天兴洲大桥提升站设计及安装控制

2011-06-12金永忠

武汉工程大学学报 2011年8期

金永忠

(中铁大桥局集团五公司，江西九江 332001)

1 工程概况

武汉天兴洲公铁两用长江大桥，位于武汉长江二桥下游约9.5 km处，是武汉市城市总体规划三环路及武广客运专线跨长江的桥梁，其主桥为双塔三索面三主桁斜拉桥，主桥桥式布置为99.2+196+504+196+99.2 m.铁路南引桥桥式布置为15孔40.6 m简支箱梁.P0～P5#墩为主桥，P5～P20#墩为南引桥，具体布置见图1.

图1 桥式布置图

铁路引桥为40.6 m简支箱梁，分为客运箱梁和货运箱梁两幅并排布置，货运箱梁顶板宽12.3 m，客运箱梁顶板宽13.4 m，底板宽均为5.54 m，采用移动模架原位现浇的方法施工.

武昌岸引桥墩身高度平均为30 m，根据本桥的工程特点及场地条件，采用移动模架造桥机现浇施工方案，引桥共有21片40.6 m箱梁，根据现场实际情况，确定移动模架在P10、P11#墩之间的货运侧提升上桥,然后按照施工的工期安排，首先浇筑货运K10～K5箱梁，再浇筑客运K5～K19箱梁，因此需要设计一套移动模架整体提升装置，即移动模架的提升站.

2 提升站设计组成

提升站主要由主立柱(墩旁)、副立柱(墩顶)、承重横梁、提升结构、横移结构组成.

提升站设在P10、P11#墩墩旁货运侧，在提升站下方地面上拼装好移动模架(长93 m，高11 m，重约450 t)，通过提升站将移动模架提升到墩顶.其安装过程如下，首先将移动模架与提升站连接到位，然后利用提升站的垂直提升机构将移动模架提升到位，再通过提升站顶的横移机构将其整体横移到位，横移到位后，固定移动模架的前后支腿，完成移动模架的提升工作. 移动模架及提升站的总体布置详见图2.

图2 提升站总体布置图

3 关键部位计算

3.1 承重横梁的计算

根据经验初步确定承重横梁为箱形截面(高1.5 m，宽1 m)，其横截面见图3.

图3 钢箱梁横截面结构图

钢箱梁的截面几何特性：

A=111 888 mm2

I=3.839×1 010 mm2

W=I/750= 5.119×107mm3

将结构简化为简支梁受力模型，由简支梁的受力特点可知：当移动模架移到主梁跨中位置时，主梁受力为最不利位置，受力简图见图4.

图4 承重梁最不利受力简图

M=1/4PL+1/8q×L2=860.268 t·m

计算结构弯曲应力：

σ=M/W=860.268×107/5.119×107=

168.1 MPa<215/1.2=180.0 MPa

变形计算：f=44 mm.

P：移动模架自重.

q：钢箱梁的均布荷载.

用midas civil建模计算钢箱梁的局部应力，建模时模拟结构的真实受力状态，轨道布置在钢箱梁顶板中部，只在轨道下垫钢板，钢箱梁顶板局部受力较大，程序计算顶板的应力见图5.

图5 箱梁顶板应力云图

由图可见，钢箱梁顶板局部应力较大，σ=212.5 MPa,超过钢材容许强度，不满足施工的要求，因此根据结果对箱梁局部进行补强，在跨中设置横隔板，每隔0.8 m设置一道横隔板，并在顶板下方设通长的加劲肋2道，补强后的箱梁截面见图6.

图6 承重钢箱梁横截面结构图

3.2 主立柱钢管柱部分计算

主立柱由4根直径为1 m的钢管柱组成，钢管之间利用连接系相连形成整体结构.

a. 整体计算

钢管群结构截面几何特性计算

A=37 246×4 mm2

I=2.52×1011mm4

回转半径为i=1 000 mm

单立柱自由长度为40 000 mm

结构长细比为λ=40 000/1 000=40

查表知φ=0.899

竖向力N=357 tM=135 t·m

σ=N/φA+M/W=3 570 000/(0.899×37 246×4)+135×107/1.4×108=26.65+9.6=36.3 MPa <215/1.2=180.0 MPa

结构强度满足要求.

b. 局部计算

钢管结构截面几何特性计算

A=37 246 mm2

I=4.545×109mm4

回转半径为349 mm

竖向力N=106 t

σ=N/A=1 060 000/37 246=28.5 MPa <215/1.2 =180.0 MPa

强度满足要求

单立柱自由长度为2 000 mm

结构长细比为λ=2 000/349=5.7<200

满足要求.

3.3 主立柱扩大基础计算

基础结构见图7.

图7 主立柱基础结构图

钢管群在起吊状态下，承受竖向力P=319 t，检算风速为10 m/s(沿桥梁中心线方向)

基本风压强度；W=10×10/1.6=62.5 Pa

计算风压强度：W=1.56×62.5×0.8=78 Pa

a.立柱在纵桥向的倾覆性计算：

风压按照均布荷载作用于立柱上，计算按照集中力加载在立柱1/2高的位置上，P=3.12 kN(单个立柱)，主梁及模架结构所受风荷载在立柱顶，水平风力为3.9 kN.

风力作用下立柱的倾覆弯矩为

M=3.12×20×4+3.9×40=405.6 kN·m

立柱抗倾覆弯矩为：在安装过程中，提升装置结构自重为160 t(含混凝土基础)

M=160×4=640 t·m

结构倾覆安全系数为：

K=6400/405.6=15.8 [大于1.5]

纵桥向稳定性满足要求.

b.立柱在横桥向的倾覆性计算：

立柱所受的水平力：

①立柱和钢箱梁所受水平风力

F1=40×4×78=12 480 N=12.48 kN

②移动模架构架所受水平风力

F2=(11×43.3+1.5×31×0.4+1.5×17×0.4)×78×0.6=23 640 N=23.64 kN

③起重物的横向摇摆力

F3=160 kN/2=80 kN

④起吊时天车与起重物不在一条竖直线上，引起的水平力(瞬时力，忽略不计).

倾覆弯矩为

M1=12.48×20=249.6 kN·m

M2=23.64×40=945.6 kN·m

M3=80×40=3200 kN·m

M=M1+M2+M3=4395 kN·m

结构抗倾覆弯矩为:

(取最不利位置时，竖向力P1=5 675/20 300×319=89 t，P2=52+85=137 t)

M=226×3=678 t·m

结构倾覆安全系数为：K=6 780/4 395=1.54 [大于1.5]

结构抗倾覆系数大于1.5，结构是稳定的.

c.地基受力情况：

计算地基承载力：[f]=200 kPa

① 纵桥向：

W=1/6×6×82=64 m3

Pmax=N/A+M/W=3 570/48+4 056/64=137.8 kPa≤1.2[f]

P=N/A=74.4 kPa≤[f]

地基承载力满足要求.

②横桥向：

W=1/6×8×62=48 m3

Pmax=N/A+M/W=3570/48+4395/48=165.9 kPa≤1.2[f]

P=N/A=74.4 kPa≤[f]

地基承载力满足要求.

3.4 横移结构

在承重钢箱梁上布置钢轨、横移机构.横移机构主要是通过横移水平顶升油缸，使横移小车在钢轨顶面进行滑移(滑动摩擦系数按0.15计).利用行程1.1 m的油缸作为移动模架横移的水平顶升油缸.在承重钢箱梁顶面按1 m的间距布置螺栓孔(并攻丝)，来安装顶升油缸的反力装置.

3.5 提升机构

分别在10#、11#墩墩顶横移机构的横移小车上安装LSD200液压提升系统.LSD200液压提升系统由4 台LSD200-300连续千斤顶, 2个YTB.B阀体柜，2台YTB泵站，1台LSDKC-8主控台组成.每台LSD200-300液压缸以12根直径Φ15.24、强度1 860 MPa级的钢绞线穿过千斤顶,与移动模架下吊点连接，构成承力系.

4 提升站施工控制

提升站安装过程做到可控,安全得到保障,以下几点控制措施:

4.1 基础施工

主立柱基础施工前，应对地基进行夯实处理，并设排水沟；扩大基础采用钢筋混凝土小承台基础,在承台基础上事先作好立柱的预埋件,预埋件的平整度满足规范要求.

4.2 主立柱施工控制

按照立柱材料数量和类型进行准备，并按照规范要求进行检查验收.满足各项要求后按照该结构的施工设计图进行钢管柱安装.钢管柱在拼装前先对基础的预埋件标高进行测量，根据预埋件的标高对钢管进行下料，确保钢管的顶部与施工设计图的标高相吻合.由于钢管柱的高度不高，为了方便钢管的连接以及保证钢管对接的焊接质量，钢管可以在地面进行下料及对接焊接，焊接好后经现场技术人员进行焊缝检查，检查合格后通过吊机进行吊装.吊装时应该注意钢管的位置以及垂直度，钢管就位后先与钢管的四周进行焊接或栓接，待各检查项均满足有关施工规范的要求后再进行焊接，钢管柱之间按照施工设计图的要求进行横纵向连接，确保钢管柱的整体稳定性.

4.3 横梁及其他施工

所有钢管立柱以及柱顶的分配梁全部安装完毕后，必须组织相关部门进行检查并签证，待检查合格后方可进行下步工序钢箱梁的拼装工作,因墩身高度30米,采用120吨吊机进行对钢箱梁整体吊装安装施工，同时做好缆风临时固定工序，再在钢箱梁上布置好横移滑道及横移顶，控制好设计标高及横坡.

4.4 提升施工

整个支架安装完成后进行提升，移动模架的提升前做好相应位置的技术交底工作，每个部位必须执行检查并进行签证后再提升施工，四台起升顶必须统一指挥，统一信号，做到同步行程一致，防止倾覆，LSD200液压提升装置的各油表度数一致，明确受力均匀，做到每个过程可控，做到安全结构可控，所有起吊时应选择在无风的天气下操作，确保结构安全万无一失；提升移动模架横移到位，固定好移动模架的支腿.