厦漳大桥斜拉桥0#、1#主梁支架设计与施工

2012-09-25 09:18刘明军林志军
城市道桥与防洪 2012年6期
关键词:梁段纵梁支点

刘明军,林志军

(中交一公局厦门工程有限公司,福建厦门361021)

1 工程概况

厦漳大桥南汊主桥全长570 m,为双塔双索面钢与混凝土组合梁斜拉桥 (见图1),跨径组成为(135+300+135)m。主梁采用双工字型钢主梁、横梁及小纵梁,与混凝土桥面板结合形成组合截面。双工字型钢主梁横向中心间距为34 m,全宽40 m(含检修道、导流板),桥面设置2%双向横坡,梁段长度4.0 m~19.5 m,设计采用环氧喷涂钢绞线斜拉索。

图1 厦漳大桥立面图(单位:cm)

钢梁结构形式如图2所示。钢主梁与混凝土桥面板叠合形成主梁,二者通过剪力钉、预应力结合在一起。钢结构部分由工型纵梁、横梁(工字梁)及小纵梁(工字梁)共同组成梁格体系。锚拉板直接焊接在工字型钢主梁的上翼缘板上。

图2 主梁结构示意图

Z0梁段长度19.5 m,主要由2道主纵梁(A梁段)、5道横梁(HL0横梁和4道HL1横梁)及小纵梁组成,总重量约242.8 t,最重单件为主纵梁,重量39.6 t;Z1、B1梁段长度15.5 m,主要由2道主纵梁(B 梁段)、4 道横梁(HL1)及小纵梁组成,总重量约192.1 t,最重单件为主纵梁,重量 27 t; Z0、Z1、B1 梁段采用在落地支架上单件拼接的方法进行安装。

2 支架设计与结构形式

Z0、Z1、B1梁段支架下部结构采用钢管,钢管支承在承台顶面,在下横梁、下塔柱亦有连接。位于钢主梁底部支架钢管为主桁架,支架的承重结构部分,钢管规格φ800×10 mm,主桁架与下横梁联接采用钢管 φ800×10 mm,其余联接钢管均为 φ377×6 mm;钢管底端设置法兰,与承台预埋螺栓连接。所有钢管间均通过钢管或型钢连接,主要承重钢管顶部底脚设置加强肋。Z0、B1、Z1梁段支架上部结构采用2H400×400×13×21 mm型钢作为纵梁兼滑移轨道,在滑轨上安装重物移位器。支架顶部设纵坡,坡度分别为1.3%(边跨侧)和0.8%(中跨侧),纵坡通过钢管顶部标高调整。支架的纵、横断面见图3、图4所示。

图3 支架纵断面示意图(单位:cm)

2.1 支架相关参数

(1)支架高度为41.17m,分别在主墩塔柱纵向两侧对称设置桁架,每侧顶部长度19.75m,支架基础安装在承台顶部。支架顶部长度较承台纵向宽度大,支架外侧采用斜撑钢管,斜撑钢管偏角为10.745°。

(2)钢管采用钢板螺旋轧制而成,钢管与H型钢的材质均为Q235钢材。

(3)支架主要受力钢管采用法兰连接,钢管端部与型钢联接采用焊接,支架与承台之间联接采用螺栓联接,支架与下横梁、下塔柱之间采用预埋螺栓法兰、吊耳铰接。

(4)支架单片主桁架自重(每片桁架均采用双排承重钢管,整个支架共有4片主桁架)为85.077t。

2.2 支架主要计算内容(见表1)

表1 支架主要计算内容一览表

2.3 计算依据

(1)《厦漳跨海大桥设计图纸》;

(2)《公路桥涵施工技术规范》(JTJ 041-2000);

(3)《公 路 桥 涵 设 计 通 用 规 范 》 (JTG D60-2004)。

3 支架计算

为考虑结构计算偏于安全,简化计算过程,便于手工计算,将支架近似为静定平面桁架。计算中取荷载安全系数为1.3。

3.1 工况分析

工况1:Z0梁段吊装施工

支架搭设完成后,在边跨B1梁段位置上吊装Z0梁段,支架主要受力状态为梁段重量、支架自重及施工临时荷载 (临时荷载较小计算过程中忽略)。移位器上方横梁承受梁段重量。

工况2:Z0梁段纵移

Z0梁段纵移通过移位器在支架顶部纵梁轨道上平移实现,需要对纵梁进行强度和刚度验算。

工况 3:Z1、B1 梁段吊装

Z0梁段移位至设计位置后进行临时锚固,之后在相应的设计位置吊装Z1、B1梁段,安装完成后进行桥面吊机安装,此项施工作业在1#吊索安装并进行初张拉后方可操作,支架受力状态为梁段部分重量、支架自重。

3.2 支架计算

支架单片主桁架自重包括钢管及顶部纵梁,共重85.077t,主要工程量的计算见表2所列。

桁架自重力矩的计算见表3所列。

3.2.1 支点反力计算

根据力学平衡方程,

支架计算见图5所示。

3.2.2 Z0梁段拼装施工(含吊装8片桥面板)

Z0、B1、Z1梁段中为Z0梁段长度最长,重量最大,计算Z0梁段安装、移运。Z0梁段长度为19.5 m,重242.818 t,桥面板每片混凝土7.71 m3,安装过程中计算时取8片(纵向两侧各4片)。取Z0梁段安装计算,见图6所示。

3.2.2.1 支点反力计算

梁段拼装时以主纵梁端两侧四个端点为支点,每个支点各安装两台安放重物移位器,为简化,计算时四个角点取平均值!

表2 桁架工程数量表(单片组合)

G(梁)=(242.818×10+7.71×26×8)/4=1007.97(kN)

从图形中可以得出,Z0梁安装时,最不利工况是一端支点在下横梁,一端支点在支架最远端,即图6中D点(N3钢管顶部),其计算见图7所示。

表3 桁架自重力矩计算表(逆时针为正)

图5 支架计算示意图(单位:cm)

图6 ZO梁段安装示意图(单位:cm)

根据力学平衡方程,

RA+RB=G(梁)

ΣMA=0,G×7.7-RB×7.25=0得出支点反力:

RB=-1 070.53 kN(向下拉力)RA=2078.5 kN

3.2.2.2 支架(含自重)抗倾覆稳定计算

(1)倾覆力矩计算。

Z0梁段在支架顶部拼装,梁段重量通过八个移位器传递至支架!计算中取移位器为支点,重力为集中力!

D点处力臂:-7.70 m (取逆时针方向为正),得出Z0梁段产生的倾覆力矩:

M=1007.97×(-7.70)=-7 761.4 (kN·m)(顺时针)支架以A点为支点产生的倾覆总力矩:

图7 ZO梁段安装计算示意图(二)

M=-7 761.4+1 284.6=-6 476.8 (kN·m)(顺时针),支架的倾覆力矩通过钢管N1与承台联接、钢管N22与下横梁联接抵消,保持支架平衡!

(2)下横梁联接稳定计算。

通过力矩方程得出每根联接钢管N22(Ф800×10 mm截面面积24 819 mm2)所受拉力:

Q=M/L=1.3×6 476.8/38.75/2=108.6 (kN)(力臂为钢管N22距离承台顶高度,为38.75 m)

钢管N22采用螺栓与下横梁联接,每根钢管设置M30柱脚螺栓16个(螺栓中心线半径为50 cm,间距19.5 cm)。螺栓拉力:

σ=108.6×1 000/(16×1/4×π×26.716 32)=12.1(MPa) <215 MPa。

钢管N22轴向拉应力:

σ=108.6×1 000/24 819=4.4 (MPa) <[σ]=215 MPa。

符合要求!

3.2.2.3 钢管内力计算(见图8)

图8 Z0梁段安装计算示意图(二)

A点支点反力总和:

RA=2 078.5+673.58=2 752.08(kN)

B点支点反力总和:

RB=177.19-1 070.53=-893.34(kN)(向上拉力)

钢管轴向力:

F=RA/cos10.745°=2 801.2(kN)(两根钢管)

产生水平方向推力:

RX=RA×tg10.745°=522.2(kN)(两根钢管)。

(1)钢管N3轴向压应力计算。

钢管N3轴向压应力 (Ф800×10 mm截面面积24 819 mm2):

σ=F/A=1.3×2 801.2×1 000/24 819/2=73.4 (MPa) <[σ]=215 MPa,

符合要求!

(2)钢管N3连接螺栓剪切应力计算。

支架钢管与承台联接采用柱脚螺栓。钢管N3与承台采用M30柱脚螺栓联接,每根钢管设置16个螺栓(螺栓中心线半径为50 cm,间距19.5 cm)!

单个螺栓所承受的剪切应力:

τ=Rx/A=1.3×522.2×1 000/(2×16×1/4×π×26.71632)=37.8 (MPa) <[τ]=125 MPa,

符合要求!

(3)钢管N1轴向拉应力计算。

钢管N1轴向拉应力:

σ=F/A=1.3×893.34×1 000/24 819/2=23.4 (MPa)<[σ]=215 MPa,

符合要求!

(4)钢管N1连接螺栓拉应力计算。

钢管N1与承台采用M30柱脚螺栓联接,每根钢管设置16个螺栓(螺栓中心线半径为50cm,间距19.5cm)!螺栓所承受的拉应力:

σ =F/A=1.3×893.34×1 000/(2×16×1/4×π ×26.71632)=64.7 (MPa) <215 MPa,

符合要求!

(5)钢管变形计算。

钢管N3在轴力作用下产生的压缩变形:

Δl=Nl/EA=(1.3×2 801.2×1 000/2×40.58×1 000)/(2.1×105×24 819)=14.2(mm)

3.2.2.4 压杆稳定计算

钢管N3采用Ф800×10 mm的Q235钢板螺旋卷制,其回转半径:

从图中得出杆件最大节点长度:l=1323cm

杆件长细比:

λ=μl/i=13 230/279.3=47<λp=100 (μ 为压杆的长度系数,取μ=1.0)

查表得钢管轴压杆件截面分类为a类,得出稳定系数:

φ=0.924

P/φA=1.3×2 801.2×1 000/(2×24 819×0.924)=79.4 (MPa) <[σ]=215 MPa,

压杆满足稳定要求!

3.2.3 Z0梁段纵移施工

Z0梁段安装完成后进行纵移,采用千斤顶张拉钢绞线作为前进牵引,纵移速度小,不考虑冲击荷载,视为集中力静荷载(见图9)。

图9 Z0梁段安装计算示意图

轨道采用双排 H400×400×13×21 mm 型钢并排焊接,内侧翼板每1 m焊接一片2 cm厚A3钢板作为加强肋。每片主桁架中均设置双排钢管,每排钢管上各设置双排 H400×400×13×21 mm型钢轨道(见图 10)。

图10 轨道纵梁实景(2H400×400×13×21 mm)

H400×400×13×21 mm 型钢特性参数:

截面面积A=219.5 cm2,惯性矩Ix=66 583 cm4,截面抵抗矩Wx=3 343 cm3,回转半径i=17.5 cm,节点间距l=8 950 mm,假定为两端固定梁结构。

3.2.3.1轨道纵梁强度验算

轨道纵梁最大弯矩出现在跨中,最大弯矩:Mmax=Pl/4=1 007.97×8.95/8=1 127.7(kN·m)纵梁轨道H400×400×13×21 mm型钢弯曲应力:σ=M/W=1.3×1 127.7×1 000×1 000/(3 433×1 000×4)=106.8 (MPa) <[σ]=205 MPa

符合要求!

3.2.3.2轨道纵梁剪力验算

轨道纵梁剪应力:

τ=P/A=1.3×1 007.97×10×3/(219.5×10×2×4)=14.9 (MPa) <[τ]=120 MPa,

符合要求!

3.2.3.3 轨道纵梁刚度验算

纵梁轨道H400×400×13×21 mm型钢最大挠度:

fmax=Pl3/(192EI)=1.3×1 007.97×103×8 9503/(4×192×2.1×103×66 583×103)=8.7(mm)<[f]=l/400=8 950/400=22 (mm)

符合要求!

轨道梁翼板部分采用加强肋加固,轨道梁刚度可满足要求!

3.2.4 Z1、B1梁段安装

B1、Z1 梁段重量为 192.1 t,长度 15.5 m,安装设计位置远端处于悬臂状态。如图11所示。

图11 Z1梁段安装计算示意图(单位:cm)

3.2.4.1 计算梁段对支架产生的作用力

根据力学平衡方程,

R1+R2=G(梁),G(梁)=192.1×10/4=480.25(kN)ΣM=0,G×15.5/2-R1×10.5=0得出支点反力:R1=354.47 kN R2=125.78 kN

3.2.4.2 计算梁段对支架底支点(A点、B点)的作用力

根据力学平衡方程,

RA+RB=G(梁),G(梁)=480.25 kN

ΣMB=0,R1×14.95+R2×4.45-R1×7.25=0得出支点反力:

RB=-327.89 kN(拉力)

RA=808.14 kN

A点支点反力总和:

RA=808.14+673.58=1 481.72(kN)<2 752.08 kN B点支点反力总和:

RB=177.19-327.89=-150.7 (kN)<-893.34 kN(向下拉力,“-”仅为方向)

3.2.4.3 计算梁段对支架产生的倾覆力矩

ΣMB=R1×14.95+R2×4.45=354.47×14.95+125.78×4.45=5 859.0(kN·m)

总力矩:

ΣM=1 284.6-5 859.0=-4574.4(kN·m )<-6 476.8 kN·m(顺时针,“-” 仅为方向)

通过以上计算得出,Z1(B1)梁段安装时对支架的作用力小于Z0梁段安装时对支架的作用力,故支架可满足要求!

4 支架安装施工

4.1 支架拼装

钢管按分片整体安装的方法,由内到外依次安装,即先在后场将钢管分段、分片加工,然后采用主墩侧面的塔吊将钢管吊装,在现场设计位置连接成整体,见图12所示。

图12 支架钢管分段、分片安装示意图(单位:cm)

支架桁架分段、分片安装,分片重量应控制在塔吊的允许吊重(8 t)范围之内。

4.2 支架主桁架安装

安装顺序:从图12中图示的(一)部开始至(六)部逐步安装就位。

根据安装施工要求,边跨侧的承重钢管N1、N2、N3钢管分为三节,N1、N2、N3分段长度分别为(13.4+13.0+14.37)m、 (13.4+13.0+14.29)m 和(13.64+13.23+14.43)m。中跨侧的承重钢管 N11、N12、N13钢管分为三节,分段长度分别为 (13.4+13.0+14.45)m、 (13.4+13.0+14.49)m 和 (13.64+13.23+14.83)m。支架安装过程中,钢管对接后中心线保持在同一直线上。支架安装过程中支架自重产生的向外侧倾覆力矩相对较小,支架各连接部位可保持平衡,施工过程须注意安全。为确保安装过程便于支架安装施工人员上下,在承重钢管侧面焊接一定步距Φ22 mm的II级钢筋作为爬梯。

(1)从边跨侧(一)部开始,(一)部竖向高度为13.4 m。

首先,安装两根N1钢管(长度为13.4 m),采用塔吊吊装,底端法兰与承台预埋柱脚螺栓联接;安装N25钢管(横桥向外侧、单根)通过法兰与下塔柱的预埋柱脚螺栓连接,N25连接钢管与N1钢管之间连接采用焊接,确保支架安装过程中保持稳定。

其次,安装N2钢管(长度为13.4 m),底端法兰与承台预埋柱脚螺栓连接。

第三步,焊接N5连接钢管。第四步,焊接N4连接钢管。

第五步,采用塔吊吊装N3钢管(根据倾斜角度计算长度为13.64 m)进行安装,底端法兰与承台预埋柱脚螺栓联接。

第六步,焊接N5连接钢管。安装过程中及时进行N21横向连接钢管(3根)焊接,将两排承重钢管之间连接固定。

完成(一)部的支架安装,如图13、图14所示。(2)进行(二)部支架安装。竖向高度为13.0 m。首先,安装两根N1钢管(长度为13.0 m),采用塔吊吊装,通过法兰高强螺栓与已安装完成的(一)部联接;安装 N24钢管(横桥向外侧、单根)通过法兰与下塔柱的预埋柱脚螺栓连接,N24连接钢管与N1钢管之间连接采用焊接,确保支架安装过程中保持稳定。

其次,安装N2钢管(长度为13.0 m),通过法兰高强螺栓与已安装完成的(一)部连接。

第三步,焊接N8连接钢管。第四步,焊接N6连接钢管。

第五步,采用塔吊吊装N3钢管(根据倾斜角度计算长度为13.23 m)进行安装,通过法兰高强螺栓与已安装完成的(一)部连接。

图13 支架安装过程示意图(一)(单位:cm)

图14 支架安装现场实景(一)

第六步,焊接N8连接钢管。安装过程中及时进行N21横向连接钢管(3根)焊接,将两排承重钢管之间连接固定。

完成(二)部的支架安装,如图15、图16所示。

(3)进行(三)部支架安装。竖向高度为14.37 m。

首先,先安装两根N1钢管(长度为14.37 m),采用塔吊吊装,通过法兰高强螺栓与已安装完成的(二)部联接,安装N22钢管通过法兰与下横梁的预埋柱脚螺栓连接,确保支架安装过程及支架整体稳定。

其次,安装N2钢管(根据顶部设置标高计算长度为14.29 m),通过法兰高强螺栓与已安装完成的(二)部连接。

第三步,焊接N9连接钢管。

图15 支架安装过程示意图(二)(单位:cm)

图16 支架安装实景(二)

第四步,安装支架顶部纵向轨道梁H400×400×13×21 mm 型钢,H400×400×13×21 mm 型钢安装长度为9.8 m(单侧通长19.75 m),轨道梁纵向接缝设置在N2钢管顶。

第五步,采用塔吊吊装N3钢管(根据倾斜角度和顶部设置标高计算长度为14.43 m),通过法兰高强螺栓与已安装完成的(二)部连接,采用钢丝绳临时固定N3钢管。

第六步,焊接N10连接钢管。

第七步,完成支架顶部纵向轨道梁H400×400×13×21 mm 型钢安装,H400×400×13×21 mm 型钢安装长度为9.95 m,撤除N3钢管临时固定设施。

安装过程中及时进行N21横向连接钢管(3根)焊接,将两排承重钢管之间连接固定。轨道梁与支架钢管顶部钢板的横向、纵向连接缝均必须满焊。

完成边跨侧的支架安装,如图17、图18所示。

图17 支架安装过程示意图(三)(单位:cm)

(4)中跨侧的(四)部至(六)部与边跨侧的支架成对称结构布置,根据现场实际施工情况,可与边跨侧的(一)部至(三)部的支架同时安装施工。

5 结语

Z0、Z1、B1梁段支架的现场施工已经完成,使用效果良好,可以为类似桥梁结构的支架施工提供一定的参考。

图18 支架安装实景(三)

[1]周水兴,等.路桥施工计算手册[M].北京:人民交通出版社 ,2001.

[2]郭仁俊,等.结构力学[M]北京:中国建筑工业出版社,2007.

[3]董军,曹平周.钢结构原理与设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[5]JTG D60-2004,公路桥涵设计通用规范[S].

[6]JTJ 041-2000,公路桥涵施工技术规范[S].

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