基于空中节段拼装的桥梁钢结构节段整体拼装方法与流程

1.本发明涉及一种桥梁钢结构节段整体拼装方法，属于桥梁施工技术领域。


背景技术：

2.钢结构拼装施工前，施工方案的选择，需要着重考虑如下几个方面：施工方案的水利防洪评估、施工方案所采用的临时措施对航道的影响、施工临时措施的安全性。
3.桥梁拼装主要有两种方式，一种为节段整体吊装工艺，另一种则为支架拼装工艺。
4.通常地，节段整体吊装工艺通常指在临时拼装场地内完成组装后通过运输船水上运输，将整体节段运至桥位正上方，采用桥面吊机安装主跨整体节段。该工艺最大的优点是工艺成熟，临时设施投入少，经济效益最佳，有利于钢结构整体焊接质量及线性的控制，在全国各地均由施工先例，如宁波三官堂大桥等。
5.但是，节段整体吊装工艺存在以下困难：节段江上运输问题，航道清淤工作，大节段构件运输及下水困难，占用主要航道，造成航道封航。
6.支架拼装工艺即在江中设置临时支撑体系，完成节段拼装，然后再进行整体拼装。这种工法的主要难题在于，在航道转弯区域，尤其是大角度的航道转弯区域采用支架拼装工艺时，为了保证施工临时措施的安全性，临时支撑结构设计难度极大，原因在于，为保证转弯区域两侧的航道底边线错位，因此，临时支撑结构的横梁跨径大，而横梁跨径过大又会影响通航净高。再有，还存在运输船只碰撞临时支架的水上运输交通事故的安全隐患。


技术实现要素：

7.本发明针对现有技术的不足，提供一种特大桥梁钢结构节段整体拼装方法，其通过在已搭建好的桥梁钢结构的外侧悬臂安装一个空中作业平台，从而可以在空中作业平台完成钢结构节段的拼装，然后再将所拼装好的钢结构节段吊装到目标位置处进行整体焊接拼装。由此可见，本发明所述的施工方法对海事、港航的影响最小，且经过标高测算，空中作业平台对通航净高亦无影响，同时空中节段吊装拼接完成之后，形成整体节段进行焊接拼装可以确保与整体节段吊装工艺相同的施工质量。
8.为实现上述的技术目的，本发明将采取如下的技术方案：一种基于空中节段拼装的桥梁钢结构节段整体拼装方法，包括如下步骤：步骤一、按照规划，将主桥钢结构划分成若干节钢结构节段，并针对每一节钢结构节段，制造对应的单片桁架、下层桥面系以及上层桥面系；步骤二、以主桥钢结构的既有结构为支撑基础，安装平台前移设备；步骤三、在平台前移设备的驱动端安装空中作业平台；步骤四、启动平台前移设备，以将所述的空中作业平台移动至主桥钢结构的目标位点，而后制停平台前移设备；步骤五、将待拼装的钢结构节段对应的单片桁架、下层桥面系以及上层桥面系通过边跨运送至空中作业平台；
步骤六、在空中作业平台完成单片桁架、下层桥面系、上层桥面系的整体拼装，以形成待拼装钢结构节段；步骤七、将待拼装钢结构节段吊装至施工位置，以与主桥钢结构的既有结构对接，然后采用焊接方式将待拼装钢结构节段与主桥钢结构的既有结构连接；步骤八、启动平台前移设备，以将所述的平台前移设备移动至主桥钢结构的下一个目标位点；步骤九、重复步骤四至八，直至完成整个主桥钢结构的拼装。
9.优选地，步骤二中，平台前移设备包括悬挂横梁、横移驱动机构以及抬升千斤顶；其中：所述的悬挂横梁横跨主桥钢结构的既有结构设置；空中作业平台的一端悬挂安装在悬挂横梁的下方，另一端呈悬臂设置；横移驱动机构以及抬升千斤顶均安装在悬挂横梁的下表面；当抬升千斤顶处于回缩状态时，悬挂横梁下方的横移驱动机构能够与空中作业平台联动连接；当抬升千斤顶处于伸出状态时，悬挂横梁下方的横移驱动机构能够与空中作业平台解离。
10.优选地，步骤四中，空中作业平台的具体移动过程为：步骤4.1、回缩抬升千斤顶的活塞杆至第一极限位置，使得悬挂横梁下方的横移驱动机构与空中作业平台连接；步骤4.2、正向运转横移驱动机构，促使空中作业平台相对于悬挂横梁伸出，直至空中作业平台抵达主桥钢结构的目标位点；步骤4.3、伸出抬升千斤顶的活塞杆，以将悬挂横梁下方的横移驱动机构与空中作业平台解离；步骤4.4、将空中作业平台与主桥钢结构的既有结构两侧所设置的锚固钢梁连接成一体。
11.优选地，步骤八中，平台前移设备的具体移动过程为：步骤8.1、回缩抬升千斤顶的活塞杆至第一极限位置，使得悬挂横梁下方的横移驱动机构与空中作业平台连接；步骤8.2、反向运转横移驱动机构，带动悬挂横梁朝向空中作业平台的悬臂端移动，直至悬挂横梁安置在目标位点b；步骤8.3、拆卸空中作业平台与主桥钢结构的既有结构两侧所设置的锚固钢梁之间的连接。
12.优选地，所述的空中作业平台包括两根上弦杆、两根下弦杆以及若干斜腹杆。
13.优选地，所述钢结构节段中，单片桁架的上弦杆端部以及下弦杆端部之间具有容纳空中作业平台端部的空间。
14.优选地，所述空中作业平台端部呈矩形设置，所述单片桁架的上弦杆端部以及下弦杆端部之间具有匹配的矩形结构。
15.优选地，步骤五中，采用履带起重机将单片桁架、下层桥面系以及上层桥面系通过边跨运送至空中作业平台。
16.优选地，步骤七中，整体钢结构节段在空中作业平台完成拼装后，通过步履式千斤顶完成最后的位置调整。
17.基于上述的技术目的，相对于现有技术，本发明具有如下的优势：本发明所述的施工方法对海事、港航的影响最小，且经过标高测算，空中作业平台对通航净高亦无影响，同时空中节段吊装拼接完成之后，形成整体节段进行焊接拼装可以确保与整体节段吊装工艺相同的施工质量。
附图说明
18.图1是本发明所述的施工方法的流程图。
19.图2是图1中采用空中作业平台、平台前移设备的结构示意图；图3是图1中空中作业平台、平台前移设备安装至主桥钢结构上的结构示意图；图4是空中作业平台的立体结构示意图；图5是图4中空中作业平台的平台侧面桁架体系的结构示意图；图6是图4中空中作业平台的底部平联的结构示意图；图7是图4中空中作业平台的端部平联的结构示意图；图8是采用履带吊吊装当前钢结构节段至空中作业平台的示意图；图9是当前钢结构节段在空中作业平台完成拼装并安装至主桥钢结构上的结构示意图。
20.图10是主桥钢结构节段的结构示意图；图中：1-1、上层桥面系；1-2、下层桥面系；1-3、桥梁左侧桁架的上弦杆；1-4、桥梁左侧桁架的下弦杆；1-5、桥梁右侧桁架的上弦杆；1-6、桥梁右侧桁架的下弦杆；2-1、第一左侧锚固横梁；2-2、第二左侧锚固横梁；3-1、右侧平台桁架体系；3-1-1、平台桁架上弦杆；3-1-2、平台桁架直腹杆；3-1-3、平台桁架斜腹杆；3-1-4、平台桁架下弦杆；3-1-5、平台横梁连接板； 3-2、左侧平台桁架体系；3-3、平台底联；3-4、防护栏杆；3-5、端部平联；3-6、底部平联；3-7、支撑横梁；4-1、悬挂横梁；4-2、横移驱动机构；5-上一节主桥钢结构节段；6-1、下弦杆锚固点；6-2、上弦杆锚固点；7-待施工主桥钢结构节段；8-履带吊履带。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、表达式和数值不限制本发明的范围。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
22.如图1至10所示，本发明所述的基于空中节段拼装的桥梁钢结构节段整体拼装方法，包括如下步骤：步骤一、按照规划，将主桥钢结构划分成若干节钢结构节段，并针对每一节钢结构
节段，制造对应的单片桁架、下层桥面系1-2以及上层桥面系1-1；步骤二、以主桥钢结构的既有结构为支撑基础，安装平台前移设备；如图2所示，平台前移设备包括悬挂横梁4-1、横移驱动机构4-2以及抬升千斤顶；其中：所述的悬挂横梁4-1横跨主桥钢结构的既有结构设置；空中作业平台的一端悬挂安装在悬挂横梁4-1的下方，另一端呈悬臂设置；横移驱动机构4-2以及抬升千斤顶均安装在悬挂横梁4-1的下表面；当抬升千斤顶处于回缩状态时，悬挂横梁4-1下方的横移驱动机构4-2能够与空中作业平台联动连接；当抬升千斤顶处于伸出状态时，悬挂横梁4-1下方的横移驱动机构4-2能够与空中作业平台解离。
23.横移驱动机构4-2采用能够沿着轨道移动的移动小车，移动小车包括两组，对称地安装在悬挂横梁4-1的下表面；轨道包括两条，分别通过左、右侧锚固横梁支撑并能够通过履带吊吊装至下一个施工工位对应侧的锚固横梁上，履带吊置于当前施工工位的上层桥面系1-1上。
24.本发明中，锚固横梁为临时连接体系，至少包括两组，一组安装在当前施工工位对应的桥梁左侧桁架上，为左侧锚固横梁，另一组则安装在当前施工工位对应的桥梁右侧桁架上，为右侧锚固钢梁。
25.步骤三、在平台前移设备的驱动端安装空中作业平台；所述的空中作业平台，包括平台固定端以及位于平台固定端前端的平台悬臂端；所述的平台固定端能够分别与悬挂横梁4-1、锚固钢梁择一固定连接。
26.具体地，所述的空中作业平台，如图4-7所示，包括平台桁架体系、平台底联3-3以及端部平联3-5；所述的平台桁架体系包括两根，对应为左侧平台桁架体系3-2以及右侧平台桁架体系3-1；左侧平台桁架体系3-2与右侧平台桁架体系3-1结构一致并相互平行设置；左侧平台桁架体系3-2与右侧平台桁架体系3-1两者的尾端之间通过端部平联3-5连接成一体，且左侧平台桁架体系3-2与右侧平台桁架体系3-1两者的下弦杆之间在紧靠着端部平联3-5的位置处通过平台底联3-3连接。其中：平台桁架体系包括平台桁架上弦杆3-1-1、平台桁架直腹杆3-1-2、平台桁架斜腹杆3-1-3以及平台桁架下弦杆3-1-4；平台桁架上弦杆3-1-1、平台桁架下弦杆3-1-4相互平行设置，且平台桁架上弦杆3-1-1、平台桁架下弦杆3-1-4之间通过若干根平台桁架直腹杆3-1-2连接，相邻的两根平台桁架直腹杆3-1-2之间通过所述的平台桁架斜腹杆3-1-3连接。
27.平台桁架下弦杆3-1-4在靠近尾端的位置处设置有若干块平台横梁连接板3-1-5，平台底联3-3的一侧与左侧平台桁架体系3-2的下弦杆上的平台横梁连接板3-1-5连接，另一侧则与右侧平台桁架体系3-1的下弦杆上的平台横梁连接板3-1-5连接。
28.平台底联3-3包括支撑横梁3-7以及底部平联3-6；所述支撑横梁3-7的数量为三根，对应为第一至第三支撑横梁3-7，且第二支撑横梁3-7处于第一、第三支撑横梁3-7之间，三根支撑横梁3-7相互平行并等距布置；所述的底部平联3-6包括两根对拼的v形架，v形架的两个端点分别与第二支撑横梁3-7连接，而顶点则与第一支撑横梁3-7或第三支撑横梁3-7连接。
29.平台横梁连接板3-1-5的数量也为三个；所述三根支撑横梁3-7的两端分别与相应侧的平台横梁连接板3-1-5对应连接。
30.端部平联3-5包括矩形外框以及分别对应地将矩形外框的两对角线连接的连接斜
撑；矩形外框通过四根杆件相互围接而形成；每个围接点均设置有一块节点板。
31.所述钢结构节段中，如图10所示，单片桁架的上弦杆端部以及下弦杆端部之间具有容纳空中作业平台端部的空间。具体地，所述空中作业平台端部呈矩形设置，所述单片桁架的上弦杆端部以及下弦杆端部之间具有匹配的矩形结构。
32.另外，本发明中，所述的左侧锚固横梁包括两排，其中一排安装在桥梁左侧桁架的上弦杆1-3上，为第二左侧锚固横梁2-2，另一排则安装在桥梁左侧桁架的下弦杆1-4上，为第一左侧锚固横梁2-1；所述的右侧锚固横梁包括两排，其中一排安装在桥梁右侧桁架的上弦杆1-5上，另一排则安装在桥梁右侧桁架的下弦杆1-6上。具体地，桥梁左侧桁架的上弦杆1-3的对应位置处设置有上弦杆锚固点6-2，用于安装第二左侧锚固横梁2-2，桥梁左侧桁架的下弦杆1-4的对应位置处设置有下弦杆锚固点6-1，用于安装第一左侧锚固横梁2-1，同理，桥梁右侧桁架的对应位置处也设置相应的锚固点，用于安装相应的锚固横梁。
33.步骤四、启动平台前移设备，以将所述的空中作业平台移动至主桥钢结构的目标位点，而后制停平台前移设备；空中作业平台的具体移动过程为：步骤4.1、回缩抬升千斤顶的活塞杆至第一极限位置，使得悬挂横梁4-1下方的横移驱动机构4-2与空中作业平台连接；步骤4.2、正向运转横移驱动机构4-2，促使空中作业平台相对于悬挂横梁4-1伸出，直至空中作业平台抵达主桥钢结构的目标位点；步骤4.3、伸出抬升千斤顶的活塞杆，以将悬挂横梁4-1下方的横移驱动机构4-2与空中作业平台解离；步骤4.4、将空中作业平台与主桥钢结构的既有结构两侧所设置的锚固钢梁连接成一体。
34.步骤五、将待拼装的钢结构节段对应的单片桁架、下层桥面系1-2以及上层桥面系1-1通过边跨运送至空中作业平台；步骤五中，采用履带起重机将单片桁架、下层桥面系1-2以及上层桥面系1-1通过边跨运送至空中作业平台。
35.步骤六、在空中作业平台完成单片桁架、下层桥面系1-2、上层桥面系1-1的整体拼装，以形成待拼装钢结构节段；步骤七、将待拼装钢结构节段吊装至施工位置，以与主桥钢结构的既有结构对接，然后采用焊接方式将待拼装钢结构节段与主桥钢结构的既有结构连接；步骤七中，整体钢结构节段在空中作业平台完成拼装后，通过步履式千斤顶完成最后的位置调整。
36.步骤八、启动平台前移设备，以将所述的平台前移设备移动至主桥钢结构的下一个目标位点；步骤八中，平台前移设备的具体移动过程为：步骤8.1、回缩抬升千斤顶的活塞杆至第一极限位置，使得悬挂横梁4-1下方的横移驱动机构4-2与空中作业平台连接；步骤8.2、反向运转横移驱动机构4-2，带动悬挂横梁4-1朝向空中作业平台的悬臂端移动，直至悬挂横梁4-1安置在目标位点b；步骤8.3、拆卸空中作业平台与主桥钢结构的既有结构两侧所设置的锚固钢梁之间的连接。
37.步骤九、重复步骤四至八，直至完成整个主桥钢结构的拼装。
38.实施例1本实施例主要阐释空中作业平台的结构设计，具体如下：（1）结构设计原则1）满足竖向荷载下的承载能力要求主桥钢结构主跨高度梁高为6米，为满足钢结构节段构件空中拼装要求，空中作业平台的结构高度将会接近8米，选择桁架结构体系增强结构整体承载能力。同时参考悬臂浇筑混凝土连续梁施工挂篮结构进行结构设计，但是空中作业平台因节段构件吊装需求，悬挑端正上方位置无法设置水平向横向联系，因此桁架整体结构设计时需考虑平台施工过程中的整体稳定性。
39.2）满足横向荷载下的承载能力要求悬臂空中作业平台钢结构焊接需设置防风措施，因此平台悬臂端将会承受较大的横向风荷载，对整体作业平台的稳定性和结构受力存在较大影响，控制作业平台设计、计算时需充分考虑横向风荷载的影响。
40.3）适应桥梁横坡的影响特大桥结构横断面存在2%的横坡，造成左右桁架空间标高不同，从而影响空中作业平台的锚固结构设置，因此空中作业平台设计时需考虑平台锚固措施在横坡影响下的合理性。
41.（2）结构构件设计空中作业平台主要承重结构采用桁架结构，主桁弦杆采用hw400
×
400
×
13
×
21，其中上弦杆两侧外附10mm钢板形成矩形截面，主桁直腹杆采用hw300
×
300
×
10
×
15，斜腹杆采用交叉拉杆设计，采用下前支点前方位置斜腹杆采用双拼25a槽钢（肢背相向），其余位置采用双拼20a槽钢（肢背相向）体系。
42.桁架前三根竖杆下方设置双拼hw400工字钢节段构件支撑横梁3-7，同时作为操作平台分配梁的支撑横梁3-7使用，支撑横梁3-7之间设置菱形平联，同时为增加左右桁架间的整体稳定，在桁架端部设置左右桁架横向联系（双拼20a槽钢），空中作业平台的结构设计图详见图4-7所示。
43.（3）结构锚固设计主桥采用全焊钢结构体系，故不额外设置施工用临时螺栓体系。因此，空中作业平台通过焊缝与主桥主桁体系连接。
44.空中作业平台的边界约束通过“hm700型钢”提供：1）连接用型钢位于弦杆的顶板，其中，上弦采用楔形垫块调平，下弦采用30mm钢板调平；2）空中作业平台依据腹杆的外挑加劲与连接用型钢连接，不仅平衡纵坡对安装精度的影响，而且可以适应主桁结构2%的横坡要求；3）上弦反力相对较小（不足300kn），故楔形垫块采用双侧角焊缝连接，型钢与上弦间不设置额外焊缝；4）下弦反力较大，型钢与下弦腹杆焊接，以承担竖向反力作用，型钢与下弦顶板间设置30mm垫块找平，采用双侧角焊缝连接，以抵抗水平反力；
5）上、下弦杆每个节段端部设置1道连接型钢，上弦型钢可在现场焊接，亦可在工厂制作，但下弦型钢必须在工厂焊接，否则仰焊连接难度较大。
45.此外，上弦顶板焊缝清理后浇筑沥青铺装，对外观质量要求相对较低；下弦的腹杆与连接用型钢间、下弦顶板与找平垫块间均采用角焊缝连接。其中，内侧腹板角焊缝与顶板角焊缝为俯焊清理，相对容易，外侧腹板角焊缝需仰焊清理，难度较高，平台锚固设计如图 2所示。
46.（4）结构构件验算根据截面设计情况利用迈达斯软件进行结构验算，进行计算时外部荷载按照1600kn进行考虑，同时考虑垂直平台的横向风荷载，并按照事情情况施加锚固荷载。各个杆件中，双拼槽钢结构采用肢背相向构造，结构外边距270mm，即hw300
×
300
×
10
×
15工字钢顶底板净距。
47.迈达斯计算内力计算结果表示，空中作业平台各杆件最大应力为139mpa，满足容许应力法控制值140mpa。同时利用迈达斯计算软件对空中作业平台整体稳定性进行验算，计算结果表明空中作业平台的稳定系数为4.3，满足结构稳定要求。
48.实施例2本实施例主要阐释空中作业平台在桥梁施工过程中的前移，具体内容如下：空中作业平台在一个节段施工完成之后，将作业平台移动至下一个节段进行施工，作业平台的前移设备是平台整体结构的重要组成部分。平台整体重量将会超过60吨，因此桥面使用的履带吊无法完成平台的前移工作，项目部整体考虑设计了一种轨道驼移设备（即指平台前移设备），以完成平台的整体前移。
49.如图1所示，轨道驼移设备设置在锚固横梁位置，轨道铺设前增设1-2道横梁，同时利用楔形钢板垫平轨道横坡，抬升千斤顶设置在悬挂横梁4-1下方，将作业平台整体抬升后安装轨道和横移小车，利用前面移动动力装置向前移动，到达指定位置后下放。
50.实施例3本实施例主要阐释基于上述空中作业平台的主跨节段拼装工艺，具体内容如下：3.1.主跨钢结构节段划分（1）节段划分确定项目部根据主桥钢结构空中作业平台施工情况，进行主桥钢结构节段划分，主桥钢结构节段的结构如图10所示，包括主桥节段上弦9-1、主桥节段下弦，主桥钢结构节段尾端与已完成的主桥结构之间能够形成矩形空间9-3，可有效的控制节段拼装过程中拼装误差的累计，确保钢结构整体线型。上弦杆支撑点落于已完成的主桥结构，在分摊空中作业平台荷载同时，有利于整体节段的位置调整。
51.（2）横断面形式确定当上层桥面、下层桥面以及上、下弦杆均为2%横坡时，考虑到空中作业平台安装锚固需求，维持原有上层、下层桥面板2%横坡外，将上弦杆底板、下弦杆的上、下顶板调整为水平，同时为满足空中作业平台使用要求，上层桥面系1-1中悬臂板后装。调整完成之后大桥主跨空中作业平台施工时，下层锚固横梁位于下弦杆顶面（水平设置），同时下弦杆底面调整为水平，以保证桁架安装前期的临时稳定。
52.3.2.履带吊节段拼装
空中作业平台完成安装之后履带起重机就位，桥面锚固横梁间距空隙设置为7米，100吨履带吊最大外形尺寸为7780
×
6350（长
×
宽）mm，7米宽的履带吊行车空间可满足履带吊的行走，同时在一定程度上锚固横梁可作为履带起重机的限位装置（端部锚固横梁加长），可保证履带吊使用安全。而节段构件通过桥面运输设备（限位轨道+运输平板车）送至履带吊后方，由履带吊完成节段吊装。
53.3.3.步履式千斤顶调整整体节段在空中作业平台完成拼装后立业步履式千斤顶完成最后的位置调整，步履式千斤顶可利用“顶”、“推”的两个步骤实现整体节段标高和平面位置的调整，以保证主桥整体线型的准确。