大跨度钢桁梁单悬臂施工方法与流程

2021-01-19 11:01:09|

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本发明创造属于桥梁工程施工技术领域，适合各种跨江、跨河的铁路钢桥，特别适合多跨结构且单跨跨径大于100m的铁路钢桥上选用。

背景技术：

近年来随着我国经济不断增长，科学技术的发展，人们为满足生活和交通上的需求，桥梁施工越来越多，对大跨度钢桥的架设工期及质量提出了更高的要求，而主桥钢桁梁的施工方法往往是影响工期和质量的重要因素。大跨度钢桁梁的架设一般采用较多的临时结构作为支撑，再配合大型机械设备进行架设，这种方法一般前期准备时间较长，架设时间也比较长，工程成本也较多，而且对安全方面的要求也比较高。而采用大跨度钢桁梁悬臂架设的方法能省去大量的临时设施及结构，大大节省了人力物力，同时缩短工期和节省工程成本。

本发明涉及的工程为新建广州南沙港铁路5标跨洪奇沥水道特大桥钢桁柔性拱工程。在钢桁梁架设过程中架设安全质量和进度是最关键环节，但是由于架设跨度大、架设高度高、施工环境复杂等因素的影响，尤其是时间紧、任务量大的施工，一直以来如何在保证安全质量的前提下，有效提高大跨度钢桁梁的架设工期进度是施工中的难点，因此寻找一种加快大跨度钢桁梁施工架设的方法具有重要意义。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种施工方法，解决了现有需要在大跨度铁路钢桥架设工程中节省工期和成本的问题。

为达到上述目的，本技术方案是这样实现的：一种大跨度钢桁梁单悬臂架设施工方法：包括如下步骤：①施工准备

运输节间桁梁杆件、支架杆件，选择适当机械参数的履带吊和全回转架梁吊机；

②前四节间钢梁及边跨支架的安装

施工现场利用履带吊机进行边跨e0～e4钢梁安装施工，同步安装临时支架和钢梁，即e1、e2节点支架a（此处节点支架a指的是图11中下方的支架，也称为第一组临时支架）及e0e1节间钢梁安装完成后，每安装完成一个节间的临时支架就安装该节间的钢梁，直到e4节间钢梁完成安装；

③桥面吊机的组装和调试

桥面吊机行走轨道（指得是扁担横梁与纵向滑道梁）安装在钢桁梁上弦杆；之后安装桥面吊机各部件；

④后锚系统的安装

当架设到e4节间时，需在边墩上布置后锚系统，为此在边墩顶精轧螺纹钢以及钢绞线，对钢桁梁设计预拉力，作为后锚力荷载；

⑤悬臂架设第五节间

桥面吊机走行至第四节间上方，悬臂施工第五节间，安装完成后形成封闭节间；

⑥桥面吊机走行至第五节间

⑦悬臂拼装第六节间至下一墩

通过桥面吊机在第五节间上悬臂拼装第六节间，等该节间全部完成后，桥面吊机才能走行去吊装下一个节间，循环施工直至悬臂拼装到第十节间，即到达下一墩为止；第六节间下方需要预先布置第二组临时支架。

本发明以架设的钢桁梁自身为撬杆、部分临时支架作支点、加后锚配重系统，保证阻力端的作用力比施力端的作用力足够大实现单悬臂拼（如图1所示），从边桥墩单侧向跨中方向开始利用滑动走行桥面全回转桅杆吊机逐节间悬臂拼装主桥钢桁梁，悬臂长度不断增长，直至主梁架至墩上。在架设过程中，一直满足钢梁抗倾覆系数，保证钢梁架设过程中的安全系数大于1.3。

本发明采用的方法省去大量临时设施的搭建与拆除，大大节省了施工时间，缩短施工周期；减少了大型设备的使用，来使用桥面吊机施工，提高了安装工效。

附图说明

图1本发明原理示意图。

图2三维模型受力分析图之一（左右两侧计算模拟）。

图3三维模型受力分析图之一（左右两侧反力图）。

图4履带吊安装上弦杆a1a2示意图。

图5履带吊安装桥面吊机时的站位平面图。

图6钢桁梁杆件吊装立面简图。

图7为237#墩换填区域平面布置图。

图8为237#墩换填区域断面图。

图9为237#墩边跨场地布置图。

图10前四节间钢梁及边跨支架安装的步骤图。

图11前四节间钢梁及边跨支架的安装示意图。

图12桥面吊机安装流程图。

图13跨洪奇沥水道特大桥主桥桥面吊机安装立面图（边跨）。

图14为70t桥面吊机安装承压支座及横梁。

图15为70t回转吊机安装底盘系统。

图16回转机构安装图。

图17为70t桥面吊机吊装转台机构示意图。

图18为70t桥面吊机吊装a型架示意图。

图19为70t桥面吊机吊装卷扬机示意图。

图20为70t桥面吊机吊装臂架示意图。

图21为70t桥面吊机吊装臂架示意图。

图22钢丝绳缠绕示意图。

图23为237#墩后锚布置图一（主视）。

图24为237#墩后锚布置图二（侧视）。

图25锚梁和锚栓受力计算之一。

图26锚梁和锚栓受力计算之二。

图27滑动走行桥面全回转桅杆吊机走行系统示意图。

图28前十节间架设完成图。

图29主桁梁标高及主线形测点布置示意图。

图30主桁梁主线形测点布置立面示意图。

具体实施方式

本发明在新建广州南沙港铁路5标跨洪奇沥水道特大桥得以应用，并取得了良好的效果，经总结形成本发明。

大跨度钢桁梁单悬臂架设施工，其具体施工方法如下，

一、施工准备

1.关键技术支撑

利用tekla和bentley三维建模软件对前十节间及临时设施进行三维立体模拟，对施工作业流程提前进行演练，找出其中的不足，完善施工组织；其次还利用三维建模模型进行碰撞分析，找出图纸上不合适的尺寸，完善加工尺寸；另外还应用midas对边跨支架进行整体建模分析，并结合不利工况对结构受力提前进行分析和计算，找出其中的受力薄弱环节是否满足结构受力需要，保证施工作业安全、高效，如图2、3所示。

2.设备选用

（1）300t履带吊选用

根据现场实际情况，在安装架梁吊机拼装支架、钢梁和组装架梁吊机的施工过程中，前三节间桁梁杆件最重a1a240.7t、支架杆件最重20t，桁梁杆件需起吊最高高度45m、支架杆件需起吊最高高度30m，边跨支架的吊装作业半径为10m～28m之间。根据300t履带吊的机械性能参数表可知：

钢梁安装在作业半径18m、臂长86m以内时，起吊重量在57.5t>40.7t,安全系数57.5/40.7=1.41>1.4，起吊高度84.1m>45m。

支架安装在作业半径22m以内、臂长86m以内时，起吊重量在45.9t>20t,安全系数45.9/20=2.295>1.4，起吊高度83.1m>30m。

综上所述，选用300t履带吊进行边跨钢桁梁及临时支架的安装施工，能够满足吊装作业要求。如图4、5所示。

(2)75吨全回转架梁吊机

钢桁梁安装：根据钢桁梁安装施工安排，全回转架梁吊机进行钢桁梁构件的安装施工（除墩顶大节点和加劲弦），钢构件的重量都在60吨以下，最大作业半径30米，选用75吨全回转架梁吊机，可满足本桥钢构件的吊装要求。钢桁拱安装：钢桁拱的支架体系及拱肋节段采用全回转架梁吊机进行吊装作业。拱肋杆件的重量为39.8t～63.95t之间，支架体系重量都在15t内，其中最重的杆件为63.95t，安装作业半径为12m，起吊高度为28m，根据选用75吨全回转架梁吊机，可满足本桥钢构件的吊装要求。

钢桁梁杆件、钢桁拱杆件吊装示意图如下。

3.237#墩边跨场地布置

根据现场施工场地及地质情况，为满足边跨支架及钢梁安装施工要求，需在237#墩至支架b（第六节间的临时支架）之间设置一块长60m×10m的硬化场地，作为300t履带吊的走行区域。现需对该段吊机行走区域进行换填施工，保证地基承载力达标，换填区域面积承载力不宜以天然地基作基础持力层，拟采用对软土部分进行整个面积大开挖换填，整体换填高度2.5m，确定底基层为厚度1m片石，基层为厚度1m砖渣，表层为50cm的水泥稳定层，根据现场实际情况必要时浇筑20cm厚c20混凝土。现场开挖时采取放坡开挖，放坡比例1:1，开挖上口宽度20m，底口宽度15m，换填后地基承载力特征值fa=200mpa。如图7、8所示。

根据237#墩至支架b之间场地布置情况，靠近上游侧的区域作为支架构件、设备构件的临时存放场地。由于边跨临时支架钢管高度达30m，为了便于现场安装，将支架a（e1~e4下方临时支架）、支架b（第六节间下方的支架，见图9最右侧）钢管分为3个节段，节段的连接采用法兰盘连接。在预拼场将各个支架及连接系按设计图预制成片状并运输至安装现场。现场布置如图9所示。

4.237#墩侧预抛高值和预偏量的设定

在安装过程中，为了控制全桥的线型保证成桥后组合结构受力与设计状态，需对前六节间进行预抛高，237#墩侧前六节间抛高值和纵向预偏量如下表：

。

二、前四个节间钢梁及边跨支架的安装

1.施工现场利用300t履带吊机进行边跨e0～e4钢梁安装施工，受场地限制，需同步安装临时支架和钢梁，即e1、e2节点支架a（图11中下方的支架）及e0e1节间钢梁安装完成后，每安装完成一个节间的临时支架就安装该节间的钢梁（如图11）。具体安装步骤如图10所示。

此外每个部位的冲钉和安装螺栓数量不得少于孔眼总数的1/3，其中冲钉占其中的2/3。

2.临时支架施工注意事项

（1）钢管桩施工前根据桩位图计算每根桩中心的平面坐标，确定桩中心位置，钢管桩平面位置及垂直度调整完成后，开始法兰连接。连接两法兰时，保证两节段钢管中心线的垂直度及法兰螺栓孔的误差应在允许值范围内，依靠钢管桩节段的自身重量，使两节段法兰盘均匀压紧，由此保证靠同等的螺栓应力对法兰进行连接。

（2）钢管上法兰盘螺栓孔位置应与相配合的钢管节段上螺栓孔位置对应一致，同一根钢管两端的法兰盘的螺栓孔位置也应对应一致。

三、滑动走行桥面全回转桅杆吊机组装

1.安装工艺流程（图12）

2.主要结构的安装

桥面吊机由跨洪奇沥水道特大桥主桥项目部设计、制造及安装。桥面吊机主要由转台总成、臂架总成、a型架、主副起升机构、变副机构、回转机构、底盘系统、走行机构、锚固装置、电器控制系统、驾驶室等组成。

桥面吊机行走轨道安装在钢桁梁上弦杆上，如图13（因大小里程侧一样，故只显示小里程侧），上弦杆距地面高约46m，经初步计算，桥面吊机构件吊装最重为42t，吊高38m。边跨（237#、241#）采用m300s-2履带吊，中跨（239#）采用300t浮吊安装能满足施工要求。

由于边跨两台70t台桥面吊机向跨中方向对称安装，以下将以其中1台70t桥面吊机的安装方法作介绍。

1、走行机构安装

走行机构包含2个承压支座、1根横梁。先将横梁与承压座连接好，吊装到钢梁起始架设钢梁弦杆节点位置，做好锚固（图14）。

注意事项及验收标准：严格控制走行横梁间距，现场测量控制水平间距不大于2mm，对角误差不大于±5mm。

2、底盘系统或下车结构安装

底盘系统及下车结构先在预拼场通过螺栓连接形成一个整体，注意调节得到底盘系统及下车结构横梁预拱度，通过测量保证，回转连接系平面度误差小于2mm，整体吊装至安装位与滑座连接（图15）。

底盘系统及下车系统安装注意事项及检验方法：

（1）两纵梁中心距偏差不大于3mm，对角线偏差±5mm，中心高度偏差±2mm。横梁之间的平行度在全长上不大于3mm，与纵梁的垂直度不大于10mm。

（2）安装过程中及时采用钢卷尺进行纵梁的测量，必要时采用全站仪进行精确测量，确保安装精度。

3、回转支撑安装

将回转支承与底盘系统回转支承座连接，将回转支承定位后，按180°方向对称交叉拧紧安装螺栓，同时检查回转支承的自由回转状况。拧紧螺栓时应该有足够的预紧力，见图16。

回转支撑安装注意事项及检验方法：

（1）回转支撑安装时进行微调，确保定位精确，满足销接要求；（2）采用扭矩扳手100%检查螺栓的扭矩；（3）测量复核回转支撑安装完成后桥面吊机的水平误差。

4、转台安装

转台结构采取整体吊装，与回转支承内圈螺栓同时安装。转台通过回转支承连接座与回转支承的螺栓连接。螺栓安装方式与下车回转支承连接座与回转支承一致。回转减速机通过减速机底座安装在转台上，通过实配测量划线确定垫板的厚度及安装位置。用转台底座在转台外腹板上实配螺栓孔，调节垫板厚度控制齿轮啮合间隙。安装好减速机后进行回转支承调试：往回转支承加润滑油，边加注边缓慢回转。检查齿轮是否干涉，确认螺栓是否全部拧紧，确认回转是否正常，转台安装见图17。

转台安装注意事项及检验方法：

（1）按照设计图纸精确定位垫板的厚度及安装位置；（2）采用扭力扳手检测连接螺栓的扭矩；（3）转台调试经验收合格后方可进行a型架安装。

5、a型架安装

利用m300s-2履带吊将a型架整体起吊，a型架与转台结构耳座精确对位，穿好销轴卡板。见图18。

a型架安装注意事项及检验方法：

（1）a型架吊装至转台后，采用手拉葫芦进行微调，精确对位后再穿销轴；

（2）起升设备调整拉杆时，检查钢丝绳、吊点等连接，并严格按照起重作业要求进行规范操作。

6、卷扬机安装

变幅卷扬机安装在做好的卷扬机底座上通过螺栓连接。主起升卷扬机和副起升卷扬机通过连接螺栓与转台腹板与横向连接角钢栓接，见图19。

卷扬机安装注意事项及检验方法：

（1）安装卷扬机平台及卷扬机，注意各卷扬机的摆放位置，不得混淆，同时每台卷扬机的弹性垫圈都不能漏装。

（2）按照设计要求，采用扭矩扳手100%检测卷扬机连接螺栓的扭矩。

7、臂架安装

臂架（见图20）整体吊装，先粗对位至转台上臂架铰接座。然后用导链葫芦微调，穿好销轴上卡板，再往筒套内加注轮滑油，在起重设备作用下测试臂架回转情况，臂架旋转正常平稳顺畅无异响方可拆钩。由于是在桥面吊装，没有对臂架的支撑，需要在履带吊机吊装情况下穿绕变幅钢丝绳，变幅机构启动牵引臂杆变幅后松钩臂架安装见图21。

注意事项及检验方法：根据现场实际情况确定临时牵拉的角度。

8、钢丝绳安装

钢丝绳的缠绕按变幅钢丝绳、主钩钢丝绳、副钩钢丝绳的顺序进行，不得随意变换顺序。在臂架头部位置，人工按设计图的钢丝绳缠绕方式将顶滑轮和动滑轮间的引绳缠绕好。连接好牵引绳和吊机自身钢丝绳，然后用1t的卷扬机，牵引牵引绳到架梁吊机自身卷扬机位置。利用自身卷扬机将钢丝绳头牵引到卷扬机位置停止，将钢丝绳安装到卷筒上。再启动卷扬机，将钢丝绳缠绕到位。副钩钢丝绳缠绕和变幅钢丝绳缠绕与主起升钢丝绳缠绕方法一致。

注意事项及检验方法：主、副吊钩及变幅系统钢丝绳的穿绕，钢丝绳不得混用，走绳位置不得弄混；钢丝绳死点应固结，死头不得少于5个绳夹，夹距为200mm，同时必须安装套环。进行人工穿进行钢丝绳牵引绳时，严格遵循高空作业守则，严禁违规进行操作（见图22）。

9、其他部件安装

扶梯平台安装以安全方便为原则，作为走行机构到转台，再到驾驶室通道。驾驶室安装在转台前部，由支承槽钢支撑。

10、技术保证条件

跨洪奇沥水道特大桥主桥桥面吊机安拆工程涉及吊装作业、高空作业、水上作业等，为保证安拆质量及安全，采取以下技术保证措施：

（1）桥面吊机安拆施工由具有相应资质的中铁六局集团有限公司自行设计、制作、安装及拆除施工，且具有多项工程桥面安拆施工经验；

（2）桥面吊机安拆施工严格按照批复方案施工，并编制作业指导书以指导桥面吊机安拆施工；

（3）针对桥面吊机安拆施工工艺进行详细技术交底，保证施工质量及操作安全。每道工序前由现场技术员对作业人员进行技术交底，并规范操作要求；

（4）严格执行关键工序验收制度，一道工序完成由项目部验收小组验收合格后方可进行下一道工序施工。

四、安装后锚

当架设到e4节间时，需在边墩237#上布置后锚系统，以使钢梁悬拼施工时抗倾覆满足规范要求。为了满足钢梁的抗倾覆系数大于1.3，同时也要满足后锚装置在安装完成后，钢桁梁横梁受力、分配梁受力、锚梁受力、钢绞线受力、锚杯受力以及钢结构局部受力满足各部位的承受范围，为此在237#墩顶对钢桁梁设计预拉力600t，作为后锚力荷载。每束钢绞线预拉150t，每根φ32mm精轧螺纹钢预拉40t。具体布置如图23、24所示；锚梁和锚栓受力计算如图25、26所示。柔性后锚结构保证钢桁梁逐节间架设过程抗倾覆，同时降低温度变化钢梁热胀冷缩的应力集中。

五、悬臂拼装第五节间

桥面吊机走行至第四节间上方，悬臂施工第五节间吊装顺序如下：下弦杆→斜杆→竖杆→上弦杆→横梁→下平联→纵梁→上平联→横联，全部杆件安装完成后形成封闭节间。

在安装过程中，每完成一根杆件的吊装，立即测量其轴线位置和下挠量，调整到符合设计要求后，打足冲钉和螺栓，冲钉不应少于孔眼总数的50%，其余孔眼布置螺栓，冲钉和螺栓应均匀的安放，架梁吊机才能松钩。

六、滑动走行桥面全回转桅杆吊机走行一节间

（1）滑动走行桥面全回转桅杆吊机走行原理为：顶升机架，机架相对桥面固定，通过行走油缸顶推机架在走道上滑移，两者一静一动，交错向前滑移，油缸行程1.2m，每次顶推1m，实现步履式行走。

（2）起顶吊机向前滑移走行步骤

①拆除锚固系统及锚固吊耳；

②起顶吊机，通过液压油缸向前移动轨道。

（3）走行到位后，此时吊机前支点应支撑在钢桁梁隔板位置。

（4）钢桁梁吊装前，应对吊机锚固锁定。图27为行走系统示意图。图中1为滑道梁，2为承压支座，3为滑移支座，4为油缸滑移支座，5为走行油缸，6为顶推支架。

七、第六节间悬臂至238#墩

悬臂拼装是杆件拼装顺序有所改变，需两侧分别架成稳定结构，在安装中间平联和纵梁，具体悬臂拼装杆件拼装顺序：下弦杆→下平联→竖杆→斜杆→上弦杆→纵梁→横梁→上平联→横联→吊机一位下一节间。在悬臂施工中，冲钉数量不得少于50%，其余孔眼布置螺栓，并且要等一个节间的高栓全部施拧完成后，桥面吊机才能走行去吊装下一个节间循环施工直至悬臂拼装到238#墩为止。图28为前十节间架设完成后的实物照片。可见第六节间下方有一个临时支架（即第二组支架）。

八、应力监控及计算

1.应力监控

监控及计算分析贯穿桁梁架设施工伊始，确保能发现问题，并及时提供应对处理方案，保证结构施工安全，间接加快施工效率的方法。

结构内力的监控测量包括：钢桁梁上、下弦杆应力测试，钢桁梁斜、竖杆和主横梁应力测试。

结构应力监测是施工控制的主要内容之一，它是结构施工过程中的安全保证。内力监测主要是为测试控制杆件的实际安装应力，了解安装过程中控制杆件实际应力水平。通过实测与理论计算结果的对比及分析，及时掌握大桥在施工过程中关键截面控制杆件的刚度、强度及稳定状况。

应力控制的目标是使施工阶段和成桥后的各个设计控制截面的应力状态满足设计要求。因此，在施工过程中必须对每个施工环节的各种作用（如临时荷载、温度变化等）进行监测，控制施工过程中的截面最大应力满足规范与设计要求，以避免意外情况对结构造成危害，保证施工过程中桥梁结构安全，并也要保证在运营阶段桥梁结构有足够大的安全储备。

（1）应力测试方法

杆件应力测试主要方法是通过应变测量换算应力值，即：σ弹=eε弹；

式中：σ弹为荷载作用下杆件的应力；e为钢弹性模量；ε弹为荷载作用下杆件的弹性应变。但实测的杆件应变是包含其它变形影响的总应变ε。即：ε=ε弹+ε无应力；式中：ε弹为弹性应变；ε无应力为无应力应变。

为了补偿杆件无应力应变（对于该桥，主要为温度变化产生的应变），在布置应力测点时同时布设无应力计。分别测得杆件应变ε和无应力应变ε无应力，即可得到弹性应变ε弹，再根据钢弹性模量推算杆件应力。

对于钢结构，应力测点采用长期性能稳定可靠、抗损伤性能好、设置定位容易的钢弦应变计。为尽可能消除不均匀温度场引起的温度应力影响干扰测量值，测量时机选在凌晨至日出前进行，并同时测量各测点温度及大气温度。

为保证应力测量元件的成活率，在现场安装时应予以高度重视。元件在钢梁杆件安装前安装并读取初值。为保护元件长期有效，应对元件采取可靠的保护措施。元件安装后及时检查其有效性，在桥梁施工期间经常检查，一旦发现元件失效或损坏，及时更换。

当结构体和应变计中的钢弦的线膨胀系数不一致时，温度变化也可以引起应变变化，测试中需要消除其影响。对于本次监控项目中所使用的表贴式应变计，其温度修正公式如下：

ε=（ε1-ε0）+（t1-t0）×（α1-α0）

ε1—当前仪器所测量的应变值，单位为^με

ε0—结构初始应变值

t1—当前传感器测试温度

t0—初始温度