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1、 总第226期交 通 科 技Serial No. 2262008年第1期Transportation Science 2.中铁大桥局股份有限公司 武汉 430050)摘 要 在高速铁路设计中采用大跨度钢箱拱桥结构形式,由于自然环境与交通环境的特殊性,采用转体施工方法较为合适。转体施工主要步骤为转体体系的设计与设置,施加配重,安装扣索,在钢箱拱主拱与边拱自平衡条件下转体,待温度合适后,先合龙拱肋,再合龙梁段,然后完成体系转换。关键词 钢箱拱 转体施工 扣索 自平衡 施工监控1 工程概况百米跨度钢箱拱桥在公路桥梁设计、 施工中较为常见,然而在设计时速达到350 km/ h的高速铁路桥梁设计中却是首
2、次采用。本桥设计为32 m + 108 m + 32 m中承式钢箱拱桥,为某高速铁路跨越某高速公路的特殊结构工程。桥梁中线与高速公路交叉,夹角81. 17 。 拱轴线采用二次抛物线,主拱矢高24 m ,边拱矢高12. 6 m。拱肋采用变高度钢箱截面,主拱肋高由3. 6 m渐变至2. 4 m ,肋宽1. 6 m ,边拱肋高由3. 6 m渐变至2. 4 m ,肋宽3. 0 m ,桥面以下拱肋内填充C40混凝土。吊杆采用直径12 cm钢棒,间距5 m。桥面系采用钢纵横梁体系,与拱肋交叉处通过整体节点固接。拱脚采用预应力混凝土结构,一个拱脚与基础固接,另一拱脚通过纵向双排活动支座支承于承台。拱顶支墩采
3、用钢箱混凝土结构。主墩承台为矩形,尺寸为15 m23m4. 5 m ,边墩尺寸为7. 6 m15. 8 m2 m。拱脚为预应力砼结构。桥梁型式见图1。图1 32 m + 108 m + 32 m中承式 钢箱拱桥立面图(单位:m)2 转体施工总体方案研究桥梁上部采用边拱、 主拱半拱及主梁(桥面系除外)支架拼装后整体平转法施工,平转结构自平衡,在两主墩拱座下部安装球铰。拱脚分成下转 盘、 上转盘2部分。上下转盘通过球铰连接。承 台施工完毕后,精确放线,安装球铰,定位后用混 凝土及高标号砂浆浇注固定。拱肋和纵、 横梁及 拱顶支墩在沿高速公路两侧支架上拼装焊接后,组成半桥拱体,拱肋及主梁均预留2. 0
4、 m作为合 龙段,利用临时扣索、 压重调整边、 主跨平衡,体系 除球铰一点支承外其余各点脱空,随后借助球铰 及防倾安全体系,利用自动连续同步顶推系统,牵 引转盘钢绞线,转动体系水平慢速连续地将南北 两侧半桥拱体分别转体至设计位置,施工拱肋、 主梁合龙段,桥面以下拱肋内灌注砼,施工主梁砼面 板及桥面系,调整吊杆拉力,解除支座临时固结, 体系转换。转体结构立面见图2。图2 转体结构立面图3 转体体系桥梁转体作业包括南北两半桥侧的上转盘、主梁(桥面系及合龙段除外)、 拱肋(合龙段除外) 结构的整体平转。北侧平转81,南侧平转99 。 转体体系主要由球铰、 转体牵引系统、 位控体系、 保险支撑组成1。
5、转体示意参见图3。图3 转体示意图(单位:m)3. 1 转动体系转动体系是借助下转盘的球铰承重,球铰是 转体施工的关键部件,制作精度要求很高,必须精 心施工、 精心测量,其位置和精度将影响全桥合龙 精度和转体过程的安全,必须要做到球面光滑,尺寸准确。转体体系采用自动连续同步顶推 系统,牵引直径15 mm钢绞线,缠绕于转盘上,形 成水平转动的纯力偶。顶推系统由千斤顶、 液压 站及主控台等3部分组成。转体系统的布置见 图4。图4 转体系统的布置3. 2 防倾保险体系防倾体系是转体施工方法的重要保险措施, 根据设计构造的特点,在转体的施工过程中,全部 重量只有转盘一点支撑,拱体本身不允许拉保险 缆风
6、,因此在上下转盘之间,设置了防倾保险支 腿。在下转盘设置4个向上的外圈固定保险腿, 保险腿与上转盘之间有1520 mm空隙,施工时 应备足铁垫钣和聚四氟乙烯板,将空隙塞实。3. 3 位控体系利用预埋件和保险腿安放水平撑杆,防止脱 模架时转动体系倾斜或自动旋转。转体到位时, 防止再度转动的措施:(1)用混凝土块将上下转盘的空隙垫紧。(2)焊接上下转盘之间的连接预埋件。(3)边跨压重水箱灌水,使转动体系自平衡。3. 4 微调装置在边墩顶设预埋件,在墩顶安装千斤顶,梁体 转体到位后进行梁端高程微调。在转盘与承台 间,防倾保险体系中千斤顶对转盘进行高程微调,保证转体的水平姿态。3. 5 试转待上转盘混
7、凝土强度达到设计强度的75 % 时,即可进行球铰盖的试转。试转的目的在于检 查上、 下球铰盖的吻合情况,并能及早地发现和处理转体过程中的一些问题,使正式转体工作能顺 利安全地进行。试转完毕后,将球铰盖转回预定 位置,并将球铰盖与下转盘临时固接,以免灌注上 转盘混凝土时球铰盖倾斜或转动。为避免转体前 润滑剂受到水分和空气的侵蚀,需将其临时密封。4 转体扣索的安装及张拉转体扣索的作用在于转体作业前张拉,将拱 肋悬臂弯矩通过扣索部分平衡。扣索一端锚固在 主跨拱肋的端部,另一端锚固在边跨拱肋端部。扣索采用j15. 24 mm高强度低松弛钢绞线。转 动体系成为自平衡体系,需确保结构横桥向与纵 桥向对转盘
8、中心的力矩平衡,本转体体系自身为 非对称结构,通过对边跨压重及张拉扣索调整为 平衡体系。主、 边跨拱肋、 横联安装就位后,即可进行扣 索的安装及张拉。扣索表面进行防锈处理,张拉 时应两榀拱肋对称分批张拉,禁止单根一次张拉 到位;张拉时应进行监测、 监控,并根据监测情况 及时调整张拉顺序及吨位,扣索的张拉关系到拱肋合龙前的变形及拱肋自身的受力状况。过大会 危及到拱肋的安全;过小则不能达到起拱脱架及 平衡拱肋悬臂力矩的要求。因此,张拉前应对千 斤顶、 油压表进行校正;张拉采用 “双控”(应力及 变形) ,对于变形超过理论值 6 %者,应暂停张拉,查明原因,直至合格,以确保张拉质量。5 转体施工在拱
9、、 梁脱架,称重调平后开始转体施工。转 体采用平行钢绞线作牵引索,2台并联千斤顶,配合液压泵站连续作业,并辅以2台千斤顶启动、 止 动作业,4台千斤顶辅助转体结构进行姿态调控 操作。5. 1 施工特点转体牵引采用自动连续同步顶推系统。自动连续顶推系统的主要特点在于它工作的连续性和02刘 涛:高速铁路大跨度钢箱拱桥转体施工方案研究 2008年第1期同步性。它能不停顿地并且匀速地将半拱体旋转 几十米的线性距离;可以2台顶同步工作。从而克 服了转体过程中由于反复起动、 停止而对工程造成 的不良影响和不安全因素,同时能大大地加快施工速度,缩短转体过程中拱体在悬臂状态的时间。5. 2 平转动力计算251
10、211 转体支承点竖向反力当偏心距为e时,转体由球铰与2个撑脚3点 支撑。 在最不利位置时撑脚至转轴中心距为r1。 撑脚竖向反力R1与转轴处竖向反力R2计算如下:R1= Ge/ r1 R2= G - R1 式中:R1为转轴中心竖向反力,kN ;G为转体部 分总重力,kN ;R2为撑脚处竖向反力,kN ;e为偏 心距,m ;r1为最不利状态下撑脚至转盘中心距离,m。51212 平转牵引索牵引力平转牵引力计算公式:T1= ( M1+ M2) / D1 式中:T1为平转牵引力,kN ;D1为牵引力偶臂(上转盘直径) ,m ;M1为球铰处动摩擦力产生的 阻力力矩, M1=2f1( d/2)R2/3;
11、M2为撑脚与 滑道间动摩擦力矩, M2= f1R1r1。 其中:d为 球铰直径,m; f1为动摩擦系数,按试验取值。51213 平转主推力T2= ( M1+ M2) - (Mj1+ Mj2) / D2 式中:Mj1为转体结构球铰处静摩擦力产生力矩,kNm, Mj1=2f2/ ( d/2)R2/3; Mj2为撑脚与 滑道间的动摩擦力矩,kNm, Mj2= f2R1r1; D2为平转主推力力偶臂,撑脚中线至转动中心的距离,m。51214 牵引钢绞线的选用根据牵引力,选用每根牵引索采用的钢绞线 根数。n = kT1/ afk式中:n为每束钢绞线根数; fk为钢绞线锚下控 制应力, fk=0.75fy
12、tp, fytp为钢绞线标准强度,MPa; a为单根钢绞线截面面积(m2) ; k为材料安全 系数。6 合龙段施工拱、 梁合龙段长度均为2 m ,以先拱后梁方式 合龙。在平转施工前,将拱、 梁合龙段吊在已拼装 成半桥拱梁端,待拱桥上部2部分平转到位,对转 体结构进行微调、 锁定后,利用拱顶提升结构提升 到位合龙。当气温达到要求的温度条件时,复测合龙缝和对接处高差情况。合格后,拧紧高强螺 栓,按设计连接形式连接合龙缝。7 体系转换桥面系施工完成后,解除拱脚支座处临时固 结,对低于桥面下部分拱肋灌注砼,调整吊杆张拉 力,完成体系转换。8 施工测量及监控钢箱拱受力较为复杂,而转体施工更需要及 时准确
13、了解转体结构是否平衡。故通过在施工过 程中对钢箱拱、 转体结构进行适时监控,再根据监 测结果对施工过程中的控制参数进行相应调整是 完全必要的。转体监控的主要目的在于控制转体结构平衡,通过观测主梁轴线、 挠度、 扣索索力等 指标,利用转动体系的调整消除偏差。主要观测 项目有:半桥结构脱离支架后,扣索、 扣索索力。 下转盘施工完毕后,对2球铰作竣工测量,包括上 转盘顶面和底面平面高程偏差,上盘底面至下盘顶面的四角高差,以及转体作业时半桥结构主、 边 跨两端高程。另外,还要对转盘转体速度、 转角进 行限位观测,转盘、 千斤顶反力座进行应力监控。 对参与转体作业中的各种机具设备进行严格检 查、 校正,
14、并做好后备预案3。9 结语转体施工方法在我国桥梁工程建设中虽然应 用较早,但自平衡体系转体施工较为少见,其技术 含量非常高。鉴于高速列车在空气动力、 轨道平顺度等方面要求十分苛刻,因此必须保证桥梁结 构的精确度。高质量、 高安全地完成拱桥转体施 工,是能否实现大跨度钢箱拱桥结构形式在高速 铁路中运用的关键因素之一。因此,如何组织好 本工程的施工方案值得探讨与研究。通过对本桥转体施工方案的研究,结合本桥位处特殊的地理 环境条件,同时不影响高速公路的正常运营,本拱 桥施工采用转体法施工最为合适。参考文献1 黄绳武1 桥梁施工及组织管理M1 上册.北京:人民交通出版社,199212 张联燕,程懋方1 桥梁转体施工M1 北京:人民交通出版社,200213 陈宝春1 钢管混凝土拱桥设计与施工M.北京:人民交通出版社,19991122008年第1期 刘 涛:高速铁路大跨度钢箱拱桥转体施工方案研究
