一种利用临时系杆平衡水平推力的钢箱拱肋吊装施工方法与流程

[0001]
本发明涉及交通运输业桥梁工程中的桥梁设计及施工技术领域，特别是一种利用临时系杆平衡水平推力的钢箱拱肋吊装施工方法。


背景技术：

[0002]
近年来，随着我国拱桥建造技术不断提升，拱桥跨度不断提升，不断刷新了拱桥跨度世界纪录。拱桥建造的一个关键是拱肋安装施工，现有的拱桥安装方法主要包括支架法、转体法、缆索吊装和斜拉扣挂法等。支架法即在支架上现浇或拼装的施工方法，适用于小跨径、不通航或通航要求不高，水深较浅等施工条件。转体施工法是将拱圈分为两个半跨在两岸制作，通过转体合龙的一种施工方法。随着跨度的增大，转体的质量、转体施工工艺和转盘污工量将面临更大的挑战，因此，转体法很难实现跨径上的更大突破。
[0003]
拱肋的缆索吊装和斜拉扣挂法施工指的是利用缆索吊机进行拱肋节段(构件)吊装就位，用扣索并辅以缆风索等措施临时固定，进行拱肋安装的方法。一般对称依次吊装拱肋各段，并使之对接，形成两个悬臂拱段，最后在两悬臂拱段之间安装合龙段，松扣索合龙形成拱圈。但是，通过扣索来平衡拱肋自重的同时会产生较大的水平推力，因此一般在拱脚设置刚度较大的抗推墩。抗推墩相比于普通墩造价高，仅用于施工阶段来平衡水平力，经济性较差，且部分桥梁受现场条件影响无法设置体积较大的抗推墩。因此，寻求一种用于普通柔性墩，既可有效平衡扣索张拉产生不平衡水平推力，又经济的方法，具有很大的经济效应和推广应用价值。


技术实现要素：

[0004]
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种利用临时系杆平衡水平推力的钢箱拱肋吊装施工方法，该利用临时系杆平衡水平推力的钢箱拱肋吊装施工方法能用于普通柔性墩，既可有效平衡扣索张拉产生不平衡水平推力，又经济的方法，具有很大的经济效应和推广应用价值；同时，设计科学、结构合理、施工简单。
[0005]
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0006]
一种利用临时系杆平衡水平推力的钢箱拱肋吊装施工方法，其中，钢箱拱肋包括两个悬臂拱段和合拢段；两个悬臂拱段的外侧底端均安装在柔性的过渡墩上，两个悬臂拱段的内侧拱段通过合拢段进行合拢；两个悬臂拱段均包括n节拱助段，沿纵桥向从外至内分别为第一节拱助段、第二节拱助段、第三节拱助段、
……
、第n节拱助段。
[0007]
钢箱拱肋吊装施工方法，包括如下步骤：
[0008]
步骤1、安装拱墩连接装置：拱墩连接装置包括钢框架和限位组件。钢框架包括交错布设的横梁和纵梁。限位组件包括纵向限位墩和横向限位件。先在过渡墩的顶部安装拱墩连接装置的钢框架。然后，在钢框架的纵桥向外侧端且与两个悬臂拱段相对应的位置均安装纵向限位墩。
[0009]
步骤2、吊装第一节拱助段：利用缆索吊车，吊装两个第一节拱助段。
[0010]
步骤3、放置第一节拱助段：利用缆索吊车将吊装的两个第一节拱助段，均放置在钢框架上，并使每个第一节拱助段的外侧端均抵靠在纵向限位墩侧壁。
[0011]
步骤4、第一节拱助段横向限位：在每个第一节拱助段的两侧分别安装横向限位件，用于对第一节拱助段的横向限位。横向限位件安装在钢框架上，且与第一节拱助段之间具有活动间隙。
[0012]
步骤5、安装第一根扣索：在每个第一节拱助段的扣索扣点处安装第一根扣索，第一根扣索的另一端安装在过渡墩外侧的扣塔上，扣塔外侧安装背索。
[0013]
步骤6、安装临时系杆：在每个第一节拱助段的两侧壁上均对称设置一组系杆安装点组，每组系杆安装点组均包括至少一个系杆安装点。在每个系杆安装点安装一根呈水平状态的临时系杆，每根临时系杆的另一端均锚固在主拱上。
[0014]
步骤7、第一节拱助段落座：缆索吊车松开与两个第一节拱助段的吊装，与此同时，两个第一根扣索和所有临时系杆均按照设定的索力值张拉到位。
[0015]
步骤8、第二节拱助段的安装，具体安装方法，包括如下步骤：
[0016]
步骤81，吊装与定位第二节拱助段：利用缆索吊车，吊装两个第二节拱助段。然后将吊装的第二节拱助段与对应的第一节拱助段平顺对齐，并保留设定的焊缝宽度。
[0017]
步骤82，焊接第二节拱助段：在设定环境条件下，将第二节拱助段与对应的第一节拱助段相焊接。
[0018]
步骤83，安装第二根扣索：在每个第二节拱助段的扣索扣点处安装第二根扣索，第二根扣索的另一端安装在过渡墩外侧的扣塔上。
[0019]
步骤84，张拉第二根扣索：缆索吊车松开与两个第二节拱助段的吊装，与此同时，两个第二根扣索和所有临时系杆均按照设定的索力值张拉到位。
[0020]
步骤9，重复步骤8，直至完成第n节拱助段的安装，形成两个悬臂拱段。然后，通过合拢段将两个悬臂拱段合拢。
[0021]
步骤7和步骤84中，每根扣索的设定索力值采用如下公式(1)计算得出：
[0022][0023]
公式(1)中，f为每个悬臂拱段中所有临时系杆的总索力值。f
ki
为第i根扣索的索力值。n为每个悬臂拱段中拱助段的节段数或扣索的总根数。g
i
为第i节拱助段的重力。α
i
为第i根扣索与水平面夹角角度。l
ki
表示第i根扣索的扣索的扣点到过渡墩支点的水平距离。l
gi
表示第i节拱助段的重心到过渡墩支点的水平距离。
[0024]
步骤5中，背索的索力值，采用如下公式(2)计算得出：
[0025][0026]
公式(2)中，f
bj
为第j根背索的索力值。m为背索的总根数。β
j
为第j根背索与水平面的夹角。f
ki
为第i根扣索的索力值。α
i
为第i根扣索与水平面的夹角。
[0027]
每根临时系杆均采用若干根钢绞线拧合形成。则每个悬臂拱段中，所有临时系杆所包含的钢绞线的总根数n
x
，采用如下公式(3)计算得出：
[0028][0029]
公式(3)中，a
x
为每个悬臂拱段中，所有临时系杆的总截面积。a
1
为单根钢绞线的截面积。η
x
为每个悬臂拱段中所有临时系杆的安全系数。f为每个悬臂拱段中所有临时系杆的总索力值。f
pk
为单根钢绞线抗拉强度标准值。
[0030]
每根扣索均采用若干根钢绞线拧合形成。其中，第i根扣索中钢绞线的总根数n
ki
，采用如下公式(4)计算得出：
[0031][0032]
公式(4)中，a
ki
为第i根扣索的总截面积。a
1
为单根钢绞线的截面积。η
ki
为第i根扣索的安全系数。f
ki
为第i根扣索的索力值。f
pk
为单根钢绞线抗拉强度标准值。
[0033]
每根背索均采用若干根钢绞线拧合形成。其中，第i根背索中钢绞线的总根数n
bi
，采用如下公式(5)计算得出：
[0034][0035]
公式(4)中，a
bi
为第i根背索的总截面积。a
1
为单根钢绞线的截面积。η
bi
为第i根背索的安全系数。f
bi
为第i根背索的索力值。f
pk
为单根钢绞线抗拉强度标准值。
[0036]
通过对扣索和背索中索力值的平衡控制，使得步骤9完成后，扣塔塔顶的总水平位移不超过10mm。扣塔的稳定性计算结果应满足结构稳定安全系数不小于4.0。
[0037]
通过扣索调整拱肋的线形和应力，扣索索力值和拱肋变形的计算应充分考虑后一根扣索施工对前一根扣索索力值的影响，并尽量减少调索次数。拱肋的稳定性计算结果应满足结构稳定安全系数不应小于4.0，应力计算结果应小于材料的允许强度值。
[0038]
本发明具有如下有益效果：
[0039]
(1本发明有效解决了柔性墩抗推能力不足的问题，可靠性高，对确保钢箱拱肋吊装过程结构安全和稳定具有很大的帮助作用。
[0040]
(2)本发明所采用的结构简单、受力明确，计算简便。
[0041]
(3)本发明施工步骤简单、操作简便、使用效果好，能简便快速完成钢箱拱肋拼装过程，并且施工过程安全、可靠。
[0042]
(4)本发明增加的临时系杆取材方便，可重复利用，造价低，具有显著的经济效益和生态效益。
附图说明
[0043]
图1是本发明一种利用临时系杆平衡水平推力的钢箱拱肋吊装施工方法的立面结构图。
[0044]
图2显示了图1中临时系杆的平面布置示意图。
[0045]
图3显示了应用本发明钢箱拱肋吊装施工方法的三跨钢箱拱桥拱肋施工示意图。
[0046]
图4显示了应用实例项目结构受力简图。
[0047]
图5显示了应用实例全桥结构计算模型。
[0048]
图6显示了应用实例拱肋稳定性计算结果。
[0049]
图7显示了应用实例扣塔稳定性计算结果。
[0050]
图8显示了第一节拱助段与拱墩连接装置的拼装结构示意图。
[0051]
图9显示了钢框架的平面布置示意图。
[0052]
图10显示了图8中1-1截面的纵向限位墩的布设位置示意图。
[0053]
图11显示了图8中2-2截面的横向限位件的布设位置示意图。
[0054]
图中有：
[0055]
1、过渡墩；11、过渡墩墩柱；12.桥墩横梁；
[0056]
2、临时系杆；
[0057]
3、扣索；3(1)、第一根扣索；3(2)、第二根扣索；3(3)、第三根扣索；3(4)、第四根扣索；3(5)、第五根扣索；3(6)、第六根扣索；
[0058]
4、拱肋；41.悬臂拱段；42.合拢段；43、第一节拱助段；
[0059]
5、拱墩连接装置；
[0060]
51.钢框架；511.横梁；511a、横梁a；511b、横梁b；511c、横梁c；
[0061]
512、纵梁；513、纵梁限位件；
[0062]
521、纵向限位墩；522.胶皮；523、横向限位件；524、第一抄垫；525.第二抄垫；
[0063]
6、系杆锚固端；7、扣塔；8、背索。
具体实施方式
[0064]
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0065]
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
[0066]
如图5和图7所示，钢箱拱肋包括两个悬臂拱段41和合拢段42。
[0067]
两个悬臂拱段均包括n节拱助段，沿纵桥向从外至内分别为第一节拱助段、第二节拱助段、第三节拱助段、
……
、第n节拱助段。本实施例中，以n＝6为例进行说明。
[0068]
每个悬臂拱段的外侧底端均通过一个拱墩连接装置5安装在柔性墩的墩顶；两个悬臂拱段的内侧拱段通过合拢段进行合拢。
[0069]
过渡墩(也称柔性墩)包括两根过渡墩墩柱11和连接两过渡墩墩柱的桥墩横梁12。施工过程中，过渡墩需承担上部传递至墩顶的竖向力，以及由于施工不同步及施工精度问
题导致的墩顶不平衡水平力，为典型的偏压构件。控制施工不同步及施工精度问题导致的墩顶不平衡水平力的大小，是确保施工过程结构安全的关键。施工不同步及施工精度问题导致的水平力的控制值根据桥墩混凝土表面拉应力控制，为确保结构安全，控制桥墩混凝土表面拉应力不超过设计强度值f
td
。
[0070]
如图8所示，一种连接钢箱拱肋与柔性墩的拱墩连接装置，也称拱墩连接装置5，包括钢框架51和限位组件。
[0071]
如图9所示，钢框架包括两根纵梁512、若干根横梁511和纵梁限位件513。
[0072]
两根纵梁沿纵桥向布设在过渡墩墩柱11的墩顶上，并与过渡墩墩柱内的预埋钢筋相焊接。
[0073]
如图8所示，纵梁限位件安装在过渡墩墩柱的墩顶侧壁，用于对每根纵梁在过渡墩墩柱中墩顶上的位置进行限位。
[0074]
若干根横梁沿横桥向连接在两根纵梁上。如图9所示，钢框架中的横梁优选包括两根横梁a 511a、两根横梁b 511b和四根横梁c 511c。
[0075]
两根横梁a位于两根横梁b之间，且两根横梁a的纵桥向宽度优选大于两根横梁b的纵桥向宽度；每根横梁a分别从两根纵梁中穿出，并形成两根横梁c。
[0076]
限位组件包括纵向限位墩521和横向限位件523。
[0077]
纵向限位墩用于对第一节拱助段43的纵向位置进行限位；纵向限位墩优选安装在纵桥向外侧端的横梁a顶部附近。在图10中，纵向限位墩优选为两个，同时位于钢框架的两根纵梁顶部。
[0078]
进一步，纵向限位墩的纵桥向内侧壁面优选设置有胶皮522，且与第一节拱助段的纵桥向外侧壁面相配合。
[0079]
如图11所示，横向限位件对称布设在钢框架的横桥向外侧端，用于对悬臂拱段的第一节拱助段的横向位置进行限位。每个横向限位件与第一节拱助段之间均具有约20mm的活动间隙。活动间隙的设置，限制拱与墩的相对位移及拱的面外转动，不限制拱的面内转动,将拱肋与桥墩设置为近似铰接结构。
[0080]
进一步，横向限位件具有四个，分别位于横梁c上或横梁c与对应纵梁的交接位置处。
[0081]
如图11所示，每个横向限位件与第一节拱助段之间的活动间隙内均优选设置有弹性的第一抄垫524，如橡胶皮抄垫等。
[0082]
与每个横向限位件相接触的钢框架顶部均优选设置有第二抄垫525。
[0083]
一种利用临时系杆平衡水平推力的钢箱拱肋吊装施工方法，包括如下步骤。
[0084]
步骤1、安装拱墩连接装置：拱墩连接装置包括钢框架和限位组件。钢框架包括交错布设的横梁和纵梁。限位组件包括纵向限位墩和横向限位件。先在过渡墩的顶部安装拱墩连接装置的钢框架。然后，在钢框架的纵桥向外侧端且与两个悬臂拱段相对应的位置均安装纵向限位墩。
[0085]
步骤2、吊装第一节拱助段：利用缆索吊车，吊装两个第一节拱助段。
[0086]
步骤3、放置第一节拱助段：利用缆索吊车将吊装的两个第一节拱助段，均放置在钢框架上，并使每个第一节拱助段的外侧端均抵靠在纵向限位墩侧壁。
[0087]
步骤4、第一节拱助段横向限位：在每个第一节拱助段的两侧分别安装横向限位
件，用于对第一节拱助段的横向限位。横向限位件安装在钢框架上，且与第一节拱助段之间具有活动间隙。
[0088]
步骤5、安装第一根扣索：在每个第一节拱助段的扣索扣点处安装第一根扣索，第一根扣索的另一端安装在过渡墩外侧的扣塔上，扣塔外侧安装背索。
[0089]
每根扣索均采用若干根钢绞线拧合形成。其中，第i根扣索中钢绞线的总根数n
ki
，采用如下公式(4)计算得出：
[0090][0091]
公式(4)中，a
ki
为第i根扣索的总截面积。a
1
为单根钢绞线的截面积。η
ki
为第i根扣索的安全系数。f
ki
为第i根扣索的索力值。f
pk
为单根钢绞线抗拉强度标准值。
[0092]
η
ki
、以及下述的η
bi
及η
x
均根据需要灵活取值，安全系数规范会给个最小要求值，一般1.5～2.5。为确保施工安全，这个值可以预留大一点，比如可以设置为3.0等。追求经济可以设置成规范要求的最小值即可，追求安全可设置稍微大点。
[0093]
上述背索的索力值，采用如下公式(2)计算得出：
[0094][0095]
公式(2)中，f
bj
为第j根背索的索力值。m为背索的总根数。β
j
为第j根背索与水平面的夹角。f
ki
为第i根扣索的索力值。α
i
为第i根扣索与水平面的夹角。
[0096]
每根背索均采用若干根钢绞线拧合形成。其中，第i根背索中钢绞线的总根数n
bi
，采用如下公式(5)计算得出：
[0097][0098]
公式(4)中，a
bi
为第i根背索的总截面积。a
1
为单根钢绞线的截面积。η
bi
为第i根背索的安全系数。f
bi
为第i根背索的索力值。f
pk
为单根钢绞线抗拉强度标准值。
[0099]
步骤6、安装临时系杆：在每个第一节拱助段的两侧壁上均对称设置一组系杆安装点组，每组系杆安装点组均包括至少一个系杆安装点。当每组系杆安装点组包括两个或以上系杆安装点时，各个系杆安装点分别位于第一节拱助段的不同高度处。本实施例中，每组系杆安装点组均优选具有一个系杆安装点，也即每个悬臂拱段使用了两根临时系杆。作为替换，每个悬臂拱段也可以使用四根、六根或八根等偶数根临时系杆。
[0100]
在每个系杆安装点安装一根呈水平状态的临时系杆，每根临时系杆的另一端均锚固在主拱上。
[0101]
每根临时系杆均采用若干根钢绞线拧合形成，则每个悬臂拱段中所有临时系杆所包括钢绞线的总根数n
x
，采用如下公式(3)计算得出：
[0102][0103]
公式(3)中，a
x
为每个悬臂拱段中所有临时系杆的总截面积。a
1
为单根钢绞线的截面积。η
x
为每个悬臂拱段中所有临时系杆的安全系数；f为每个悬臂拱段中所有临时系杆的总索力值；f
pk
为单根钢绞线抗拉强度标准值。
[0104]
对于每个悬臂拱段，当需要计算每根临时系杆的索力值以及每根临时系杆中的钢绞线根数时，根据力对称原理，分别除以每个悬臂拱段中临时系杆的根数即可。如本实施例中，由于每个悬臂拱段使用了两根临时系杆，故而将计算的f和n
x
分别除以2，即得到每根临时系杆的索力值以及每根临时系杆中的钢绞线根数。
[0105]
步骤7、第一节拱助段落座：缆索吊车松开与两个第一节拱助段的吊装，与此同时，两个第一根扣索和所有临时系杆均按照设定的索力值张拉到位。
[0106]
每根临时系杆和每根扣索设定索力值采用如下公式(1)计算得出：
[0107][0108]
公式(1)中，f为每个悬臂拱段中所有临时系杆的总索力值；f
ki
为第i根扣索的索力值；n为每个悬臂拱段中拱助段的节段数或扣索的总根数；g
i
为第i节拱助段的重力；α
i
为第i根扣索与水平面夹角角度；l
ki
表示第i根扣索的扣索的扣点到过渡墩支点的水平距离；l
gi
表示第i节拱助段的重心到过渡墩支点的水平距离。
[0109]
步骤8、第二节拱助段的安装，具体安装方法，包括如下步骤：
[0110]
步骤81，吊装与定位第二节拱助段：利用缆索吊车，吊装两个第二节拱助段。然后将吊装的第二节拱助段与对应的第一节拱助段平顺对齐，并保留设定的焊缝宽度。
[0111]
步骤82，焊接第二节拱助段：在设定环境条件下，将第二节拱助段与对应的第一节拱助段相焊接。
[0112]
步骤83，安装第二根扣索：在每个第二节拱助段的扣索扣点处安装第二根扣索，第二根扣索的另一端安装在过渡墩外侧的扣塔上。
[0113]
步骤84，张拉第二根扣索：缆索吊车松开与两个第二节拱助段的吊装，与此同时，两个第二根扣索和所有临时系杆均按照设定的索力值张拉到位。两个第二根扣索和所有临时系杆均安装设定的索力值的计算方法，参照步骤7。
[0114]
步骤9，重复步骤8，直至完成第n节拱助段的安装，形成两个悬臂拱段。然后，通过合拢段将两个悬臂拱段合拢。
[0115]
通过对扣索和背索中索力值的平衡控制，使得步骤9完成后，扣塔塔顶的总水平位移不超过10mm。扣塔的稳定性计算结果应满足结构稳定安全系数不小于4.0。
[0116]
通过扣索调整拱肋的线形和应力，扣索索力值和拱肋变形的计算应充分考虑后一根扣索施工对前一根扣索索力值的影响，并尽量减少调索次数。拱肋的稳定性计算结果应
满足结构稳定安全系数不应小于4.0，应力计算结果应小于材料的允许强度值。
[0117]
施工过程应严格监控临时系杆索力、扣索和背索索力、桥墩偏位、扣塔偏位、拱肋与桥墩相对偏位，确保每一步施工均处于安全及稳定状态，并对桥墩混凝土应力、钢结构应力、环境温度、风速风向、吊装节段重、施工临时荷载进行监测，确定结构内力是否与理论计算相符。
[0118]
本发明通过引入临时系杆体系，利用临时系杆张拉力抵抗拱肋斜拉扣挂施工产生的较大水平推力，有效解决柔性墩抗推问题。该发明结构简单、受力明确、操作简便、使用效果好，能简便快速完成钢箱拱肋拼装过程，并且施工过程安全、可靠，经济和生态效应显著。
[0119]
二、应用实例
[0120]
1.施工
[0121]
按照一种利用临时系杆平衡水平推力的钢箱拱肋吊装施工方法的具体步骤进行。本实施例中，采用六节拱助段，分别对应6根扣索。6根扣索在本实施例中，分别称为1号扣索3(1)、2号扣索3(2)、3号扣索3(3)、4号扣索3(4)、5号扣索3(5)和6号扣索3(6)，也称为第一根扣索、第二根扣索、第三根扣索、第四根扣索、第五根扣索、第六根扣索。
[0122]
2.计算
[0123]
如图3所示，本桥为一座钢箱系杆拱桥，主桥由300m中跨和两侧对称布置的129m边跨组成，主桥全长为558m。主墩为钢筋混凝土实体的抗推墩，过渡墩采用箱型截面，标准断面横桥向宽7.0m顺桥向宽3.5m，壁厚50cm，墩柱高度为33.92m。临时系杆和扣、背索均为1860mpa级φ15.24无粘结钢绞线。结合实际情况，计算结果见下表。
[0124]
表1各工况计算结果
[0125]
[0126][0127]
上述6根扣索的扣索力分析，参加图4所示。
[0128]
表2结构应力及稳定性计算结果
[0129]
验算项目计算值允许值是否满足拱肋最大应力(mpa)17.4210满足拱肋最大悬臂阶段稳定系数3324.0满足扣塔最不利工况最大应力(mpa)53.3140满足扣塔最不利工况下稳定系数12.24.0满足墩顶偏位调节装置最大应力(mpa)73.8140满足墩顶偏位调节装置稳定系数14.14.0满足
[0130]
上述结构应力及稳定性计算分析，参见图6和图7所示。
[0131]
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。