空间扭曲结构钢桥安装工艺研究.pdf

交通世界TRANSPOWORLD0 引言随着人们审美要求的日益提高，景观桥所占比例逐渐提高，且钢结构具有良好的性能，故空间扭曲结构钢桥在桥梁中应用日益广泛。因其造型新颖，结构复杂多变，给安装施工带来巨大的挑战。本文将依靠西一线跨绛溪河大桥其复杂的空间扭曲结构特点，讨论空间扭曲结构钢桥吊装技术。1 工程概况西一线位于空港新城玉城乡境内，为城市主干路，红线宽45 m，设计时速40 km/h，整体呈南北走向。其与机场南线、东一线、北一线共同构成了空港新城的一条环线道路，是连接空港新城绛溪南、北组团的重要骨干道路。西一线跨绛溪河大桥工程（如图1）位于西一线道路中段，平面位于半径R=400 m圆曲线上，采用三跨连续下承式梁拱组合体系钢桥，跨径布置为（55+175+55）m。主体结构采用Q345qD和Q420qD，其中钢桥面重约5 561 t，钢拱肋重约5 724 t，全桥总重约11 285 t。本桥钢拱肋与边纵梁浑然一体，中心桩号处拱顶距桥面30 m，北侧钢拱内倾角度约47.69，南侧钢拱内倾角度约24.85，两拱于跨中交汇，拱间无其他横向联系。南、北钢拱肋采用单箱单室钢箱结构，以拱顶结合段为界，两拱小里程侧均为四边形断面，大里程侧均为五边形断面，钢拱肋空间形态十分复杂。2 分段情况2.1 桥面系分段情况2.1.1 钢桥面板结构形式本桥桥面系采用纵横梁形式，为三跨连续结构，全宽51 m，设四根纵梁，两根边纵梁与拱肋共同构成了整个桥型的外立面，如图2。纵梁均采用单箱单室钢箱梁，与径向布置的横梁共同形成桥面系；横梁顺桥向标准间距3 m。桥面板采用正交异性桥面板。边纵梁分为边跨段和中跨段，中支点横梁处划分为拱梁结合段。图1 绛溪河大桥效果图图2 钢桥面立体图2.1.2 钢桥面板板单元划分根据制造、运输、吊装能力等因素，将桥面板进行分块。A/B横隔板板单元划分、端横梁板单元划分、中横梁板单元划分分别见图3、图4、图5。板单元划分后，制造上分为桥面板、横梁、横隔板及中纵梁等结构。2.2 边纵梁及拱肋分段情况根据制造、运输、吊装能力等因素限制，将边纵收稿日期：2022-12-21作者简介：袁硕（1994），男，辽宁辽阳人，工程师，研究方向为桥梁工程。空间扭曲结构钢桥安装工艺研究袁硕，李峰，蔡明（中铁山桥集团有限公司，河北 秦皇岛 066205）摘要：为提高景观桥安装施工工艺水平，结合成都西一线跨绛溪河大桥安装工程，介绍其桥面系分段情况、边纵梁及拱肋分段情况，详细阐述空间扭曲结构钢桥安装施工方法，主要包括支架布置、支架计算、测点、吊钩及吊点位置、杆件翻身等工艺流程。通过本安装工艺，钢拱顺利安装合龙，吊装后满足设计要求，验收合格，可供同类工程参考。关键词：空间扭曲结构；钢桥安装；姿态控制中图分类号：U445.46文献标识码：B125总652期2023年第22期（8月 上）梁及拱肋各结构部分进行分块。拱肋结构包括边纵梁、拱梁结合段、钢拱、拱顶结合段。各分支结构块体外形尺寸控制在5.5 m4.5 m25 m内，重量控制在75 t以内。节段划分原则、划分情况分别见图6和图7。图6 节段划分原则图7 节段划分情况3 空间扭曲结构钢桥安装施工方法成都西一线跨绛溪河大桥桥位地质条件良好，河跨宽度约 15 m，水深约 2 m，底面距离梁底高度最高18 m，拱肋呈空间扭曲形态，最高处距离桥面约30 m，故选择支架法作为本桥安装施工方案最为合适。安装顺序为：端横梁边跨中纵梁中支点横梁边跨横隔板及桥面板中跨中纵梁、横隔及桥面板边纵梁拱梁结合段拱肋。桥面系部分包含端横梁、中纵梁、中支点横梁、横隔及桥面板。边纵梁及拱肋部分包含边跨边纵梁、中跨边纵梁、过渡段、拱梁结合段、拱肋、拱顶结合段。桥面系陆上部分采用260 t汽车吊在路面吊装，河中部分桥面系及边纵梁采用汽车吊上桥在桥上吊装。过渡段、拱梁结合段、拱肋及拱顶部分采用350 t汽车吊在桥上吊装。下面将拱梁结合段、拱肋主要空间扭曲结构钢拱吊装施工方法论述。3.1 支架布置3.1.1 边纵梁、拱梁结合段支架施工布置本方案钢梁支架结构形式分为：边纵梁支架、中纵梁支架、端横梁支架、中支点横梁支架及中横梁（A和B）支架，岸上均采用扩大基础+钢管柱+柱顶分配梁形式，水中采用打入桩基础+钢管柱+柱顶分配梁形式。钢梁支架除水中钢管柱采用6308 mm钢管，岸上钢管柱均采用4266mm钢管。型钢分配梁均采用2I32b。1）边纵梁、过渡段、拱梁结合段支架：岸上边纵单位：mm图3 A/B横隔板板单元划分单位：mm图4 端横梁板单元划分单位：mm图5 中横梁板单元划分126交通世界TRANSPOWORLD梁支架每个大节段节点支撑下均布置四根钢管柱及一个整体扩大基础，钢管柱顺桥向间距2 m，横桥向间距4 m，钢管柱柱顶设横向分配梁。水中边纵梁支架布置同岸上，其基础采用打入桩基础，钢管柱柱顶设横向分配梁。2）中纵梁支架：岸上中纵梁支架每个大节段节点支撑下均布置四根钢管柱及一个整体扩大基础，钢管柱顺桥向间距2m，横桥向间距3 m，钢管柱柱顶设横向分配梁。水中中纵梁支架布置同岸上，其基础采用打入桩基础，钢管柱柱顶设横向分配梁。3）端横梁支架：每个端横梁横向分三个节段吊装，节段线位置均设支撑，共四组，基础均采用整体扩大基础，中间两组钢管柱横向间距3 m，最外侧两组间距2m，柱顶均设纵向分配梁，一端支撑在桥台顶，一端支撑在钢管柱顶。4）中支点横梁支架：每个中支点横梁横向分三个节段吊装，节段线位置均设支撑，共四组，中间两组钢管柱顺桥向两两间距3 m，横向间距3 m，其下设整体扩大基础。最外侧两组顺桥向两两间距3 m，横桥向间距2 m，直接作用在承台上。柱顶均设纵向分配梁。5）中横梁（A和B）支架：考虑到钢梁及拱肋安装需要，每个中横梁（A和B）跨中位置均设节点支撑，两端悬臂拼装至中纵梁上。钢管柱横向间距3 m，顺桥向按中横梁（A和B）设计间距布置为3 m。岸上采用整体扩大基础，水中采用打入桩基础。中横梁（A和B）支架钢管柱两两间设连接系。3.1.2 拱肋及拱顶结合段支架施工布置拱肋节段下设置四根或六根4266钢管柱，柱顶设纵、横向分配梁，梁顶设三向调整结构。拱肋节段划分为顺拱肋长度垂直方向切割，顶面及底面分段线位置投影因拱肋倾斜向上存在偏差，考虑支架位置时按照拱肋底面节段划分位置布置。拱肋呈空间结构，采用拱肋投影无法完全表达空间姿态，故考虑在CATIA模型中建立钢管支架模型，拱肋支架初步布置完成后需检查与吊杆、吊机吊装等施工工况干涉情况，同时底部分配梁应跨过至少两个横隔板使重量分担至下部钢梁避免局部载荷集中情况，根据干涉情况调整支架位置。模型建立完成后，在模型中测量每根钢管高度。之后现场测量支架位置桥面系实际标高与设计标高做对比，根据对比结果修正支架高度，同时应预留10 cm高度用于支架卸载时拱肋落梁高度。拱肋支架布置如图8。3.2 支架计算3.2.1 端横梁支架端横梁顺桥向一端支撑在桥台上，一端支撑在钢管支架上，采用汽车吊单机吊装，占位于地面上。端横梁自重约99 t，每米重约2.2 t，分三段吊装，则其下钢管最大受力9 t，考虑后续拱肋合龙段桥上运输，轮压140/4=35 t，则端横梁支架立柱受力最大44 t，立柱自由长度约2 m，不计风荷载，压杆稳定系数=0.987，单柱压应力=NA=56.8MPa，满足受力要求。混凝土扩大基础下地基应力=NA=4402.251.5=130 kPa，要求地基承载力不小于180kPa，满足受力要求。3.2.2 中支点梁支架中支点横梁顺桥向一端支撑在桥台上，一端支撑在钢管支架上，采用汽车吊单机吊装，占位于地面上。端横梁自重约203 t，每米重约4.6 t，分三段吊装，则其下钢管最大受力13 t，考虑后续拱肋合龙段桥上运输，轮压140/4=35 t，则中支点横梁支架立柱受力最大48 t，立柱自由长度约 2 m，不计风荷载，压杆稳定系数=图8 钢拱支架布置图拱肋支架平面图大里程方向左侧节段线节段线径向中心线桥梁中心线127总652期2023年第22期（8月 上）0.987，单柱压应力=NA=62 MPa，满足受力要求。混凝土扩大基础下地基应力=NA=4807.5 1.5=43kPa，要求地基承载力不小于 180 kPa，满足受力要求。3.2.3 岸上中横梁A（B）支架中横梁A（B）在中纵梁间长26 m，重20 t，整体单机吊装，吊机占位于地面。横梁跨中共布置两根4266 mm钢管，则其下钢管最大受力10 t，考虑后续拱肋合龙段桥上运输，轮压140/4=35 t，则岸上中横梁A（B）支架立柱受力最大45 t，立柱自由长度约2 m，不计风荷载，压杆稳定系数=0.987，单柱压应力=NA=57.6MPa，满足受力要求。混凝土扩大基础下地基应力=NA=4504.5 1.5=67kPa，要求地基承载力不小于 180 kPa，满足受力要求。3.2.4 水中中横梁A（B）支架中横梁A（B）在中纵梁间长26 m，重20 t，整体单机吊装，吊机占位于桥面上，汽车吊不小于150 t，自重80 t。横梁跨中共布置两根6306 mm钢管，则其下钢管最大受力10 t，考虑后续拱肋合龙段桥上运输，轮压140/4=35 t，汽车吊吊装拱肋时支腿反力78 t，则水中中横梁A（B）支架单根立柱受力最大57 t，立柱自由长度约8 m，不计风荷载，压杆稳定系数=0.899，单柱压应力=NA=57MPa，满足受力要求。单桩承载力为60 t，单根打入桩入土深度8 m：N=12DL=600 kN，式中桩侧摩阻力取60 kPa，满足受力要求。3.2.5 岸上中纵梁支架岸上中纵梁最长节段12 m，重14 t，单机吊装，吊机占位于地面。每个节段接缝处布置4根4266 mm钢管，则其下钢管最大受力4 t，考虑后续1#3#拱肋节段吊装，采用两台260 t吊机抬吊，经上计算，汽车吊最大支腿反力78 t，则中纵梁下立柱受力最大83 t，立柱自由长度约 2 m，不计风荷载，压杆稳定系数=0.987，单柱压应力=NA=111MPa，满足受力要求。混凝土扩大基础下地基应力=NA=8304.51.75=105kPa，要求地基承载力不小于180kPa，满足受力要求。3.2.6 水中中纵梁支架水中中纵梁最长节段12 m，重14 t，单机吊装，吊机占位于桥上。每个节段接缝处布置4根6306 mm钢管，则其下钢管最大受力4 t，考虑后续1#3#拱肋节段吊装，采用两台260 t吊机抬吊，经上计算，汽车吊最大支腿反力78 t，则中纵梁下立柱受力最大83 t，立柱自由长度约 2 m，不计风荷载，压杆稳定系数=0.987，单柱压应力=NA=111MPa，满足受力要求。单桩承载力为 87 t，单根打入桩入土深度 12 m：N=12DL=910 kN，式中桩侧摩阻力取 60 kPa，满足受力要求。3.2.7 岸上边纵梁及拱梁结合段支架岸上边纵梁最长节段12 m，重30 t，单机吊装，吊机占位于地面。每个节段接缝处布置4根4266 mm钢管，则其下钢管最大受力 15 t，立柱自由长度约 2 m，不计风荷载，压杆稳定系数=0.987，单柱压应力=NA=20 MPa，满足受力要求。混凝土扩大基础下地基应力=NA=6003.5 5.5=32 kPa，要求地基承载力不小于 180 kPa，满足受力要求。3.2.8 水中边纵梁支架水中边纵梁最长节段12 m，重30 t，单机吊装，吊机占位于地面。每个节段接缝处布置4根6306 mm钢管，则其下钢管最大受力15 t，考虑后续1#3#拱肋节段吊装，采用两台 260 t 吊机抬吊，汽车吊自重 100t，则中纵梁下立柱受力最大 75 t，立柱自由长度约 2 m，不计风荷载，压杆稳定系数=0.987，单柱压应力=NA=111MPa，满足受力要求。单桩承载力为 90 t，单根打入桩入土深度 12 m：N=12DL=910 kN，式中桩侧摩阻力取 60 kPa，满足受力要求。3.2.9 拱肋支架拱肋1节段最长节段长11 m，最重60 t，单支点设4根4266 mm钢管，则单根钢管受力15 t。自由长度2 m，压杆稳定系数=0.987，单柱压应力=NA=19.2 MPa。风荷载引起的附加弯矩：M=56kN m。考 虑 风 荷 载 的 稳 定 应 力：=NA+MW=88.3MPa ，满足要求。3.3 测点、吊钩及吊点位置空间扭曲结构钢拱形状变化极不规则，测点无法128交通世界TRANSPOWORLD手工计算，本项目在分段好的三维整体模型中添加坐标系，在模型中获取测量坐标指导安装。分段后的钢梁吊点位置布置尤为重要。吊点的选择和布置要保证起吊后钢拱吊装姿态与安装就位姿态尽可能一致，减少空间扭曲结构钢拱在高空拼接时的姿态调整工作以及所有钢丝绳始终保持受力状态，以便于钢拱快速安装以及提高安装过程中的安全性。吊钩的位置应在钢拱重心正上方，吊点布置宜分散布置，且布置在隔板位置，防止钢拱变形。这种空间扭曲结构钢拱计算重心较难，本项目借助solidworks软件计算空间扭曲结构钢拱重心，同时使钢拱处于安装状态空间坐标系中，吊索与垂线的夹角角度控制在 60 以内，吊钩为吊装钢拱重心正上方，根据吊钩及吊点位置确定钢丝绳长度。吊钩、吊点位置示意图见图9。3.4 杆件翻身受设计形状影响，拱梁结合段部分钢拱分段形状为细高状，钢拱吊装前需要翻身至钢拱就位姿态。首先钢拱运输到桥上后将钢拱卸至桥面，借助350 t及80 t汽车吊翻身，并在钢拱下部区域放置橡胶垫起缓冲保护作用。做好准备后，汽车吊缓缓起钩至钢拱竖起并杆件稳定。4 吊装结果采取本文提出的吊装方法，经吊装后测量，与监控指令数据基本吻合，满足设计要求，验收合格。支架拆除之后钢梁下降最多处为5 cm，线形匀顺。实施效果如图10。图10 实施效果5 结束语西一线跨绛溪河大桥作为空间扭曲结构钢桥，具有曲线变化复杂无固定曲率，钢板厚度大，重量大的特点。此类型桥梁采用支架法安装钢梁可有效控制钢梁线形。在施工过程中，应充分利用好施工模型，利用三维模型提出钢梁测量点，提前规划，精准布置支架位置，模拟钢梁吊装姿态，计算钢梁重心、吊点位置是空间扭曲结构钢梁顺利吊装的关键。西一线跨绛溪河大桥的顺利安装可为后续空间扭曲结构钢桥吊装工作提供参考借鉴。参考文献：1 中铁山桥集团有限公司.铁路钢桥制造规范：Q/CR92112015S.北京：中国铁道出版社，2016.2 顾拥军，董庄勇.上海世博会世博轴阳光谷钢结构施工关键技术J.钢结构，2010（11）：51-57.3 中华人民共和国住房和城乡建设部.钢结构设计标准：GB 500172017S.北京：中国建筑工业出版社，2003.4 郭彦林，崔晓强.大跨度复杂钢结构施工过程若干技术问题及探讨J.工业建筑，2004，34（12）：1-5.5 田仲初，陈得良，颜东煌，等.钢箱提篮拱桥施工控制的关键技术研究J.中国公路学报，2004（3）：46-50.图9 吊钩、吊点位置示意图129