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大跨度钢箱梁上跨既有线辅助措施关键技术研究

2024-05-21 48 上传者：管理员

摘要：依托青岛新机场高速连接线转体桥工程结构形式和施工过程受力特点,对临时索塔设计、拉索索力进行分析,对临时索塔和拉索的施工关键问题进行探讨，最后对施工过程中临时索塔张拉过程索力、索塔位移、索塔应力进行安全监测，验证了大跨钢箱梁上跨既有线采用临时索塔等技术作为辅助措施的有效性，对于类似的铁路净空受限项目提供了一种解决方案，提高施工的安全性和效率，减少对铁路运行的影响。

关键词：
临时索塔
检测
索力
跨线桥
钢箱梁
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随着需要跨越的既有交通基础设施宽度增加，转体桥跨结构的跨度需求越来越大，加之桥下净空的限制，当跨度需求大于100m时，转体斜拉桥或自锚式悬索桥成为最合适的选择。城市交通走廊带的紧缺，上跨立体交叉工程的车道数需求越来越多，已经由原来的2车道、4车道发展为6车道、8车道，甚至存在公、铁共用，公、轨共用的桥梁结构形式，一方面致使桥面宽度大幅增加，另一方面转体吨位也突破了原来的万吨级，发展到了数万吨，甚至十万吨级。为解决交通枢纽区的拥堵问题，存在同联多跨、同桥多T构集群式转体需求。基于以上桥梁平转技术发展趋势，大跨钢箱梁上跨既有线辅助措施关键技术的研究成为热点话题。

1、工程概况及重难点分析

本工程为青岛新机场高速连接线工程，转体桥上部结构采用2×120m T构钢箱梁形式，单幅桥宽24.58m，全幅总宽49.53m，转体重量7 338t。转体桥上跨既有铁路和城市主干道，且紧邻青岛流亭机场，下有铁路净空限制，上受航空限高，需要考虑施工过程中不会对飞行安全产生影响。该桥目前为世界最大跨度转体钢箱梁桥，转体过程梁端下挠大，结构受力超过允许范围，需采取合理的转体辅助技术。该桥转体结构跨度大、悬臂长、结构柔、振动明显，为确保转体过程的绝对安全，对转体过程振动实时跟踪监测及预警要求高。

2、临时索塔设计

由于结构转体跨度较大，钢箱梁截面刚度小，转体时梁体会产生较大的下挠，从而增加了合龙的难度。为解决这一问题，在主墩的顶部增加临时索塔和固结措施，确保梁体、索塔和主墩之间的稳定连接，保证转体过程的安全性。在施工过程中，使用拉索将梁体拉起后，配合索塔进行转体操作，合龙完成后再拆除临时索塔。转体就位后不再需要进行顶升操作，简化了施工流程，提高了施工效率。临时斜拉索、临时索塔布置图如下图1、图2所示。

图1临时斜拉索布置图

图2临时索塔布置图

临时斜拉索使用7∅5mm预应力钢绞线拉索，具有较高的强度和稳定性，适合用于临时索塔的施工。根据设计要求计算临时索塔的高度和索塔与主墩的夹角等参数，确定所需的钢绞线长度，在桥面上按照需要的长度对钢绞线进行下料，并确保钢绞线完全展开并理顺，采用4号铁丝或者金属卡扣每150cm一道绑扎成束确保钢绞线束之间保持一定的间距和固定度。对于下锚固端，可以采用挤压锚锚固或常规锚板夹片+防滑压板锚固的方式固定钢绞线，确保钢绞线与桥墩的连接稳定。对于塔顶张拉端，同样采用常规锚板夹片+防滑压板锚固的方式固定钢绞线，保证钢绞线与临时索塔的连接牢固。

3、临时拉索索力分析

临时拉索索力分析的目的是在所有拉索施加完预应力之后临时支架能否脱空以及钢箱梁处于悬臂状态下的钢箱各部位的应力状态，为钢箱梁转体前支架的拆除提供依据。

首先，采用Midas软件进行拉索张拉过程分析，由于最后的梁端S8为后焊段，故模型跨度为2×115m钢箱梁，包含146个梁单元和10个索单元，计算模型如图3所示。该钢箱梁中墩处墩梁固结，模型中要考虑到所有平动自由度和转动自由度的约束；拉索与索塔确保连接处的稳固性和牢固性；梁底钢管墩对钢箱梁的支撑作用采用仅受压弹簧模拟，不考虑其竖向压缩变形，如图4所示。

图3计算模型示意图

其次，进行悬臂状态拉索索力计算。本工程拉索布置实际每处拉索包括4组15束7∅5mm钢绞线，1束7∅5mm钢绞线的截面积139mm2,1组15束7∅5mm钢绞线的截面积2 085mm2,4组15束7∅5mm钢绞线面积为8 340mm2，设计值为1 395MPa，此处参考JTGD64-2015《公路钢结构桥梁设计规范》。去掉梁底支架准备转体时，钢箱梁呈悬臂状态，通过控制此状态主梁竖向位移不超过10cm且斜拉索安全系数不低于1.2进行拉索索力设计。整个梁段最大下挠83mm，端部下挠60mm。钢箱梁上翼缘拉应力最大9MPa发生在梁段S0，压应力最大-47MPa发生在大里程侧梁段S3；钢箱梁下翼缘拉应力最大12MPa发生在小里程侧梁段S6，压应力最大-66MPa发生在小里程侧梁段S1，均小于其抗拉强度设计值和抗压强度设计值。

4、临时索塔及拉索施工

4.1临时索塔施工要点

4.1.1构件连接

索塔顶高于龙门起重机顶，施工需在小里程钢箱梁主体梁段及挑臂拼装架设完成及大里程S2号块完成吊装焊接后，把75t汽车起重机、索塔杆件利用龙门起重机吊到桥面后，考虑整体索塔竖向分成两层吊装架设，主体均采用单面格构柱形式整体吊装，由4根格构柱及中间连接系形成整体，上下层单面格构柱形式，其中下层单面格构柱重约16.84t，上层单面格构柱重约14.79t，所有格构柱均在桥面完成总拼。桥面组装下层格构柱后，利用75t汽车起重机将下层2个块体进行吊装精确定位，与桥面预留索塔锚固构造进行栓接。组装上层格构柱并吊装至设计位置，上层块体∅1m钢管主立柱与下层块体∅1m钢管柱之间用法兰连接，之后将槽钢连接系与主管连接板栓接。所有连接系通过栓接形式与立柱连接板相连，其中侧面连接系及部分主立面平面系需要单独吊装空中栓接。

图4钢管墩简化模拟

4.1.2精度保证措施

吊装索塔上工字钢分配梁，完成工字钢与立柱间的螺栓连接后吊装索鞍，并进行精确定位。

为了减少切割变形，塔柱、横联及索鞍构件可以采用计算机放样技术进行精确切割，使用等离子或激光切割技术可以提高切割的精度和效率，同时减少材料的变形。每个节段的端截面平面度需要严格控制在0.25mm以内，以确保节段之间的连接光顺。这些措施可以确保塔柱、横联及索鞍构件的质量和精度，从而保证整个安装过程的顺利进行。

为保证钢塔柱节段安装的测量精度，需要使用满足要求的高精度全站仪和精密水准仪。全站仪可以用于测量钢塔柱的竖直度和水平度等参数，而精密水准仪可以用于测量钢塔柱的高度差和水平距离等参数，以确保安装过程的准确性和精度。

温度的变化会导致钢塔柱和索鞍构件的尺寸和形状发生变化，从而影响安装精度。选择夜间温度稳定时段进行测量可以减小这种影响，确保测量结果的准确性和可靠性。

4.2临时拉索安装要点

临时索体采用高强度低松弛钢绞线，抗拉强度标准值fpk=1 860MPa，公称直径为15.2mm。锚具分为张拉端锚具和固定端锚具两种，固定端锚具布置于梁端，锚固形式为PT锚，用挤压套与钢绞线连接，使用专用锚板，实现固定端的锚固。张拉端锚具为夹片式群锚，同时配备可调式锚杯，可调式锚固螺母，从而实现对斜拉索索力的调整。索夹布置于钢绞线临时索之上，每隔2.5m间距布置1个，通过螺栓将钢绞线压紧为1个整体，便于钢绞线整束吊装。

斜拉索挂设就位后，于锚板后端安装限位板，根据监控单位提供的张拉力数据，利用8台YDC3500-200型千斤顶配合4套智能同步张拉泵站，按照C5→C1的顺序依次对左右幅临时索进行张拉作业，张拉开始前预先于智能泵站内输入相应终张力，张拉作业过程应匀速缓慢进行，通过电脑控制8个千斤顶同步张拉，要做到同步进油，同步回程，防止不均匀张拉力导致临时主塔或箱梁出现扭转、变形。

临时斜拉索拆除首先于索鞍锚垫板处依次安装千斤顶撑脚，千斤顶和工具锚，泵站少量进油，此时斜拉索索力由锚固螺母转换至千斤顶后端工具锚，螺母处于自由状态后开始旋松锚固螺母，单次旋松距离应不大于18cm，重复以上操作至锚杯完全下放至最后一牙，此时斜拉索受力将大幅度减小，之后将锚具后端防松压板拆除，再次对钢绞线进行放张作业，至整束受力低于70k N为止。

4.3临时拉索放张过程优化

对于该桥的临时索塔需要在转体就位后进行拆除，在拆除某1根或1对临时拉索的过程都是对临时塔柱和剩余斜拉索的反向加载，如果临时索塔拆除过程不当可能会引发不利影响，甚至安全事故。为此不仅在临时索塔拆除过程需要对称进行，还有对拆除过程进行优化。一方面要确保拆除过程的绝对安全，另一方面要尽量简化拆除的作用过程，降低拆除劳动强度。根据工期需要，在实际施工中采用一次放张方案进行斜拉索拆除施工。

5、临时索塔安全监控

5.1张拉过程索力监测

在进行临时斜拉索张拉时需要严格控制斜拉索的对称张拉和实际施加状态，对每一根斜拉索张拉过程都实施跟踪测试，确保主体结构的安全和稳定。本工程将拉索张拉完成后索力实测值与模型对应状态索力值进行比较，实际索力与设计值偏差处于±5%以内，整体索力张拉满足设计需求。将梁底脱空后索力实测值与模型对应状态索力值进行比较，实际索力与设计值偏差处于±5%以内，整体索力情况满足转体要求。

5.2张拉过程索塔位移监测

索塔为临时结构，采用钢管格构柱结构，结构水平向刚度较低，在临时索塔安装完成后和斜拉索张拉过程中应对塔顶位移变化情况进行跟踪监测，确保安全。左右两幅索塔顶每个索鞍侧各布置1个位移测点，每个索塔共计4个位移测点，进行三维变位测试。

本工程左幅张拉后索塔顶顺桥向偏移最大值为1.5cm，偏向大里程方向，横桥向偏移最大值为0.7cm，远离道路中心线方向，右幅张拉后索塔顶顺桥向偏移最大值为0.5cm，偏向小里程方向，横桥向偏移最大值为0.5cm，远离道路中心线方向，均小于h/400=5cm，满足要求。

5.3张拉过程索塔应力监测

对临时索塔的4根边立柱进行应力跟踪监测，每个立柱对称布置4个应变测点，2个T构共32个测点，测点距离桥面0.5m，确保临时索塔受力安全。本工程截止到梁底脱空转体前，左幅塔底最大压应力-77.12 MPa，最大拉应力33.63MPa，右幅塔底最大压应力-99.61MPa，最大拉应力3.54MPa，均远小于材料Q355C的抗拉和抗压强度极限，安全储备充足。

6、结语

本文根据新机场高速连接线工程2×120m双T构钢箱梁转体桥的特点，结合国内外相关领域的研究现状，提出了临时索塔及斜拉索优化设计及施工关键技术。

临时索塔作为大跨钢箱梁上跨既有线可靠的辅助措施，提升工作效率，大幅度减少了临近既有铁路的高空焊接作业，提升施工安全可靠性，还为按时转体赢得宝贵时间，大幅度降低了对既有铁路和附近机场航班起降的影响，具有较好的经济效益和社会效益。

参考文献:

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文章来源:刘中友.大跨度钢箱梁上跨既有线辅助措施关键技术研究[J].建筑机械化,2024,45(05):85-88.