大跨径刚性悬索加劲连续钢桁梁施工方案比选_郭欣.pdf

公路 年月第期 收稿日期：文章编号：（）中图分类号：文献标识码：大跨径刚性悬索加劲连续钢桁梁施工方案比选郭欣，袁浩允，武尚伟，刘新华（中交第二公路工程局工程有限公司西安市 ）摘要：以某大跨径刚性悬索加劲连续钢桁梁的初设图纸为工程背景，针对该桥结构特点和桥址处的地质、环境条件，结合刚性悬索加劲连续钢桁梁的施工经验，提出了两种施工方案（双向顶推和悬拼法）。采用 建立了全桥模型进行施工阶段仿真计算。从结构受力、工期、材料投入、施工机具投入、施工安全性、对通航影响以及质量控制等个方面进行比较，双向顶推方案有较大优势，因此，选择双向顶推施工方案，并对初设图纸提出优化建议。关键词：连续钢桁梁；刚性悬索加劲弦；方案比选；双向顶推施工；悬拼施工工程背景某大桥航道桥主桥为刚性悬索加劲连续钢桁梁结构。其跨径布置为（），节间划分为 。桥型布置如图所示。钢桁梁为双主桁结构，形式为华伦桁。桁中心距 ，桁高，上弦杆、下弦杆和斜腹杆均采用箱型截面。直腹杆采用形截面。刚性加劲肋采用变高度箱形截面，吊杆采用箱形截面的刚性吊杆。主塔为变截面，内宽和弦杆一致。上层桥面系、下层桥面系均为纵横梁体系的正交异性板钢桥面板。在上横梁和下横梁间设置形截面直撑杆，如图所示。水域主桥河床标高在 之间，水域引桥桥墩处河床标高在 之间。河床以下淤泥层约 厚，流塑淤泥质黏土、黏土及粉质黏土约 厚；土层以下为圆砾，局部夹粉细砂层及黏性土层，厚度超过。桥址水文特性具有河口港的特征，在月月为梅雨季节，月月为台风季节，最大风速。大桥最低通航水位 ，最高通航水位 。单位：图某刚性悬索加劲连续钢桁梁桥立面施工方案介绍根据境内刚性悬索加劲连续钢桁梁工程实践现状，针对该大桥航道桥的结构特点，施工方案总体分为顶推和悬拼两种，在总体施工思路基础上，根据施工顺序提出了种初拟施工方案，如图所示。单向顶推由 向 墩一次顶推，多次变坡调整，调整高度最大为 ，落梁前高度。考虑到施工控制、难易程度、安全风险及工期因素，因此，不采用单项顶推。疏索悬拼对结构的受力不利，不予采用。双向顶推带加劲弦顶推，顶推重量加大，增单位：图某刚性悬索加劲连续钢桁梁桥横断面大大型临时设施的投入，且在顶推过程中加劲弦及吊杆受力不明确，因此，不与考虑。根据初步比选，将大桥的施工方案锁定在双向顶推先合龙后加劲弦安装和密索悬拼种方案上。方案一：双向顶推先合龙后加劲弦安装 双向顶推施工方案主桥顶推跨径最大为 ，水中引桥顶推跨径为，合龙段设在 往小桩号 处。在 号、号墩之间设置拼装支架，拼装区安装龙门吊、提梁站及运梁通道。由引桥向中墩顶推，在 和 跨间设置导梁拆除及合龙调整临时墩。引桥由跨中分别由 、向岸侧顶推。图初拟施工方案双向顶推施工示意图如图所示，总体平面布置图如图所示。顶推时竖向支撑设在桁架节点处。图双向顶推示意图双向顶推总体平面布置示意 运梁通道、龙门吊及提梁站提梁站设置在引桥 、旁，靠近主桥侧，如图所示。龙门吊设置在引桥 、运梁通道布置在墩旁垂直于横桥向，设置在提梁站与 龙门吊下方。运梁通道宽为，采用钢管桩基础，上部结构为贝雷分配梁，如图所示。公路 年第期 年第期郭欣等：大跨径刚性悬索加劲连续钢桁梁施工方案比选图提梁站示意单位：图运梁通道示意 拼装支架、墩旁支架、临时墩拼装支架为大钢管桩，基础为钢管桩基础；墩旁支架为钢管支架，利用承台作为基础。临时支墩立柱为大钢管桩，基础为钻孔灌注桩基础。钢梁拼装及顶推导梁采用钢桁梁形式，总长，分段制作，节段之间采用螺栓连接。主桁间采用横向平联连接，导梁立面和平面图分别如图和图所示。单位：图导梁立面顶推过程中所有临时墩顶和永久墩顶布置顶推设备。顶推设备选择步履式顶推装置，各套步履式顶推装置由一套总控制系统进行集中控制。在支点下垫滑块，集成竖向千斤顶。与步履顶接入一套控制系统。纵向轨道梁上设置滑板，滑板上放置滑块，滑块滑动距离大于（最大为），滑块支撑在桁架节点。如图 所示。单位：图导梁平面单位：图 顶推装置示意 双向顶推施工步骤双向顶推具体施工步骤为：（）基础及下部结构施工，临时墩、墩旁支架搭设，履带吊进行导梁拼装；（）南、北岸主桥拼梁支架（北 、南 ）上采用龙门吊拼装主桥导梁及钢桁梁；（）顶推后按照监控指令的标高调整垫块及千斤顶；（）顶推长度为，支撑在钢桁梁节点位置向前顶推，顶推过程中不断进行坡度调整；（）北岸顶推至临时墩时逐步拆除北岸钢导梁直至北岸钢桁梁到达临时墩，南岸钢导梁至临时墩时逐节拆除，直至钢桁梁到达临时墩；（）通过临时墩升降进行调整合龙口姿态，主桥钢桁梁合龙，加劲合龙后将支座按照设计单位及监控单位要求安装；（）在墩旁支架、临时墩上布设步履千斤顶及垫块，逐步抽垫落梁；（）主桥上加劲弦继续拼装作业，并进行加劲弦合龙施工；（）完成体系转换，拆除临时结构。方案二：密索悬拼施工 悬拼施工方案悬臂拼装在主墩旁设置墩顶块拼装支架，支架纵向长度为。将原结构承台及基础加强、在支座外侧设置临时钢塔、塔高，如图 所示。全桥共 个节间。塔柱（墩）共设置对临时拉索，共施工 个节间，非对称施工，考虑临时配重；塔柱（墩）共设置对临时拉索，共施工 个节间，非对称施工，考虑临时配重；塔柱（墩）共设置对临时拉索，每悬拼个节间进行临时索张拉，共施工 个节间，共个合龙节间。引桥采用顶推施工。全桥施工示意图如图 所示。钢桁梁安装钢桁梁采用分片散拼，分为上下桁片、上桥面板、下层桥面板（分块），吊重控制在 ，墩顶块利单位：图 临时索塔示意图 悬拼施工示意用浮吊吊装，在支架上进行散拼。墩悬拼块段，利用桥面吊机直接起吊；为了减少安装船舶对主通航孔的影响，墩采用浮吊吊装至墩顶梁面，运梁车在梁上运输至桥面吊机附近，桥面吊机吊安。如图 所示。图 墩悬臂施工示意 悬臂拼装施工步骤悬臂拼装施工步骤为：（）墩顶支架搭设、浮吊进场，墩顶块安装、锚固，号块安装；（）桥面吊机安装；（）塔柱安装，塔顶临时锚固结构安装，悬臂段安装至号块，号块临时索安装，塔区吊梁，梁上运梁；（）继续悬拼、挂临时索安装至号、号块，先合龙 跨桁架；（）边跨合龙，再 跨合龙；（）吊杆及加劲安装、合龙；（）解除斜拉索，完成体系转换；水中引桥拼装、顶推施工。施工过程受力分析 有限元模型根据大桥的初设图纸，各构件的材料参数如表所示。结合第二节提出的两种施工方案，对该大桥进行 全施工阶段受力分析。双向顶推施工模型共 个单元，其中包含 个梁单元和 个板单元，个 节间进行顶推，共 个施工阶段。模型结构离散图如图 所示。悬拼施工模型共 个单元，其中包含 个梁单元，个板单元和 个桁架单元，共 个施工阶段。模型结构离散图如图 所示。公路 年第期 年第期郭欣等：大跨径刚性悬索加劲连续钢桁梁施工方案比选表各构件材料参数构件名称材料参数上弦杆 下弦杆 斜腹杆 直腹杆 加劲弦杆 吊杆 有限元计算结果两种不同施工方案中模型各杆件的最大应力结果见表。图 顶推施工全桥结构离散图图 悬拼施工全桥结构离散图表各杆件最大应力计算结果施工方案最大应力 上弦杆下弦杆斜腹杆直腹杆加劲弦杆吊杆顶推施工施工阶段 运营阶段 悬拼施工施工阶段 运营阶段 由表可知，顶推施工过程中直腹杆最大应力达到其屈服强度 的，建议设计单位在设计图纸中对部分直腹杆杆件选用更高规格钢材或增大其截面面积。方案比选 工期方案一和方案二的施工工期安排甘特图分别如图 和图 所示。图 方案一顶推施工工期安排甘特图由图 和图 可知，方案一所需工期为 ，方案二所需工期为 ，方案一能节省。材料投入比较两种施工方案对应的大临结构钢材和混凝土材料投入分别见表和表。由表和表可知，两种方案大临结构材料的投入方案一较方案二钢材多，混凝土灌注桩长度多 。施工机具投入比较两种施工方案选用的施工机具投入如表和表所示。图 方案二悬拼施工工期安排甘特图表不同施工方案钢材材料投入情况施工方法序号名称数量总重量钢材合计顶推施工临时支墩 墩旁支架 拼装支架 钢导梁 提梁站 运输通道 龙门吊基础 悬拼施工墩旁支架 临时锚固结构 斜拉索 临时塔 钢锚箱 锚具（孔）套拼装支架 顶推墩旁支架 拼装导梁 表不同施工方案混凝土材料投入情况施工方法名称单位顶推施工 灌注桩 悬拼施工 灌注桩 由表和表可知，方案二所投入的机具设备较方案一投入的机具设备要多。这是由于引桥因为地形限制而选择顶推施工，对于双向顶推施工，主桥施工完成后可利用主桥顶推系统，而对于悬拼施工方案，则需增加套顶推控制系统。表双向顶推施工主要设备情况名称单位数量备注顶推控制系统套配远程无线监控笔记本电脑步履式千斤顶（）套 纵横竖三向千斤顶顶推液压泵站台 供油系统，与千斤顶配套 竖向千斤顶台 滑块千斤顶 液压千斤顶台 拼装调整用，每侧各一半 龙门吊（跨，高）台钢桁梁拼装 履带吊台运梁栈桥、临时墩搭设，南北岸各台振动锤台栈桥、临时墩搭设浮吊 台水上护筒施工、支架施工 履带吊台加劲弦、主塔拼装，南北岸各台 运梁车台运输钢桁梁表悬拼施工主要设备情况名称单位数量备注桥面吊机台起吊重量 ，回转式 浮吊 台墩顶块安装 履带吊台支架搭设 履带吊台塔拼装及加劲悬安装梁上运梁炮车 台梁上运梁步履千斤顶 套 引桥顶推（控制系统套、泵站套）张拉千斤顶（）套 临时索张拉竖向千斤顶（）台 引桥顶推竖向千斤顶（）台 公路 年第期 年第期郭欣等：大跨径刚性悬索加劲连续钢桁梁施工方案比选 工程质量控制方案一拼装平台完成拼装，有利于线形、焊缝质量、涂装质量的控制。顶推施工过程中，如发现梁体有少量偏移时，可随时填塞滑块，或通过侧限位器的调节丝杆进行纠偏。桥梁整体线形能够得到保证。方案二利用吊机在空中分段拼装钢桁梁，其线形、焊缝质量、涂装质量等控制困难，悬拼过程中为非对称施工，桥梁整体线形控制比较困难。通航方案一顶推施工虽然需要在航道内建设临时支墩，但是临时支墩与永久墩的距离 ，对通航的影响几乎忽略不计；方案二悬拼施工 墩采用浮吊在墩顶吊装，运梁车在梁上运输至桥面吊机附近，桥面吊机吊安。均满足施工期通航需求。施工安全性方案一与方案二在施工过程中无法避开台风季节，但两种方案均可利用临时支墩拉设抗风缆。方案二临时索塔高度超过，雷雨季节需实施防雷措施。方案一工艺成熟、控制相对简单。方案二在拆除临时拉索和临时塔的同时要施工桥面及其附属工程。上下交叉作业，安全防护困难，钢桁梁的对位、焊接、涂装等在空中进行，施工安全风险较大。综合评估对两种方案进行综合评价，详见表。由表可知，两种施工方案在工期、通航两个方面的差别不大。材料投入虽然方案一较方案二多，但是机具的投入方案二较方案一多。从施工质量控制和施工安全性来比较，方案一较方案二有较大优势，因此，选择方案一双向顶推施工方案。表方案比选方案名称工期材料投入设备投入通航施工控制工程质量施工安全性推荐意见方案一双向顶推 钢材投入 ；混 凝 土 投 入 。两 套 顶 推 控制系统。满足要求（）最大调整高度为，调整难 度 小，施 工 线 形 控 制 难度小；（）合龙难度大；（）施工过程中受力相对明确。拼梁平台上施工，质 量 控 制难度小。工艺 成 熟、控 制相对简单。推荐方案二悬臂拼装 钢材投入 ；混 凝 土 投 入 。两 套 顶 推 控制系统台桥面吊机台 浮吊。满足要求（）施工线型控制难度大；（）合龙口多，合龙难度大；（）塔顶设临时锚固装置，工序多，且 结 构 为 不 对 称 结 构（墩两侧截面不同），塔受力不平衡，过程中需要压重。桁架及桥面板现场高空焊缝多，焊 接 质 量控制难度大。存在 空 中 作 业、上下 交 叉 作 业，安全防护困难。不推荐结语以某大跨径刚性悬索加劲连续钢桁梁的初设图纸为工程背景，结合该桥的自身特点，针对双向顶推方案与密索悬拼方案进行对比分析。通过对施工过程结构安全性、工期、经济合理性、通航影响、质量控制以及对周围环境生态等的影响等方面的比较，该桥推荐采用双向顶推施工方案，对应力超限的部分直腹杆建议提高钢材标号，或增大其截面。本文所做工作可为今后同类型桥梁施工方案的选择具有较大的借鉴和参考意义。参考文献：王静峰，仇兆吉，方继，等刚性悬索加劲弦连续钢桁梁顶推技术研究 建筑钢结构进展，（）：赵新宇 石济客专济南黄河公铁两用