莞惠城际大跨连续梁-拱组合结构竖转塔架结构设计及施工关键技术

莞 惠 城 际 大 跨 连 续 梁 - 拱 组 合 结 构 竖 转 塔 架 结 构 设 计 及 施 工 关 键 技 术 范 春 生 ( 中 铁 十 四 局 集 团 第 一 工 程 发 展 有 限 公 司, 山 东 日 照 276826) 摘 要 : 结 合 莞 惠 城 际 铁 路 东 莞 水 道 特 大 桥 跨 东 莞 水 道 (100+180+100)m 连 续 梁 - 拱 桥 施 工 实 例, 介 绍 了 复 杂 条 件 下 竖 转 塔 架 的 方 案 比 选 竖 转 塔 架 材 料 及 结 构 设 计 和 优 化 塔 脚 的 理 论 分 析 后 锚 系 统 的 设 计 检 算 拱 肋 拼 装 胎 架 的 设 计 及 分 析 提 升 系 统 的 理 论 研 究 竖 转 塔 架 的 拼 装 及 调 试 计 算 机 同 步 提 升 系 统 的 设 计 及 理 论 分 析 等 各 环 节, 通 过 对 各 环 节 下 的 设 计 及 模 拟, 及 时 掌 握 了 解 施 工 过 程 中 的 不 利 工 况, 提 出 了 钢 管 拱 竖 转 塔 架 拼 装 的 关 键 控 制 措 施 关 键 词 : 道 路 工 程 ; 连 续 梁 - 拱 桥 ; 竖 转 塔 架 ; 结 构 设 计 The Key Technologies in Construction and The Design of Vertical Rotating Tower Structure of Large Span Continuous Beam - Arch Structure Crossing Dongguan and Huizhou FAN Chunsheng (China Railway 14th Bureau Group 1st Engineering Co., Ltd., Rizhao 276826, China) Abstract: This paper combines the construction example of Dongguan waterway large continuous Beam-Arch bridge of Dongguan and Huizhou intercity railway crossing the waterway (100+180+100), then introduce the comparison of scheme of vertical rotating tower structure vertical rotating tower material and the structural design and optimization, the tower foot after the theoretical analysis, the design calculation, the anchor system arch rib assembling jig design and analysis, improve system theory research, vertical rotating tower assembling and debugging, computer synchronous lifting system design and theoretical analysis of each link, through the design and Simulation of each link, timely grasp of the adverse conditions of solution in the process of construction, puts forward the key measures to control the vertical rotating tower assembled steel pipe archthe design and assemble of structure, finally we proposed the key control measurement of steel vertical rotating tower structure. Keywords: road engineering, continuous beam arch bridge, vertical rotating tower, structural design 作 者 简 介 : 范 春 生, 高 级 工 程 师, 研 究 方 向 为 桥 梁 工 程 施 工 技 术 ; 联 系 电 话 :15063313299,E-mail:358193184@qq.com 1

1 工 程 概 况 莞 惠 城 际 轨 道 设 计 时 速 200km/h, 东 莞 水 道 特 大 桥 主 桥 上 部 为 无 砟 轨 道 后 张 法 预 应 力 混 凝 土 连 续 双 线 箱 梁 拱 桥, 拱 肋 采 用 钢 管 混 凝 土 结 构, 计 算 跨 度 L=180.0m, 设 计 矢 高 f=36.0m, 矢 跨 比 f/l=1/5, 拱 轴 线 采 用 二 次 抛 物 线, 设 计 拱 轴 线 方 程 :Y=(-1/225)X 2 +0.8X 拱 肋 采 用 等 高 度 哑 铃 形 截 面, 截 面 高 度 3.0m, 拱 肋 弦 管 直 径 Φ1.0m, 拱 肋 弦 管 及 缀 板 内 填 充 自 密 实 混 凝 土 吊 杆 顺 桥 向 间 距 9m, 全 桥 共 设 17 组 双 吊 杆 图 1 东 莞 水 道 特 大 桥 连 续 梁 拱 桥 断 面 2 钢 管 拱 总 体 施 工 方 案 主 拱 肋 采 用 竖 向 转 体 施 工, 主 要 工 艺 流 程 见 图 2 图 2 钢 管 拱 施 工 工 艺 流 程 图 3 钢 管 拱 肋 竖 转 塔 架 连 续 提 升 方 案 选 择 拱 部 施 工 方 案 设 计 有 两 种 : 一 是 竖 塔 铰 接 + 手 动 连 续 提 升 ; 二 是 竖 塔 固 结 + 计 算 机 控 制 连 续 提 升 综 合 对 比 分 析 : 方 案 二 比 方 案 一 连 续 千 斤 顶 要 多 用 8 台 ; 方 案 一 中 千 斤 顶 支 架 及 底 锚 锚 座 需 新 加 工, 比 方 案 二 临 时 工 程 用 钢 量 多 ; 就 安 全 系 数 来 说, 方 案 二 塔 架 底 部 采 用 固 结 方 式, 比 方 案 一 安 全 系 数 要 大 ; 施 工 进 度 由 于 方 案 二 中 可 用 塔 吊, 施 工 速 度 要 比 方 案 一 要 快 约 半 个 月 综 合 分 析, 采 用 塔 架 固 结 + 计 算 机 控 制 连 续 提 升 拱 肋 的 方 案 二 2

表 1 钢 管 拱 肋 竖 转 塔 架 连 续 提 升 方 案 比 选 方 案 竖 塔 铰 接 + 手 动 提 升 方 案 竖 塔 固 结 + 计 算 机 连 续 提 升 方 案 塔 架 材 料 六 五 铁 路 军 用 墩 六 五 铁 路 军 用 墩 塔 架 底 部 形 式 铰 结 固 结 塔 架 顶 部 设 索 鞍 不 设 索 鞍, 设 塔 帽 塔 架 固 定 千 斤 顶 提 升 方 式 主 辅 风 缆 采 用 钢 绞 线, 塔 架 横 向 风 缆 为 钢 丝 绳 350t 普 通 提 升 顶 4 台 200t 普 通 提 升 顶 4 台 手 动 控 制 连 续 提 升, 提 升 操 作 平 台 在 桥 面 ; 利 用 扣 索 背 索 及 压 塔 索 350t 连 续 提 升 顶 4 台 200t 连 续 提 升 顶 12 台 100t 连 续 提 升 顶 2 台 计 算 机 控 制 自 动 连 续 提 升, 扣 索 / 背 索 千 斤 顶 操 作 平 台 在 塔 顶 / 在 桥 面 塔 吊 不 可 用 可 用 临 时 工 程 (t) 266.7 241.9 塔 架 材 料 六 五 铁 路 军 用 墩 六 五 铁 路 军 用 墩 4 施 工 方 案 竖 转 塔 架 设 计 及 验 算 4.1 拱 肋 竖 转 塔 架 设 计 拱 肋 在 拼 装 支 架 上 拼 装, 分 为 三 部 分 : 左 侧 拱 肋 右 侧 拱 肋 和 嵌 补 段 转 体 总 体 布 置 如 图 3 所 示 图 3 东 莞 水 道 特 大 桥 拱 肋 竖 转 总 体 布 置 4.2 塔 架 整 体 稳 定 性 验 算 利 用 sap2000 软 件 对 竖 塔 稳 定 性 进 行 受 力 分 析, 计 算 荷 载 为 塔 架 人 员 设 备 材 料 拱 肋 自 重 拉 索 预 拉 力 施 工 荷 载, 按 照 标 准 组 合 与 设 计 组 合 共 分 15 种 工 况 进 行 非 线 性 弹 性, 计 算 出 提 升 中 最 不 利 工 况 下, 军 用 墩 杆 件 最 大 应 力 比 提 升 塔 架 塔 顶 最 大 变 形 提 升 索 与 压 塔 索 的 最 大 拉 力 踏 塔 拱 脚 的 最 大 反 力 值 4.2.1 计 算 工 况 标 准 组 合 :dead+ds±wx,dead+ds+wy 设 计 组 合 : 1.35(dead+ds)±1.4wx,1.35(dead+ds)+1.4wy 其 中,dead 塔 架 及 拱 肋 的 自 重 ;ds 索 的 预 拉 力 ;wx X 向 风 荷 载 ;wy Y 向 风 荷 载 坐 标 系 规 定 :X 向 顺 桥 向 ;Y 向 横 桥 向 ;Z 向 竖 直 方 向 3

4.2.2 计 算 路 线 表 2 塔 塔 架 整 体 稳 定 性 计 算 工 况 表 序 号 计 算 工 况 荷 载 组 合 计 算 目 的 1 2 3 9 级 风 下 塔 架 自 立 状 态 7 级 风 下 塔 架 压 塔 索 挂 索 状 态 7 级 风 下 塔 架 后 背 索 和 提 升 索 单 边 挂 索 状 态 Dead±wx 1.35dead±1.4wx dead +wy 1.35dead+1.4wy 4 7 级 风 下 塔 架 后 背 索 和 提 升 索 单 边 预 紧, 每 根 2t dead+ds+wx 1.35(dead+ds) ±1.4wx 5 7 级 风 下 塔 架 压 塔 索 预 紧 20t dead+ds+wy 1.35(dead+ds)+1.4wy 6 7 级 风 下 一 侧 拱 肋 转 体 初 始 状 态, 提 升 索 与 后 背 索 同 时 张 拉, 调 节 塔 顶 平 衡 dead+ds±wx 7 7 级 风 下 一 侧 拱 肋 转 体 8 状 态, 后 背 索 索 力 自 桥 拱 离 地 1.35(dead+ds) ±1.4wx 后 不 调 节 dead+ds+wy 8 7 级 风 下 一 侧 拱 肋 转 体 到 位 状 态, 后 背 索 索 力 1.35(dead+ds)+1.4wy 自 桥 拱 离 地 后 不 调 节 9 9 级 风 下 一 侧 拱 肋 转 体 到 位 状 态, 提 升 索 与 后 背 索 同 时 张 拉, 调 节 塔 顶 平 衡 10 7 级 风 下 另 一 侧 拱 肋 转 体 初 始 状 态, 提 升 索 与 后 背 索 同 时 张 拉, 调 节 塔 顶 平 衡 11 7 级 风 下 另 一 侧 拱 肋 转 体 7 状 态, 后 背 索 索 力 自 桥 拱 离 dead+ds±wx 地 后 不 调 节 1.35(dead+ds) ±1.4wx 12 7 级 风 下 另 一 侧 拱 肋 转 体 14 状 态, 后 背 索 索 力 自 桥 拱 dead+ds+wy 离 地 后 不 调 节 1.35(dead+ds)+1.4wy 13 7 级 风 下 另 一 侧 拱 肋 转 体 到 位 状 态, 后 背 索 索 力 自 桥 拱 离 地 后 不 调 节 14 9 级 风 下 另 一 侧 拱 肋 转 体 到 位 状 态, 提 升 索 与 后 背 索 同 时 张 拉, 调 节 塔 顶 平 衡 塔 架 应 力 索 力 塔 架 应 力 拱 肋 应 力 索 力 塔 架 应 力 拱 肋 应 力 dead+ds+wx+t 15 7 级 风 下 一 侧 拱 肋 转 体 初 始 状 态, 提 升 索 与 后 背 索 同 时 张 拉, 调 节 塔 顶 平 衡, 考 虑 塔 顶 震 荡 力 30t dead+ds+wy+t 1.35(dead+ds)±1.4wx+T 索 力 塔 架 及 1.35(dead+ds)+1.4wy+T 拱 肋 应 力 4.2.3 计 算 结 论 竖 转 过 程 中 拱 肋 最 大 应 力 比 为 0.583, 出 现 在 工 况 14 中 ; 军 用 墩 立 柱 最 大 应 力 比 为 0.453, 出 现 在 工 况 11 的 军 用 墩 标 准 段 最 上 端 军 用 墩 水 平 撑 最 大 应 力 比 为 0.420, 出 现 在 工 况 6 的 军 用 墩 标 准 段 最 上 端 ; 军 用 墩 斜 撑 最 大 应 力 比 为 0.759, 出 现 在 工 况 15 的 军 用 墩 标 准 段 最 上 端 提 升 塔 架 塔 顶 最 大 变 形 为 79.39mm, 出 现 在 工 况 2 的 顺 桥 向 各 工 况 下, 塔 架 柱 脚 在 各 荷 载 组 合 下 的 最 大 反 力 为 :F z =1455kN 综 上 所 述, 在 拱 肋 转 体 的 过 程 中, 结 构 是 安 全 的 4

4.3 塔 帽 1 局 部 结 构 验 算 塔 帽 为 军 用 墩 提 升 塔 架 顶 端 安 装 油 缸 支 架 所 设 计 的 结 构, 结 构 如 图 4 图 5 所 示 图 4 图 5 采 用 ansys 分 析, 经 计 算 结 构 最 大 应 力 为 58.53Mpa, 小 于 屈 服 强 度, 满 足 要 求 图 6 莞 台 侧 塔 帽 1 整 体 模 型 图 7 整 体 变 形 图 综 上 可 知 : 整 体 及 各 部 分 的 应 力 都 在 屈 服 应 力 之 下, 满 足 安 全 要 求 由 图 7 可 知, 最 大 变 形 为 0.85mm, 满 足 使 用 要 求 4.4 塔 脚 抗 拔 验 算 如 图 8 所 示, 由 于 塔 脚 混 凝 土 宽 度 仅 为 1.8m, 故 验 算 此 塔 脚 抗 拔, 必 须 验 算 两 根 塔 柱 同 时 受 拉 时 混 凝 土 承 载 力 由 总 体 计 算 可 知, 在 工 况 8 下, 最 大 上 拔 力 为 101.5t, 对 应 一 侧 上 拔 力 为 100.4t 图 8 塔 脚 抗 拔 简 化 计 算 模 型 两 侧 临 界 面 承 载 力 :F 1 =4474KN, 水 平 临 界 面 承 载 力 :F 2 =4939KN 由 计 算 可 知, 上 拔 力 最 大 为 2019kN, 在 不 考 虑 力 分 配 比 例 的 情 况 下 混 凝 土 均 能 满 足 承 载 要 求 锚 筋 验 算 :f d =0.16 210.96 20=343mm 实 际 锚 固 长 度 800mm, 满 足 要 求 单 根 锚 筋 抗 拉 承 载 力 :N=fyA= 66kN 共 24 根 锚 筋, 总 承 载 力 为 F=66 24=1584kN>1015kN, 满 足 承 载 力 要 求 5

4.5 拱 肋 胎 架 的 计 算 拱 部 拼 装 时 胎 架 主 要 包 括 两 个 部 分 : 端 部 支 架 中 间 段 支 架 计 算 拱 肋 整 体 重 量, 按 拱 肋 支 架 设 计 位 置 分 配 拱 肋 自 重 作 用 力, 选 取 最 大 作 用 力, 以 最 高 拱 肋 为 例, 进 行 模 拟 计 算, 对 拱 肋 胎 架 进 行 变 形 与 应 力 验 算 图 9 拱 肋 支 架 示 意 图 10 拱 肋 胎 架 计 算 模 型 经 过 midas civil 7.8 软 件 对 拱 肋 胎 架 模 型 计 算 : f max =0.96mm<[f]=1/600 L=1/600 1500=2.5mm, 因 此, 拱 肋 胎 架 各 构 件 扰 度 值 满 足 设 计 规 范 要 求 由 计 算 可 知 :σ<1.3[σ]=1.3 145=188.5Mp, 满 足 规 范 要 求 由 上 可 知 : 拱 肋 竖 转 胎 架 能 够 满 足 施 工 要 求, 且 有 较 大 安 全 系 数 5 竖 转 塔 架 拼 装 施 工 工 艺 设 备 使 用 情 况 : 一 台 65t 汽 车 吊, 一 台 25t 汽 车 吊, 一 台 平 板 车, 两 台 Q630 塔 吊 5.1 军 用 墩 预 拼 装 现 场 预 留 足 够 空 间 用 于 储 存 军 用 墩 连 接 杆 件 等 材 料, 以 及 拼 装 竖 转 塔 架 标 准 节 的 施 工 平 台 ; 严 格 按 图 施 工, 控 制 好 质 量, 对 要 求 加 强 部 位 需 要 双 拼 位 置 及 时 检 查, 核 对 图 纸 5.2 底 节 施 工 通 过 测 量 定 位 以 及 电 焊 施 工, 调 整 拱 座 上 预 埋 板 的 高 程 水 平 度 符 合 设 计 要 求 ; 利 用 65t 汽 车 吊 吊 装 底 节 至 拱 座 上 并 与 预 埋 板 焊 接, 测 量 班 全 程 测 量 定 位 控 制 高 程 与 水 平 度, 以 达 到 最 大 可 能 减 小 误 差 的 目 的 5.3 竖 塔 标 准 节 节 点 对 接 前 期 塔 吊 附 墙 安 装 加 固 之 前, 采 用 65t 汽 车 吊 提 升, 后 期 直 接 采 用 塔 吊 提 升 5.4 横 联 施 工 每 个 竖 转 塔 架 设 有 5 榀 横 联, 每 榀 横 联 长 6.88m, 由 6 条 3m 军 用 墩 12 条 1m 军 用 墩 12 条 0.94m 预 制 段 21 条 1.6m 直 杆 40 条 2.28m 斜 杆 组 成 ; 横 联 施 工 过 程 中, 采 用 一 段 不 安 装 预 制 段, 即 先 安 装 5.94m, 到 达 指 定 位 置 后, 利 用 塔 吊 配 合 提 升 预 制 块 到 达 指 定 位 置 ( 由 于 采 用 无 缝 连 接 以 及 误 差 因 素, 部 分 预 制 段 无 法 到 达 指 定 位 置, 通 过 采 用 千 斤 顶 顶 升, 增 大 横 向 间 距, 使 预 制 段 安 装 到 位 ) 6

5.5 塔 吊 附 墙 施 工 塔 吊 共 设 4 道 附 着, 塔 吊 与 桥 面 的 附 着 结 构 采 用 四 道 双 拼 25 槽 钢, 分 别 设 于 塔 吊 标 准 节 的 四 周 与 桥 面 固 定 ; 塔 吊 与 竖 转 塔 架 间 三 道 附 着 结 构 与 桥 面 同 样 设 四 道 双 拼 25 槽 钢, 再 连 接 三 道 附 墙 加 固 军 用 墩 四 周 抱 箍 必 须 加 在 安 装 有 节 点 板 层, 槽 钢 与 军 用 墩 相 连 处 必 须 用 高 强 螺 栓, 且 必 须 全 部 上 齐 5.6 塔 帽 施 工 塔 帽 自 重 20t, 要 提 高 到 80m 位 置, 若 利 用 汽 车 吊 无 法 到 达 指 定 位 置, 而 塔 吊 自 身 吊 装 物 体 重 量 限 制 6t, 如 果 整 体 吊 装 则 无 法 完 成 为 此, 通 过 分 解 拆 装 塔 帽 为 多 个 零 散 单 件, 分 批 次 通 过 塔 吊 吊 装 到 设 计 位 置 后 再 行 组 装 即 可 实 现 塔 帽 整 体 安 装 5.7 缆 风 绳 施 工 自 桥 面 起, 竖 转 塔 架 高 度 55.82m, 为 保 证 施 工 安 全, 竖 转 塔 架 在 40m 位 置 处 顺 桥 向 设 有 12 条 缆 风 绳 5.8 提 升 索 后 背 索 压 塔 索 施 工 按 照 受 力 跟 实 际 情 况 不 同, 采 用 15.24 钢 绞 线, 分 别 对 不 同 位 置 布 设 不 同 数 量 : 竖 转 前 按 顺 序 对 提 升 索 后 背 索 压 塔 索 预 张 拉, 提 高 竖 转 塔 架 整 体 稳 定 性 6 施 工 关 键 技 术 大 跨 度 连 续 梁 拱 施 工 总 体 方 案 的 选 择, 采 用 先 梁 后 拱 的 施 工 工 艺, 拱 体 竖 转 体 系 为 塔 架 吊 装 其 中 施 工 过 程 不 易 控 制 和 重 点 环 节 有 : 吊 装 方 案 的 选 择 方 面 因 构 件 结 构 复 杂 多 样, 自 重 较 大, 起 吊 高 度 大, 受 风 力 水 平 荷 载 影 响 大, 通 过 大 型 浮 吊 船 锚 固 于 主 墩 上, 利 用 梁 体 屏 障 减 小 风 阻 力, 吊 于 桥 面, 通 过 二 次 起 吊 减 小 起 吊 高 度, 有 效 增 加 安 全 系 数 ; 施 工 过 程 的 监 控, 桥 梁 跨 度 大, 拼 接 节 段 多, 精 度 要 求 高, 前 期 利 用 midas 建 立 模 型, 通 过 高 精 度 电 阻 测 量 监 控 系 统, 有 效 控 制 因 风 力 温 度 等 引 起 的 构 件 变 形 ; 拼 接 质 量 的 监 控 技 术 采 用 100% 超 声 探 伤 仪 全 覆 盖 检 测, 从 而 保 证 焊 接 的 质 量 ; 塔 索 拉 力 的 监 控, 安 装 智 能 压 力 传 感 器, 通 过 嵌 入 式 电 脑 检 测 系 统 可 进 行 二 次 精 调, 保 证 拉 索 拉 力 的 精 确 性 7 结 论 大 跨 度 连 续 梁 - 拱 桥 组 合 体 系 结 构 新 颖, 受 力 情 况 复 杂, 尤 其 是 竖 转 塔 架 的 安 装 对 全 桥 的 提 升 对 接 合 拢 成 拱 有 着 重 要 的 影 响 东 莞 水 道 大 跨 度 连 续 梁 - 拱 桥 组 合 体 系 竖 转 塔 架 根 据 现 场 条 件, 采 用 现 场 安 装 桥 面 吊 装, 通 过 浮 吊 汽 车 吊 塔 吊 相 互 配 合 的 办 法 进 行 竖 转 塔 架 的 安 装, 采 用 计 算 机 控 制 连 续 提 升, 整 个 施 工 过 程 安 全 可 靠 方 便, 可 操 作 性 高, 不 仅 节 约 了 成 本, 而 且 大 大 缩 短 了 施 工 周 期, 是 一 种 高 效 便 捷 的 施 工 工 艺 对 今 后 类 似 工 程 的 施 工 具 有 借 鉴 和 指 导 的 参 考 文 献 [1] 中 华 人 民 共 和 国 建 设 部. JGJ81-2002 建 筑 钢 结 构 焊 接 技 术 规 程 [S]. 北 京 : 中 国 建 筑 工 业 出 版 社, 2003:7-63. [2] 中 华 人 民 共 和 国 铁 道 部. TB10002.2-2005 铁 路 桥 梁 钢 结 构 设 计 规 范 [S]. 北 京 : 中 国 铁 道 出 版 社, 2000:19-22. ( 责 任 编 辑 田 克 平 ) 7