天興洲大橋提升站設(shè)計(jì)及安裝控制

金永忠

(中鐵大橋局集團(tuán)五公司，江西 九江 332001)

1 工程概況

武漢天興洲公鐵兩用長江大橋，位于武漢長江二橋下游約9.5 km處，是武漢市城市總體規(guī)劃三環(huán)路及武廣客運(yùn)專線跨長江的橋梁，其主橋?yàn)殡p塔三索面三主桁斜拉橋，主橋橋式布置為99.2+196+504+196+99.2 m.鐵路南引橋橋式布置為15孔40.6 m簡支箱梁.P0～P5#墩為主橋，P5～P20#墩為南引橋，具體布置見圖1.

圖1 橋式布置圖

鐵路引橋?yàn)?0.6 m簡支箱梁，分為客運(yùn)箱梁和貨運(yùn)箱梁兩幅并排布置，貨運(yùn)箱梁頂板寬12.3 m，客運(yùn)箱梁頂板寬13.4 m，底板寬均為5.54 m，采用移動(dòng)模架原位現(xiàn)澆的方法施工.

武昌岸引橋墩身高度平均為30 m，根據(jù)本橋的工程特點(diǎn)及場地條件，采用移動(dòng)模架造橋機(jī)現(xiàn)澆施工方案，引橋共有21片40.6 m箱梁，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，確定移動(dòng)模架在P10、P11#墩之間的貨運(yùn)側(cè)提升上橋,然后按照施工的工期安排，首先澆筑貨運(yùn)K10～K5箱梁，再澆筑客運(yùn)K5～K19箱梁，因此需要設(shè)計(jì)一套移動(dòng)模架整體提升裝置，即移動(dòng)模架的提升站.

2 提升站設(shè)計(jì)組成

提升站主要由主立柱(墩旁)、副立柱(墩頂)、承重橫梁、提升結(jié)構(gòu)、橫移結(jié)構(gòu)組成.

提升站設(shè)在P10、P11#墩墩旁貨運(yùn)側(cè)，在提升站下方地面上拼裝好移動(dòng)模架(長93 m，高11 m，重約450 t)，通過提升站將移動(dòng)模架提升到墩頂.其安裝過程如下，首先將移動(dòng)模架與提升站連接到位，然后利用提升站的垂直提升機(jī)構(gòu)將移動(dòng)模架提升到位，再通過提升站頂?shù)臋M移機(jī)構(gòu)將其整體橫移到位，橫移到位后，固定移動(dòng)模架的前后支腿，完成移動(dòng)模架的提升工作. 移動(dòng)模架及提升站的總體布置詳見圖2.

圖2 提升站總體布置圖

3 關(guān)鍵部位計(jì)算

3.1 承重橫梁的計(jì)算

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步確定承重橫梁為箱形截面(高1.5 m，寬1 m)，其橫截面見圖3.

圖3 鋼箱梁橫截面結(jié)構(gòu)圖

鋼箱梁的截面幾何特性：

A=111 888 mm2

I=3.839×1 010 mm2

W=I/750= 5.119×107mm3

將結(jié)構(gòu)簡化為簡支梁受力模型，由簡支梁的受力特點(diǎn)可知：當(dāng)移動(dòng)模架移到主梁跨中位置時(shí)，主梁受力為最不利位置，受力簡圖見圖4.

圖4 承重梁最不利受力簡圖

M=1/4PL+1/8q×L2=860.268 t·m

計(jì)算結(jié)構(gòu)彎曲應(yīng)力：

σ=M/W=860.268×107/5.119×107=

168.1 MPa<215/1.2=180.0 MPa

變形計(jì)算：f=44 mm.

P：移動(dòng)模架自重.

q：鋼箱梁的均布荷載.

用midas civil建模計(jì)算鋼箱梁的局部應(yīng)力，建模時(shí)模擬結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力狀態(tài)，軌道布置在鋼箱梁頂板中部，只在軌道下墊鋼板，鋼箱梁頂板局部受力較大，程序計(jì)算頂板的應(yīng)力見圖5.

圖5 箱梁頂板應(yīng)力云圖

由圖可見，鋼箱梁頂板局部應(yīng)力較大，σ=212.5 MPa,超過鋼材容許強(qiáng)度，不滿足施工的要求，因此根據(jù)結(jié)果對(duì)箱梁局部進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，在跨中設(shè)置橫隔板，每隔0.8 m設(shè)置一道橫隔板，并在頂板下方設(shè)通長的加勁肋2道，補(bǔ)強(qiáng)后的箱梁截面見圖6.

圖6 承重鋼箱梁橫截面結(jié)構(gòu)圖

3.2 主立柱鋼管柱部分計(jì)算

主立柱由4根直徑為1 m的鋼管柱組成，鋼管之間利用連接系相連形成整體結(jié)構(gòu).

a. 整體計(jì)算

鋼管群結(jié)構(gòu)截面幾何特性計(jì)算

A=37 246×4 mm2

I=2.52×1011mm4

回轉(zhuǎn)半徑為i=1 000 mm

單立柱自由長度為40 000 mm

結(jié)構(gòu)長細(xì)比為λ=40 000/1 000=40

查表知φ=0.899

豎向力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

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求.

b. 局部計(jì)算

鋼管結(jié)構(gòu)截面幾何特性計(jì)算

A=37 246 mm2

I=4.545×109mm4

回轉(zhuǎn)半徑為349 mm

豎向力N=106 t

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

強(qiáng)度滿足要求

單立柱自由長度為2 000 mm

結(jié)構(gòu)長細(xì)比為λ=2 000/349=5.7<200

滿足要求.

3.3 主立柱擴(kuò)大基礎(chǔ)計(jì)算

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)見圖7.

圖7 主立柱基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖

鋼管群在起吊狀態(tài)下，承受豎向力P=319 t，檢算風(fēng)速為10 m/s(沿橋梁中心線方向)

基本風(fēng)壓強(qiáng)度；W=10×10/1.6=62.5 Pa

計(jì)算風(fēng)壓強(qiáng)度：W=1.56×62.5×0.8=78 Pa

a.立柱在縱橋向的傾覆性計(jì)算：

風(fēng)壓按照均布荷載作用于立柱上，計(jì)算按照集中力加載在立柱1/2高的位置上，P=3.12 kN(單個(gè)立柱)，主梁及模架結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載在立柱頂，水平風(fēng)力為3.9 kN.

風(fēng)力作用下立柱的傾覆彎矩為

M=3.12×20×4+3.9×40=405.6 kN·m

立柱抗傾覆彎矩為：在安裝過程中，提升裝置結(jié)構(gòu)自重為160 t(含混凝土基礎(chǔ))

M=160×4=640 t·m

結(jié)構(gòu)傾覆安全系數(shù)為：

K=6400/405.6=15.8 [大于1.5]

縱橋向穩(wěn)定性滿足要求.

b.立柱在橫橋向的傾覆性計(jì)算：

立柱所受的水平力：

①立柱和鋼箱梁所受水平風(fēng)力

F1=40×4×78=12 480 N=12.48 kN

②移動(dòng)模架構(gòu)架所受水平風(fēng)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起重物的橫向搖擺力

F3=160 kN/2=80 kN

④起吊時(shí)天車與起重物不在一條豎直線上，引起的水平力(瞬時(shí)力，忽略不計(jì)).

傾覆彎矩為

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

結(jié)構(gòu)抗傾覆彎矩為:

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

M=226×3=678 t·m

結(jié)構(gòu)傾覆安全系數(shù)為：K=6 780/4 395=1.54 [大于1.5]

結(jié)構(gòu)抗傾覆系數(shù)大于1.5，結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的.

c.地基受力情況：

計(jì)算地基承載力：[f]=200 kPa

① 縱橋向：

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]

地基承載力滿足要求.

②橫橋向：

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]

地基承載力滿足要求.

3.4 橫移結(jié)構(gòu)

在承重鋼箱梁上布置鋼軌、橫移機(jī)構(gòu).橫移機(jī)構(gòu)主要是通過橫移水平頂升油缸，使橫移小車在鋼軌頂面進(jìn)行滑移(滑動(dòng)摩擦系數(shù)按0.15計(jì)).利用行程1.1 m的油缸作為移動(dòng)模架橫移的水平頂升油缸.在承重鋼箱梁頂面按1 m的間距布置螺栓孔(并攻絲)，來安裝頂升油缸的反力裝置.

3.5 提升機(jī)構(gòu)

分別在10#、11#墩墩頂橫移機(jī)構(gòu)的橫移小車上安裝LSD200液壓提升系統(tǒng).LSD200液壓提升系統(tǒng)由4 臺(tái)LSD200-300連續(xù)千斤頂, 2個(gè)YTB.B閥體柜，2臺(tái)YTB泵站，1臺(tái)LSDKC-8主控臺(tái)組成.每臺(tái)LSD200-300液壓缸以12根直徑Φ15.24、強(qiáng)度1 860 MPa級(jí)的鋼絞線穿過千斤頂,與移動(dòng)模架下吊點(diǎn)連接，構(gòu)成承力系.

4 提升站施工控制

提升站安裝過程做到可控,安全得到保障,以下幾點(diǎn)控制措施:

4.1 基礎(chǔ)施工

主立柱基礎(chǔ)施工前，應(yīng)對(duì)地基進(jìn)行夯實(shí)處理，并設(shè)排水溝；擴(kuò)大基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土小承臺(tái)基礎(chǔ),在承臺(tái)基礎(chǔ)上事先作好立柱的預(yù)埋件,預(yù)埋件的平整度滿足規(guī)范要求.

4.2 主立柱施工控制

按照立柱材料數(shù)量和類型進(jìn)行準(zhǔn)備，并按照規(guī)范要求進(jìn)行檢查驗(yàn)收.滿足各項(xiàng)要求后按照該結(jié)構(gòu)的施工設(shè)計(jì)圖進(jìn)行鋼管柱安裝.鋼管柱在拼裝前先對(duì)基礎(chǔ)的預(yù)埋件標(biāo)高進(jìn)行測量，根據(jù)預(yù)埋件的標(biāo)高對(duì)鋼管進(jìn)行下料，確保鋼管的頂部與施工設(shè)計(jì)圖的標(biāo)高相吻合.由于鋼管柱的高度不高，為了方便鋼管的連接以及保證鋼管對(duì)接的焊接質(zhì)量，鋼管可以在地面進(jìn)行下料及對(duì)接焊接，焊接好后經(jīng)現(xiàn)場技術(shù)人員進(jìn)行焊縫檢查，檢查合格后通過吊機(jī)進(jìn)行吊裝.吊裝時(shí)應(yīng)該注意鋼管的位置以及垂直度，鋼管就位后先與鋼管的四周進(jìn)行焊接或栓接，待各檢查項(xiàng)均滿足有關(guān)施工規(guī)范的要求后再進(jìn)行焊接，鋼管柱之間按照施工設(shè)計(jì)圖的要求進(jìn)行橫縱向連接，確保鋼管柱的整體穩(wěn)定性.

4.3 橫梁及其他施工

所有鋼管立柱以及柱頂?shù)姆峙淞喝堪惭b完畢后，必須組織相關(guān)部門進(jìn)行檢查并簽證，待檢查合格后方可進(jìn)行下步工序鋼箱梁的拼裝工作,因墩身高度30米,采用120噸吊機(jī)進(jìn)行對(duì)鋼箱梁整體吊裝安裝施工，同時(shí)做好纜風(fēng)臨時(shí)固定工序，再在鋼箱梁上布置好橫移滑道及橫移頂，控制好設(shè)計(jì)標(biāo)高及橫坡.

4.4 提升施工

整個(gè)支架安裝完成后進(jìn)行提升，移動(dòng)模架的提升前做好相應(yīng)位置的技術(shù)交底工作，每個(gè)部位必須執(zhí)行檢查并進(jìn)行簽證后再提升施工，四臺(tái)起升頂必須統(tǒng)一指揮，統(tǒng)一信號(hào)，做到同步行程一致，防止傾覆，LSD200液壓提升裝置的各油表度數(shù)一致，明確受力均勻，做到每個(gè)過程可控，做到安全結(jié)構(gòu)可控，所有起吊時(shí)應(yīng)選擇在無風(fēng)的天氣下操作，確保結(jié)構(gòu)安全萬無一失；提升移動(dòng)模架橫移到位，固定好移動(dòng)模架的支腿.

5 注意事項(xiàng)

a.移動(dòng)模架提升站設(shè)計(jì)每個(gè)細(xì)小的構(gòu)件部位必須有計(jì)算單；

b.移動(dòng)模架提升站提升前，必須經(jīng)過檢查驗(yàn)收，合格后才能施工使用；

c.提升過程必須由專人負(fù)責(zé)總指揮，做到信號(hào)準(zhǔn)確，安全可靠；

d.提升的每個(gè)工序細(xì)化交底到人，且熟悉各工況細(xì)則，各工序準(zhǔn)備工作事前考慮充分全面；

d.提升站提升移動(dòng)模架時(shí)應(yīng)選擇無風(fēng)的白天施工.

6 結(jié) 語

整體提升站施工對(duì)于高空、重結(jié)構(gòu)的拼裝有著非常廣闊的應(yīng)用前景.優(yōu)點(diǎn)是：

a.結(jié)構(gòu)在地面組拼化高空作業(yè)為地面，操作方便，施工安全，對(duì)機(jī)械要求低，能做到各工序可控，減少許多安全隱患.

b.工序簡單明確,操作快,減少臨時(shí)支墩的裝拆，縮短工期，節(jié)省成本.

c.提升、橫移均通過計(jì)算機(jī)控制數(shù)控液壓千斤頂來完成，操作簡單、快捷、可控、同步性和平穩(wěn)性高，精度可控.

經(jīng)過天興洲公鐵兩用長江大橋引橋箱梁移動(dòng)模架這一成功的事例證明,這種提升結(jié)構(gòu)適合在城市建設(shè)圈對(duì)高架橋箱梁移動(dòng)模架的整體提升，結(jié)果安全可靠，施工方便，值得推廣.

參考文獻(xiàn)：

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