斜拉桥塔墩吊装技术

申 报 论文 教教 授授 级级 题目 斜拉桥塔墩吊装技术题目 斜拉桥塔墩吊装技术 2011 年年 3 月月 6 日日 单单 位 位 北京市公路桥梁建设集团 姓姓 名 名 课题方向 课题方向 道路桥梁施工 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第 I 页 I 摘摘 要要 本文对秦皇岛燕山大学斜拉桥塔墩吊装的技术难点进行了分析 介绍吊装方案的选择 同时对关键技术进行了总结 方案综合考虑 了以下因素 塔墩下半部为混凝土结构 上半部为钢箱结构 钢混 接头处有特殊要求 最大吊装重量为 120 吨 吊装高度为 60 米 钢 箱的空间姿态向两个方向倾斜 斜塔自重水平分力参与对斜拉索施 力 空间位置要求精度高 塔墩紧邻京秦铁路距离为 13 米 吊装方 案必须确保铁路的安全运营 吊装方案经充分论证 安全完成施工 任务 关键词 斜拉桥 塔墩 吊装 施工技术 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第 II 页 II 目目 录录 摘 要 绪 论 1 一 工程概况 2 1 塔墩造型 3 2 钢混接头 4 3 倾斜方向 5 4 铁路安全 5 5 节段划 分 6 二 难点分析及方案比选 7 1 吊装方 式 7 2 支腿距离 7 3 横梁提升 9 4 现场布置 10 三 主要施工工艺及关键技 术 11 1 门吊支 腿 11 2 起重横梁 16 3 纵梁计算 21 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第 III 页 III 4 动力系统 22 5 吊具设 计 23 6 角度调整 26 四 施工效果评价 27 结 论 28 参考文献 29 附 录 30 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第 0 页 0 绪绪 论论 秦皇岛市燕山大学斜拉桥塔墩造型独特 塔墩立面上直下斜呈 折线形 下段 30m 为倾斜段 倾斜 12 度 上段 20m 为竖直段 塔墩 横向造型为倒 Y 形 塔肢向内倾斜 15 度 塔墩锚固区以下采用钢筋 混凝土结构 锚固区采用钢箱结构 部分钢箱节段具有两个倾斜方 向 塔墩紧邻京秦铁路距离为 13 米 倾斜方向朝向铁路 吊装高度 为 60 米 吊装重量为 120 吨 场地狭窄崎岖等不利因素 保证斜塔 吊装两个方向的倾斜角度准确性 安全性和施工易操作性 是需研 究的技术难题 两角度斜塔吊装的成功实施 为倾斜构件吊装领域提供了有益 的参考 虽然一个桥梁工程的斜塔吊装只是个案 并且倾斜构件吊 装工程千差万别 但合理的施工思维会带来触类旁通的效果 为解 决倾斜构件吊装难题提供思路 本文对斜塔吊装进行了全面的描述和总结 要点是对两角度斜 塔吊装的角度控制 一 呈对称倾斜的构件 把两件不平衡构件组 装成一件整体平衡的构件 固定一个方向倾斜角度后整体吊装 二 利用起重吊耳的位置粗调构件的角度 高空吊装就位后再精确调整 角度 希望能起到抛砖引玉的作用 为吊装施工技术做贡献 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第 1 页 1 一 工程概况一 工程概况 秦皇岛市燕山大学斜拉桥是连接东 西校区之间的桥梁 跨越 双线电气化京秦铁路 桥梁与铁路相交处铁路里程 K289 439 位于 南大寺至秦皇岛区间 桥梁形式为独塔斜拉桥 全长 378m 主桥为 独塔双索面斜拉桥 跨度为 40 108 16 26 m 结构体系为墩 塔 梁固结体系 塔墩上直下斜呈折线形 重心后倾 塔墩倾斜部分的 方向趋向于所受合力的方向 以尽量减小塔内弯矩 塔墩横向造型 为倒 Y 形 横向刚度大 有利于横向稳定 塔墩在锚固区以下采用 钢筋混凝土 以降低造价 并具有较好的抗疲劳性 减少后期养护 维修 同时可以利用混凝土塔墩自重大的特点 抵抗主孔拉力 缓 解背索负担 塔墩锚固区由于索力巨大且集中 而塔身截面较小 如果采用混凝土结构不能满足锚固区的强度及安全性要求 因此塔 墩锚固区采用钢结构 主梁从经济性考虑采用预应力混凝土结构 主跨拉索采用半扇形布置 横向采用 A 形双索面布置 有利于主梁 抗扭 塔墩桥面以上高 50m 塔高与跨度比为 1 2 16 塔墩高 7 3m 塔墩立面下段 30m 为倾斜段 后倾 12 度 上段 20m 为竖直段 塔墩横向为倒 Y 形 下段塔身为水平矩形内侧削角截面 上段合并 为矩形截面 纵向尺寸 6 2 8m 横向在下段两叉分为 2 0m 上段由 4m 到塔顶 3m 变宽 塔墩在锚固区以下采用钢筋混凝土结构 由于 塔墩为空间倾斜塔柱 为了方便塔墩的施工放样 立模 钢筋绑扎 在塔柱内设劲性钢骨架 塔墩锚固区由于索力巨大 应力高度集中 而截面尺寸较小 因此采用钢箱结构 以保证足够的强度和安全可 靠性 混凝土段和钢箱段的结合部位选择在弯矩和剪力相对较小的 位置 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第 2 页 2 1 1 造型新颖造型新颖 塔墩造型新颖 纵向上直下斜呈折线形 重心后倾 横向为倒 Y 形 与荷兰鹿特丹伊拉斯穆斯桥造型相似 图 1 1 秦皇岛市 燕山大学 斜拉桥 图 1 2 荷兰 鹿特丹 伊拉斯穆斯桥 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第 3 页 3 2 2 钢混接头钢混接头 塔墩下半部为混凝土结构 上半部为钢箱结构 钢混接头的牢 固程度对桥梁安全使用至关重要 因此接头部位进行了加强设计 施工步骤为 浇注下塔柱混凝土至设计标高 焊接高于混凝土顶面 1 米的型钢平台 临时支撑钢箱 吊装钢箱到型钢平台 调整角 度和固定钢箱 钢筋与钢箱焊接 预埋的精轧螺纹钢准确插入钢 箱内至设计位置 支立模板 浇注封口混凝土至钢箱内设计位置 张拉精轧螺纹钢 浇注封锚混凝土 张拉 1 斜拉索 继续吊装第二 节段钢箱 图 1 3 钢混连接接头吊装过程 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第 4 页 4 图 1 4 钢混连接接头封口混凝土外观 3 3 倾斜方向 倾斜方向 钢箱的空间姿态向两个方向倾斜 向西侧倾斜 12 向中间倾斜 15 斜塔自重的水平分力参与对斜拉索施力 要求塔墩安装空 间位置精度高 图 1 5 斜拉桥主桥结构图 4 4 铁路安全 铁路安全 塔墩紧邻京秦铁路 距离仅为 13 3 米 吊装方案确保铁路的安全 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第 5 页 5 图 1 6 塔墩与铁路位置关系图 5 5 节段划分 节段划分 塔墩钢箱节段为 S1 1 S1 2 S2 1 S2 2 S3 S4 S5 共计 七段 单件重量分别为 24 吨 24 吨 39 吨 39 吨 96 吨 73 吨 19 吨 实际吊装的最大重量为 120 吨 由于钢箱节段两个方向倾斜 在高空调整角度难度大 尽量采取在地面组装拼接调整好角度 所 以 S1 1 2 两段在地面完成组装后吊装 S2 1 2 加 S3 的下半部分 共四段在地面完成组装后吊装 重量为 120 吨 图 1 7 设计与实际钢箱节段划分 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第 6 页 6 二 难点分析及方案比选二 难点分析及方案比选 1 1 吊装方式 吊装方式 采用何种方式吊装钢箱是施工的首要方案 经过业主方 监理 方 施工方 铁路局 专家团共同研究选定龙门吊吊装方式 放弃 大吨位吊车吊装方式 理由如下 通过现场实际测量 吊车的吊重半径为 10 5 米 如果采取单件 吊装 450 吨吊车能达到起重要求 但是难以保证钢箱两个方向的倾 斜角度准确 如果采取地面组装调整好角度再吊装 由于重量提高 需 要 650 吨吊车才能达到起重要求 工程造价提高 经济性不佳 由于塔墩紧邻京秦铁路 距离仅为 13 3 米 并且塔身向铁路方 向倾斜 12 如果采用大吨位吊车 吊车起重臂扒杆移动的方向朝 向铁路 对于客运 货运繁忙的铁路大动脉来说 是潜在的危险源 万一在吊装过程中机械失灵或者刮大风 后果将是灾难性的 安全 性难以被铁路部门认可 塔墩钢箱节段由地处河北省燕郊市的核工业部二三公司加工制 作 采用公路运输到秦皇岛工地现场 S3 节段由于超宽无法公路运 输 经与设计协商 S3 分体加工 运输 现场组装 因此分包单位 要求现场具备卸车 二次搬运 组装条件 大型吊车不便分散吊装 操作 2 2 支腿距离 支腿距离 龙门吊支腿距离决定起重横梁的大小 龙门吊支腿距离越小同 型号起重横梁的吊装重量越大 因此在条件允许的情况下尽量减少 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第 7 页 7 龙门吊支腿距离 提出了三种支腿距离 12 米 16 米 20 米 图 示如下 图 2 1 支腿距离设置方案比选 支腿距离 12 米方案 在图示两个圆圈 15 米范围内 16 根立柱穿 透塔墩 在钢箱节段没吊装前 混凝土塔柱处于悬臂状态 设计单 位不同意吊装过程中中塔柱参与受力 同时立柱影响主梁内的预应 力钢束 因此 12 米方案被否定 支腿距离 16 米方案 有 8 根立柱穿越中塔柱 同时对主梁内的 预应力钢束有影响 如下图 因此 16 米方案被否定 图 2 2 支腿立柱与主梁预应力钢束位置示意图 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第 8 页 8 支腿距离 20 米方案 对中塔柱和主梁预应力钢束均不影响 通 过在主梁翼缘板上预留空洞 使龙门吊支腿立柱受力传导到下塔柱 混凝土上 对塔墩的中塔柱混凝土部分没有影响 方案得到各方认 可 但是 20 米的跨度 企业自有的起重横梁最大吊重 120 吨 缺少 吊重重量安全储备 通过对自有起重横梁进行技术革新 确保起重 横梁安全储备达标 保证吊装施工安全进行 3 3 横梁提升 横梁提升 龙门吊支腿采用万能杆件拼装 高度为 60 米 支腿距离铁路距 离为 9 米 起重横梁为三角形桁架 长度为 28 米 高度为 3 米 宽 度为 1 5 米 它的特点是外形尺寸庞大 重量不大 15 吨 条 安全可靠的横梁提升方案是塔墩正式吊装前的预演 也是对施工单 位能力的事前检验 通过用可靠 简单的扒杆提升体系 将 2 条起 重横梁 4 条万能杆件横联提升 扒杆提升体系设置 在龙门吊顶 部拼装临时支架 作为扒杆的支腿 采用 2 台上下方向移动而左右 方向固定的人字型扒杆吊装横梁 人字型扒杆只有单方向自由度 结构简单 安全可靠性高 扒杆的设计起重能力为 15 吨 台 两台扒 杆起重能力共计 30 吨 人字型扒杆采用钢管 型钢焊接制作 动力 系统采用 2 台 5 吨慢速卷扬机及配套的滑轮组 以上材料及设备均 为企业自有 降低了施工成本 人字扒杆和吊装过程见照片 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第 9 页 9 图 2 3 人字扒杆和吊装横梁过程 4 4 现场布置 现场布置 由于施工现场高空作业多 交叉施工多 为了保护施工人员安 全和施工有序进行 对吊装现场进行了规范化布置 塔墩区域为 安全重点控制区 图 2 4 吊装现场布置平面图 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第 10 页 10 三 主要施工工艺及关键技术三 主要施工工艺及关键技术 1 1 门吊支腿 门吊支腿 1 1 外型尺寸 外型尺寸 龙门吊支腿采用万能杆件拼装 杆件拼装的原则为 支腿立柱 强度验算合格 支腿整体稳定性验算合格 支腿顺桥方向长度满足 顶部起重横梁纵向移动范围 龙门吊支腿外形尺寸最终设计为 两 个支腿距离 20 米 每个支腿的长度 12 米 宽度 4 米 高度 66 米 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第 11 页 11 图 3 1 龙门吊支腿布置图 龙门吊支腿根部万能杆件焊接在承台 下塔柱 中塔柱的预埋 带锚筋钢板上 支腿顶部设置顺桥方向滑道 起重横梁能够顺桥方 向移动 确保对位准确 2 2 杆件备料 杆件备料 根据龙门吊支腿方案 经过计算万能杆件立柱三榀能满足要求 比 4 榀立柱方案减少用量 110 吨 最终万能杆件需用量为 454 吨 单位自有 220 吨 需租赁 234 吨 由于万能杆件属于专用物资 提 前半年联系订货 提前三个月进场 支腿提前二个月拼装 万能杆 件规格数量表如下 表 3 1 拼装支腿万能杆件数量表 名称单重数量总重合计备注 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第 12 页 12 kg kg t N173 11652120764m N236 52304840962m N415 6356455598 N521 5244252503 N611 8489657223 N710 92883139 N810 62642798 N1214 7151822314 N1321 385818275 N153 611884324 N185 97924673 N193 1356411084 N202 323046129 N21169305070 特制 N2220 12645306 454 3 3 支腿验算 支腿验算 最大吊装重量为 120t 取吊具增重系数 1 05 取动载系数 1 1 顶升千斤顶速度为 40cm min 速度缓慢均匀 动载系数取 1 1 荷载 Q 120 1 05 1 1 138 6t 3 1 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第 13 页 13 求横梁两端支点反力 横向滑移机构 含提升顶 小纵梁 两组 每组 3t 共 6t 横梁 2 25 m 单重 6t 10m 共 30t 纵向滑移机构 2 组 单重 1t 组 共 2t 每端恒载 6 30 2 2 16t 横向滑移机构可能偏置 活载对横梁两端的重力不是相等的 设定偏 置最大为 1m 横梁两端支点反力是 79t 和 66t 加上恒载 16t 为 96t 计算支腿立柱自重 自上而下为钢轨 工字钢 32a 21 7 6 1 或 2 4 5 22 8 单柱三榀 高 60m 重量分别为 工字钢 0 105t 21 0 0324t 2 2 96t 4 0 873t 5 1 22t 6 0 756t 7 0 053t 8 0 59t 22 0 56t 合计 8t 每根立柱 安全系数 根据受力分析简图 横梁某端的支点反力 是由 10 号槽钢 四氟板承 受 经过钢轨及两根 32 号工字钢分配 传递给万能杆件竖杆 由于 不均匀性 但至少有两根以上竖杆立柱承重 经查阅 三榀竖杆可承压力 103 3t 两根立柱同时可承重 103 3x2 206t 横 梁端部最大支点反力为 96t 加上两根竖杆立柱自重 8x2 16t 共 112t 安全系数 K 容许承重 实际承重 3 2 安全系数 K 206 112 1 8 结论 龙门吊支腿立柱是安全的 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第 14 页 14 4 4 整体稳定性验算 整体稳定性验算 最大风力按 60kgf m2 计 塔架风阻系数 0 4 最大风力形成 的倾覆力矩 M 凤倾覆 62 12 60 0 4 31 553536kgm 3 3 塔架自重 P 236t 236000kg 自重形成的稳定力矩 M 稳 236000 2 472000 kgm M 稳 M 凤倾覆 虽然塔架底部与预埋件固连 不参与计算 为安全储备 设 置风缆很有必要 风缆钢丝绳 17 5 钢丝绳破断力不小于 15 6t 2 31 2t 31 2t cos60 58m 31 2t 0 5 58 904800 kg m 风缆有东南西北四个方向上下两层 总的风缆稳定力矩 M 风缆稳 2 904800 kg m 1809600 kgm M 总 M 风缆稳 M 自重稳 3 4 M 总 M 总 1809600 472000 2281600 kgm 2281600 kgm M 凤倾覆 553536 kgm 安全系数 K 2281600 553536 4 12 结论 设置风缆龙门吊是安全的 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第 15 页 15 图 3 2 龙门吊整体外型照片 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第 16 页 16 2 2 起重横梁 起重横梁 1 1 设备介绍 设备介绍 起重横梁为单位自有设备 1999 年在北京市四环路跨东郊编组 站工程使用 陆续在多个工程中使用 采用多用途设计 既可以组 装成为龙门吊 又能作为双导梁架桥机 由郑州大方设计制造 型 号为 DF40 100 技术参数如下 图 3 3 起重横梁技术参数及合格证 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第 17 页 17 图 3 4 起重横梁组装编号说明 2 2 横梁计算 横梁计算 800cm800cm 730KN730KN 730KN730KN 2200cm2200cm M 5110KN M5110KN M 5110KN M5110KN M Q 730KN 730KN 730KN 730KN 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第 18 页 18 抗弯应力 单位自有横梁 三角架 横截面 Ix 2850826cm4 Wx Ix 112cm 25453cm3 3 5 两根横梁参与受力 M 51100000kg cm M 2 Wx 3 6 51100000 2 25453 1003 8kg cm2 100 38MPa 170MPa 抗弯强度足够 挠度计算 fmax PaL2 24EI 3 43 3 7 式中 L 2200cm a 700cm P 73000kg a L 700 2200 0 31818 I 2850826cm4 E 2 1 106kg cm2 fmax 73000 700 22002 3 4 0 318183 24 2 1 106 2850826 73000 700 22002 2 87115 24 2 1 106 2850826 4 94cm fmax 1 L 400 5 5cm 结论 起重横梁是安全的 起重横梁采用二点吊重 利用特制扁担梁将吊点距离扩大为 8 米 计算证明起重横梁在吊装过程中是安全的 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第 19 页 19 3 3 横梁实验 横梁实验 为了确保起重横梁万无一失 在龙门吊拼装前对起重横梁进行 了吊重实验 吊点距离采用 5 米 缩小的 3 米距离作为安全储备 时间 2005 年 9 月 22 日 气温 22 地点 0 桥台西侧 风力 2 3 级 主持人员 康宇 参加人员 杨红叶 王海波 杨宏志 王兰桥 试验目的 起重横梁抗弯实验 试验过程 用万能杆件搭设卸车龙门吊 起重横梁跨距 22m 横梁 跨中两侧各 2 5m 为吊点 吊点距离为 5 米 表 3 2 横梁实验起吊重量统计表 序号名称数量总重量 吨 备注 1 万能杆件 1 铁1200 个 87 7 2 万能杆件 2 铁800 个 29 2 3 万能杆件 4 铁500 个 7 8 4 天车2 台 10 5 小横梁2 个 11 6 吊钩2 个 1 总计 146 7 吨 符合本次横梁 抗弯试验起吊 140 吨的要求 起吊高度为 1m 静止等候 30min 后 经测量观测最大挠度为 5 2cm 试验结论 起吊横梁最大挠度为 5 2cm 符合挠度小于起吊横 梁跨距的 1 400 5 5cm 的要求 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第 20 页 20 横梁起重实验见下面照片 图 3 5 起重横梁实验照片 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第 21 页 21 图 3 6 起重横梁实验中吊装的重物照片 3 3 纵梁计算 纵梁计算 小纵梁底部有槽钢扣在大横梁钢轨上 确保小纵梁能够沿大横 梁方向南北移动 由于小纵梁南北方向宽度为 70cm 小纵梁顶部提 升千斤顶高度为 3m 所以小纵梁应与其顶部的槽钢焊斜撑支腿 防 止小纵梁倾倒 提升千斤顶也需挂风缆绳固定 720KN720KN 200cm200cm M M 3636 t mt m Q Q 360KN 360KN 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第 22 页 22 36t 36t 小纵梁采用两根 45 号工字钢拼接而成 查表 F 111cm2 Ix 33760cm4 Wx Ix F 1500cm3 3 8 抗弯强度 M 2 Wx 3 9 3600000kg cm 2 1500cm3 1200kg cm2 120MPa 170MPa 剪力很小 因跨度小 挠度也很小 均计算从略 结论 小纵梁是安全的 4 4 动力系统 动力系统 采用两台 ZLD1500 自动连续顶升千斤顶作为提升动力 由连续 千斤顶通过串联穿心千斤顶 钢绞线束 自动工具锚 拉锚器体系 防坠落自锁装置实现连续顶升 表 3 3 自动连续顶升千斤顶的技术性能表 序号项目单位数量序号项目单位规 格 1 公称张 拉力 KN15005 穿心孔 直径 MM 130 2 公称油 压 MPa316 外形尺 寸 MM 375 1600 3 张拉活 塞面积 MM2602007 速度 m h25 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第 23 页 23 4 重量 Kg8608 行程 MM200 图 3 7 连续顶升千斤顶 图 3 8 防落安全锚 安全锚与油缸一体化 5 5 吊具设计 吊具设计 吊具俗称 扁担梁 在吊装过程中防止产生水平分力 避免 被吊物体变形 在本工程中通过增加扁担梁的高度加大抗弯能力 使吊点距离增加到 8 米 减小了龙门吊上起重横梁的弯矩 保证起 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第 24 页 24 重横梁的安全储备达标 现场利用自有钢箱式导梁改装成为扁担梁 图 3 9 吊具外观照片 图 3 10 吊具工作照片 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第 25 页 25 700KN700KN 1400KN1400KN 700KN700KN 800cm800cm M M 2800KN M2800KN M Q Q 700KN 700KN 700KN 700KN 1 6cm1 6cm 1 2cm1 2cm 1 2cm1 2cm 160cm160cm 1 6cm1 6cm 34 4c34 4c 52cm52cm 抗弯强度 M Wx 28000000kg cm 22685 34cm3 3 10 式中 Wx Ix 80cm 22685 34cm3 1234 27kg cm2 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第 26 页 26 材质 16MnQ 2400kg cm2 挠度计算 fmax PL3 48EI 3 11 式中 L 800cm P 140t 140000kg F 542 72cm2 I 1814827 28cm4 E 2 1 kg cm2 6 10 fmax 140000 8003 48 2 1 106 1814827 28 14 5 12 48 2 1 1 814827 0 392cm 结论 扁担梁是安全的 在扁担梁吊点附近 均需贴 1 6cm 厚 面板及加 1 6cm