F60型6S7027-21D型 6.1.1.10缆索起重机钢索规格及性能参数表2项目承重牵引起升缆风索钢丝绳型号6V43+IWR6V37s+NF34w7+IWR637sFC钢丝绳直径60mm42mm26mm42mm26mm抗拉强度1870MPa1870MPa1870MPa17701770最小破断拉力2571KN1246.9KN401KN921352拉力安全系数K1min=2.429K1min=4.2474K1min=6.95应力安全系数K1min=2.0K1min=3K1min=3钢绳折减系数0.850.850.85每延米( kg/m)15.4447.52.645.942.286.1.2缆索吊机组成结构6.1.2.1索塔塔架采用N型万能杆件拼装，总高度为96m，塔架拼装呈门式，塔柱截面为44m，立柱杆件为4N1，柱中心距20m，高度方向设系梁两道，满足塔柱的稳定要求；基础采用桩基与承台，桩径1.2m，承台厚度为2m，塔架与基础采用滑道联接形式。两岸索塔中心距为400m，有效跨度320 m。索塔应适当向引桥方向后仰1520cm。可参见图2。2.主索每幅桥布置2套缆索，每套主索为660钢丝绳，后锚位置设一600T滑轮组，用于调整主索的垂度和平衡6根主索的索力，承重索跨中最大挠度28m。3.牵引索选用42钢丝绳，配四台28T双筒卷扬机两岸牵引，经索塔上部转向滑轮与地面50T导向滑轮进行牵引，牵引速度4.5m/s。4.起重索选用26不旋转钢丝绳，配四台8T单筒卷扬机，经索塔上部转向滑轮与地面16T导向滑轮进行起升运动，对岸设钢丝绳死头；提升速度2.5m/s。额定起重量800KN。5.后背索选用42和26钢丝绳，每组设四根，两岸共八组，主塔上下设三层，配80T和50T滑轮组，与主地锚锚固装置进行固定。用于平衡钢管拱吊装时塔架产生的不平衡力。6.缆风主塔上下设置三层缆风，选用42和26钢丝绳，与塔架呈八字型布置。7.主地锚主地锚位于桥台位置，在原桥台基础上增设12根1200mm桩基，并将承台加大处理，满足钢管拱吊装产生的锚固力。8.侧缆风地锚 根据现场地形和环境，采用重力式与桩承台基础，利用预埋件与缆风连接。6.2扣挂系统组成结构扣挂体系主要分五部分：扣索塔架、前锚系统、平衡锚索系统、张拉转换系统、纵向风缆及压塔索。6.2.1扣索塔架塔架高64m，横桥向宽24m，顺桥向宽4m，采用N型万能杆件拼装，为门式结构。塔架顶设上平联，高度为4m，左右两立柱间设两道水平连接系，高度为4m。同时，在扣塔立柱相应的位置安设索鞍，其标高由需要扣挂的拱段标高控制。塔架基础直接利用主桥拱座，施工时，在拱座内预埋12根工字钢，其上安设立柱铰支座。铰支座分为上下两部分，上部分与塔架连接成整体，下部分与工字钢相连，两部分采用钢销铰接。可参见图5。6.2.2前锚系统的设计钢绞线与钢管拱连接部分称为前锚系统。钢管拱第一、二节段扣点位于钢管拱腹板中部，图5扣塔铰座图每节段两侧各一个，呈对称布置，采用16Mn钢板焊接为组合箱型，每个扣点设4根钢绞线，钢管拱第三至七节段扣点位于钢管拱上弦管下部与竖腹管夹角处，见图6。采用Q345c型钢制作为组合箱型梁，与钢管拱焊接。箱梁两端设扣点。根据受力采用58根钢绞线，端部采用HVM锚具和夹片、P型挤压锚双重固定。图6第三第七节段扣点示意图 6.2.3张拉转换系统的设计为便于钢管拱的固定和调整钢管拱的线型，设立张拉转换系统。转换系统最大调整范围为2.8m。此套转换系统共分五部分：端横梁和边拱预埋件、转换耳板、张拉锚箱、移动锚箱和转换锚箱。具体构造见图8。图8张拉转换系统构造图6.2.4平衡锚索系统的设计钢管拱吊装过程中，还加设了平衡锚索系统，以平衡扣索和锚索产生的不平衡水平力。平衡锚索系统的结构形式与张拉转换系统的结构形式一致。6.2.5纵向风缆及压塔索塔顶设纵向风缆和压塔索，以此固定塔顶的原始位置，由2根38钢丝绳组成，纵向风缆锚在引桥墩柱上，压塔索两端锚在扣塔塔顶。6.3其它机具设备表3序号名 称规 格单 位数 量备 注1吊 车12t台22运输船200T台33电焊机ZXE400台354烘 箱500台25导 链10t个156导 链5t个257导 链2t个108导 链3t个109砂 轮 机180个410电动扳手个411千斤顶50t台412单滑车5t台1013单滑车10t台2014单滑车20t台2015滑车组16t台416滑车组32t台1617滑车组50t台818卡环5t个3019卡环10t个4020卡环16t个6021卡环25t、32t个2022卷扬机3t台423卷扬机10t台47、劳力组织表41专家组7人负责整个施工过程的技术指导及方案设计优化2指挥组5人负责整个钢管拱肋施工过程的指挥、组织、协调、安排3技术组10人负责整个施工方案的编制、施工过程的技术工作4测量组8人负责整个施工过程的测量及钢管拱的线形控制5物资设备组4人负责整个施工过程的材料、设备的供应。6吊装组30人负责拱肋的起吊、扣索的安装和张拉。7安装组50人负责缆索吊的安装、扣塔系统的安装、缆风调整等工作8安装组9人负责拱肋的对接、螺栓的施拧9焊接组42人负责钢管拱全部的现场焊接工作10安检组5人负责整个施工过程的安装检查工作11电工组7人负责施工期间电器设备检修、动力和照明用电8、安全措施8.1施工期间经常与水文、气象单位取得联系，避开恶劣天气，由于东莞经常有台风，施工中，要注意收听天气预报有无台风，在确定无台风情况下才可以吊装作业。8.2施工中与航道部门取得联系，钢管拱肋在安装时封闭河道，防止发生意外。8.3钢管拱上弦管上方设置安全栏杆及踏步，确保钢管拱安装焊接吊装人员安全地到达作业面，吊装段组对口及横斜撑安装口下方挂设安全网。8.4对安装中的重要设施如缆索吊装系统、扣挂体系进行定期和不定期的检查，发现情况及时处理，不留隐患。8.5现场施工建立明确的岗位责任制，严格纪律，统一指挥、统一信号、统一行动。8.6高空作业人员选用经过专门训练且体检合格的人员，施工中必须戴安全帽，系好安全带。8.7由于南方雷雨多，施工过程中安装避雷针，防止雷击。8.8配备发电机，在安装钢管拱的施工作业过程中，如遇突然停电，立即启动备用发电机，确保安装过程中的电力供应。9、质量标准9.1拱脚预埋段在安装时要严格按规定对管口失圆度、管中心间距、四管口是否在同一面上进行检查。合格后方准安装定位，安装误差控制在5mm以内。9.2钢管拱在工厂内加工，要进行预拼