斜拉橋主塔鋼橫梁整體同步提升滑移施工關(guān)鍵技術(shù)研究

徐南

鋼結(jié)構(gòu)安裝整體提升施工技術(shù)適用性強(qiáng)，能提供一定的拼裝空間以及穩(wěn)定牽引條件的超高構(gòu)件、大型設(shè)備或者大跨度鋼架、桁架等鋼結(jié)構(gòu)均可實(shí)施。滑移施工技術(shù)同樣適用于大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、平、曲面立體桁架大跨度鋼結(jié)構(gòu)等的安裝施工，對于場地條件適合的鋼結(jié)構(gòu)橋梁同樣適用。

近年來，鋼結(jié)構(gòu)安裝施工整體提升滑移技術(shù)集成機(jī)械、液壓以及監(jiān)測傳感器元件，通過PLC 編程，由計(jì)算機(jī)自動控制。隨著科技發(fā)展，整體式裝配技術(shù)越來越多的應(yīng)用在大型超高建筑工程中，但在橋梁施工領(lǐng)域應(yīng)用并不普遍。本文將建筑安裝領(lǐng)域整體同步提升滑移施工技術(shù)引入到橋梁工程中，設(shè)計(jì)安裝支架和提升平臺，提出同步提升滑移施工技術(shù)措施，配合傳感器自動化監(jiān)測及人工輔助監(jiān)控，保證施工方案安全可靠。

一、工程概況及特點(diǎn)

哈西大橋上跨哈南編組站48 條鐵路，是當(dāng)前我國跨越鐵路線路最多的轉(zhuǎn)體斜拉橋。哈爾濱地區(qū)年施工工期短；編組站場內(nèi)軌道線路多、交通運(yùn)輸繁忙、施工場地小、環(huán)境復(fù)雜、臨近營業(yè)線施工安全風(fēng)險(xiǎn)高。主塔橫梁原設(shè)計(jì)采用預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁，支架法施工，施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高、周期長。設(shè)計(jì)變更為鋼橫梁，由兩榀桁架結(jié)構(gòu)組成，橫梁跨度25m，巧妙采用同步提升和滑移方案，并將二者結(jié)合，對施工現(xiàn)場環(huán)境交通影響小，節(jié)省工期，節(jié)約成本，確保焊接質(zhì)量。

二、提升滑移支架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)原則

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，用分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)。強(qiáng)度計(jì)算按照承載能力極限狀態(tài)計(jì)算，剛度計(jì)算按照正常使用極限狀態(tài)計(jì)算。考慮結(jié)構(gòu)恒載和風(fēng)荷載。

強(qiáng)度計(jì)算：1.2×恒荷載+1.4×活荷載；

剛度計(jì)算：1.0×恒荷載。

2.鋼橫梁梁柱式支架設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)方案

梁柱式支架，采用雙拼工32b 縱梁，間距200cm；鋼管立柱采用325×8mm，縱向間距2×2 m，橫向間距2+3.5+2+6+2+3.5+2 m，聯(lián)結(jié)系采用槽鋼14；在雙拼工32b 縱梁上設(shè)置16mm 支撐鋼板，左右各5 道。

（2）有限元模型

采用Midas Civil 有限元分析軟件建立空間計(jì)算模型。求出最大支點(diǎn)反力標(biāo)準(zhǔn)值為250.1 kN。由于箱梁底是弧形，存在水平力為250.1×sin5°=21.80 kN。鋼管立柱、縱梁采用梁單元，柱底固結(jié)，其他采用彈性連接。為簡化模型，只選擇一組支架進(jìn)行計(jì)算，如圖1。

圖1 梁柱式支架有限元模型

（3）有限元計(jì)算分析

縱梁最大組合應(yīng)力為40.7MPa ＜215MPa，最大剪應(yīng)力為15.8MPa ＜125MPa；聯(lián)結(jié)系最大組合應(yīng)力為11.6MPa ＜215MPa，最大剪應(yīng)力為1.1MPa ＜125MPa；立柱最大組合應(yīng)力為44.2MPa ＜215MPa，最大反力為161.2kN。強(qiáng)度均滿足施工要求。

縱梁最大位移為0.39mm ＜L/400=2000/400=5mm；鋼管立柱壓縮變形最大為0.41mm ＜L/1000=1.6mm。剛度均滿足要求。

單根鋼管立柱軸向壓力為21.52MPa ＜215MPa，壓桿穩(wěn)定性滿足要求。

3.鋼橫梁提升平臺設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)方案

在塔柱頂端設(shè)置， 提升大梁采用H700×300×12×20；提升小梁采用B250×250×20；平臺梁采用B550×300×25；前立柱采用B350×350×25；后立柱、連系桿1、斜撐、水平構(gòu)造采用H350×350×10×16；連系桿2 采用H200×200×8×12；材質(zhì)采用Q355 鋼材。

（2）有限元模型

采用Midas Civil 有限元分析軟件建立空間計(jì)算模型。柱、梁采用梁單元，柱底固結(jié)，其他采用彈性連接，如圖2。鋼箱梁重1200 kN，一側(cè)的提升平臺承重600 kN。計(jì)算工況：提升鋼梁；滑動鋼梁至提升大梁跨中位置；滑動鋼梁至最終位置。

圖2 提升平臺有限元模型

（3）有限元計(jì)算分析

不同工況下，平臺梁最大組合應(yīng)力為179.5MPa＜295MPa，最大剪應(yīng)力為35.6MPa ＜170MPa；斜撐最大組合應(yīng)力為121.1MPa ＜295MPa，最大剪應(yīng)力為4.5MPa ＜170MPa；提升梁最大組合應(yīng)力為122.4MPa＜295MPa，最大剪應(yīng)力為55.0MPa ＜170MPa。強(qiáng)度滿足施工要求。

不同工況下， 平臺梁最大位移為5.11mm＜L/400=1900/250=7.6mm；斜撐壓縮變形最大為2.32mm ＜L/1000=6.12mm；提升梁最大位移為12.66mm ＜L/400=8750/400=21.88mm。剛度滿足要求。斜撐軸向壓力為85.82MPa ＜295MPa，壓桿穩(wěn)定性滿足要求。

三、施工技術(shù)措施

1.同步提升施工技術(shù)措施

哈西大橋主塔橫梁提升高度52m，應(yīng)用專用底錨和專用鋼絞線作為受拉構(gòu)件，確保超高距離提升安全。在提升平臺上安裝液壓同步提升系統(tǒng)設(shè)備，包括液壓泵源系統(tǒng)、提升器、傳感器等，具有占用空間小、重量輕、提升能力強(qiáng)等特點(diǎn)。依靠液壓原理使提升器工作，動作過程中加速度極小，確保主塔橫梁平穩(wěn)提升，提升平臺受力均衡，并無附加力矩。液壓同步提升施工技術(shù)依靠傳感器元件實(shí)現(xiàn)自動化監(jiān)測測點(diǎn)內(nèi)力及位移狀態(tài)，并將測點(diǎn)數(shù)據(jù)即時(shí)反饋到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)處理并發(fā)出指令。依靠PLC 主動控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各提升器動作同步、負(fù)載一致，實(shí)現(xiàn)橫梁提升過程中的姿態(tài)矯正、牽引應(yīng)力控制及操作閉鎖，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)過程顯示和超限報(bào)警。依靠總線控制及分級控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對各個液壓提升器的實(shí)時(shí)獨(dú)立監(jiān)控和調(diào)整，時(shí)效性好、精準(zhǔn)度高，確保主塔橫梁提升安裝質(zhì)量。液壓提升平臺可以省去大型吊機(jī)的作業(yè)，大大減少施工空間占用，方便其他作業(yè)同步平行施工，有利工程進(jìn)度。

2.同步滑移施工技術(shù)措施

步進(jìn)式液壓頂推器，通過后部頂緊，主液壓缸產(chǎn)生頂推反力，實(shí)現(xiàn)與之連接的主塔橫梁向前平移。頂推器的反力結(jié)構(gòu)利用滑道設(shè)置，省去了反力點(diǎn)的加固問題。

液壓頂推器與主塔橫梁通過銷軸連接，傳力途徑非常直接，啟動過程中無延時(shí)，動作精確度高。由于其反力點(diǎn)為步進(jìn)頂緊式接觸，不會在滑移過程中產(chǎn)生相對位移，所以同步控制效果更好。步進(jìn)式的工作過程，使得同步誤差在每個行程完成后自然消除，不會出現(xiàn)累積誤差，同步精度很高。

3.監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)措施

進(jìn)行試提升后，桁架在提升過程中，通過徠卡測量機(jī)器人對理論撓度變形較大點(diǎn)處進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控，以掌握桁架提升的同步性和整體變形。間隔一定時(shí)間對桁架進(jìn)行一次觀測，記錄撓度值并比較每次所記錄的觀測值，最大變形均不超過25/250=0.1m，桁架提升過程安全。

四、結(jié)語

通過斜拉橋主塔鋼橫梁整體同步提升滑移施工關(guān)鍵技術(shù)研究，得到的結(jié)論如下：

（1）鋼橫梁梁柱式支架設(shè)計(jì)方案強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

（2）鋼橫梁提升平臺設(shè)計(jì)方案強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

（3）主塔鋼橫梁代替預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁采用整體提升滑移技術(shù)，大大節(jié)省人力，減少高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，占用場地小，自動化程度高，施工工期短。

（4）主塔鋼橫梁整體提升滑移系統(tǒng)采用傳感監(jiān)測和計(jì)算機(jī)集中控制，并結(jié)合人工測量，安裝精度高，省時(shí)高效，保證施工進(jìn)度。