钢桥构件由制造工厂运抵桥址以后,必须在结构架设(erection)就位、牢固支承连接、建造好桥面和其他必要设施后,才能行车。这部分施工工作,称为架设(或安装)。
钢桥常用的架设方法有悬(伸)臂法、拖拉法/顶推法、浮运法等。需要结合具体情况,选择合理有利的安装方法。影响钢梁架设方法选择的因素有:桥址的地形条件、气象条件和桥梁的技术条件(桥孔的多少、跨度的大小、构件的重量以及结构构造特征等)。
1.悬臂法架设钢梁
对多跨简支钢桁梁结构,悬臂法是指将钢桁梁由一个墩(台)悬臂拼装到另一个墩(台)的架设方法。将杆件逐根地依次拼装在已就位的平衡梁(也称锚固梁)上,形成向桥孔中央逐渐增长的悬臂,直至下一个墩(台),这称为全悬臂拼装;若在悬臂拼装时,在桥孔中设置一个或多个临时支墩,借以减短悬臂长度,则称为半悬臂拼装。对多跨连续钢桁梁结构,桥跨的安装可从中间桥墩开始,同时向左右两跨中央对称延伸,这叫做平衡悬臂拼装。图6.28为简支桁梁半悬臂拼装示意图。
图6.28 简支桁梁半悬臂安装示意
随着悬臂长度的增加,悬臂端的挠度和悬臂支承处附近的杆件内力将逐渐加大,有时大到超出容许范围。因此,降低钢梁拼装应力和梁端挠度,保证钢梁拼装时的安全,是悬臂拼装的关键问题。几种常用的措施如下:
(1)临时加固悬臂支点附近的杆件或梁体(图6.28)
临时加固措施可增大杆件的稳定性或强度,但对于多孔悬臂安装的钢梁,需加固的杆件较多,加固材料不易回收;可借用暂不拼装的钢梁杆件,但加固杆件的装拆较费工费时。
(2)吊索塔架
它是钢梁架设的辅助结构,常用于大跨度钢桁梁的架设。该措施是:在钢梁合适支点处设一临时塔架,在塔架顶用一对或多对钢索牵到塔架左右梁段的对称节点上。当钢梁伸臂到一定长度时,张拉钢索或起顶塔架,将钢梁悬出部分向上提拉,借助钢索的斜拉力,减小杆件内力和梁端挠度,使之安全地继续前拼。图6.29为采用双层辅助吊索架设九江长江大桥钢桁梁时的情形。
图6.29 九江长江大桥吊索塔架架设钢桁梁
(3)墩旁托架
在悬臂拼装钢梁时,可在前方墩台的一侧,顺桥纵向预先安装一定长度的临时钢架,这就是墩旁托架。当钢梁悬臂拼装至托架顶部时,则可将梁端支承在托架上,以减小悬臂长度。另外,在从桥墩处平衡悬臂拼装结构时,为提供拼装平台,往往也需要设置墩旁托架。
(4)半悬臂拼装
在桥下条件允许时,可在桥孔中设置一个或几个临时支墩(见图6.28示意),使钢梁受力状态得以改善。在多孔钢梁悬臂拼装时,第一孔钢梁多用此法。
(5)中间合龙
随着悬臂长度的增大,为保证钢梁稳定所需的平衡梁的长度也将增大,支座附近处杆件的安装内力和梁端挠度也将增大。过大的悬臂长度,也将使钢梁的横向刚度减小,降低了架设过程中的横向稳定性。为了避免这些不利的情况,减小悬臂长度,可采用跨中合龙的措施,即由桥跨两旁的墩(台)向跨中同时拼装钢梁,在跨中进行梁部合龙。
宁波三官堂大桥横跨甬江,上部结构为160m+465m+160m的三跨连续全焊钢桁梁。施工过程是:先在两岸架设边跨形成平衡梁,再单悬臂节段拼装主跨至跨中合龙,见图6.30。
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图6.30 三官堂大桥单悬臂架设主跨钢桁梁
2.拖拉法/顶推法架设钢梁
拖拉法或顶推法的共同特征是:将岸边沿桥纵向已拼好的梁(段)沿纵向移动,前端悬臂而出,直至其前端达到前方的墩台。当纵移力是用绞车、滑轮组、钢丝绳提供时,称为拖拉法;当纵移力是用水平向千斤顶时,称为顶推法。
采用拖拉法架设钢梁是将钢梁在桥头路基或临时支架上进行拼装,并在钢梁下缘安设“上滑道”,而在路基或支架、墩台顶面安设“下滑道”,在上、下滑道间放置一定数量的滚轴,然后通过滑轮组、绞车等牵引设备,沿桥轴纵向拖拉钢梁至预定的桥孔。最后拆除拖拉设备,落梁就位。
拖拉法架梁的优点是,钢梁的现场拼装工作大部分是在岸边路基或工作平台上进行,工作条件好,容易保证质量,同时减少了高空作业。其次,钢梁的拼装工作可以与墩台基础的施工并列进行,可以缩短工期。但使用拖拉法需要有一定的拖拉牵引的设备,需要设置一定数量的滑道以及布置临时墩架等。更主要的是,拖拉法受建桥工点附近地形条件的限制。
在拖拉过程中,有时需要在永久性墩、台之间设置临时性的中间墩架,以承托被拖拉的桥跨结构,这称为半悬臂拖拉;若无临时墩架,则称为全悬臂拖拉。为使悬臂端尽早到达前方墩台,可在梁端前加设导梁(也叫鼻梁)。为保证钢梁在拖拉过程中的纵向稳定性,有时尚需在平衡梁上采取压重等措施。对多孔等跨简支梁,拖拉前宜将其临时连接为连续梁。
顶推法借用了拖拉法的施工原理,区别在于滑道设置和驱动方式。顶推法采用不锈钢板和聚四氟乙烯板形成滑道,改滚动为滑动;在墩台顶设置水平向-竖向千斤顶(或水平向千斤顶配拉杆),改拖拉为顶推。根据实际情况,可采用单点顶推或多点顶推,步距式顶推或连续顶推,单向顶推或相向顶推,滑道支承方式顶推或永久支承方式顶推等不同工艺。
图6.31为合肥铁路枢纽南环线的一座三跨钢桁梁柔性拱特大桥,带拱的主跨长229.5m,自重达1.35万吨。该桥小角度跨越两条既有公路,故采用带拱顶推的多点顶推架设法。顶推所用的设备包括:钢桁梁拼装平台,两个辅助墩,102m 长的钢桁导梁,铰接式滑块和不锈钢滑道,水平顶推系统,竖向落梁系统,侧向纠偏装置等。
图6.31 顶推法架设钢桁梁
3.浮运法架设钢梁
传统的浮运架设法是指在桥位岸边,将钢梁拼装成整孔后,利用码头把钢梁滚移到浮船上,再浮运至预定架设的桥孔上落梁就位。
浮运法架梁对自然环境条件有一定要求,如要求桥孔中有适当水深,钢梁底面距施工水位净空不宜过高,浮运过程中风力与水流流速不大,架梁时水位较稳定,岸边有拼装钢梁的场地和修建码头的条件等。
浮运法架梁的主要优点在于:钢梁拼装可在岸上进行,且可与基础、墩台施工平行进行。架设多孔钢梁时,主要浮运设备如码头、浮船等可重复使用,节省投资。
图6.32为浮运法架设简支钢桁梁的示意图。
图6.32 钢桁梁浮运架设示意
现代大型浮吊(floating crane)的起吊能力大,通常自带动力,这使得桥梁的大件或整孔的吊运及安装更为便利,因此在桥梁施工中具有广阔的应用前景,尤其适合于近海环境中采用预制吊装方法建造的长桥。图6.33为平潭海峡公铁两用大桥采用起吊能力达3600t 的浮吊整体架设跨长88m、重1350t的简支钢桁梁。
图6.33 平潭海峡大桥简支钢桁梁浮运架设
除上述施工方法外,还可采用支架法、转体法等来架设钢桁梁。
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