步履式顶推钢箱梁高位落梁技术研究.pdf

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·桥涵工程· 收稿日期:2016 04 18 基金项目:中国铁建股份公司科技研究开发计划项目(13⁃C13); 中铁十五局集团有限公司科技研究开发计划项目(2012A3) 步履式顶推钢箱梁高位落梁技术研究 李雁鸣 (中铁十五局集团有限公司 上海 200070) 摘 要 结合沈阳绕城高速公路改扩建工程一标段后丁香特大桥工程实例,介绍一联4 跨(38 +61 +61 +48)跨铁 路钢箱梁高位落梁施工技术。钢箱梁顶宽21. 3 m、底宽11. 362 m,受铁路限界、航空管制等周围环境限制,研究采 用步履式顶推方案,在墩顶直接布设顶推装置,顶推到位后高位落梁2. 1 m,研究成果对类似工程具有很好的借鉴 作用。 关键词 步履式顶推 钢箱梁 高位落梁 中图分类号 U445. 462 文献标识码 A 文章编号 1009 4539 (2016) 07 0044 04 Technology Research for Steel Box Girder Dropping Beam from High Location by the Walking⁃type Incremental Launching Li Yanming (China Railway 15th Bureau Group Co. Ltd. , Shanghai 200070, China) Abstract Combined with the example of Houdingxiang Extra⁃large Bridge in Lot 1 of Shenyang around⁃city highway recon⁃ struction project, this paper introduced the construction technology of steel box girder acrossed the railway dropping beam from high location of 4 spans in one continuous unit with (38 +61 +61 +48)m, the top width of the steel box girder is 21. 3 m and the end width is 11. 362 m. Being restricted by railway clearance, air traffic control and other environmental re⁃ strictions, this paper adopted the scheme of walking⁃type incremental launching, the thrustor was directly arranged on the top of the pier and the dropping beam from high location is 2. 1 m after pushing in place, the results could provide a good reference for similar projects. Key words walking⁃type incremental launching; steel box girder; dropping beam from high location 1 工程概况 1. 1 总体情况 沈阳绕城高速公路原为双向四车道,扩建为双向 八车道。改扩建工程后丁香特大桥全长2 823.8 m,桥 梁平面位于直线、缓和曲线、圆曲线上,线路单侧加 宽建新桥,外缘与既有桥距离1. 4 m,新建桥面比既 有桥高2 ~3 m。桥上部结构为钢箱梁+ 预应力砼T 梁结构,下部结构为景观式花瓶墩,承台,钻孔桩桩 基础。钢箱梁设计3 联,其中第2 联(3 号桥)为4 跨(38 +61 +61 +48),第3 联(4 号桥)为3 跨(48 + 61 +38)。该桥处于机场飞机起降航道位置,钢箱 梁跨越大西进场线、秦沈上下行线等6 股电气化铁 路,施工方案的选择受场地制约因素影响较大。为 加快吊装设备作业效率,减少邻近铁路线搭设临时 结构的时间,降低铁路运营安全风险,经综合考虑、 检算,在17# ~19#墩间搭设支架平台,3、4 号桥分别 向两方向顶推。永久桥墩顶部设置临时支撑,顶推 设备置于其上,原桥上大吨位吊车进行梁段的吊 装,钢箱梁拼装、步履式顶推[1] 就位后采用高位落 梁方案。3、4 号桥(18#墩以左为3 号桥,18# 墩以右 为4 号桥)平面见图1。 44 铁道建筑技术  RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY  2016(07) ·桥涵工程· 图1 3、4 号桥平面图 1. 2 钢箱梁结构概况 以第2 联为例,设计为单箱三室钢箱梁,桥面板 是正交异性板结构,钢箱梁中心线处梁高3. 1125 m, 桥面全宽21. 3 m,箱室底板外缘宽11. 25 m,腹板处 梁高3 m、间距3. 75 m,钢箱梁腹板呈竖直状态,底 板水平[2]9,本桥处于超高渐变段中,顶板顶面横坡 同路线横坡2. 0% ~4. 0%。钢箱梁箱内设横隔板、 竖向加劲肋, 纵向加劲肋等[3] , 箱梁主体采用 Q345qENH 钢,见图2。 图2 钢箱梁横断面(单位:mm) 2 落梁方案及设备配置 2. 1 落梁前顶推设备 3 号桥钢箱梁总长208 m,共分为24 个梁段,前 20 个梁段(长172. 5 m)顶推到位后采用高位落梁 方案,剩余4 个梁段在平台上拼装后直接落梁就 位[4] ,不存在高位落梁问题。3 号桥梁段划分见图 3。3 号桥总共布置16 套顶推设备,其中,14# 墩2 套、15# ~17#墩各4 套、18#墩2 套,顶推设备置于桥 支座垫石上。 图3 3 号桥梁段划分示意(单位:mm) 4 号桥钢箱梁总长147 m,共分为17 个梁段,前 13 个梁段(长111. 5 m)顶推到位后采用高位落梁 方案,剩余4 个梁段在平台上拼装后直接落梁就位。 4 号桥总共布置12 套顶推设备,其中,18# 墩2 套、 19# ~20#墩各4 套、21#墩2 套。 2. 2 落梁方案及设备 3 号桥钢箱梁落梁重1 800 t,4 号桥落梁重 1 150 t,落梁最大高差2. 1 m。高位落梁过程分3 个阶段:第一阶段采用钢箱梁顶推设备落梁;第二阶 段采用单向千斤顶组合落梁(实际落梁时,3 号桥布 置4 组20 套,其中在14#、17# 墩顶各布置4 套,15#、 16#墩顶各布置6 套;4 号桥布置3 组14 套,其中在 19#、21#墩顶各布置4 套,20#墩顶布置6 套);第三阶 段采用三向千斤顶组合落梁(3 号桥总共布置三向千 斤顶4 组16 套,每个墩顶各4 套;4 号桥总共布置三 向千斤顶3 组12 套,每个墩顶各4 套[2]10 -11)。 3 落梁前的准备 (1)落梁过程中由于需要不断更换、安装梁底 垫板、千斤顶等钢结构物件,而且重量都较大,人力 无法搬动,需要在梁底设置吊环,利用倒链进行重 物的安装及拆除。 (2)顶推与落梁过程中千斤顶与梁底接触面之 间设置钢板支垫。墩顶设置方木垛临时支撑,方木 垛顶部设置2 cm 厚钢板,分配千斤顶传递的集中 力,保证方木垛及梁底板均匀受力。 (3)方木均采用落叶松,根据试验数据,高度14 cm 的方木,横纹向抗压强度达到5. 45 MPa,变形量为 5 mm。1 m2 的支垛高度达到1 m 时,变形按照线性比例 估算,180 t 千斤顶达到最大压力时支垛变形为7 mm。 (4) 在钢箱梁底板下部受力处加设2 cm × 85 cm × 85 cm 钢垫板,以减小钢箱梁底板局部应 力[2]10,同时在箱梁内部支座隔板两侧增加3 道加 劲板[5 -6] ,保证梁体局部稳定。 (5)各个墩顶的顶推、落梁设备均采用1 套液 压油泵,以保证各个设备的同步性,各个墩之间油 压差控制保持一致[7 -9] 。 4 逐层落梁方法 以3 号桥钢箱梁为例,顶推到位后落梁高度 2???? 1 m,采用小行程循环落梁法,分三阶段逐步落梁。 铁道建筑技术  RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY  2016(07) 45 ·桥涵工程· 4. 1 第一阶段 (1)顶推到位后,采用顶推设备的竖向千斤顶 配合逐层抽换垫木,钢箱梁落梁29 cm 置于顶推设 备临时支撑的箱形垫块上,见图4。 图4 使用顶推设备逐步落梁(单位:mm) (2)去掉顶推设备蘑菇头滑块,拆除机械结构 部分,用顶推设备下部顶升装置配合纵横交错布设 的4 层方木支垫,分4 次落梁51 cm,钢箱梁落在 56工字钢垫梁上。 4. 2 第二阶段 (1)在顶推设备下部(横桥向盖梁纵向)穿入横 向工字钢,用作骑马梁,横向直至旧桥护栏边,见图5。 图5 骑马梁的放置 (2)利用倒链将顶推设备下部油缸逐个拉出, 在旧桥护栏边采用汽车吊吊出。 (3)拆除骑马梁工字钢,在墩顶支座垫石间用方 木搭设3 个垫墩,每个垫墩尺寸长100 cm、宽150 cm、 高100 cm,垫墩上安放单向千斤顶有效高55 cm,送 油将箱梁顶起,锁死油缸。 (4)拆除悬臂梁支架,在墩顶支座垫石上搭设4 个方木支垫,与前面垫墩交替落梁,每个支垫长 100 cm、宽150 cm、高120 cm,见图6。 (5)千斤顶回油使箱梁落在支座垫石上的方木 支垫上,首次落梁10 cm;以后交替抽出垫墩和支垫方 木每次落梁15 cm,总计循环7 次,落梁100 cm[10] ,垫 墩方木全部抽出。 图6 方木支垫及180 t 千斤顶布置 4 . 3 第三阶段 (1)由于梁体高度的不断下降,原180 t 千斤顶 由于高度太大,不能在落梁后期的狭小空间内使 用,且落梁后期需要对梁体的轴线位置等进行修 正,故选用高20 cm 的200 t 三向千斤顶替换180 t 单向千斤顶。 (2)三向千斤顶通过5 个循环落梁20 cm,并进 行纵横向精确调整落梁到位,见图7。 图7 使用200 t 三向千斤顶落梁 5 仿真分析简述 3 号桥跨径长、自重大,在落梁的过程中安全技 术要求高,为了防止在落梁的过程中出现梁体损 坏,需要对落梁过程进行受力分析,以保证结构安 全。3 号桥前20 段(长172. 5 m)在顶推到位后进 行高位落梁,剩下的4 段在拼装场平台上直接拼装, 不存在落梁问题,本文使用有限元软件ABAQUS 对 前20 段梁段的落梁进行分析[11]79 -80。 前20 段在顶推到位后,在16# 墩上面产生最大 的支反力,根据计算支反力达到727 t,选取该状况 来分析落梁过程中梁体的受力。落梁的第一阶段 与顶推阶段的梁体临时搁置受力一样,梁体满足顶 推受力要求。落梁过程中仿真分析分为3 部分: (1)180 t 单向千斤顶作用时的受力;(2)200 t 三向 46 铁道建筑技术  RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY  2016(07) ·桥涵工程· 千斤顶作用时的受力;(3)支垫作用时的梁体受力。 5. 1 180 t 单向千斤顶作用时 在落梁过程中,6 个180 t 的千斤顶属于临时支 承,作用在类型为hg1 的横隔板底部,该作用点不属 于设计的梁体支承点,作用点也不位于腹板上,梁 体此处对支承力的抵抗能力较弱。 采用有限元软件ABAQUS 对局部模型进行分 析,对16# 墩上的梁段进行建模[11]79 -81,模型采用 shell 单元,由于梁体上部的悬挑部分在落梁分析中 无影响,所以对梁段的建模只用建立中间梁体部 分;在箱梁底板受力位置增设2 cm ×85 cm ×85 cm 的钢板建模采用实体单元。同样千斤顶也以实体 单元建立,千斤顶顶帽与2 cm 厚钢板使用Tie 连 接,钢板与梁体之间的作用采用法向硬接触,切向 无摩擦。所有的千斤顶使用Rigidy body 约束,对控 制千斤顶的参考点施加727 t 的力,模拟梁体落梁时 受到的支座反力。 使用子空间迭代法求解特征值,通过计算得 出,结构横隔板底部在作用荷载的情况下,其横隔 板加劲较疏的地方最容易发生屈曲失稳。在获取 结构特征值后,进行后屈曲分析,对千斤顶的参考 点施加727 t 的力,分析梁体在落梁过程中受到该支 承反力时的响应,经过计算,结构中最大的Mises 应 力为134 MPa,出现在与千斤顶作用的位置,最大的 变形是横隔板的突起,其最大变形为2 mm。结构的 应力云图见图8。 图8 结构内部Mises 应力云图 计算结果显示,结构中的最大应力处于许用范 围内,3 号桥在落梁过程中,当180 t 单向千斤顶作 用时,结构的强度刚度满足要求。 5. 2 200 t 三向千斤顶作用时 在此落梁阶段,桥墩上只有4 个三向千斤顶,每 个千斤顶给梁体横隔板带给的支反力更大,要保证 落梁的顺利进行,需对此工况进行受力分析。计算 所用的梁体模型与前节所用一样,千斤顶由6 个变 为4 个,千斤顶的作用位置也发生改变。 对于荷载施加的底板处,由于合理的加劲,使 其不会发生失稳。模拟梁体受力状态,分析结果显 示,梁体中的最大Mises 应力为170 MPa,比使用6 个千斤顶时增加了36 MPa,最大Mises 应力发生的 位置为梁体最外侧的2 个千斤顶作用处,在安全范 围内。结构最大变形2. 14 mm 发生在梁体底部,为 可恢复的弹性变形。该落梁阶段,结构安全。 5. 3 当支垫顶作用时 当使用180 t 以及200 t 千斤顶落梁的时候,需 要把梁体临时搁置在长100 cm、宽150 cm 由松木搭 成的落梁支垫上,由于该支承位置为梁体设计支承 处,在该支撑处设有加强板,梁底有2 cm 厚的钢板, 梁体承载力足够,只需进行一般分析即可。 计算结果显示,梁体中最大Mises 应力为75 MPa, 这得益于梁底20 mm 钢板对支承反力的分散作用, 避免荷载直接施加在梁体底部的薄钢板上,避免了 梁体损坏。梁体中最大变形为1. 5 mm,见图9,结 构变形为弹性变形,在该落梁过程中,结构受力满 足要求,处于安全状态。 图9 结构变形云图 6 结束语 高位落梁方案经过阶段多、箱梁重量大、安全 风险较大,每个环节必须经过充分考虑,方案中采 用的关键设备都应进行最不利工况进行设计和检 算[12 -13] ,并根据桥位周边环境和选用的施工设备综 合考虑需要采取的安全保障措施。后丁香特大桥 高位落梁方案通过细心设计检算,精心做好施工准 备,并在落梁过程中认真控制,整个施工过程比较 顺利,3 号桥10 d、4 号桥7 d 完成落梁,这为同类桥 梁施工积累了宝贵经验。 (下转第52 页) 铁道建筑技术  RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY  2016(07) 47 ·桥涵工程· 状态,特别是薄壁钢箱梁在顶推过程中由于支撑对 梁底的集中力的影响而导致的屈曲。因此无法事 先分析施工过程中的局部屈曲现象。 (2)采用ABAQUS 软件,提出了三维实体模型 的建模方法,提出了使用参考点的约束方式、采用 梁不动、垫块移动的顶推方式行进模拟。结果表 明,其建模方法、分析方法与实际情况相符。本文 提出的分析方法可直观表现顶推过程中应力、变形 的变化过程,可用于施工过程的模拟与监测。 (3)根据后屈曲分析,提出了顶推时支座的荷 载控制法,可有效控制支座的反力,避免出现与施 工方案不符的工况。 参考文献 [1] Rosignoli M. 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