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太原北中环汾河大桥钢箱拱安装支架设计方案比选

2015-05-06

山西建筑 2015年28期
关键词:钢箱钢箱梁悬臂

刘 校 明

(太原市城市建设管理中心,山西 太原 030009)

·桥梁·隧道·

太原北中环汾河大桥钢箱拱安装支架设计方案比选

刘 校 明

(太原市城市建设管理中心,山西 太原 030009)

以太原北中环斜跨拱桥为例,对钢箱拱安装支架设计方案进行了比选,并对90 m跨钢拱支架结构设计方法及施工工艺进行了详细阐述,总结了节段定位连接装置、合龙段主动施顶装置、钢箱梁支架加固等关键点设计事项,最终取得了良好的施工效果。

拱桥,钢筋拱,支架,设计

1 工程概况

太原北中环斜跨拱桥位于山西省太原市北中环与汾河交点处,由西向东依次跨越滨河西路、汾河、滨河东路,属于太原市北中环工程中跨汾河节点。其主桥桥型布置为(65+45+90+45+65) m的五跨五拱刚性梁刚性拱斜跨拱桥结构[1],采用高度不等的5个钢拱,拱轴线采用二次抛物线,主梁采用钢箱梁,主梁与钢拱之间设有吊杆拉索。

全桥共5个钢拱,对应65 m,45 m,90 m跨径布置三种尺寸。拱截面为带倒角的等腰三角形,拱截面高度由拱脚至拱顶线性变化,高度尺寸变化分别为大拱 5 000 mm变至3 800 mm,中拱4 200 mm变至3 000 mm,小拱3 400 mm变至2 200 mm。最宽处尺寸变化分别为大拱4 829 mm变至3 710 mm,中拱4 083 mm变至2 963 mm,小拱3 337 mm变至2 218 mm。底面尺寸均为800 mm。钢板厚度分别为大拱和中拱25 mm;小拱为20 mm。钢拱内部设有横隔板及纵向加劲板。5个钢箱拱总重量为2 324 t。

五拱采用顺桥向间跳跨越主梁的布置方式,中拱与小拱在1号、4号墩处共用拱座,小拱与大拱在2号、3号墩处共用拱座。大拱顺桥向跨度为83 m、中拱为58.4 m、小拱为40 m,钢拱轴线为二次抛物线,45 m跨钢拱矢跨比1∶1.31,60 m钢拱矢跨比1∶1.17,90 m钢拱矢跨比1∶1.28。

2 钢箱拱安装支架设计方案比选

太原北中环斜跨拱桥位于汾河湿地公园内,地面经处理可承受支架及地面吊机荷载,据此原则,钢箱拱拱肋安装考虑采用地面吊机分段吊装并用落地支架法支承组焊的总体方案。但由于工期紧张,钢箱拱安装仅有2个月时间,同时安装存在大量的高空作业,安全、质量风险很高,采用何种拱肋分段和安装支架设计方案将影响施工安全、质量、工期和施工投入,关系重大,须仔细研究决定。

根据拱肋的结构设计特点及施工环境,以单个90 m钢箱拱为例,可采用的拱肋安装支架设计方案有两种:1)按原设计拱肋分段,采用200 t履带吊机梁面站位吊装,支架按每节段2个支点设计;2)充分利用钢拱刚度大、截面强的特点,重新划分拱肋节段,采用大吨位吊机地面站位吊装,支架按钢拱大悬臂+每节段单支点综合考虑设计。

对以上两种设计方案进行比选分析如下:

1)方案1为设计推荐方案,支架采用每节段2支点的常规设计,采用200 t履带吊机梁面站位进行吊装,存在以下缺点:a.支架规模大、用钢量大,单个90 m钢拱安装支架总量约972 t,高空脚手平台数量多,施工投入较大;b.节段划分达到17段,吊装及空中对接的次数较多,履带吊机在梁面站位需考虑强大的梁下支承支架,安全风险高;c.高空主体结构焊缝数量大,质量风险大;d.高空安装次数多、作业总天数多,受风雨等气象条件干扰影响,工期难以保证。

2)方案2按照“大节段、少支架”的设计原则,充分考虑本桥钢拱结构矢跨比大、截面强、刚度大,钢拱与拱座固结的特点,尽可能利用拱座固结和钢拱刚度实现初始节段大悬臂安装;同时将梁面吊机改为地面吊机,并采用吊重能力大的650 t履带吊机,从而减少吊装节段数量;此外利用钢拱拱轴线与水平夹角大、节段重力产生横向分力较小的特点,将每节段后支点取消,改为由上一节段前端设临时连接件支承,仅保留前支点。经过设计优化,此方案具有以下明显优势(仍以90 m跨钢拱为例):a.支架减少大量钢管支点,第1~2节段采取大悬臂安装,悬臂长度达36.5 m,其余节段均采用单支点,单个90 m钢拱安装支架总量约403 t,相比方案1节省钢料约570 t,全桥5个钢拱支架节省约2 100 t,经济效益显著;b.节段划分由17段减少为11段,全桥共减少38个节段,大量减少了施工循环次数和高空焊缝数量,安全风险降低、质量更有保证;c.支架和钢拱安装数量大幅减少,受气象条件干扰程度降低,支架加工工作量、支架及钢拱安装次数和高空工作量大幅降低,施工工期得以保证。支架设计方案2见图1。

3 钢箱拱安装支架设计(以90 m跨钢拱为例)

1)支架结构形式及架设方案。本钢拱架设施工支架布置于钢箱梁顶面,由φ1 000 mm×10 mm钢管桩立柱及钢管连接系、柱顶分配梁、钢拱安装调节装置组成。钢拱安装时利用履带吊机分别站位于上下游便道上,逐块吊装钢拱并定位调整其线形。

2)计算荷载。a.钢拱自重:q1程序自动考虑。b.施工荷载:q2=1.5 kN/m2。c.风载:q3施工最大设计基本风压为0.3 kPa。d.温度荷载,在架拱期间历年的最大温差为22 ℃左右。q4整体升温25 ℃。q5整体降温25 ℃。

3)计算说明及假定:a.根据施工要求钢拱的施工工序为:拱座及钢拱底节安装→钢拱支架的安装→钢拱第一节悬臂拼装→钢拱第二节拼装并通过支架调整线形→钢拱和支架间超紧→钢拱第三节拼装并通过支架调整线形→钢拱和支架间超紧→调整钢拱合龙口的宽度及角度→安装钢拱第五节段→支架和钢拱间脱空→安装斜拉索;b.钢拱的重量一部分通过本身传至拱座,其他部分的荷载传至支架;c.钢拱架设过程中考虑钢拱的整体升降温效应及风载;d.计算未考虑主体钢箱梁及其施工支架的变形的影响;e.支架对钢拱只提供竖向支撑。

4)支架计算分析工况。根据施工要求支架主结构的计算分为11个工况:工况一:悬臂拼装第一节段钢拱;工况二:拼装二节段钢拱并通过千斤顶调整其线形,(q1+q2+q3);工况三:钢拱第二节段与支架间抄垫,钢拱及支架整体升温25 ℃,(q1+q2+q3+q4);工况四:钢拱第二节段与支架间抄垫,钢拱及支架整体降温25 ℃,(q1+q2+q3+q5);工况五:拼装第三节钢拱并通过千斤顶调整其线形,(q1+q2+q3);工况六:钢拱第三节段与支架间抄垫,钢拱及支架整体升温25 ℃,(q1+q2+q3+q4);工况七:钢拱第三节段与支架间抄垫,钢拱及支架整体降温25 ℃,(q1+q2+q3+q5);工况八:拼装第四节钢拱并通过千斤顶调整其线形,(q1+q2+q3);工况九:钢拱第四节段与支架间抄垫,钢拱及支架整体升温25 ℃,(q1+q2+q3+q4);工况十:钢拱第四节段与支架间抄垫,钢拱及支架整体降温25 ℃,(q1+q2+q3+q5);工况十一:拼装第五节钢拱,并适时将钢拱支架脱空,(q1+q2+q3)。

5)检算项目:a.计算各施工阶段支架各构件的强度;b.计算各施工阶段支架各构件的刚度;c.计算钢拱施工过程中钢拱的变形;d.计算各施工阶段支架的支点反力;e.验算主梁在支架作用点的受力情况;f.验算钢拱支点处的受力情况。

6)材料许用应力。钢箱拱安装支架所用到的材料为Q235B,Q345B和40Cr,按规范各钢材的容许应力如表1所示。

表1 各板厚钢材提高后的容许应力值 N/mm2

7)计算模型。钢拱及支架整体建模,计算软件为midas2006/civil。根据支架的结构形式及受力特点利用有限元分析软件建立其与钢拱的整体分析模型如图2所示。

8)计算结果汇总见表2。

表2 计算结果汇总表

9)小结。由以上计算可知,90 m跨钢拱架设安装支架结构受力满足要求。

4 其他关键点设计

1)节段定位连接装置设计。钢拱支架仅设前端支点,节段后端支点采取与前一节段固定连接的方式,同时为保证节段空中吊装能够快速定位,设计了节段定位连接装置。装置分为限位牛腿和临时连接件两类:限位牛腿布置于已安装节段的前端底板、两侧腹板上,可使吊装节段接近时能够快速导向、定位;临时连接件布置于相邻节段端口处,钢拱节段安装时,先由吊机初步对位,然后穿M39长螺杆收紧对接,最后上M30螺栓精确对位[3]。

2)合龙段主动施顶装置设计。合龙调整措施采用钢拱主平面内横向、竖向起顶的方式调整高程、高差、合龙口尺寸,主动施顶装置设计见图3。

3)钢拱最大悬臂状态设计。与设计院一起对钢拱最大悬臂状态进行分析,研究设计并对钢拱锚固段进行加强,确保拱脚应力在钢拱最大悬臂状态满足规范及施工要求。

加强后的拱脚在钢拱最大悬臂状态下钢拱拱脚顶缘拉应力为10.22 MPa,底缘压应力为-22.96 MPa。计算应力远小于Q345qD的设计抗弯强度295.00 MPa,混凝土抗裂能力满足要求。

4)钢箱梁支架加固设计。钢拱支架设置在钢箱梁梁面,下部钢箱梁支架未拆除,为确保下部钢箱梁支架安全,钢拱支架受力顺利传至地基对钢拱范围内钢箱梁支架进行适当加强。

5)支架梁面应力分布设计。为确保钢箱梁梁面质量及钢拱支架安全,在钢箱梁肋板梁面处布置垫梁及垫板,使钢拱支架应力由梁面传至钢箱梁纵腹板,确保钢箱梁结构安全。

6)提高支架横向稳定性设计。为确保支架受横向风荷载及节段吊装碰撞等偶然荷载时支架的横向稳定,支架底部与钢箱梁进行临时焊接固结,沿支架横向拉结双层缆风绳以保证支架的整体稳定性[4]。

5 结语

太原北中环桥已经于2013年10月底完成钢桥面铺装,顺利完成了全桥建设任务。全部钢拱安装仅用时45 d全部完成;钢拱架设支架在已焊接的钢箱梁上施工,采用对钢箱梁支架加固及在钢箱梁面上设置垫梁及垫板,确保了钢拱支架及钢梁支架的安全;通过在节段后端支点采取与前一节段固定连接的方式及设置节段定位连接装置,加快了现场安装施工进度;在合龙段设置竖向、横向主动施顶装置节约了合龙施工时间,且钢拱合龙顺利,成拱线形良好,满足设计要求;在保证了钢拱安装精度的前提下,通过对钢拱结构分析,充分利用钢拱矢跨比较大的结构特点,设计出只对钢拱提供竖向支承、不提供横向支承的钢拱安装支架;采取“大节段、少支架”的原则成功地减少了钢拱节段数量和支架投入,取得了良好的社会及经济效益,可供类似工程借鉴和参考。

[1] 吴学华,潘盛山,黄才良.斜跨拱桥的力学特性及工程实践[J].武汉理工大学学报,2010(1):124-130.

[2] 洪国松,孙 锋,梅长春.东胜体育场大跨度倾斜钢拱安装技术[J].建筑技术,2011(11):988-992.

[3] 陈丹华,张海燕.吉安白鹭大桥钢管拱安装技术[J].建筑技术,2006(2):96-98.

[4] 邓方春.浅析钢拱安装质量控制[J].河南建材,2010(2):69-73.

On comparison for design schemes for steel box arch installation bracket at Fenhe Bridge along North Middle Ring in Taiyuan

Liu Xiaoming

(TaiyuanUrbanConstructionManagementCenter,Taiyuan030009,China)

Taking the diagonal-span arch bridge at North Middle Ring in Taiyuan as the example, the paper compares the design scheme for the steel box arch installation bracket, illustrates the design methods and construction craft for the 90 m steel arch bracket structure, and sums up the key design precautions for the segmental orientation connection equipment, active roof equipment at the closure segment, and the bracket consolidation of the steel box girder, so as to achieve better construction effect.

arch bridge, steel box arch, bracket, design

1009-6825(2015)28-0148-03

2015-07-28

刘校明(1961- ),男,高级工程师

U445

A

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