天興洲大橋提升站設計及安裝控制

金永忠

(中鐵大橋局集團五公司，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劃三環路及武廣客運專線跨長江的橋梁，其主橋為雙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

鐵路引橋為40.6 m簡支箱梁，分為客運箱梁和貨運箱梁兩幅并排布置，貨運箱梁頂板寬12.3 m，客運箱梁頂板寬13.4 m，底板寬均為5.54 m，采用移動模架原位現澆的方法施工.

武昌岸引橋墩身高度平均為30 m，根據本橋的工程特點及場地條件，采用移動模架造橋機現澆施工方案，引橋共有21片40.6 m箱梁，根據現場實際情況，確定移動模架在P10、P11#墩之間的貨運側提升上橋,然后按照施工的工期安排，首先澆筑貨運K10～K5箱梁，再澆筑客運K5～K19箱梁，因此需要設計一套移動模架整體提升裝置，即移動模架的提升站.

2 提升站設計組成

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

提升站設在P10、P11#墩墩旁貨運側，在提升站下方地面上拼裝好移動模架(長93 m，高11 m，重約450 t)，通過提升站將移動模架提升到墩頂.其安裝過程如下，首先將移動模架與提升站連接到位，然后利用提升站的垂直提升機構將移動模架提升到位，再通過提升站頂的橫移機構將其整體橫移到位，橫移到位后，固定移動模架的前后支腿，完成移動模架的提升工作. 移動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 關鍵部位計算

3.1 承重橫梁的計算

根據經驗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 鋼箱梁橫截面結構圖

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

將結構簡化為簡支梁受力模型，由簡支梁的受力特點可知：當移動模架移到主梁跨中位置時，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

計算結構彎曲應力：

σ=M/W=860.268×107/5.119×107=

168.1 MPa<215/1.2=180.0 MPa

變形計算：f=44 mm.

P：移動模架自重.

q：鋼箱梁的均布荷載.

用midas civil建模計算鋼箱梁的局部應力，建模時模擬結構的真實受力狀態，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，程序計算頂板的應力見圖5.

圖5 箱梁頂板應力云圖

由圖可見，鋼箱梁頂板局部應力較大，σ=212.5 MPa,超過鋼材容許強度，不滿足施工的要求，因此根據結果對箱梁局部進行補強，在跨中設置橫隔板，每隔0.8 m設置一道橫隔板，并在頂板下方設通長的加勁肋2道，補強后的箱梁截面見圖6.

圖6 承重鋼箱梁橫截面結構圖

3.2 主立柱鋼管柱部分計算

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構.

a. 整體計算

鋼管群結構截面幾何特性計算

A=37 246×4 mm2

I=2.52×1011mm4

回轉半徑為i=1 000 mm

單立柱自由長度為40 000 mm

結構長細比為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

結構強度滿足要求.

b. 局部計算

鋼管結構截面幾何特性計算

A=37 246 mm2

I=4.545×109mm4

回轉半徑為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

強度滿足要求

單立柱自由長度為2 000 mm

結構長細比為λ=2 000/349=5.7<200

滿足要求.

3.3 主立柱擴大基礎計算

基礎結構見圖7.

圖7 主立柱基礎結構圖

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

基本風壓強度；W=10×10/1.6=62.5 Pa

計算風壓強度：W=1.56×62.5×0.8=78 Pa

a.立柱在縱橋向的傾覆性計算：

風壓按照均布荷載作用于立柱上，計算按照集中力加載在立柱1/2高的位置上，P=3.12 kN(單個立柱)，主梁及模架結構所受風荷載在立柱頂，水平風力為3.9 kN.

風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，提升裝置結構自重為160 t(含混凝土基礎)

M=160×4=640 t·m

結構傾覆安全系數為：

K=6400/405.6=15.8 [大于1.5]

縱橋向穩定性滿足要求.

b.立柱在橫橋向的傾覆性計算：

立柱所受的水平力：

①立柱和鋼箱梁所受水平風力

F1=40×4×78=12 480 N=12.48 kN

②移動模架構架所受水平風力

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起吊時天車與起重物不在一條豎直線上，引起的水平力(瞬時力，忽略不計).

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

結構抗傾覆彎矩為:

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

M=226×3=678 t·m

結構傾覆安全系數為：K=6 780/4 395=1.54 [大于1.5]

結構抗傾覆系數大于1.5，結構是穩定的.

c.地基受力情況：

計算地基承載力：[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 橫移結構

在承重鋼箱梁上布置鋼軌、橫移機構.橫移機構主要是通過橫移水平頂升油缸，使橫移小車在鋼軌頂面進行滑移(滑動摩擦系數按0.15計).利用行程1.1 m的油缸作為移動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 提升機構

分別在10#、11#墩墩頂橫移機構的橫移小車上安裝LSD200液壓提升系統.LSD200液壓提升系統由4 臺LSD200-300連續千斤頂, 2個YTB.B閥體柜，2臺YTB泵站，1臺LSDKC-8主控臺組成.每臺LSD200-300液壓缸以12根直徑Φ15.24、強度1 860 MPa級的鋼絞線穿過千斤頂,與移動模架下吊點連接，構成承力系.

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,以下幾點控制措施:

4.1 基礎施工

主立柱基礎施工前，應對地基進行夯實處理，并設排水溝；擴大基礎采用鋼筋混凝土小承臺基礎,在承臺基礎上事先作好立柱的預埋件,預埋件的平整度滿足規范要求.

4.2 主立柱施工控制

按照立柱材料數量和類型進行準備，并按照規范要求進行檢查驗收.滿足各項要求后按照該結構的施工設計圖進行鋼管柱安裝.鋼管柱在拼裝前先對基礎的預埋件標高進行測量，根據預埋件的標高對鋼管進行下料，確保鋼管的頂部與施工設計圖的標高相吻合.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接的焊接質量，鋼管可以在地面進行下料及對接焊接，焊接好后經現場技術人員進行焊縫檢查，檢查合格后通過吊機進行吊裝.吊裝時應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行焊接或栓接，待各檢查項均滿足有關施工規范的要求后再進行焊接，鋼管柱之間按照施工設計圖的要求進行橫縱向連接，確保鋼管柱的整體穩定性.

4.3 橫梁及其他施工

所有鋼管立柱以及柱頂的分配梁全部安裝完畢后，必須組織相關部門進行檢查并簽證，待檢查合格后方可進行下步工序鋼箱梁的拼裝工作,因墩身高度30米,采用120噸吊機進行對鋼箱梁整體吊裝安裝施工，同時做好纜風臨時固定工序，再在鋼箱梁上布置好橫移滑道及橫移頂，控制好設計標高及橫坡.

4.4 提升施工

整個支架安裝完成后進行提升，移動模架的提升前做好相應位置的技術交底工作，每個部位必須執行檢查并進行簽證后再提升施工，四臺起升頂必須統一指揮，統一信號，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一致，明確受力均勻，做到每個過程可控，做到安全結構可控，所有起吊時應選擇在無風的天氣下操作，確保結構安全萬無一失；提升移動模架橫移到位，固定好移動模架的支腿.

5 注意事項

a.移動模架提升站設計每個細小的構件部位必須有計算單；

b.移動模架提升站提升前，必須經過檢查驗收，合格后才能施工使用；

c.提升過程必須由專人負責總指揮，做到信號準確，安全可靠；

d.提升的每個工序細化交底到人，且熟悉各工況細則，各工序準備工作事前考慮充分全面；

d.提升站提升移動模架時應選擇無風的白天施工.

6 結 語

整體提升站施工對于高空、重結構的拼裝有著非常廣闊的應用前景.優點是：

a.結構在地面組拼化高空作業為地面，操作方便，施工安全，對機械要求低，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,減少臨時支墩的裝拆，縮短工期，節省成本.

c.提升、橫移均通過計算機控制數控液壓千斤頂來完成，操作簡單、快捷、可控、同步性和平穩性高，精度可控.

經過天興洲公鐵兩用長江大橋引橋箱梁移動模架這一成功的事例證明,這種提升結構適合在城市建設圈對高架橋箱梁移動模架的整體提升，結果安全可靠，施工方便，值得推廣.

參考文獻：

[1] 張啟文，夏志斌.鋼結構設計規范GB500017—2003[M].北京：中國計劃出版社，2003.

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