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港珠澳大桥主体工程桥梁工程钢箱梁大节段制作技术研究

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龙行天下 发表于 2018-12-7 14:21:12 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题

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1  概述

展望21 世纪中国桥梁工程的发展前景,跨海桥梁工程将会成为21 世纪桥梁建设的主题。跨海工程发展的主要目的是解决城市之间的交通往来。东南沿海一些城市目前还主要靠渡轮来解决交通问题,一旦发展跨海桥梁工程,将会给这些地区带来很大的便捷,同时能够促进其经济的进一步发展。以港珠澳大桥为代表的跨海桥梁工程正是在此背景下应运而生的。

港珠澳大桥东接香港特别行政区,西接广东省( 珠海市) 和澳门特别行政区,是国家高速公路网规划中珠江三角洲地区环线的组成部分和跨越伶仃洋海域的关键性工程,将形成连接珠江东西两岸新的公路运输通道。起到密切珠江西岸地区与香港地区的经济社会联系,改善珠江西岸地区的投资环境,加快产业结构调整和布局优化,拓展经济发展空间,提升珠江三角洲地区的综合竞争力,保持港澳地区的持续繁荣和稳定,促进珠江两岸经济社会协调发展,建设港珠澳大桥是必要的,也是十分迫切的。

2  桥梁施工特点和总体施工方案

2. 1 桥梁施工特点港珠澳大桥主体桥梁工程全长约22. 9 km,包括深水区非通航孔桥、跨越崖13 - 1 气田管线桥、青州航道桥、江海直达船航道桥、九州航道桥和浅水区非通航孔桥。
桥梁典型结构见图1。
全桥除通航孔桥有索区的钢箱梁采用小节段吊装方案以外,其余36 万t 钢箱梁均采用大节段吊装架设方案。
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图1 桥梁典型结构

2. 2 钢箱梁制作

总体施工方案采用成熟的长线法拼装技术在胎架上进行钢箱梁小节段拼装焊接,同时进行分段拼接,形成分段后下胎进行涂装。分段完成涂装后转运至大节段专用拼装胎架上进行大节段组焊及预拼装,见图2。

图2 大节段拼装示意大节段长细比较大,总体扭曲、旁弯、线形的控制是重点。同时,大节段单重约30 000 kN,支撑、调节墩位布置也是确保结构安全的难点。本文将针对大节段拼装技术展开深入研究。

3  大节段拼装技术分析

3. 1 拼装胎架设置传统桥梁工地拼装一般为临时场地、安装防风防雨蓬后进行施工。港珠澳大桥所有大节段均在大节段拼装厂房( 图3) 内完成,实现工厂化生产,较传统露天作业在质量控制、工期成本、安全文明施工及环保等方面都有明显的优势。
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图3 大节段拼装厂房

钢箱梁大节段重量大,支墩位置地面承载力大,单点受力需满足500 kN。厂房地面铺设连锁块后进行了预压,并在大节段拼装前对地面进行了沉降监测,检测结果见表1。

表1 大节段厂房预压沉降
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为了使大节段拼装获得理想的几何尺寸、线形,通过分析、计算,对拼装厂房地面采取了加固措施,在梁段支撑位置铺设钢板,钢板上焊接纵向加劲肋,见图4。
经过实时监测梁段线形高程,通过对地面沉降的连续观测,证明此处理措施有效地避免了地面局部沉降对大节段制作线形的影响。
另外,考虑到单点受力过大可能导致支点位置钢箱梁变形,还对钢箱梁主体结构进行了安全性验算,证明支撑梁段横肋板较横隔板更为安全。因此,大节段拼装及存放时支墩多布置于横肋板处,保证钢箱梁结构安全稳定。
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图4 钢箱梁大节段支撑体系

3. 2 设立线形监测控制网

在厂房立柱上设置水准点,作为大节段拼装时的线形控制点,为了检核需要,在厂房外稳定的基础上建立一个固定的水准点( 实验室永久建筑上) ,并随时对厂房内的水准点进行复核。在地面上放样桥梁中心线,并在厂房两端做好地样基准,控制梁段调整时的中心线,见图5。

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图5 大节段拼装线形监控网

3. 3 分段复位技术

大节段拼装的关键是将长线拼装的分段准确复位,使分段的桥梁轴线和高程与大节段监控线形数据相吻合。由于钢箱梁分段重量为4 000 ~7 500 kN,为了让梁段能安全、稳定、准确的复位,专门设计制作了大节段拼装调梁系统。该系统由液压千斤顶、平移机构和墩体组成,可以实现对梁段的三维调整,见图6、图7。
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图6 梁段起顶支墩布置调位系统结构

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图7 梁段调位系统应用示意

3. 3. 1 调整中间基准分段轴线和线形高程

首先调整基准分段,使顶板高程相对偏差在5 mm 以内,再进行横桥向定位调整,使节段中心线与地样桥梁中心线最大偏差不得超过5 mm,设置好横向限位约束,然后精确调整节段线形高程和中心线位置,使节段高程和中心线位置偏差达到定位要求。在测量高程和中心线偏差时,仅允许支撑支墩起支撑作用,调整千斤顶不得参与支撑,仅是在调整过程中起到支撑作用。在支撑支墩支撑状态下复测合格后,将基准梁段做好约束,确保位置不再发生偏移。

3. 3. 2 以基准分段为基准,定位其他分段按照上述顺序和方法分别调整其余各分段的高程和中心线,然后精确调整与基准节段之间的纵距,所有节段纵距的确定均要以基准节段上的基准线为准。在调整节段时必须对所有拼接梁段统筹进行测量,依据整体线形确定梁段调整数据,以消除累积误差。

3. 3. 3 支座梁段调整定位大节段梁长及支座间距是大节段能否在桥位顺利架设的重要判断标准。作为重点控制项目,在大节段拼装时累计监测大节段长度,确保最终大节段长度在合格范围内。有支座垫板的梁段在调整时要监测支座垫板间的相对高差,在调整分段顶板高程时必须参考梁底的支座垫板高程。

3. 4 消除温度对大节段拼装的影响大节段拼装场地位于广东省中南部,珠江三角洲中部,夏季炎热多雨最高气温可达37℃左右。大节段在厂房内拼装可以将顶底板温差控制在±2℃范围内,能有效避免顶底板温差过大而导致钢箱梁大节段精度难以控制、线形变化及测量数据离散性较大等问题( 表2) 。表2 G12-G23 大节段拼装过程中顶、底板温度实测值        ℃

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在拼装过程中,时刻监控大节段顶、底板温度,以构件制作指令力学分析模型基准温度22. 7 ℃为基准,对大节段拼装时高程和里程进行修正。
1) 竖曲线线形里程修正:
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式中: T 为梁段调整时的温度; T0为构件制作指令中的基准温度22. 7 ℃; S 为目标截面的里程; S0为各跨梁段基准点安装里程。
2) 高程修正:
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3) 平曲线线形里程修正:
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3. 5 焊接顺序及焊接变形控制

经过分析,制定了大节段拼装焊接顺序,首先焊接中腹板、边腹板处对接焊缝,待完成打底焊后再开始由中腹板处向两侧底板对称焊缝,边腹板打底焊起到锚固作用,防止梁段间由于焊接产生扭曲变形,整体焊接顺序见图8,按照①→②→③执行,从大节段拼装完工报验检查各项点看来,大节段拼装精度高,线形控制良好,达到了预期效果。
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图8 大节段拼装环缝焊接顺序

针对分段间焊缝局部焊接变形的现象,通过预加反向变形,并在板面下部增设支撑,支撑与板面之间顶紧不焊接,既不损伤母材又保证板面平面度,在实际施工中效果明显,有效保证了钢箱梁大节段制作的焊接及外观质量,见图9。

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图9 对接焊缝支撑结构4检测结果经过监理单位和监控单位实际验收测量,大节段梁长及线形精度均满足相关验收标准要求,并有较大安全储备,产品质量优良、稳定,为下一步桥址架设提供保障,具体参数见表3。表3 G12-G19 大节段长度、线形理论值、实测值对照      mm

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注: 长度允许偏差± 20 mm; 线形允许偏差[- 5,+ 10]mm。

5  结束语

1) 港珠澳大桥钢箱梁支撑系统采用“软基处理+ 连锁块+ 钢板+ 分配梁”的方案,系统强度、整体沉降量满足钢箱梁拼装质量要求,钢板及分配梁工字钢可以重复利用,地基处理方案比常规的钢筋混凝土硬化更经济,施工更简单。
2) 厂房内拼装能够避免钢箱梁受日照影响,保证钢箱梁各部位的温差在2 ℃以内,既保证了拼装精度,又实现全天候作业,确保合同周期。
3) 建立的控制网系统能够有效地实现对钢箱梁全过程拼装线形的控制,保证了" 长线法" 钢箱梁拼装技术的顺利实施。

参考文献
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来源:刘吉柱. 港珠澳大桥主体工程桥梁工程钢箱梁大节段制作技术研究[J]. 钢结构,2018,33(8):90-94.




作者:刘吉柱港珠澳大桥管理局



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