无应力安装大跨度钢桁架拱桥合拢控制

课题名称:无应力安装大跨度钢桁架拱桥合拢控制

发 表 人:吴军国

发表单位：中铁四局二公司常州经理部QC小组

二00六年十一月

一、工程简介：

新龙大桥是江苏省常州市京杭运河改线工程上的一座重要桥梁，该桥单跨过河，主桥采用三跨（30.7+100+30.7m）中承式连续钢桁架拱桥。桥宽36m，长161.4m，桁宽25m，桁梁节间长度5m，节点采用M24高强度螺栓栓接，杆件最长25m，最大起重量17.5吨；拱肋上下弦为圆曲线型，矢高27.5m，矢跨比3.，拱顶至中间支座高度为29.5m；钢桁架构件采用工厂加工制作，满樘支架法逐段安装，桁梁拱肋跨中合拢。

二、小组概况：

小组成员表 表1

小组名称 课题名称 类 型 小组成员 姓 名 吴军国 吴曙光 马彬友 鲍顺义 杨海丰 杨文胜 吴红星 活动概况 小组目标 中铁四局二公司常州经理部QC小组 无应力安装大跨度钢桁架拱桥合拢控制 现场攻关型 7人 性别 男 男 男 男 男 男 男 年龄 27 38 35 58 25 38 29 TQC教育 成立日期 2006.3.10 文化程度 大专 大专 大学 大学 大专 中专 中专 职务 项目总工 项目经理 工程 质检负责人 技术主管 施工员 资料员 人均48h 组长 职称 工程师 工程师 高工 高工 技术员 助工 技术员 吴军国 小组职务 组长 副组长 组员 组员 组员 组员 组员 活动时间2006.3-2006.11，活动频次3次/月，共活动27次 钢桁架拱桥顺利合拢、整体线型达到设计要求 三、课题选择：

选题理由：

1、大跨度钢桁架拱桥线型流畅，空间结构稳定，是今后我国公路大跨度桥梁发展趋势之一（尤其是城市景观桥梁），进行QC攻关为我集团公司今后类似工程施工提供技术参考。

2、栓接桁梁拱桥，节点均处于空间三维体系，合拢精度要求高、线型控制

难，加强QC攻关可以保证安装精度，确保桁梁拱肋顺利合拢。

技术难点

1、全桥采用高强度螺栓连接，高栓数量达76000余套，高栓与栓孔仅-2mm的间隙，合拢段安装精度要求极高。

2、主桥桥面系预拱度通过调整钢吊杆实施，桥面竖曲线通过变截面横梁调整，拱肋上、下弦采用不同直径圆曲线形，线型控制难度大。

3、桁梁拱桥节点均为空间三维稳定结构，安装节段刚度大，空间约束多，不易进行偏差调整，安装控制较难。

4、主桥下原为深约6米的取土坑，后用灰土填筑满樘支架法施工，回填土及支架沉降量对桥梁线型影响较大。

四、课题目标：

确保钢桁梁拱肋顺利合拢，整体线型达到设计要求。

五、原因分析：

1、明确难点

采用无应力安装大跨度钢桁梁拱桥在集团公司尚属首例，可供借鉴施工经验少，小组成员经过讨论将施工中的难点一一列举，并进行分析、确认。

原因分析表 表2

序号 难点 分析确定 安装累积误差及温度应力对桁梁拱肋跨中合拢影响较大，桁梁拱桥空间稳定，不易进行偏差调整，合拢段的顺利安装是全桥施工成败的关键。 钢桁拱肋预拱度是否达到设计要求，关结论 1 确保桁架拱肋 顺利合拢 √ 2 确保全桥线型符系到桁梁杆件应力是否符合设计，影响合设计要求 桥梁使用寿命及整体外观效果。 方案是否被 专家顾问组认可 操作工人的 接受能力 该方案安全可靠、操作性强，得到专家组的一致认可。 该方案操作较方便，加之安装人员均有较丰富的桁梁桥安装经验，技能较好，容易接受本工艺。 √ X 3 4 X 制表：杨海丰 日期：2006.4.15

2、技术分析

根据以上确认的难点，QC小组经过咨询钢结构安装专业公司、外出观摩钢梁施工现场、聘请有经验的专家学者举行专题讲座，联合监控单位进行了理论计算，收集、掌握了部分钢桁架拱桥安装控制的相关资料。

在充分掌握资料的基础上，结合本工程实际情况，QC小组召开了专题会议，会上各小组成员畅所欲言，对可能影响拱肋合拢、桥梁整体线型的原因进行了分析和讨论，分析出各种影响因素。

因果分析图 图1

加工制作 焊缝收缩除变 图纸转化 精度低 人 施工经验少 外部环境 温度应力 杆件变形 运输吊装不规范 制作公差大 施工未交底 加工设备 精度低 技术水平低 新工人未教育 测量仪器精度低 支架变形量大 体系转换不合理 测量精度低 测量方案不合理 支承体系沉降量大 回填土沉降量大 安装顺序不合理 桁 架 拱 肋 不 能 顺 利 合 拢 监控监测 施工方法 制图：吴军国 日期：2006.4.20

3、要因分析

要因确认表 表3

序号 末端原因 确认内容 确认方法 确认结果 1 2 大跨度钢桁架拱桥属集团公司首次施工，可供借鉴经验少。通过培训、讲课钢桁梁施工经验少 调查分析 非要因 掌握测量监控方法，选择有钢桁梁安装经验的单位合作施工。 对新进场工人进行专职培训，以老带新进场工人未教育 调查分析 非要因 新，提高操作技能。 技术交底不完善，不能较好指导施工，聘请有经验的技术员进行讲课。 钢桁梁施工图设计不能直接用于工厂加工制作，图纸转化深度、精度关系到4 图纸转化精度低 杆件加工制作的精度，大型钢结构厂现在多采用CAD软件自动转化，提高了设计图纸转化精度。 栓接桁梁节点栓孔多、重叠层数多，制5 加工设备精度低 孔精度要求极高，采用机械下料、组焊、制孔等才能确保桁梁制作精度。 较长钢梁杆件比较柔软，运输不当或吊6 运输吊装不规范 点不对易造成杆件变形或严重旁弯。 钢桁梁杆件全部由板材组焊而成，焊缝7 焊缝收缩徐变 收缩引起杆件徐变，对桁梁制作公差有一定影响。 由于桁梁安装正值夏季，温差对桁梁轴8 温度应力变形 线长度影响较大，合拢温度的选择至关重要。 拱肋合拢后，桁梁自重仍由支架承重，9 体系转换不合理 支架拆除不当将引起杆件内力变化不均匀，从而影响桥梁整体线型效果。 桁梁杆件空间稳定，安装后很难进行偏差调整，合理的安装顺序能保证高栓未10 安装顺序不合理 施拧前钢梁处于无应力状态，保证杆件不变形、旁弯。 桁梁采用满樘碗扣支架承重，拱肋支架高达32米，其变形量将严重影响拱肋11 支架变形量大 标高，造成合拢、线型控制困难，支架搭好后进行预压，消除非弹性变形。 主桥位于深达6米的取土坑内，安装采用满樘支架法施工，基坑回填土沉降量12 回填土沉降量大 过大将严重影响桁梁安装线型及增加拱肋合拢难度。 由于拱肋合拢段安装精度较高，采用普13 测量仪器精度低 通的测量仪器无法满足合拢精度要求，桁梁线型无法控制。 钢桁拱桥节点均处于三维空间体系，测14 测量方案不合理 量控制较难，测量方案是否合理关系到桁架安装的精度及合拢段的安装。 3 施工未交底 调查分析 非要因 现场验证 非要因 现场验证 要因 现场验证 非要因 现场监测 非要因 现场监测 要因 现场监测 非要因 现场验证 要因 现场监测 非要因 现场监测 要因 现场验证 非要因 现场验证 非要因 制表：杨海丰 日期：2006.4.20

通过QC小组活动，组内成员对14条末端因素进行充分分析，一致认为影响钢桁梁拱肋顺利合拢、线型整体效果的主要原因有以下4条：

(1)加工设备精度低 (2)温度应力变形 (3)安装顺序不合理 (4)回填土沉降量大

六、制定对策：

针对主要原因制定对策表如下：

对策表 表4

序号 要因 对策 采用数控钻床提高加工设备精度 目标 确保杆件加工公差符合《铁路钢桥制造规范》相关要求 措施 ⑴杆件下料、组焊、校正、制孔均采用先进的全自化数控设备，提高加工精度。 ⑵杆件加工完成后进行半跨80m预拼装，检查栓孔重合率及预拼装质量。 ⑴安装过程中监测温度变化对桁梁变形的影响，为合拢段安装提供参考依据； ⑵合拢段安装温度选择在21〒2℃，使安装时杆件温度应力等效加工制作时的初始应力； ⑶合理解除临时支座约束，避免温度应力破坏桥梁线型。 ⑴召开专家论证会，确保安装方案安全可行； ⑵对各工况进行防真分析，制定对策采取措施； ⑶分三个阶段逐步调整安装误差，使跨中上拱弦合拢段顺利安装。 ⑴采用5%石灰土回填，提高回填土质量； ⑵提前回填土坑，预留固结时间，沉降稳定； ⑶主跨系杆节点设臵向上预抛高量，补偿基础沉降； ⑷系杆拼接节点设臵千斤顶，利于节点标高调整； ⑸钻孔取芯压密注浆。 负责人 完成时间 吴曙光 2006.3.10 吴军国 ～ 杨海丰 2006.5.10 1 加工设备精度低 2 温度应力变形 合拢段安装时的现场温度与加工期平均温度接近 尽可能地减少温度应力对合拢段安装的影响 吴军国 鲍顺义 杨文胜 全过程 3 安装顺序不合理 安装方案科制定专项学合理，结合安装方案 实际，指导施工 吴军国 鲍顺义 杨海丰 全过程 4 回填土沉降量大 结合现场实际制定专项回填土施工技术方案 控制回填土安装过程中沉降量δ不大于15mm 吴曙光 2006.3.10 杨海丰 ～ 杨文胜 2006.6.30 制表：杨海丰 日期：2006.4.22

七、对策实施：

【实施一】：针对加工设备精度低

措施1：选择拥有丰富桁梁加工经验的山海关桥梁厂负责桁梁加工制作，其先进的等离子切割机、全自动数控钻床等机械设备确保了桁梁杆件制作公差及栓孔的精度。

精密制孔的预拼节点板 数控钻床

措施2：每类型杆件实行首检制，第一根加工完成后进行制作公差检查，检查合格后才批量生产，出厂前进行半跨80m预拼装，检查栓孔重合率及加工精度，确保工地一次安装合格。

预拼装现场质量检验表 表5

项 目 两相邻孔距 多组孔群两相邻孔群中心距 l≤11m 两端孔群中心距 L＞11m 工型、箱型杆件的扭曲 工型、箱型杆件的弯曲 桁高 节间长度 拱度 对角线 主桁中心距 箱型杆件对角线差 〒1.0 3.0 ≤3.0 〒2.0 〒2.0 〒5 〒3.0 〒3.0 2.0 -0.1～+0.3 ≤2.5 2.0 -0.1～+0.1 -0.1～0 -0.2～+0.2 -0.2～+0.3 0～+0.3 ≤1 60% 70% 70% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 98% 96% 100% 100% 100% 100% 100% 99% 允许偏差 平均实测值(mm) (mm) 〒0.4 〒0.8 〒0.8 -0.1～+0.3 -0.2～+0.3 -0.4～+0.2 检查频率 80% 60% 60% 合格率 99% 100% 100% 检查：杨海丰 日期：2006.4.28

【实施二】：针对温度应力变形

措施1：在安装过程中监测温度变化△T与桁梁变形量δ的对应关系，作为桁梁拱肋合拢段安装误差分析的重要参考依据。

mm0.300.250.200.150.100.050.0001234567101112131415℃温度变化与桁梁伸长量对应关系y=0.01357+0.01474x 制图：吴军国 日期：2006.10.15

措施2：合拢段安装温度选择在21〒2℃，使安装时杆件温度应力等效于加工制作时的初始应力，最大限度减少温度应力对拱肋合拢段安装的影响。

措施3：桁梁拱肋合拢后，固结永久支座，解除临时支座约束，防止产生温度集中应力破坏桁梁杆件线型。

【实施三】：针对安装顺序不合理 措施1：QC小组根据现场现实情况，拟定多种安装施工方案，邀请国内知名钢结构专家参与安装方案论证，确定采用桥面系支点合拢，拱肋跨中合拢的满樘支架法方案。

措施2：分别就安装过程、下拱弦、

上拱弦合拢等工况进行仿真分析，加密拼接节点支架，设臵分配梁，确保桁梁处于无应力状态，从理论上保证钢桁梁顺利合拢的可行性及线型的整体效果。

措施3：QC小组经过认真分析，将全桥合拢分解成三个阶段，工况Ⅰ为桥面系在支点处合拢，利用活动支座调整基座轴线及标高，使其均满足拱肋安装精度要求；工况Ⅱ为拱肋下弦在跨中合拢，合拢段安装前精密测量合拢误差，选择合拢温度，吊入合拢段，利用冲钉固定一端并形成绞接，另一端插入后分别用φ12、φ16、φ20、φ23.75号冲钉分次校正，拱肋合拢；工况Ⅲ为拱肋上弦在跨中合

摄影:吴红星

拢。三个阶段有效地将合拢段安装误差层层减少，确保全桥最终顺利合拢。

工况Ⅰ工况Ⅱ工况Ⅲ各工况合拢差值对比表353025差值(mm)20151050纵桥向X横桥向YZ高度制图：吴军国 日期：2006.8.10

【实施四】：针对回填土沉降量大

措施1：在回填土坑前，QC小组杨海丰、杨文胜制定详细的施工作业指导书，下发给施工班组，要求彻底清除基底淤泥后分层用石灰土回填，振动压路机碾压，每层压实度≥96%，灰剂量≥5%。

措施2：合理考虑沉降固结时间，提前一个月完成土坑回填土施工，沉降稳定后再浇筑顶层砼垫层。

回填土沉降量观测曲线2520沉降量(mm)151050-51234567101112131415161718192021观测次数累计沉降mm回填土沉降值706050403020100杆件安装后累计沉降10mm1累计沉降安装后沉降

制图：杨海丰 日期：2006.4.10

措施3：根据理论计算结果，在设计预拱度的基础上加设0.4/1000线性预抛高量，补偿基础及支架沉降。

线性预抛高量对比表200150100500-50-100-150-200-250-300-350-40012345671011121314151617节点号(E)设计预拱值实际预拱值预抛高量预拱值(mm)制图：吴军国 日期：2006.5.10

措施4：QC小组结合满樘支架法安装方案，在桁梁节点中心处设臵千斤顶，根据安装阶段节点监测变形量调整桁梁节点标高，使钢桁拱桥预拱度始终符合设计要求。

节点调整示意图 图2

横梁系梁系梁千斤顶千斤顶横梁

制图：杨海丰 日期：2006.4.15

措施5：QC小组成员在桁梁安装过程中对受力节点支架处砼垫层钻孔取芯，发现砼垫层脱空，进行压密注浆，保证基础的稳定。

八、效果确认：

1、质量：通过近五个月的QC攻关，长江路大桥钢桁架拱肋顺利合拢，合

拢段无后钻孔及扩孔，栓孔重合率达100%，落架后预拱度完全满足设计要求，

全桥线型达到设计整体效果，得到业主及设计院等的一致好评。

期望值与实际值对比表100806040200栓孔重合率(%)后钻孔(个)期望值现实值全部达到期望值的100%

制表：吴军国 日期：2006.10.10

实测标高与设计标高对比图设计标高实测标高12.1012.0011.9011.80标高(mm)11.7011.6011.5011.4011.3011.201357911131517节点号1921232527293133制图：吴军国 日期：2006.10.10

2、安全：钢桁梁安装施工期间，未发生一例机械吊装、人员伤亡事故，

现正在审报集团公司安全文明标准工化地。

3、工期：于2006年4月30日开始吊装至2006年9月10日全桥支架拆

除，用时133天，比计划工期提前21天。

4、成本：经过QC攻关，钢桁拱桥安全顺利合拢，节约成本约60万元。

成本 440万元 节约了60万！ 工期 1天 380万元 缩短了21天！ 133天 预算成本 实际成本 计划时间 完工时间 统计：吴军国 日期：2006.11.5

5、社会效益：通过科技攻关和现场调研，本项目QC小组不但在大跨度钢桁梁拱桥安装过程中积累了实践经验，并成功解决了一系列钢桁梁合拢的质量问题，较好地完成了公司部署的重点科技攻关，填补了集团公司在大跨度钢桁架拱桥施工领域的技术空白，提高了企业形象，取得了良好的经济与社会效益。

九、巩固措施及下步打算：

1、进一步对施工资料进行整理，形成工法、编制施工技术总结及科研论文。 2、进一步监测成桥工况下线型变化及温度应力影响，拟将提高钢结构防腐质量作为下一步QC活动的课题。

十、施工回顾

摄影:吴红星 时间:06.4

自行拼装36*36m龙门吊

摄影:吴红星 时间:06.7

满樘支架法安装

摄影:吴红星 时间:06.4

安装加劲弦钢梁

摄影:吴红星 时间:06.7

安装拱肋桁梁

摄影:吴红星 时间:06.8

钢桁架拱肋合拢

摄影:吴红星 时间:06.9

支架拆除

mm0.300.250.200.150.100.0512温34567101112131415

摄影:吴军国 时间:06.10

钢桁架拱桥实效图