钢结构桥梁安装顶推技术的研究与应用

发表时间:2016/6/13   来源:《工程建设标准化》2016年3月总第208期   作者:王志峰
[导读] 随着我国城市建设以及公路、铁路运输的快速发展,我国逐渐发展成为世界上第一桥梁大国。

王志峰
  (中铁三局集团第五工程有限公司,山西,榆次,030600)
  【摘  要】随着交通运输业的不断发展,钢结构桥梁在桥梁建设发展中得到了广泛的应用。钢结构的桥梁具有跨度大、抗扭刚度大、强度高以及预制加工方便的特点,和混凝土桥梁施工相比,钢结构的桥梁能够减少桥梁上部的自重,进而获得更多的桥下净空。其中,钢箱梁的安装是钢结构桥梁安装中的重点内容,但是一般的常规方法无法实现钢结构桥梁钢箱梁的顺利安装,为此提出了顶推滑移法的施工安装方法。文章在介绍钢结构桥梁的基础上,以具体工程为例,具体对钢结构桥梁安装顶推技术和研究和应用进行分析。
  【关键词】钢结构桥梁;安装;顶推滑移法技术;研究应用
  随着我国城市建设以及公路、铁路运输的快速发展,我国逐渐发展成为世界上第一桥梁大国。现阶段我国的桥梁仍以混凝土结构为主,但这种以混凝土结构为主的桥梁需要耗费大量的人力、物力和财力,不利于经济建设的发展以及环境保护的实现。现阶段,我国节能、环保钢材的生产量领先世界,为此以钢材结构为主的钢结构桥梁得到了发展。钢结构桥梁的具体安装方法有很多,常使用的安装技术是大型吊车、架桥机吊装就位等,但是由于施工场地范围有限,施工作业紧张,环境因素干扰大等方面的制约,很多工程的钢结构箱梁不能采用常规的方式进行吊装就位。在近几年,我国钢材轧制和桥梁顶推技术水平提高的同时,钢箱梁顶推施工技术被广泛的应用在各种类型的桥梁施工中。文章以北京车公庄西延桥梁工程跨越河段的钢箱梁具体施工发展为例,在分析顶推技术特点的基础上,对其在钢结构桥梁钢箱梁工程施工中的应用进行具体的分析。
  一、钢结构桥梁发展概述
  (一)钢结构桥梁的内涵
  钢结构桥梁是以钢材作为主要建造材料的桥梁,具有很高的强度和刚度,和混凝土相比,能够在一定程度上减少桥梁的的高度和自重度。在钢材各向同性、质地均匀性以及弹性的特点作用下,利用其作为桥梁能够和实际的计算图式假定情况相符合。钢结构的桥梁一般利用工厂进行预约定制,所需要的施工工期较短,且加工较为方便,不会受到季节的影响。
  (二)钢结构桥梁施工安装技术的发展现状
  钢结构桥梁在架设安装施工中,不仅需要对桥梁的形式、跨度以及宽度、具体的施工条件、交通运输、施工技术等多方面条件进行考虑,而且还需要根据架设的安全程度、工程费用等条件,来选择一种安全、适用的架设方式。现阶段的钢箱梁一般采用以下几种施工方式来实现拼装,包括分段吊装、整体吊装、整体提升、整体顶升、高空滑移法等。第一,分段吊装法。主要是将工程进行所需要的架子进行分段制作,并在工地的地面将制作单元组装成若干段的吊装单元,并利用起重机将单元吊装到规定好的高空设计位置。第二,整体吊装法。主要是指通过分段制作将胎架进行拼装,之后利用起重设备将整体吊装到具体的标高位置,并采用方案来进行加固处理。第三, 整体提升法。主要是指将结构在地面完成整体拼装之后,利用提升设备将结构提升到设计好的位置上。第四,整体顶升法。主要是指先在地面上将架子拼装成整体,之后利用千斤顶逐渐将拼装好的结构顶升到设计好的位置上。整体顶升法和前文叙述的整体提升法特点基本一致,区别在于所采用的提升设备位置不同,前者一般位于桁架结构支点的下方,后者是位于桁架结构的上方。第五,高空滑移法。主要是指将某一个分段和单个的桁架单元在预先设置好的滑轨上进行移动,从而拼装成整体。这种方法能够将桁架安装和工程土木建设施工实现平行立体的作业,提升工程的施工进度。另外,这种方式对起重设备以及所需要的牵引设备要求不高,使用小型的起重机后者卷扬机就能完成大结构的安装工程,节省了大量的施工费用。缺点是这种方案涉及到的施工技术多,在具体施工的过程中存在很大的难度。
  二、工程概述
  某桥梁工程具有双向六车道,其中有三跨是钢砼叠合梁,钢结构的实际物量达到了2400吨,其钢箱梁可以分为四段,每段的长度达到了38m,宽度达到了4.8m,重量达到了110t。是现阶段北京市区钢桥单段最长、最终的钢箱梁桥梁。由于桥梁跨越了昆玉河,因此导致其现场施工条件较为复杂,为桥梁钢梁的就位带来了很大的困难。钢箱梁的两边具有扇形的装饰架字,装饰架子能够将主箱桥梁在吊装之后实现和它再次连接,箱梁彼此之间采用了连梁的方式进行连接,箱梁的具体横截面图如图1所示。工程施工中最大的困难在于施工现场的约束条件太多。该桥梁工程的钢箱梁跨越河流,其具体的吊装现场平面布置图如图2所示。因为其两边的混凝土桥台没有经过钢索张拉,因此不能为其大型的吊装设备提供具体的战车位置。需要将吊车放置在河两岸的桥台南北侧进行吊装,钢箱梁的长度达到了38m,河面的宽度达到了40m,因为其吊装的半径大,因此需要在现场的南北两段上空布置高压线,同时吊装必须要避开高压线的影响。同时,为了有效避免吊车在吊装的 过程中碰到相关的高压线,方便钢箱梁的构建运输,需要在经过的地方进行放样勘测。由于方位的西北角、东北角以及东南角都不具备吊车站位实现吊装的条件,因此只能将吊车站位在西南岸上来进行吊装。
  

  三、吊装方案的确定
  根据该桥梁工程现场施工的实际情况,在经过专业的论证之后,能够采用的吊装方案主要有三种:
  第一,利用1250吨的履带吊直接吊装法。这种方案的优势是能够将所有的建筑钢梁进行一次吊装就位工作,所需要的工期较短,且具有很高的质量保证。但是缺点是这种吨位的履带吊进出场的费用及租金较为昂贵,具体的操作性不高。
  第二,在何种设定打设钢管桩,并同时设置50米的跨,120吨的架桥机,将这些设备集结在一起进行吊装就位,这种方案的成本要比第一种方案的成本要低。但缺点是由于在架设钢桥之前需要在河中打设桥机的钢管桩,所需要的工期时间较长,因此最终导致架桥机的利用效果不强,同时,在具体的使用时还存在架桥机吊装作业完成之后可能会拆除的问题。 
  第三,利用4 100 WS型272吨的履带起重机首先对构建进行吊装,之后再将钢箱梁的滑移就位处理,这种方案能够将钢梁的吊装滑移到位。这种方案和之间的方案相比,成本会在最大程度上被降低。
  在对三种方案进行综合选择的情况下,最终选用吊装——顶推滑移——降落的施工方案。具体选用的是吊重性能较好的4 100 WS型272 t履带起重机,这种吊站需要设置在西南岸上,在一般情况下只能将最南端的钢梁进行吊装,吊装的顺序是由北向南,首先将最北端的钢梁吊装到最南端的位置上,在就位之后,将吊装继续向北推行,在最后阶段实现最南端的钢梁进行就位。
  四、钢结构安装工程中滑移轨道的结构形式
  钢梁和混凝土之间的桥台搭建方式采用的是牛腿搭接的方式,但是混凝土的牛腿大部分只有300mm左右的长度,滑移的轨道不能被搁置在牛腿上,只能被放置在混凝土的桥台上,并且保证全桥的预应力张拉之前的两个桥墩的桥台不能承受过多的压力。因此,最终将滑移轨道设置在了混凝土的桥墩上,采用托梁形式轨道(见图3),具体结构为:上部采用滑移轨道,防止构件的下滑,下部分采用H型的钢垫梁受力件。
  五、钢结构安装工程中钢梁顶推需要解决的问题
  钢梁顶推需要解决的问题时顶推力大小以及所需要设备的使用问题,也就是说使用怎样的设备能够在最大限度上降低钢箱梁下部的滑块和滑移轨道之间的摩擦力问题。为了在滑移的过程中减少摩擦力,需要在滑板和滑移轨道之间擦拭适当的黄油,并采用千斤顶顶推,具体施工方法为:先用两块专用挡板卡在托梁翼缘的上面,将千斤顶放在挡板和钢梁之间,在推进的过程中逐步实现顶推,同时,在顶推的过程中要将钢梁两端的推动工作同时进行。钢箱梁在顶推的过程中所产生的系数一般在0.05和0.1之间,即每次需要的顶推力一般在3t到6t之间。最终选用了10t的千斤顶来完成作业。
  六、钢结构安装工程中的钢梁下落
  钢结构安装工程中的钢梁顶推达到一定的位置之后就会下落到混凝土的腿上,这个过程是顶推滑移法中最关键的一步,在具体的顶推滑移工程中,轨道在混凝土梁的上部分,钢梁在滑移的过程中,其要求的标高超出了混凝土牛腿的标高。因为混凝土的牛腿一般只有300mm的宽度,不能承受千斤顶的重量。因此,需要在钢梁的两边焊上两个刀把形状的假头,从而为钢梁下降到混凝土的运动做好铺垫。
  假头在钢梁进行下降的过程中是最关键的受力部件,在选择和制作之前要设计好尺寸,尺寸选择的具体计算过程如下:
  第一,杆件的最大弯矩计算 Mmax= 7.47×108Nmm=108.92MPa。得到的承载力值要比215Mpa小,因此可以发现假头选择的尺寸大小符合钢梁下落的要求。
  第二,套板上的侧受剪核算F=205×20×120×2=9.84×105N
  P2=6.7×105N
  经过计算证明最终得到的数值比P2比F小,在二者进行比值之后发现结果是1,469,满足最终设计要求。
  第三,套板受拉  F=200×20×215×2=1 720000N=17.2×105N
  P2=6.7×105N
  经过计算证明最终得到的数值比P2比F小,在二者进行比值之后发现结果是2.567满足最终设计要求。
  在设计成型之后,还需要在现场将它和钢箱梁进行焊接固定。千斤顶能够将钢梁顶起来,并在此之后切割掉钢梁的加出长段部分,并要及时抽掉外侧支架上的工字钢,从而自然地将钢梁下落到一层。这个时候的假头会被搁置在外侧的支架上,需要将放置了千斤顶的支架再抽掉一层,抽调之后顶起钢梁,直到最后将钢梁降落到位。钢梁降落之后需要及时将千斤顶撤离出来,同时也要一并将临时假头、支架等一齐撤离出来,实现钢梁的就位工作。
  七、小结
  顶推滑移法在钢结构的桥梁安装工程中具有重要的作用,能够降低工程的成本消耗,减少施工多方面条件对施工的约束。因此,在常规的工程建设中,对于不能用常规方式进行吊装的工程,有关人员可以在规定的工期和成本范围内通过合理的设计和严格的标准规定,采取一种可行性强的施工方案,实现顶推滑移法在工程建设中的充分应用。
  参考文献:
  [1]张健,胡冲,隋杰明,铁大禹. 顶推滑移法在钢结构桥梁安装工程中的应用[J]. 沈阳建筑大学学报(自然科学版),2007,05:764-767.
  [2]檀兴华,余运良,杨卫平,刘轶群. 九堡大桥钢槽梁顶推施工方法研究[J]. 公路,2010,06:92-98.
  [3]曾萍. 顶推滑移法在跨铁路钢结构桥梁安装工程中的应用[J]. 中国城市经济,2010,08:137-138.
  作者简介:
  王志峰,男,1970年8月生,山西省平遥人,大学本科,高级工程师,现从事钢结构工程研究。
  

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