钢管拱桁架（通用8篇）
钢管拱桁架 篇1
对于采用缆索吊装法施工的钢管混凝土拱桥,其施工控制的关键技术之一是桁架拱肋的线形控制,而此线形控制是一个复杂的动态系统,最佳的控制方法就是建立一个完善的自适应控制系统[1],该系统必须包括两大任务:前期的预测分析和施工过程中的误差调整。尽管吊装前的预测分析为空钢管桁架拱肋吊装施工及控制提供了重要依据,然而由于施工中各种施工误差的影响,致使拱肋实际施工线形与理想施工线形存在偏差,线形偏差具有累计性,随着悬臂的伸长,线形将越来越偏离设计目标,造成合拢困难,并影响成桥后的内力和线形。本文将影响矩阵法应用于吊装过程线形误差的调整中,通过封铰前的扣索调整,使实际拱轴线逼近设计拱轴线,满足施工精度要求。
1 影响矩阵法的定义
影响矩阵法最早应用于斜拉桥索力或内力调整计算中,它是将斜拉桥中关心截面的内力、应力或位移作为受调向量,以斜拉桥索力计算作为施调向量,通过影响矩阵法建立受调向量与施调向量之间的关系,生成一个线性方程组或者增加不等式约束构造成一个线性规划模型,求解该线性方程组或线性规划问题可得到施调向量的调整量。
建立的线性方程组如下:
[C]{X}={D} (1)
式中:{X}—待求的索力调整量;
{D}—达到目标状态需调整的量;
[C]—影响矩阵。
如果式(1)中未知量个数与方程个数相等且影响矩阵非奇异,则该方程组有唯一解。否则,可用最小二乘法进行求解。
用有限元法计算影响矩阵,可归结为如下步骤来进行:
(1)形成调值计算阶段结构总刚,并作LDLT分解;
(2)对施调元j循环;
(3)令第j号施调元调值量为1(单位量)形成相应的结构荷载列阵;
(4)回代求相应的节点位移;
(5)对受调元i循环,计算相应的受调元素di;
(6)重复(2)至(5)各步,就可生成所有的影响向量,从而生成影响矩阵[C]。
2 钢管拱肋线形调整的实现步骤
假设钢管拱肋吊装的某个阶段的理想状态下各控制点的标高为{W},而实际结构的控制点标高为{W′},则控制点的误差为{ΔW}={W}-{W′},此时可通过张拉吊装时的扣索对拱肋线形进行修正。设扣索数与控制点的个数均为n,扣索的调整量为{X},则应满足:
式中:
设在某吊装阶段需调整线形,该阶段控制点的误差为{ΔW},要想调整各扣索使误差减少,具体步骤为:
(1)形成该阶段结构的总刚;
(2)对每根扣索j循环;
(3)令第j号扣索的初应变量εj为一单位量,形成相应的结构荷载列阵;
(4)回代刚度方程,求出拱肋各节点的位移;
(5)对各控制点循环,从上一步求出的节点位移中取出控制点i的位移aij,放入影响矩阵
(6)求解线形方程组
(7)求出各根扣索的张拉伸长量及最后的张拉索力。
通过上述计算,得到为满足要求的线形所需要的扣索长度的调整量和扣索索力。
3 拱肋线形调整计算实例
某上承式钢管混凝土桁架式拱桥,净跨252m,拱肋弧长298m,净矢高38.769m,净矢跨比1/6.5,主拱轴线为悬链线,拱轴系数m=1.756。拱肋为等截面钢管混凝土桁架结构,断面由4-Φ1000的钢管组成,高5.0m,宽2.5m,上下两对主钢管拱肋用12mm的钢缀板沿全长封闭构成主拱肋弦杆,在缀板间及钢管内浇注50号微膨胀混凝土。上下弦杆之间用Φ402×12mm的腹杆联结。两主拱肋间采用10榀K型风撑和1榀拱顶横撑做横向连接,风撑采用Φ610×12mm和Φ377×10mm的钢管。其钢管桁架拱肋采用千斤顶钢绞线斜拉扣挂缆索吊装施工法。每段拱肋分11段预制吊装。
假设该拱桥拱肋吊装完毕未封铰前,拱肋线形偏差{W}=[+0.005,+0.01,+0.015,+0.03]T(“+”表示拱肋控制点发生向下的位移),利用前述线形调整理论可求出各扣索长度的调整量和扣索索力,使线形满足施工理想状态。
各扣索长度调整量及扣索索力调整量见表1所示。
备注:表中索长调整量“+”表示扣索伸长,索力调整量“+”表示扣索需张拉加载。
4 结语
本文将用于斜拉桥索力或内力调整中的影响矩阵法应用于拱肋吊装过程线形误差的调整中,并假设一拱肋偏差工况,运用这一方法求出索力调整值,提出施工预案。在调索时,只需控制索力的增量或者扣索被拉出的长度就可实施调索。本文提出的方法只是假设了一偏差工况,有待施工阶段进一步验证。
摘要：针对桁架拱肋假设中出现的线形调整问题,利用影响矩阵法进行处理。通过该方法可得到为满足设计要求线形与标高所需要的扣索长度的调整量和扣索索力增量。通过封铰前的扣索调整,使实际拱轴线逼近设计拱轴线。满足精度要求。
关键词：大跨离钢管混凝土拱桥,线形调整,影响矩阵法
参考文献
[1]于长宽.现代控制理论[M].哈尔滨工业大学出版社,1997.
[2]梁鹏,肖汝城,张雪松.斜拉桥索力优化实用方法[J].同济大学学报,2003,31(11):1270-1274.
[3]肖汝城,项海帆.斜拉桥索力优化及其工程应用[J].计算力学学报,1998,15(1):118-126.
钢管拱桁架 篇2
【关键词】建筑结构设计；拱桁架结构；设计优化；方法
从性质上而言，拱桁架属于钢结构形式的一种，在现代建筑结构设计中得到了广泛的应用。拱桁架结构的最大特点是能满足大跨度屋盖结构设计需求，同时降低屋盖造价成本，因此受到了建筑结构设计行业的高度重视。结合拱桁架结构应用现状，笔者现对拱桁架结构设计优化方案作详细论述。
一、拱桁架结构的概述
1、拱桁架的特点
随着建筑事业的不断发展，建筑结构设计水平也变得越来越高，多种不同形式结构层出不穷，为建筑造型百变，建筑功能完善做出了巨大贡献。拱桁架结构作为一种常见钢结构，现已在大跨度建筑屋盖体系中得到广泛应用。
就我国当前的拱桁架结构发展状况来看，建筑结构设计中常见的拱桁架形式主要分为三种，即不拉索和杆结构、拉索结构以及拉杆结构。这三种拱桁架结构按照支座类型划分，原理在于，结构中拱所承受的荷载由曲杆承受，同时曲杆在承受荷载的同时将部分荷载传递到结构支座上，由支座来承受结构的整体受力。即是说，拱桁架结构支座负责承受结构所受的所有外力，包括结构竖向压力以及拱结构的水平推力。为此，在拱桁架结构设计中，支座处理是关键，设计时务必要做好支座受力设计方案的优化。
2、拱桁架支座设计
拱桁架支座抗衡、化解拱结构传递过来的水平推力方法主要有两种，一是将结构支撑，二是拉杆承受。前者是指利用支座结构来承受水平推力，后者则要求在拱桁架下方增设一个下弦单拉杆，利用拉杆来化解推力。
如设计中采用第一种方法，利用结构支座来支撑水平推力，会大大增加结构负荷，设计时为了防止结构坍塌，必须对结构构件质量提出高要求，这便很容易造成材料浪费，增加工程造价成本；如果采用第二种方法，在拱桁架下方设置下弦单拉杆，利用单拉杆化解水平推力，可大大减少支座受力，因此无需过分提高结构构件质量要求，所消耗的施工材料也比较少，工程造价自然会降低。所以一般情况下，拱桁架结构设计多采用拉杆增设方式，我们在探讨拱桁架结果设计优化方案时，可将拉杆设计作为突破口，合理优化拱桁架拉杆设计方案。
二、拱桁架结构设计优化
1、工程概况
在某地区的一个生态园区的发展建设中，为了满足生产的需要，要在园区内建造一个钢屋盖结构的大空间、大跨度建筑。在对工程进行设计的过程中，设计人员将屋盖结构的主体设计为采用钢管立体桁架的结构，其跨度为60m，柱距为8.1m，设计基准期为50年，设计使用年限为50年，建筑结构的安全等级为二级，结构重要性系数r0=1.0。
2、工程结构设计方案
本工程施工前期，应开发商要求，设计单位将工程的建筑结构风格定义在简单、大方之上，设计时尽量满足大空间建筑需求，既保证了建筑结构的实用性，又保证了建筑结构的美观性。实际设计时，设计人员采用大跨度空间网架结构作建筑结构设计方式，同时将网架结构形式确定为拱桁架，最终确定出了大跨度空间拱桁架结构设计方案。
为了满足建筑结构受力需求，设计人员在该套设计方案中融入了拱桁架拉杆结构，目的在于利用拉杆结构来分散拱桁架支座受力，减轻支座受到的拱结构水平推力，达到节省施工材料，降低工程造价成本要求。
3、工程结构设计方案的比较
在确定拱桁架结构设计方案之前，设计人员探讨出了几种各具优缺点的结构设计方法，并利用模型设计方式对几种设计方案的设计参数作了仔细比较，结合设计参数分析了几种结构各自的受力特点，详细方法如下：
3.1模型设计及参数计算
对拱桁架结构模型进行计算分析，得知拱桁架结构属性为平面结构，因此本工程在分析拱桁架模型设计时，只选用一榀拱桁架作设计模型。该结构设计模型中，拱桁架结构的总跨度为60米，结构高7.5米，横截面形状为倒三角形。该结构在设计施工时选用了型号为Q235B，弹性模量E=2.06E11N/㎡，屈服極限σs=235E6N/㎡的钢材料。拱桁架支座处理采用刚接和铰支方式。分析计算拱桁架结构模型时，设计者引进了ANSYS程序，计算得出相应的设计参数。
3.2单榀拱桁架的受力分析
对于单榀拱桁架结构的受力特点进行分析时，设计人员采用了结构静力分析法对各自结构受力情况作了探讨，并最终得出选用拉杆作为支座之间的连接方式是最具有经济价值和实用价值的，且比起其他方案，这种设计方式所具有的抗震性、经济性也更好，更能优化拱桁架结构受力。具体的方案设计方法和受力分析分别如下所示：
（1）Ⅰ方案拱桁架支座为两端铰支，其最大位移出现在跨中，值为54.2mm，下弦杆的内力最大，值为101MPa。
（2）Ⅱ方案中，考虑了索的预应力，通过调整张弦桁架中索的初始应变的方式施加预应力，对结构初始形态预起拱，按规定，几乎所有结构刚度不足工程均不需要对结构在荷载下产生的弹性位移进行控制，而通过结构的初始几何形态的预起拱实现结构正常使用的变形性能安全设计目标。但此时，结构的绝对位移值超过250mm，如此大变形对屋面围护次结构、屋面防水连接构造的正常使用的安全性能将产生严重不利影响。
（3）Ⅲ方案中，将拉索换为拉杆，其最大位移出现在跨中，值为87.8mm，下弦杆的内力最大，值为91.8MPa。
3.3方案分析
分析比较上述三种不同设计方案的优缺点之后，得出以下几点相关结论：Ⅰ方案的用钢量和支座反力最大，而这恰恰与甲方要求用钢量低、对下部结构负荷小的要求相违背；Ⅱ方案在索施加预应力的作用下，用钢量最省，如对索施加预应力来达到控制结构挠度的要求，则所施加的预应力较大，其索力约为670kN，上弦杆的断面也相应的增大，而且，施工难度比较大；Ⅲ方案的用钢量和支座反力居于Ⅰ方案和Ⅱ方案之间，且施工也不难，挠度也满足规范的要求。由于结构的自振特性是结构动力的基本性质，也是动力分析的基础。对结构进行动力特性分析可见，拉杆方案的基频远大于拉索方案的基频，则说明Ⅲ方案的面内刚度大于Ⅱ方案的面内刚度，抗震性能良好。
三、结束语
综上所述，拱桁架结构目前在建筑结构设计中的应用已经十分常见，尤其是在大跨度空间结构中，其以自身所具备的良好经济性、实用性，受到了建筑设计人士的广泛喜爱。鉴于拱桁架设计重点在支座处理，设计时如果在拱桁架结构下方增设拉杆，利用拉杆来分散支座受力，缓解支座荷载，可在更大程度上提高拱桁架荷载能力，优化结构，降低工程造价成本。由此可见，在拱桁架结构设计中，最佳的设计优化方式是支座处理，只要处理好了支座受力，最终所获得的工程效果势必会更好。
参考文献
[1]唐炯,秦冬祺.大跨度单榀拱桁架的非线性稳定分析[J].科技情报开发与经济,2008(34)
[2]李海旺,任澜涛,杜成云.某煤棚拱桁架结构动力特性及地震响应分析[J].科学之友,2010(03)
钢管拱转体法施工 篇3
随着现代化科学技术的发展, 桥梁事业也在蒸蒸日上。悬索桥、斜拉桥、钢管拱桥等现代化桥梁在建设中无处不体现着现代化桥梁施工科学技术的发展。以转体法施工钢管拱桥梁的技术取代原始的拼装架设的施工方法就是其中的一个“亮点”。
在险峻、陡峭的大山峡谷间架设一座钢管拱桥梁, 可想而知是何等困难而艰巨的任务, 而钢管拱转体法施工恰恰攻克了这一难关, 使众多的施工问题迎刃而解。展现了其极大的优势。
2 转体法施工的特点及运用范围
转体法合拢的施工方法, 是桥梁安全架设的新方法。它具有结构合理、受力明确, 工艺简便、施工设备少, 节约施工用料、安全可靠、合拢速度快等特点。可适合铁路桥、公路桥等钢管拱、斜拉桥及连续梁桥等桥型的施工。
3 转体法施工的工艺原理及工艺流程
转体系统包括:半跨钢管拱、交界墩索塔、扣索背索系统、上盘及平衡重;转台、撑脚和基础;拽拉牵引系统。
3.1 工艺原理
转体施工原理是在桥两岸各自拼成一个转体单元, 将钢管拱肋分成两个半跨。分别在两岸引桥桥轴线预拼支架上拼装焊接成半跨拱体。然后分别分束对称安装上盘纵向预应力钢铰线束、背索和扣索, 并使用穿心式千斤顶, 按设计张拉程序通过分级、交替、对称张拉上盘纵向预应力钢绞线束、背索、扣索。并在交界墩后侧的上盘顶面布置平衡重 (浆砌片石和中-60浮箱) , 直至半跨成型钢管子拱脱架, 拆除上转盘盘尾硬支撑。此时转动体系自身平衡, 它以钢球铰和内后两保险腿支承于下盘基础上, 其余各点均脱空成转体状态。
两岸转体以多台连续、自动、同步、液压牵引张拉千斤顶拽拉, 通过牵引缠绕并预埋于转台圆周上的一定直径的钢绞线束, 形成转动体系的水平转动纯力偶 (不能产生水平合力和竖向转动力偶) , 同步匀速连续地将两岸半跨钢管拱水平转动至其设计位置。
两半跨拱肋转体到位后, 测量拱肋线形各位置, 若有偏差则于上转盘后端及其两侧布置相应的千斤顶进行横向倾斜、轴线横向偏位和竖向偏差微调。拱轴线型调整满足设计要求后即将上盘竖向、横向、纵向锁定固结, 实施跨中合拢。
安装拱肋合拢段临时锁定结构并于适宜的温度时, 将拱肋临时锁定;吊装合拢段拱肋, 按设计要求进行跨中主管焊接和拱脚主管嵌补段焊接.封填灌注拱脚砼和上下盘间砼, 依次交替拆除扣索、背索和释放上盘多余部分向预应力以及交界墩墩帽横向预应力。回填拱座片石砼, 完成拱体转体合拢的全部工作。
3.2 工艺流程
4 操作要点及安全质量要求
4.1 操作要点
转体结构体系主要有转动体系、防倾保险体系和位控体系三部分组成。
转动体系的核心结构是球铰支座, 它承担着转体的全部重量, 是施工的关键部位, 必须精心制安, 精心测量。它的位置和精度将影响全桥合拢精度和转体的实施, 因此要特别注意。安装竣工后精度:
球铰顶口任两点高差:≤1mm;
顺桥向顶口高差:≤±1mm;
横桥向顶口高差:≤±1.5mm;
两岸球铰中心间距:≤±2mm;
防倾保险体系是转体施工方法的重要保证措施, 根据设计构造的特点, 在转体过程中, 转体的全部重量由球铰承担, 但转体结构受外界条件或施工的影响容易出现倾斜, 因此必须设置内环保险腿和外环调整倾斜的千斤顶。
内环保险腿设于转台底的圆周上, 均匀布置六个钢撑脚的保险腿, 每个钢撑脚保险腿由两根焊接钢管并于钢管内填充微膨胀砼组成。钢撑脚之保险腿走板底与内滑道间预留一定间隙δ=12-20mm。施工转体时应以不锈钢和四氟板将其空隙塞实以确保转体的安全和稳定。
下盘砼面的环行滑道面应以地坪打磨机打磨平整、光滑, 平整度不大于3mm, 表面应清理干净并涂以黄油。滑道面不得有任何碴粒、障碍物和空洞。
为确保转体结构的稳定, 通过转体上盘尾部预压平衡重调节重心, 使重心向后偏移 (一般控制在15cm左右) 。转体结构由钢球铰和其后的两个钢撑脚保险腿支承, 形成三点支承, 两个后腿承受的荷载由计算确定。
位控体系分转体限位和微调装置, 包括上下盘之间的预埋件和拱腿临时转动铰以及各类千斤顶。主要作用为拱肋转体到位后, 对拱肋的横向, 竖向偏差进行微调, 并对调整合格后的拱肋加以限位。
针对转体容易出现的偏差, 应分别对横向扭转、水平偏移, 竖向位移设置成对限位和微调千斤顶装置。
4.2安全质量
安全质量要求
该工程施工要严格按照《铁路桥涵施工规范》、《铁路桥涵施工验收规范》、《铁路桥涵施工技术安全规则》及有关施工设计图等要求进行。
阳质量控制主要采取下列措施:施工前作好各项施工的技术交底工作;施工过程中, 坚持“三控制”原则和“三检”制度, 各项工序均由现场技术人员自检、互检、质检完复检后请施工监理检查、验收签证, 层层把关, 并做到本工序合格后方可进行下一道工序, 由专人认真填写各项施工记录并填好工程日志, 严格交接班制度。
转体转动作业安全尤为重要, 必须统一指挥。统一信号, 统一行动。各部位操作人员在未得到指令或指令不明的情况下, 严禁操作。
转体范围必须在转体前严格测量, 发现障碍物务必清除。
转体作业前及过程中, 内保险腿及环行滑道必须有专人负责检查, 保证内保险腿与滑道面之间接触良好和滑道内畅通无阻。
在设有限位装置的部位, 设专人做好限位准备, 转动过程中若出现倾斜, 随时准备施力保险或调整, 转体到位后应及时抄垫塞紧, 防止超转。
钢管拱脱架时的扣索、背索及上盘纵向预应力筋张拉应严格按设计张拉程序进行, 出现异常, 务必及时报告指挥中心, 待处理之后方可继续施工。
转体过程中应对扣索、背索、交界墩、上转盘的应力及交界墩墩顶位移进行跟踪监测、监控, 并将有关数据及时反馈给指挥中心和设计代表, 以指导转体安全顺利进行。
转体拱肋上严禁堆放不必要的施工机具和增加不必要的施工荷载, 以保证转体结构的安全。
所有参加转体作业人员必须挂牌上岗。转体动力系统应有专业上岗哨操作, 其它人员一律不得乱动。要做好转体安全检查和保卫工作。
钢管拱拱肋上下弦盖板曲面上应铺设爬行防滑软梯;所有高空作业范围务必挂设安全网, 高空作业人员必须戴好安全带, 人员上下处设爬梯;人行走道脚手板安放牢靠, 不得出现探头板和腐板, 且走道两侧设栏杆。
转体前应与气象部门联系, 若出现大风、暴雨等恶劣天气, 严禁转体施工。
转体前各工序均应按有关安全细则和要求进行交底和培训;未经专门培训考核合格人员, 不得进入转体操作各岗位工作。
5 施工主要机具设备及效益分析
5.1 转体施工所需主要机具设备
5.2 效益分析
采用转体法施工钢管拱桥, 具有工艺简便、施工设备少、节约施工用料、安全可靠、合拢速度快等特点。另外该方法的运用解决了峡谷大山间钢管拱桥梁架设的困难, 带来了极大的经济效益和社会效益。
5.3 工程实例
贵州水柏铁路北盘江大桥, 主跨为236米上承式钢管砼单线拱桥。桥址处山高路险, 交通不便;地形险峻峡谷陡峭, 轨底至谷底竟有280米之差。是国内最高的铁路桥。为铁路建桥史上首次采用转体法施工的铁路桥梁。
该桥钢管拱桁架采用工厂单元制造, 火车和汽车运输到大桥南北两岸工地, 在工地钢支架拼装焊接成半拱, 组成转体系统后南北两个半拱同时转体合拢, 单铰转动总重达10400千吨, 为世界之最。北岸3号墩逆时针水平转动135度, 南岸4号墩逆时针水平转动180度。转体全过程共花费2.5小时, 即顺利合拢锁定, 创下了历史记录。
结语
可见钢管拱转体法施工意义之重大, 它为施工场地受限, 地势险峻处的桥梁施工提供了方便。实为桥梁建筑史上又一次伟大的创新。
参考文献
[1]《北盘江大桥钢管拱转体法施工工艺》
[2]《铁路桥涵施工规范》
[3]《铁路桥涵施工验收规范》
[4]《铁路桥涵施工技术安全规则》
钢管拱桁架 篇4
连续梁-钢管混凝土拱桥是近几年发展的一种新桥型, 是将连续梁与钢管混凝土构件结合起来的一种建桥技术。该桥型充分发挥了拱和梁在受力方面的优点, 具有跨越能力大、结构刚度大的特点, 因此比较适用于承受较大竖向荷载的大跨度铁路桥梁。并且该种类型桥梁呈现出美观的造型和优良的技术经济指标, 特别适合高标准铁路建设的需要。
兰渝铁路广元嘉陵江双线特大桥位于四川省广元市盘龙镇, 横跨嘉陵江, 该桥为三向预应力混凝土连续梁—钢管混凝土拱组合结构, 主桥跨径172m, 桥面宽13m, 为双线铁路客货共用桥梁。主桥上部形式为 (82+172+82) m, C55预应力混凝土连续梁-拱组合桥。该桥拱肋计算跨度为L=172.0m, 设计矢高34.40m, 矢跨比f/L=1:5, 拱轴线采用二次抛物线;拱肋为钢管砼结构, 采用等高哑铃形截面, 截面高度3.1m。每榀拱肋划分为19运输节段运输, 运输节段最大长度为14m, 运输节段两两组拼成吊装节段。吊装节段最大长度为26.3m, 单节最大吊重37.6t。
2 施工原理及特点
在进行先拱后桥的钢管拱安装过程时, 首先在桥墩下进行钢管拱拱肋的工装组拼, 利用码板和千斤顶进行钢管的校正、调整对位后进行施焊;利用桥面吊车进行支墩和钢管拱的吊装就位;在桥面上, 采用钢管焊接成的临时支墩作为吊装支架;利用运梁小车、吊车进行支墩的上桥、桥面运输及吊装就位;利用特制钢管拱角钢爬梯进行拱肋操作平台的搭设。该方法适用于跨度较小的采用“先梁后拱法”施工且能够提供汽车吊工作场地的公路、铁路钢管混凝土系杆拱桥的钢管拱肋吊装施工。
该施工方法有以下几个特点:
(1) 施工方法简单, 易于操作, 安全可靠, 施工周期短; (2) 钢管墩支架和钢管拱全部通过吊车和运梁小车整体运输到位安装; (3) 支墩利用连续梁预留精轧螺纹钢、缆风绳、压板固定, 不需地基处理, 安全性高; (4) 利用特制的钢管拱角钢爬梯搭设作为钢管的对位、施焊的操作平台, 该方法具有搭设多样性、简单、实用、安全可靠等优点; (5) 自制的加宽凹槽型运梁小车不需要葫芦、杂木等, 能够起到平稳运输的作用。 (6) 为了保证拱肋线型测量精度, 在拱肋的上下弦管离端口最近的吊杆孔顶面上焊接一定长度的丝杆, 然后在丝杆上拧上棱镜头, 以便随时进行观测。
3 施工操作要点
3.1 钢管柱支撑的制作及拼装
在每两节钢管拱肋接头处设置一组钢管柱支撑, 全桥支架布置如图1所示。
钢管柱在桥下制作, 利用桥面两台吊车将其吊装到桥面平板运梁小车上, 再利用桥面卷扬机顺桥向拖拉运梁小车至指定位置, 然后利用吊车竖立就位。
钢管柱支撑结构与构造:用Φ60010mm的圆柱钢管作为钢管拱肋的支撑架 (布置在钢管拱肋的对接处, 根据不同的矢高设置不同钢管柱支撑高度) 。每个钢管拱接头处设置一组钢管立柱, 全桥共14组支撑 (如图1所示) , 每组支撑由四根Φ60010mm钢管立柱组成, 横向中心距及纵向中心距均为2m, 靠桥边缘的立柱中心距桥边缘为450mm。立柱顶部至底部每隔4m采用20工字钢四面焊接, 横向连接杆均采用30工字钢, 间距7.7m, 纵向连接采用18工字钢焊接联系加固, 如图2所示。
3.2 钢管柱支撑的固定
在该桥施工中, 由于钢管柱支撑处于铁路连续梁桥面上, 桥面较窄 (13m) , 左右两侧都是河流, 无法进行锚固。因而, 如何保证钢管柱支撑的稳定性是钢管拱肋吊装对位的关键。支架在左边桥面的外侧利用翼板夹工字钢勾在桥面翼缘板上;右侧利用桥面预应力钢筋进行紧固。连接构造如图3、4所示。
钢管柱支撑的横向连接杆均采用30工字钢连接, 间距7.7m, 1#与3#、2#与4#、11#与13#、12#与14#的纵向连接方法采用18工字钢焊接联系加固。支撑搭设完后利用桥面上的精轧螺纹钢, 采取缆风绳固定措施, 以减小其变形, 提高其稳定性。检查合格后, 允许交付使用。两两支撑间布置两道墩顶缆风绳加强其纵向稳定性, 缆风绳利固定方用桥面竖向预应力张拉精轧螺纹钢进行固定, 如图5所示。
钢管柱支撑上桥后采用桥面两台运梁小车通过卷扬机将其拖拉到位。吊装时使用两台100t吊车配合安装, 其中一台吊车为主要吊装设备, 另外一台辅助进行支撑在桥面上的竖向转体, 如图6所示。汽车吊上桥前, 需经设计单位就其工作过程中对梁体结构安全的影响进行受力检算, 并同意汽车吊上桥工作, 方可实施桥上作业。
3.3 拱肋的上桥及运输
钢管拱现场大节段拼装完成后, 利用桥上吊车将其吊上桥面, 通过运梁小车移动到安装位置下方, 如图7所示, 再次架设两台吊车就位实施吊装作业。
由于每次吊装钢管拱肋上桥及安装工作都要移动吊车, 综合考虑, 每次吊车从桥下吊钢管拱为两段, 待安装完成后再进行下一次钢管拱上桥吊装工作, 共需不少于9次来回吊装, 比较经济合理。
钢管拱肋吊装的吊点设置:在吊装前首先在拱肋上弦管的顶面轴线上焊接两个吊耳。吊耳采用t=20mm的Q345d钢板, 焊接形式为坡口焊接, 焊缝全熔透焊接, 吊耳两侧用三角板加固焊接, 焊缝高度均不小于16mm。
如图8所示, 为了更好地将哑铃型截面快速固定到运梁小车上, 特制了加宽凹槽型拱肋运输小车, 即在一般常见的小车上把轨距加大, 并在小车上加设两排30工字钢分配梁, 并按照稍大于拱肋直径的尺寸在分配梁上焊接成凹槽型支撑, 并在斜支撑上焊及使用接钢筋梯步方便拱肋吊装对位过程中人员的行走。此小车不需要葫芦、杂木等, 能够起到平稳运输的作用, 并取得了很好的效果。
3.4 拱肋桥上吊装与定位
3.4.1 吊前准备工作
在进行钢管拱肋吊装之前, 需确认拱肋线型满足设计要求, 按照要求如实填写吊前检查表, 并确认钢管柱支撑是否满足要求, 保证测量数据的准确性和真实性。在取得吊装许可后, 方可进行吊装作业。
吊装前做好以下准备工作:测量人员需及时到位, 并做好各项准备工作, 其余各岗位人员需在吊装现场, 保证信息交流的畅通。检查测量仪器和设备, 将现场零碎物件清理干净, 保持现场通道的畅通, 在施工工作区域设置警示牌, 并安排看守人员值班。
3.4.2 拱肋的吊装就位
钢管拱肋的安装顺序为两边向中间安装, 最后安装合龙段。钢管拱拱肋吊装通过桥面两台吊车同时起吊拱肋两端的吊耳的方式实现。拱肋在缓慢起吊后, 需慢慢调整到就位角度吊装。
将拱肋吊至钢管柱支撑上相应支点进行粗对位后, 利用全站仪, 通过焊接在拱肋端头的棱镜仪对拱肋的轴线及标高进行观测, 得出调整指令后, 使用斜撑及钢楔子对位, 准备手拉葫芦及千斤顶, 进行微调精准对位。钢管拱肋接头满足焊接要求后, 方可进行下一阶段钢管拱肋的吊装。
为确保施工安全, 在各拱肋吊装段的调校、码板临时焊接时, 吊车不松钩, 直至拱肋对接焊缝及端头斜撑及支垫焊接牢固后吊车才能松钩。钢管柱支撑墩顶支承点应在钢管拱节点附近, 顶面应有操作平台和斜撑固定。
利用特制的钢管拱角钢爬梯搭设作为钢管拱肋节段的对位、施焊的操作平台, 该方法具有搭设多样性、简单、实用、安全可靠等优点, 如图9所示。
安装完第一段钢管拱肋 (第一段左右两榀及横撑焊接完成) , 拆除之前安装的钢管柱支撑的横向连接钢管, 其它以此类推, 在安装完本节段后拆除钢管柱支撑的横向连接。
钢管拱整体的安装精度由合龙段保证, 合龙段按照实际安装测量数据确定, 工厂制作合龙段时, 每端长度增加200mm, 留有切割余量以保证钢管拱整体合龙精度。与合龙段对接的第四段拱肋设计活动内套管, 对位后, 移动栓销将内导管拉出, 插入合龙段, 精心定位, 提高对位精度、减小接头错边量。
在安装合龙段时应严格按照设计要求, 合龙时间在满足设计对温度要求的前提下, 选择全天温度较为稳定的时间段。
3.5 拱肋测量、监控方法
拱肋在吊装时需进行准确定位, 吊装时拱肋的定位难度较大, 因为测量人员很难直接上到正在吊装的拱肋上进行测量, 同时对测量人员的安全威胁很大, 也很难保证测量精度。为了保证测量拱肋线型精度和监测拱肋标高, 可在拱肋的上下弦管上、离端口最近的吊杆孔顶面上 (第四节段焊接在距离端头30cm位置) 焊接一定长度的丝杆, 然后在丝杆上拧上棱镜头, 以便于随时都能观测。丝杆的安装必须位置准确、牢固可靠, 丝杆必须垂直于拱肋。丝杆焊接后必须进行复核, 如焊接不能满足要求时需重新进行焊接, 以便保证测量的精度, 焊接完成后需请监控单位对焊接质量及位置进行确认。
为了使大桥竣工后的拱肋线形满足设计及《TB10752-2010高速铁路桥涵工程施工质量验收标准》相关条款要求。拱肋定位测量采用经过鉴定的智能型全站仪进行测量。将全站仪架在视野较开阔的地势, 采用后方交会法同时配合三角高程测量相互校核, 为了提高测量精度, 采用三个已知点进行交会测量, 然后再取平均值, 作为控制点坐标。在拱肋吊装时再对安装在拱肋上的棱镜进行三角高程的测量, 先将测出的高程与设计高程进行对比, 再通过千斤顶对拱肋的高程进行调整至设计高程。
3.6 钢管柱支撑的拆除
在钢管拱肋完成拱肋及所有横撑焊接并检验合格后, 方可进行钢管柱支撑的拆除。钢管柱支撑的拆除顺序为从跨中到两端, 上下游同时进行。首先把支撑顶部与拱肋连接的部分从拱肋上割开, 采用吊车吊起支撑顶部;然后把支撑底部割离, 并采用千斤扣顶把钢管柱支撑顶离桥面1cm;再采用桥面吊车把钢管柱支撑吊到运梁小车上;最后由吊车配合卷扬机牵引运梁小车, 缓慢地将钢管柱平放到运梁小车上, 如图10所示。
钢管柱支撑下桥同样采用桥面两台吊车同时起吊下桥的方式。在进行支撑解体施工的过程中, 为减少对吊车的依赖, 采用两侧用手拉葫芦固定在相邻支撑上的方法, 逐步对其进行解体。
4 总结
钢管柱支撑施工方法较为简单, 关键在于支架结构的选择和支架的搭设。采用大直径钢管作支架, 利用大吨位吊机搭设支架和安装钢管拱, 大大减少了高空作业量, 最大限度地保障了施工作业人员的安全。支架施工方法在小跨度钢管混凝土拱桥中应用最普及, 方法简单, 易于掌握, 与其他施工方相比较, 综合投入较少, 工期短, 施工安全可靠, 值得参考和借鉴。
参考文献
[1]《高速铁路桥涵工程施工质量验收标准》 (TB10752-2010) .
[2]《铁路桥涵工程施工质量验收标准》 (铁建设[2003]127号) .
[3]《铁路钢桥制造规范》 (TB1021-2009) .
钢管拱桁架 篇5
1 钢管拱肋吊装的优化设计
对于钢管混凝土拱桥而言,施工理想状态控制的关键在于拱肋合拢后的线形及几何状态是否符合设计要求。选择有代表性的标高控制点,通过迭代优化求出的扣索初始张拉力能保证这几个标高控制点的标高与设计拱轴线相一致。同时监测每阶段拱肋钢管及扣索的应力保证在设计允许范围内。根据这些原则选取合适的设计变量、状态变量和目标函数,并约束相关的控制条件,依据钢管拱肋吊装的过程建立了相对应的优化预测分析模型。
在优化模型建立时,将每节段扣索的初始张拉力设置为设计变量,扣索的索力、拱肋内的应力、位移控制点的变动幅度设置为状态变量。采用一次张拉扣定法施工的钢管混凝土拱桥,一般以吊装某节段,使该节段位移量为零作为初始张拉力比较合理。所以优化的方向和目的是吊装某节段,使该节段的控制点位移为零。按此思想可以构造如下目标函数:
其中f为目标函数,S为设计变量,uj及σm为状态变量。
2 吊装预测分析模型的优化算法
2.1 非约束目标函数
目标函数f(S)不能写成显式形式,且属于多约束条件的优化问题,通过对目标函数添加罚函数的一阶方法将有约束的优化问题转化为无约束问题,式(1)经转化后的无约束目标函数形式如下:
Q(S,q)=f(S)+
其中Ps 、Pu、Pσ为罚函数,q为惩罚因子,决定了函数约束满意程度。
2.2 搜索方向及收敛准则
优化时,采用共轭方向法确定设计变量的搜索方向,取初始值S0的负梯度-ᐁQ(S0,q0)作为初始共轭向量d0,则第k个迭代点的共轭方向由下式确定:
获得搜索方向后,就可通过一维线性搜索找到下一个迭代点。
最优化计算的收敛性采用下式进行检验:
其中τ为目标函数的容许误差。
3 吊装预测分析模型的应用
3.1 工程实例
将以上建立的吊装预测模型应用于一座在建的上承式钢管混凝土桁架式拱桥,该桥净跨252m,拱肋弧长298m,净矢高38.769m,净矢跨比1/6.5,主拱轴线为悬链线,拱轴系数m=1.756。拱肋为等截面钢管混凝土桁架结构。见图1所示。
3.2 优化模型预测结果
优化预测模型按前述建立。以各扣索的初始张拉力为设计变量,以各扣索的索力、拱肋控制截面的应力、拱肋位移控制点的变动幅度为状态变量并加以约束。构造拱肋位移控制点竖向位移的平方和为目标函数,利用有限元法求解,建立状态变量、目标函数与设计变量的函数关系。引入最优化计算理论,采用一阶优化方法,以设计拱轴线为最优化计算的评价指标,来确定合理施工状态,求得合理扣索力及预抬高量。
表1为采用一阶优化方法,进行优化计算得到一组最优解,其迭代过程如图2所示。从图3中可以看出扣索在施工阶段最大应力为496MPa,发生于2号扣索最后施工阶段。
从表2实测索力和计算索力比较来看,各扣索索力计算值与实测值吻合较好,说明建立的优化模型能较好的预测施工,且在满足各项约束条件下,实现了尽量小的合拢拱轴线形误差。
摘要：引入工程结构优化方法,利用基于前进分析的有限元法,对采用千斤顶斜拉扣挂法施工的钢管混凝土拱桥进行了吊装预测分析,进行了扣索索力及拱肋节段预抬高的最优化计算,确定了一定约束条件下,空钢管拱肋吊装结构最合适的施工路径。
关键词：钢管混凝土拱桥,吊装预测
参考文献
[1]陈宝春.钢管混凝土拱桥设计与施工[M].人民交通出版社.2000.
[2]郑皆连.特大跨径RC拱桥悬拼合拢技术的探讨[J].中国公路学报,1999,12(1).
钢管拱桁架 篇6
关键词：空间钢管桁架,ANSYS,杆件内力
采用焊接相贯节点的钢管桁架现已广泛应用于空间大跨度结构中,但计算理论和设计方法还沿用传统的桁架理论,空间钢管桁架几何尺寸的改变对其杆件内力变化研究得较少,针对这一问题,选用空间倒三角桁架结构作为研究对象,利用ANSYS有限元软件对空间钢管桁架进行静力分析,得出截面形状参数及杆件截面面积对空间管桁架杆件内力的影响。
1 计算模型
1.1 传统桁架理论
传统桁架理论在计算时,认为桁架的结点都是光滑的铰接点,各杆的轴线都是直线,并通过铰的中心,荷载和支座反力都作用在节点上。在上述理想情况下,桁架各杆均为两端铰接的直杆,计算简图各杆均用轴线表示,且都是只承受轴力的二力杆,因此对于桁架的计算方法有结点法和截面法两种。
1.2 计算方法介绍
1.2.1 假定
与实际结构相比,在模型分析中,采用如下假定:假定结构所用的钢材为弹性材料;由于实际桁架不符合传统桁架理论所描述的理想铰接情况,所以结构弦杆和腹杆的节点,连接均视为刚性连接;桁架内力分析采用一阶弹性分析法。
1.2.2 ANSYS有限元计算软件的实现
计算模型采用空间到三角形钢管桁架,利用ANSYS软件进行建模,由于研究中把所有接点均视为刚接,模型截面为圆管截面,因此在软件中采用BEAM188单元进行模型计算,综合考虑后对模型网格划分为:在截面圆周方向均划分为36个单元,而在圆管长度方向,单元长度上取节点间长度的1/10。
1.2.3 模型简图及约束情况
计算模型采用倒三角形截面进行受力分析,其计算模型简图见图1。
模型边界条件全部采用铰接支座,一端下弦施加X, Y, Z三个方向的位移约束,另一端只施加X, Z两个方向的位移约束,释放其轴向位移,这样,整个计算模型就相当于一个简支梁;上弦杆两端施加X方向的侧向约束。
1.2.4 荷载的施加
根据工程实际情况,桁架上施加由活荷载和恒载组成的面荷载,再由檩条传导到桁架上弦节点处。活荷载为0.5kN/m2,恒荷载为0.5kN/m2,荷载组合为1.2×恒荷载+1.4×活荷载。
2 空间钢管桁架的静力分析
对于空间三角形钢管桁架而言,当确定了截面高度H,上弦宽度W,以及节间长度S后可确定一种截面形状,下面分别讨论这几个参数及杆件截面面积对杆件内力的影响。
所计算模型的基本截面形状参数为:跨度L=60 m,截面高度H=4 m(可变),上弦宽度W=3 m(可变),节间长度S=4 m(可变)。
进行对截面形状参数对管桁架性能影响的研究时,方法是单一改变一个参数,其它参数不改变。即分析上弦宽度W变化时,取值为0.5 m,1 m,1.5 m,2 m,2.5 m。分析截面高度H变化时,取值为2 m,2.5 m,3 m,3.5 m,4 m。分析节间长度S变化时,取值为2 m,2.5 m,3 m,3.5 m,4 m。对于杆件截面面积的改变,将采用五组不同的杆件来实现。
2.1 上弦宽度W对结构性能的影响
参照实腹式的I字型截面梁,由σ=My/I,增大翼缘宽度会增大Iy,相应的σ会减少,梁的刚度也会因此而相应增加,即上弦宽度对结构的侧向抗弯刚度影响很大。根据此原理,在截面高度H取为4 m,节间长度取为4 m,将上弦宽度W取为0.5 m,1 m,1.5 m,2 m,2.5 m,进行有限元计算和分析,计算结果如表1。
由表1可以看出,随着上弦宽度的变化,弦杆的内力基本上保持不变,但是腹杆和跨中挠度都有显著的变化,上弦宽度的增加,造成竖面腹杆的倾角相应增加,竖面腹杆的轴力在持续增加,传递到水平面上垂直腹杆的力也在增加。同时,竖面腹杆轴力的增加也造成了杆件剪切变形的增加,反映到结构即是结构跨中挠度的增加。
2.2 截面高度H对结构性能的影响
在一段实腹梁中,由σ=My/I,梁截面高度越大,Ix越大,相应的σ会越小,所以如果降低截面的高度,会引起截面应力相应增加,而且增幅比较大,那么参照实腹梁,将截面高度H取为2 m,2.5 m,3 m,3.5 m,4 m,此时上弦宽度W取为3 m,节间长度取为4 m,进行有限元计算和分析,计算结果如下:
由表2可以看出,在截面弯矩不变的情况下,上下弦杆的内力也仅仅是当截面高度有变化的时候,才会发生较大幅度的变化,跟其它的截面参数没有关系。由于同一构件的不同截面处弯矩也并不相同,故设计成变高度的截面,可充分利用材料,经济性好,且外表美观。
同时,随着截面高度的增加,由于倾角的减少,腹杆的轴力表现持续的减少,而由于弯曲变形和剪切变形的减少,跨中的挠度也逐渐变小,其减少趋势是先快后慢。
由以上可以看出,截面高度是影响构件选择尤其是弦杆选择的一个非常重要的因素,其结构刚度的影响也是非常显著的,远大于其它因素,必须在满足建筑要求的情况下,从经济美观和受力均衡的角度综合考虑,选择出合适的截面高度。
2.3 节间长度S对结构性能的影响
节间长度的大小会直接导致腹杆夹角的改变,改变节间长度S,分别取值2 m,2.5 m,3 m,3.5 m,4 m,此时截面高度H取为4 m,上弦宽度W取为3 m,由于施加的是均布荷载,所以S改变时,荷载导到每个节点上的数值也相应改变,进行有限元分析,计算结果如下:
由表3可以看出,改变节间长度以后,弦杆的内力略有变化,随着节间长度的增加而减少,其主要原因在于,弦杆的最大内力与截面高度的乘积代表了一个节间长度范围受的弯矩的平均值。同时腹杆的轴力有了相应的变化,类似于上弦宽度的增加,随着节间长度的增加,竖面腹杆的倾角相应增加,所以竖面腹杆的轴力在持续加大,传递到水平面上垂直腹杆的力也在增加。
跨中挠度也随着节间长度的增加呈减少的趋势,最后趋于稳定,从中可以看出如果腹杆布置过密对结构的刚度没有起到积极的作用,反而加大了跨中挠度,但节间长度也并非是越大越好,合适的节间长度受制于檩条的经济跨度,且为了保证腹杆与弦杆与弦杆的连接的可靠,一般的倾角控制在35°-55°之间。
2.4 杆件截面面积对结构性能的影响
根据结构力学的知识,静定结构中的杆件内力与截面的尺寸无关,在空间桁架中截面面积对杆件的弯曲应力基本无影响,但是对结构的变形起着一定的作用,以改变腹杆尺寸为例,依次将计算模型的截面尺寸改为:① 上弦219×8,腹杆140×6,下弦273×10;② 上弦219×8,腹杆152×7,下弦273×10;③ 上弦219×8,腹杆168×8,下弦273×10;④ 上弦219×8,腹杆180×9,下弦273×10;⑤ 上弦219×8,腹杆194×10,下弦273×10。(单位为mm) ,算结果如表4。
由表4通过比较可以发现,跨中的挠度随着截面尺寸的加大而略有减少,体现了单个杆件的剪切变形的减少,因为竖面斜面腹杆主要承担抵抗剪力的作用,随着截面的变大,杆件的剪切变形变小,反映到结构上就是挠度减少,随着腹杆的截面面积的增加,竖面腹杆上的力也有增加。
3 结论
通过对空间钢管桁架进行的有限元静力分析,考察各几何参数的变化对杆件内力的影响得出以下结论。
上弦宽度W加大时,对于桁架平面内力提高不是很大,但是由于W增大,平面外的Iy也跟随增大,随之带来的是平面外的刚度增加,但同时竖面腹杆的倾角在相应的增加,竖面腹杆的轴力在持续的增加,传递到水平面上垂直腹杆的力也在增加,因此并不是W越大越好。
截面高度H增加时,Ix增大,上下弦杆的内力均减小,同时倾角减少,腹杆的轴力表现持续的减少,而由于弯曲变形和剪切变形的减少,跨中的挠度也逐渐变小。
节间长度S加大时,弦杆内力随着节间长度的增加而减少,腹杆的轴力的轴力也在加大。
腹杆尺寸增加时,单个杆件的剪切变形的减少,反映到结构上就是挠度的减少。
直线形空间倒三角形管桁架在受到竖向均匀荷载作用的时候,表现出腹杆抗剪,弦杆抗弯的受力机理,弦杆轴力的主要影响因素是截面的高度,而竖面斜腹杆轴力的主要影响因素是竖面腹杆与竖直线的倾角,水平腹杆在竖向荷载作用下受力较小,但是如果受到明显的扭矩的作用的话,必须考虑适当的加大水平腹杆的截面尺寸。
参考文献
[1]陈绍蕃.钢结构设计原理.北京:科学出版社,2001
[2]中华人民共和国国家标准.钢结构设计规范(GB 50017—2003).北京:中国计划出版社,2003
[3]朝晖.ANSYS11.0结构分析工程应用实例解析.北京:机械工业出版社,2008
[4]郑红.钢管桁架屋盖结构的静力性能分析.国外建材科技,2007;28(5):89—91
钢管拱桁架 篇7
大跨度钢管蟉架, 在钢结构加工工厂里只能先制作散件, 到施工现场安装时需要大量的支撑胎架、大量的高空作业, 会占用过多的施工场地, 增加相应的管理成本, 并且质量、工期和施工安全都没有保障。
我国北方某火车站在改造施工中, 需要对站房房顶大跨度蟉架结构进行高空拼装。本工程结合以往蟉架拼装经验, 采用格构柱式蟉架结构, 减少了一部分钢材用量和材料成本, 解决了以往散件拼装成本高、工期进度及施工安全没有保障的问题, 取得了不错的经济效益。
1 工程概况
我国北方某火车站改造工程, 包括天桥、站房、雨篷以及地下通道这四个部分。 站房为框架剪力墙结构, 抗震防裂为8 度, 横向宽度约为63m, 纵向长度约为242m, 以上进下出模式进行设计。 在该站房二楼, 为层高13m的候车厅, 主要构件为圆钢管。具体参数如图1 所示, 总体拼装流程如图2 所示。
2 屋面桁架安装难点
在该车站钢结构屋面中, 其4~9 轴同12~19轴以对称方式进行布置, 所使用的构件类型也完全相同, 即由两块完全相同屋面同连拱共同对该车站的候车大厅屋面进行组成, 整个钢结构屋面重量为935t。 在该桁架安装中, 存在着一定难点:
第一, 由于桁架对现场加工条件和运输设备的要求很高, 因此只能在专业加工厂中加工并拼装完毕后, 才能运输到现场进行焊接;
第二, 如果以整体方式进行吊装, 则需要具有较大吨位的起重设备, 这就需要对较大的吊装场地进行提供。 而如果以整体提升方式进行施工, 则需要在具有专业提升设备以及提升塔架的同时具有合适的拼装场地。而无论是整体提升还是整体吊装, 都需要混凝土在达到一定强度之后才能进行;
第三, 当钢构件同钢管桁架形成整体受力体系之后, 单榀钢管桁架所具有的剖面为四边形状态, 在同屋面杆件没有形成整体体系前, 桁架可能会出现受力变形的情况, 阻碍和制约桁架吊装工作的顺利进行;
第四, 在钢管桁架中, 其相贯节点包括有空间以及平面类型, 且具有较为复杂的相贯节点以及相贯线构造, 在现场进行定位往往存在着较大的难度;第五, 钢管桁架在相贯节点方面也具有着较为复杂的特点, 且在焊缝质量以及焊接方面也存在一定的难度。
3 高空分段拼装技术
在对多种方案进行比选之后, 该工程使用了高空分段方式对钢管桁架进行拼装, 即先对支撑平台进行搭设, 以此对操作以及承重功能进行实现, 通过起重机械的应用将钢管桁架构件以分段的方式吊运到支撑平台之后, 再在高空将这部分构建在拼装、焊接之后形成具有稳定特征的体系。 而当安装完构件以及桁架之后, 再对该支撑平台进行拆除。 在施工中, 我们使用QTZ63 塔式起重机作为拼装工作所使用的起重机械。 在对构件位置进行确定时, 在严格按照施工规范的同时根据现场实际对焊接以及吊装进行实现。
4 支撑平台建设
在本工程中, 使用准φ48mm*3.5mm钢管对脚手架进行搭设, 在上方对45mm的脚手板进行铺设, 共同对高空拼装支撑平台进行组成。 同时, 其使用单榀钢管桁架中心线为基准进行对齐, 所搭设的平台长62m, 宽12m。
4.1 脚手架设计
该桁架重量为120t, 平台面积为745m2, 在支撑中其受到来自桁架的自重荷载为1.48k N/m2。 考虑到构件实际在堆放中可能存在的不均匀系数, 脚手架在设计时我们以1.7k N/m2进行计算, 活荷载方面对一台电焊机以及2 名工作人员取2.5 k N/m2, 风荷载即基本风压0.65 k N/m2。 在脚手架布置方面, 按照临时支撑结构设计图 ( 详见图3) 及作业流程 ( 如图4 所示) , 其横向排距以及间距为1m, 步距1m, 高12m。 在上述各项参数设定之后, 使用PKPM软件对荷载情况进行了校核, 经校核所使用的钢管扣件能够满足施工安全性要求。
4.2 脚手架搭设
在对脚手架进行搭设时, 首先进行测量放线工作, 并进行垫板的安装。 之后, 在对底座安放完毕后对管进行树立, 并对扫地杆进行设置。 当对水平杆搭设完毕后, 对剪刀撑以及脚手板进行搭设, 并对栏杆以及脚板进行搭建。 在布设设计方面, 从该站点2 层混凝土楼板区域进行搭设, 并在脚手架外围底部对安全网进行挂满, 使用缆风绳在满堂架内侧绑扎。 在作业层外围, 我们对防护栏杆进行了设置, 一共有两道, 分别为1.2 以及0.6m。在栏杆根部位置, 对挡脚板进行了设置, 其高度在17cm以内。而在作业层下方, 则对水平网进行了架设, 往上每隔五步设隔层平网, 施工层设随层平网。
5 钢管桁架拼装
5.1 总体部署
在整体布置方面, 桁架不同构件根据其实际吊装次序的不同将其分为5 段, 并通过塔式起重机的应用将其吊装到支撑平台之中, 按照图5 所示, 在对下弦杆件进行吊装之后再对下弦杆件进行拼装与焊接。 之后, 对中弦杆件进行吊装、拼装以及焊接, 之后再对中弦杆件同下弦杆件间的腹杆进行拼装、焊接。 只有将钢管桁架焊接成一个整体后, 才能焊接支座连接位置, 如此可保证两者之间的受力体系良好。当拼装、焊接两榀位置钢管桁架后, 再拼装与焊接其他杆件。
5.2 胎架测量
要想确保最终的拼装质量符合要求, 对钢管桁架进行胎架的定位以及测量是必要的。 在正式开始拼装工作之前, 应先对桁架胎架进行一个全面的测量及校正, 然后在杆件搁置位置建立控制网格, 基于此进行钢管桁架胎架的定位以及测量工作。
5.3 弦杆拼装
在高空对所有分段进行拼装时, 需要先对桁架的弦杆进行吊装, 并根据分段定位线以及胎架底线进行定位, 在钢管内部对衬管进行设置之后在桁架主管端部位置对4块耳板进行焊接, 使其作为我们后续对接过程中的连接耳板。当钢管段就位之后, 则可以将对接器把紧, 在固定好主管之后将耳板做好割除以及磨平工作。
5.4 腹杆拼装
按照图5 所示, 在对弦杆安装完成之后, 则可以对腹杆进行拼装。 在对腹杆进行安装时, 需要按照从中间向两边的方式进行, 以此更好地对装配积累误差进行控制, 并做好胎架中心线的制定, 避免出现随意对相贯线接口进行切割的情况。
5.5 焊缝质量控制
对于钢管桁架来说, 由于其构件以不同的强度以及角度进行焊接, 在焊接质量以及焊接技术方面则具有着较高的要求, 在此种情况下, 相贯线端部位置的坡口加工则成为了一项非常重要的工作。 在该施工内容中, 我们使用了HID-900MTS以及HID-600EH相贯线切割机, 并严格按照AWS标准中要求对坡口程序中的参数进行设定, 保证所切割的坡口能够对焊接需求进行良好满足。 支管壁方面, 当主管同支管间夹角在45°以上、或者当壁厚在6mm以上时开坡口, 而如果两者间夹角在25°以内、或者壁厚在6mm以下时, 则不可以开坡口。
相贯节点焊缝方面, 我们以无间隙方式进行施工, 且在两个侧面、端部以及趾部都具有坡口, 焊缝相当于熔透的组合焊缝, 在局部区域1~2mm以及内壁内凹区域, 不能够全焊透, 且木材同焊缝接头很难实现强度连接。对此, 我们以补强角焊缝的方式进行施工。 根据相关加工经验, 当管壁在9mm左右时, 在将角焊缝尺寸增加4mm左右时, 则能够对未焊透问题进行较好的解决, 且能够对等强度连接条件进行满足。 对此, 我们从焊缝量测熔透焊缝过渡到角焊缝, 并将焊脚尺寸增加到钢管1.5 倍壁厚, 在焊接完成24h之后对其进行超声波探伤检测。
5.6 钢构件涂装
在内容安装中, 要按照从两边向中间的方式进行现场涂装施工, 并通过电动工具的应用做好构件表面铁锈、灰尘、油污、毛刺以及焊渣的清除, 在对钢结构基层处理完毕之后, 需要对底漆进行及时的涂刷, 保证每一层底漆涂刷的时间应当在5h以内, 如果由于其他原因使涂刷时间超出了最长间隔, 则需要先使用细砂纸对前漆进行打毛, 在对上方所存在的杂质、尘土进行清除后再进行涂装。 而在每次进行通涂之前, 也需要对边角、焊缝以及不易喷涂的部件进行预涂。 检测方面, 要使用干膜测厚仪以及湿膜测厚仪, 在喷涂油漆之后使用设备进入到湿膜到底材后进行读数, 并在工作完成后使用干膜测厚仪进行检测。
6 支撑平台拆除
工程的扣件式脚手架, 对桁架的高空拼装提供了支撑平台, 通过将该平台的拆除, 则能够将桁架从之前的施工状态转变为设计状态, 且在此过程中桁架内部不同构件也会产生内力的重新分布。 在此情况下, 就需要在该项工作开展之前对合理的拆除顺序进行制定, 在对钢管桁架支座稳定性进行保证的同时保证设计状态同实际构架受力情况能够得到良好的吻合。
6.1 拆除原则
对支撑平台的拆除, 就代表着桁架的卸载, 也是一种荷载转移的过程。 在该转移过程中, 由于结构最终受力同施工受力具有着不一致的特征, 对此, 在拆除时则需要做好控制, 避免出现局部杆件应力集中以及结构局部受损的情况。 通过一定的施工验算, 我们可以了解到, 在对支撑平台进行卸载的过程中, 支撑架由中间向两侧卸载相比由两侧向中间卸载, 屋盖桁架结构的变形量要小, 对此, 我们以从中间向两侧的方式对卸载方案进行确定。 在支架关键支撑点部位, 则通过全站仪的应用在现场进行观测, 通过对支点轴力变化的检测保证桁架以及临时支架的安全。
6.2 拆除措施
根据现场情况以及桁架受力特点, 我们将该支撑平台划分为4 个区, 以分区、分段的方式进行拆除。 在以1-2-3-4 顺序进行拆除的同时, 按照从上到下、东西对称、南北对称的方式进行拆除。 在安装过程中, 也需要对支撑平台做好沉降检测, 保证其垂直度以及支撑架沉降情况都能够满足要求, 以此对拼装焊接质量作出保证。 在对支撑平台进行拆除之前, 要在桁架弦杆位置对监测点进行设置, 每榀桁架对称布设10 个。 在第一区支撑点拆除完毕后, 在3h后进行观测, 在对观测数据记录后再继续对下一区进行拆除。
7 施工效益分析
本文所述火车站大跨度钢桁架高空拼装作业取得了良好的施工效果, 现场拼装过程中仅仅利用塔吊进行安装作业, 不到十天就完成了桁架安装, 且安装合格率为百分之百。 该安装方法不仅缩短了大跨度钢桁架的安装时间, 还大大降低了安装成本, 受到了业主和监理的一致青睐。
①人员方面:该火车站站房蟉架高空拼装的技术和工艺虽然不同于普通蟉架安装工程, 但人员安排与普通蟉架工程一样 ( 详见表1) , 不需配备其它技术人员, 所以相比之下人力成本并未增加。
②材料方面:与满堂支架拼装技术相比, 该火车站站房高空拼装采用的是格构柱临时支撑体系, 所用钢材比满堂支架结构少很多, 节省了大约2 万元的材料成本。
③高空拼装采用整体吊装方案, 即在地面完成预拼装后直接整体吊装到位, 与普通蟉架工程相比, 高空拼装不仅节约施工场地, 而且蟉架安装进度比较快, 工期还不足10 天, 合格率100%, 不需返工, 仅拼装作业环节就直接节省了3 万元的管理费用。
8 结论
本文所述火车站站房大跨度钢管桁架高空拼装技术, 不仅操作简便、工艺简单, 且受到施工影响非常小, 能够在保证工作质量的同时起到了节约工期的效果, 取得了不错的经济效益。 在现实条件下, 可以根据不同安装工程的作业要求, 合理调整高空拼装技术的技术要素和参数设置, 使其能够广泛应用于更多工程领域。
摘要：高空拼装大跨度钢构椼架是目前技术难度较大的钢构施工项目。本文结合普通椼架拼装经验, 针对火车站站房椼架施工要求, 特别采用了格构柱式椼架结构, 减少了一部分钢材用量和材料成本, 解决了以往散件拼装成本高、工期进度及施工安全没有保障的问题, 取得了不错的经济效益。
关键词：火车站站房,大跨度钢管桁架,高空拼装技术
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大跨径钢管混凝土拱定位技术概述 篇8
1加工线型控制
考虑到钢管混凝土拱的制作、运输和吊装条件,需要将钢管拱先在场内按节段进行管节制作,再按分段长度进行管节的接长,形成弦管节段,在大拼胎架上进行节段的整体拼装,安装接头法兰。
由于钢管拱线型一般是抛物线或者悬链线线型,所以钢管节段的接长一般采用以折代曲或者热煨弯工序来完成。采用热煨弯工序加工的管节线型优美、精度高,但相对于大跨径钢管拱,由于其跨度大,钢管直径较大,钢管壁厚较厚,进行热煨弯难度大,故主要采用直缝焊管进行管节和节段的制作。
弦管曲线为二次抛物线或悬链线线型,曲线放样采用计算机进行,按设计图纸中给定的增加预拱度后的曲线进行各控制点坐标的计算,曲线采用以折代曲。为达到线型精度要求,要求管节两端点坐标位于曲线上,管节中点与理论曲线对应点的最大距离需在公差允许范围内,否则需要继续细分管节单元长度。
因此,在预拼装以及现场安装拼装时,由于以折代曲误差以及焊缝余高等因素,所选控制点需在某一管节端点附近,以便于提高施工坐标精度。
2架设定位技术
在大跨度钢管混凝土拱的节段吊装定位施工中,其关键技术之一是节段的线型控制。大跨度钢管混凝土拱的吊装线型测量可以分为拱轴线控制和标高测量控制两部分。由于钢管拱的架设定位测量做不到水准观测,只能采用三角高程测量各控制点三维坐标中的高程,所以需要根据桥长、桥跨及跨越的结构形式,选定合适等级的平面监测网为独立三角网展开三角高程测量工作。为提高定位测量精度,尽量选择在没有日照、没有3级以上大风,并且空气温度以及钢管拱温度变化不大的时段进行钢管拱的精度定位测量工作。所以一般情况下,拱肋的放样与验收测量时间一般尽可能安排在早上6点～8点和下午17点～19点时间段内进行,其他施工验收和施工观测随进度进行。
同时,大跨度钢管混凝土拱的定位精度要求与施工技术有密切的关系。目前,大跨度钢管混凝土拱桥主要采用缆索吊装、斜拉扣定和支架施工法等施工新技术。
2.1 缆索吊装定位施工
缆索吊装定位施工是修建大跨度钢管拱桥的主要架设方法之一,缆索吊装定位技术采用钢绞线或高强钢丝作为扣索,两端用锚具固定,其工作状态近似于斜拉桥的斜缆,其基本工作程序有:
1)在工厂按照1∶1制作拱肋节段;
2)用缆索起重机把拱肋段吊至跨间;
3)用钢绞线把拱肋段扣挂在设计位置,用千斤顶在锚锭上施力;
4)第一段拱肋段与拱座铰接后,以后扣挂一段立即与前段固接,直至全部节段吊装完毕;
5)如全跨只有一条拱肋,则放松并摘除扣索即完成了悬臂合龙全部工序,有两条及两条以上拱肋时,每条肋重复上述1)～4),待所有拱肋悬拼合龙完成后,分次对称放松所有扣索,完成全跨拱肋的悬拼合龙。
缆索吊装施工由于具有跨越能力较大,水平和垂直运输机动灵活,适应性广,施工方便等优点,尤其在修建大跨径或连续多孔的拱桥中,更显示出这种施工方法的优越性。拱肋节段的线型精度通过实测每节钢管拱的标高及拱轴线位置并借助扣索实施动态调整来保证。
2.2 支架定位施工
支架施工方法就是在桥位处先按钢管拱肋的设计线型和预留拱度值,拼装好膺架,于膺架上就位拼装、焊接成拱的施工方法。采用支架施工时,膺架的基础沉降、弹性和非弹性变形等要事先算出,并预留拱度,膺架顶部设置微调装置,如千斤顶、钢楔等,以便对拱肋的标高和平面位置进行调整。支架法施工通常在拱肋离地面不高、桥下无水或水位不深、施工条件较好的情况下采用。这种方法的优点是:施工稳定性好,拱轴线容易控制,构件安装简便,施工操作面广。
3结语
大跨径钢管混凝土拱桥拱肋的定位施工质量和拱肋工厂加工技术、测量控制网等级以及施测技术、架设定位技术等都有非常密切的关系。须在合理的设计前提下,在每个环节、每个参建方的密切配合下,加强质量控制,提高施工技术,保证监控水准,才能保证大跨径钢管混凝土拱桥的兴盛不衰,长久屹立于庞大的桥梁世界中。
摘要：针对目前钢管混凝土拱桥跨径不断增大,其施工难度和精度要求越来越高的情况,分别从工厂管节加工线型控制和现场架设定位线型控制等方面来阐述大跨径钢管混凝土拱的施工定位技术,以保证大跨径钢管混凝土拱桥施工质量。
关键词：钢管混凝土拱桥,线型控制,定位技术
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