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空间刚构2012-13(改).doc

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空间 201213
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-1-推 荐 号 2012-502-4A7项目编号中国铁道学会科学技术奖推荐书 详本(2012 年度)一、项目基本情况项 目 所 属 专 业 : 303 桥梁 奖 励 类 别 : 技术开发项目名称 跨多条繁忙电气化铁路干线空间刚架(桥梁)综合施工技术主要完成人 1.赵建龙,2.杜嘉俊,3.富成玮,4.廖文彬,5.邱永添,6.毕永清,7.侯毅,8.王永彪,9.李锋,10.高晓雷,11.陈自明,12.贾建平,13.张翠芹,14.费文强,15.李智主要完成单位 1.中铁十七局集团有限公司,2.中铁十七局集团第二工程有限公司推荐一等奖 项目密级 非密推荐单位(盖章)中国铁道建筑总公司 项目可否公布 可1 高速铁路建设技术 学科代码 58030602 桥涵工程 学科代码 5801020学 科 分 类名 称3 学科代码所属国民经济行业 建筑业任 务 来 源 中国铁建股份有限公司计划具体计划、基金的名称和编号: “京沪高速铁路跨多 线电气化 铁路空间刚架综合施工技术“ 被列为中国铁道建筑总公司 2009 年度科技研究开发计划,项目编号 09-28C。成果评价文号 晋科鉴字[2011]第 229 号 成果评价单位 山西省科学技术厅授权发明专利(项) 授权的其他知识产权(项) 1项目起止时间 起始: 2009 年 4 月 完成: 2011 年 8 月-2-二、项目简介本 项 目 依 托 国 内 外 第 一 座 铁 路 工 程 大 跨 度 空 间 刚 架 -京 沪 高 速 铁 路 跨 京 沪 铁 路 Ⅰ ~ Ⅳ 和 京 九 左 线 空 间 刚 架 (桥梁 ),研 究 了 空 间 刚 架 墩 身 和 主 梁 高 精 度 安 装 、主 梁 吊 装 、既 有 铁 路 安 全 防 护 等 关 键 技 术 题 。1.主 要 科 技 内 容⑴ 、首次提出了大吨位单悬 臂龙门吊与高位架梁平台组 合进行侧向喂梁思路, 解 决 了 跨 多 线 铁 路 架 设 长大 钢 主 梁 的 难 题 。架梁平台上设驼 梁小车,与 龙门吊桁车同步走行,安 全 平 稳 ,效 率 高 。⑵ 在 桥 位 上 用 已 吊 装 的 主 梁 设 置 存 梁 中 转 平 台 。铁 路 封 闭 点 外 将 主 梁 存 放 在 中 转 平 台 上 ,封 闭 点 内 从 中 转 平 台直 接 起 吊 主 梁 至 架 设 到 位 ,缩 短 了 主 梁 点 内 吊 装 时 间 ,解 决 了 铁 路 封 闭 点 严 重 不 足 的 突 出 问 题 。⑶ 首 次 引 入 无 砟 轨 道 精 密 测 量 技 术 ,利 用 CPⅡ 控 制 点 建 立 独 立 的 三 维 坐 标 测 量 控 制 网 ,平 面 测 量 采 用 自 由 设 站边 角 交 汇 法 实 测 ,控 制 点 采 用 高 速 铁 路 轨 道 基 准 点 标 志 (具 有 强 制 对 中 功 能 ),大 大 提 高 了 设 站 精 度 ,实 现 了 墩 墙 及 主梁 安 装 的 精 确 定 位 。⑷ 采 用 悬 挂 式 全 封 闭 防 护 ,结 构 拼 装 简 单 ,成 本 低 ,成 功 地 解 决 了 跨 多 线 铁 路 大 面 积 防 护 难 题 。⑸ 采 取 自 动 化 监 测 和 人 工 监 测 相 结 合 的 方 法 ,对 施 工 过 程 中 既 有 铁 路 路 基 、轨 道 的 稳 定 性 和 刚 架 结 构 应 力 状 态进 行 监 控 监 测 。2.技 术 经 济 指 标⑴ 悬 臂 龙 门 吊 基 本 性 能 参 数 :额 定 起 重 量 :50t+50t;龙 门 吊 跨 度 :50m;悬 臂 长 度 :13m;龙 门 吊 起 吊 高 度 ≥22m。⑵ 墩 墙 拼 装 时 ,每 个 单 元 的 相 对 位 置 偏 差 ≤2mm,相 对 高 程 ≤±20mm。⑶ 主 梁 拼 装 时 ,跨 度 和 长 度 偏 差 ≤2mm,相 邻 两 片 梁 的 相 对 高 差 ≤5mm。本 空 间 刚 架 (桥 梁 )综 合 施 工 技 术 在 京 沪 高 铁 西 黄 左 工 程 中 得 到 了 成 功 应 用 ,京 沪 高 铁 一 年 多 的 运 营 监 测 数 据 ,验 证 了 本 成 果 的 可 靠 性 。本 项 目 获 得 中 国 铁 道 建 筑 总 公 司 和 中 国 施 工 企 业 管 理 协 会 科 学 技 术 一 等 奖 ,取 得 实 用 新 型专 利 1 项 ,申 报 发 明 专 利 1 项 ,形 成 的 工 法 中 铁 建 总 公 司 评 为 优 秀 工 法 。- 3 -三、主要科技创新本项目依托新建京沪高速铁路北京特大桥跨越既有京沪四线和京九左线铁路的空间刚架展开研究。该空间刚架沿既有铁路线路方向总长 124.62m,跨度 35.3m,与既有铁路斜交角度为 20°37′,斜交正做。刚架基础为钻孔灌注桩,承台为钢 筋混凝土。墩 墙 M 型门洞式 钢箱混凝土结构,宽 2.5m,高 12.6m,钢箱板厚 16mm 钢,内部填充 C35 混凝土。上部为钢-混凝土结合梁,钢主梁为带肋组焊工字钢梁, 长 35.3m,高3m,间距 3.0m,最大吊装重量 54.7t,主梁 间通过纵梁、平联和横联连接;混凝土桥面板总厚 40cm,分上下两层,下层为预制安装钢筋混凝土板,厚 22cm,上 层为 18cm 厚现浇钢筋混凝土。钢主梁和墩墙先栓后焊连接。空间刚架每隔 24.9m 设 3cm 宽 沉降缝,分 为五个结构 单元。空间刚架为跨越既有电气化铁路施工,是我国高速 铁路第一座空 间钢架,国内 还没有类似工程施工,再加上主梁施工必须在铁路天窗时间,且工期很 紧、 场地狭小,墩墙的精确拼装、主梁的吊装及精确就位和铁路安全防护技术成为本桥施工的关键。经多种方案比选 ,总体技术方案确定为:用吊车吊装墩墙拼装件,用 1 台普通龙门吊拼装主梁并将主梁提运至高位架梁平台上,用 1 台大吨位悬臂龙门吊把主梁从架梁平台侧向提吊至待架位置,在已架 设的主梁上形成一个存放主梁的中 转平台以缩短天窗内架梁速度。该技术的主要创新点:1、首次提出了大吨位单悬臂龙门 吊与架梁平台配合侧向喂梁技 术, 为跨多线既有电气化铁路桥梁的吊装提供了新的方法。由于空间刚架斜交正做,主梁的安装位置横跨铁路, 风险极大。课题组借鉴架桥机架梁技术,结合龙门吊吊重走行,创造性地提出了 龙门吊与架梁平台配合进行 侧向喂梁技术。特殊设计的大吨位单悬臂龙门吊跨空间刚架布置,吊装范围覆盖了整个空间刚架位置,在 桥位一侧设置一架梁平台,将待架梁防止在架梁平台上。架梁平台上后点设驮梁小车,可随龙门吊桁车同步前行喂梁。具体喂梁方式见图 1。 1#吊 点 2#吊 点小 车 小 车钢 梁架 梁 龙 门 吊 架 梁 平 台图 1 侧向喂梁示意图⑴大吨位单悬臂龙门吊设计①基本参数:根据龙门吊自身安全和主梁吊点要求, 悬臂长 度取 13.0m。龙门吊的起升高度按架梁作业“提一过一”的需要定为 22.0m。②龙门 吊结构 设计:为满足侧向喂梁的要求,一 侧龙门吊支腿 设计为八字型,桁 车主梁由支腿上两牛腿支撑。主横梁采用三角形桁架结构,材料 选用普通方钢。龙门吊的结构见图 2。⑵架梁平台设计架梁平台设置在桥位的侧面,采用 钢管支墩和军用梁拼装而成,平台上铺设走行轨,前端设存梁支座,后端设驮梁小车。架梁平台的高度,应该满足侧向喂梁的安全需要,喂梁时小车钢丝绳的长度不宜太长。- 4 -架 梁 龙 门 吊 钢 梁 50t小 车墩 墙图 2 悬臂龙门吊结构图⑶主梁架设方法龙门吊的吊梁小车提起主梁的一端,另一端放在自带动力的 驮梁小车上,吊梁小 车与驮梁小车同步前移,穿过龙门吊的支腿进入到跨中。具体架梁步骤如下:第一步,龙门吊的 1#小车吊起 钢梁的 1#吊点, 见图 3。 1#吊 点 2#吊 点小 车 小 车架 梁 龙 门 吊 架 梁 平 台图 3 架梁步骤 1第二步,龙门吊的 1#小车与驮 梁小车联锁,同步前移,使钢梁的 2#吊点前移至龙门吊 2#小车的下方。如图 4 所示。 #吊 点 2#吊 点承 台 小 车 小 车墩 墙 钢 梁架 梁 龙 门 吊 架 梁 平 台图 4 架梁步骤 2第三步,龙门吊的 2#小车吊起 钢梁的 2#吊点, 调整两个吊点的高度,使之在同一个平面上,联锁两个小车使之同升、同降、同运行,两个小车同步前行,将 钢梁运送至墩墙正上方。如 图 5 所示。- 5 -承 台 1#小 车 2#小 车墩 墙 架 梁 龙 门 吊 架 梁 平 台 驮 梁 小 车存 梁 小 车图 5 架梁步骤 3第四步,通过龙门吊大车前后走行,使钢梁至设计位置上方,最后,钢梁下落就位。如 图 6 所示。承 台 1#小 车 2#小 车墩 墙 钢 梁图 6 架梁步骤 42、采用的两平台转换架梁方法,实现了封闭点外吊运、存梁和点内快速吊装,提高了工作效率,解决了封闭天窗点少、无法满足工期的突出 问题。铁路运输部门批准的施工封闭点总计 39 个,每个封 闭点 70min。按照悬臂龙门吊的架梁进度,全桥完成需要 59 个封闭点。为解决要点次数不足的突出 问题,提出了两平台转换技术,将一片梁的架设分为两个阶段,仅第二阶段的作业安排在封 闭点内,减少了封 闭点内的架梁步 骤和占用时间,提高了封闭点利用效率。两平台转换架梁,封闭点架设 一片梁的占用时间仅为 21min,每个封闭点内可架梁 3 片,而一次直接架设到位,封闭点内架设一片梁的占用 为 48min,每个封闭点仅能架一片梁。全桥共需要 35 个封闭点,与一次直接架设到位相比,减少了 24 个,有效地降低了 对既有 铁路运干扰。1 平台设置两个平台分别为架梁平台和中转平台。架梁平台配合 龙门 吊架梁,具体 设置方式如前所述。中转平台设在桥梁的中部,当中部的四片主梁安装完成后,随即安装主梁间的纵梁、平联和横联以及预制混凝土桥面板,因此可以形成一个中转 平台,用于 钢梁的临时存放。两平台的布置见图 7。2 平台转换快速架梁第一阶段:在封闭点外,首先利用提梁 龙门吊将钢梁提升、存放在架梁平台上,然后 悬臂龙门吊与架梁平台配合侧向喂梁,将钢梁存放在中 转平台上,存放 时采取 临时加固措施,防止倾覆。第二阶段:封闭点内,悬臂龙门吊从中转平台上提梁,通 过前后移动将主梁运送至 设计位置上方,最后落梁就位。封闭点内架梁方式见图 8。- 6 -提 梁 龙 门 吊 架 梁 龙 门 吊4150京 九 左 线京 沪 Ⅲ 线京 沪 Ⅰ 线京 沪 Ⅱ 线京 沪 Ⅳ 线 架 梁 平 台龙 门 吊 走 行 轨 驮 梁 小 车支 座拼 装 场 地 拼 装 场 地 注 : 图 中 尺 寸 以 m计 。京 沪 高 铁 右 线主 梁预 制 混 凝 土 板中 转 平 台#42#13京 沪 高 铁 左 线图 7 两平台布置图承 台 #小 车 2小 车墩 墙 架 梁 龙 门 吊架 梁 平 台 驮 梁 小 车已 安 装 到 位 的 钢 梁存 放 在 中 转 平 台 上 的 钢 梁正 在 架 设 的 钢 梁图 8 空间刚架总体布置图3、过建立仿真模型,引入无砟轨道精密测量技术,实现了钢梁与墩墙的精确定位与可靠连接。⑴无砟轨道精密测量技术在墩墙及主梁拼装定位中的应用引入无砟轨道精密测量技术,根据 CPⅡ控制点在空间刚架两 侧建立独立的三维坐标测量控制网,平面测量采用自由设站边角交汇法实测,水准 测量要求满足二等水准的相 对精度,控制点采用 Ⅱ型板式无砟轨道基准点标志(具有强制对中功能),大大提高了 设站精度,实现了墩墙及主梁安装的精确定位。选择桥位大小里程各 2 个既有 CPⅠ或 CPⅡ平面控制点,在桥位两侧及大小里程侧两个桥墩上布设 6个强制对中监测控制点(平面和高程共点),其中桥梁外侧 2 个控制点作为加密控制点与既有 CPⅠ或 CPⅡ控制点采用 GPS 联测。高精度测量控制网布置见图 9。 京 沪 高 速 右 线京 九 左 线京 沪 Ⅲ 线京 沪 I线京 沪 线京 沪 V线 上 海北 京CP或( 二 等 水 准 点 ) 控 制 点 3I或( 二 等 水 准 点 ) CPI或( 二 等 水 准 点 )或( 二 等 水 准 点 )控 制 点 5( 加 密 点 )控 制 点 4(加 密 点 ) 控 制 点 6控 制 点 1控 制 点 2京 沪 高 铁 左 线图 9 高精度测量控制网布置图加密控制网按照三等(CPⅡ级)GPS 网观测的技术要求、精度要求及数据处理方法进行,观测采用 6 台GPS 接收机同步测量,测量相对精度较高。 6 个平面监测控制点采用自由设站边角交会方法施测,采用机- 7 -载 CPⅢ 自动观测软件进行观测, 测站不少于 4 站,采用专用软件进行数据处理。以 2 个加密控制点为已知点约束,精确测量计算出其他 4 个监测控制点坐标,点位相对平面精度小于 1mm。桥下 4 个监测高程控制点按照二等水准测量的技术要求、精度要求及数据处理进行,点位高程相 对精度小于 0.5mm,桥墩上 2 个监测 高程控制点采用精密三角高程上桥测量。墩墙为每个结构单元钢箱自下而上分为五层加工安装,每层三个制造节段, 节段之间板肋采取螺栓连接,外包钢板采用坡口焊对接。两侧墩墙相对位置偏差要求 ≤2mm。墩墙结构及节段划分见图 10。208450231069510695A-1A-BBCCDDE2E图 10 墩墙结构及节段划分图计算出墩墙顶部的每个连接板的任意 2 个螺栓孔设计坐标和高程,推算出球型棱镜或专用棱镜中心坐标和高程,做出放样文件存入全站 仪中定位时调用。自由 设 站采用后方交会方法精确放出底层墩墙位置,并调整好高程。墩墙拼装时,全站仪架设在桥 墩强制对中点上,并采用后方交会测量控制点,检查置镜点坐标,后视对面桥墩上强制对中点定向,采用坐 标测量模式直接测量螺栓平面位置,检查高程,精确调整位置。下一块或对侧墩墙钢箱定位时,采用上一 块钢箱上的棱镜 定向,并 测量对面桥墩上控制点复核。主梁与墩墙采取先栓后焊连接,主梁与主梁之 间设纵梁、平联和横联,纵梁与主梁采取先栓后焊,平联、横联与主梁均采取栓接,要求主梁跨度偏差≤2mm,主梁与主梁间距偏差≤2mm。因此, 对于主梁的组拼精度和安装精度提出了很高的要求。拼装前,量测墩墙的实际间距,确定主梁实际跨度,并依此调整主梁的拼装工艺参数。由于架梁时的温度与拼装时温度不同,而且对 主梁跨度影响较大,因此,拼装时,要综合考虑温度影响, 调整节段间的间隙。主梁焊接前需要进行温度对跨度影响试验,方法是:按照 设计线 形和预拱度拼接后,在 节段间隙填塞钢板,分别量测焊接温度条件下和架梁温度条件下的梁长和跨度,根据实测数据,确定 焊接时的拼装长度。主梁跨度和线形控制:以仪器测量为主, 辅以尺量校核。 仪器测 量方法与墩墙定位测量方法相同,利用墩墙定位所采用的高精度平面控制网,精确测量主梁左右两个端部 节段的相对位置。先固定主梁的一个端部 节段,在下翼缘板的任意 2 个螺栓孔上安装棱镜,并利用两个棱镜定向, 测量调整另外一个端部节段的位置并固定,最后调整中间三个节段的位置,安装拼接板连接。⑵墩墙与主梁的可靠连接技术主梁安装时的气温为 0℃左右,而桥位处极端最低气温-17.7℃,极端最高气温 40.3℃,因此,按照升温45℃、降温 20℃建立结构的温度应力仿真模型进行分析,墩墙顶位移为 6.4mm,实测位移为 5.96mm,满足设计要求。墩墙与主梁连接处 ,范梅塞斯 应力增加 6.67MPa,剪应力增加 2.5MPa,满足结构材料受力要求,因此,结构是安全的。此外,该技术还推广应用了跨五 线电气化铁路大面积安全防 护技术、施工安全 监控监测技术等多项新技术成果。- 8 -四、推广应用情况本空间刚架(桥梁)综合施工技术在京沪高速铁路西黄左线工程中得到了研究和成功应用,满足了新型桥梁结构要求,有效地保证了施工安全和运 营安全,减少了施工要点次数, 节约了施工成本。目前,京沪高铁已经开通运 营一年多,在列 车运行期间 采集的监测数据符合设计要求,说明桥梁结构稳定,也满足了高速铁路的安全、平稳运行要求。本成果在京沪高速铁路施工中得到成功应用,其 应用前景主要体 现在:⑴大吨位单悬臂龙门吊的研制和应用,解决了 侧向喂梁的技 术难题,可用于解决特殊 环境架梁或吊装构件难题,为类似跨铁路架梁作 业提供了新的方法。⑵两平台转换技术,打开了施工 组织灵活多变的思路,对桥梁工程施工组织有很好的参考价值。⑶钢箱混凝土墩墙和主梁精确定位技术,可提高 钢结 构拼装精度, 为类似结构施工提供了理论和实践依据。⑷大面积安全防护技术,有效地保 证既有铁路的运营 安全, 对于其他跨越既有铁路施工安全防护提供了很好的借鉴。总之,本空间刚架(桥梁)的 综合施工技术可应用于钢结 构空间刚架、跨越既有 铁路的桥梁施工,也可以为跨越高速公路、市政道路等 桥梁施工提供借鉴。因此,本综合施工技术具有很好的推广应用前景。- 9 -经济效益(社会公益及软科学研究类项目可以不填此栏) 单位:万元人民币项目总投资额 回收期(年)年 份 新增利润 新增税收 创收外汇(万美元) 节支总额2009 89.31 48.69 138.002010 506.07 275.93 782.002011累 计 595.38 324.62 920.00经济效益计算依据:⑴ 采用大跨单悬臂龙门吊架设钢梁,相比大吨位汽车吊,节约资金 220 万元;采用多平台转换快速架梁,减少了要点施工次数,降低了对运营铁路的干扰,同时提前了工期,节约资金 700 万元;⑵ 营业税、城市维护建设 税和教育费附加综合税 920×3.41%=31.37 万元;⑶ 计算所得税率为 33%,则所得税额为(920-31.37 )×33%=293.25 万元;⑷ 新增税收 31.37+293.25=324.62 万元;⑸ 纯利润 920-324.62=595.38 万元。社会效益说明空间刚架(桥梁)技术方案先进合理,安全管理措施到位,要点次数少,对既有营业线造成的影响小,各工序方案经济合理,整体质 量优良。⑴项目实施期间,先后经历 了国庆六十周年庆典和 2010 年春运等特殊时段,并于 2010 年春运前完成了架梁作业,期间施工措施得当,安全保障有力,为铁路安全运输保驾护航。⑵该空间刚架结构新颖,建成后雄 伟壮观。⑶本项目的成功应用,为 中国高速铁路技术的的发展作出了 贡献。- 10 -五、本项目曾获科技奖励情况 获奖时间 奖项名称 获奖项目名称 奖励等级 授奖部门(单位)2012.02 科学技术奖 跨多条繁忙电气化铁路干线空间刚架(桥梁)综合施工技术 一等奖 中国铁道建筑总公司2012.03 优秀工法奖 跨既有线空间刚架桥梁施工工法 中国铁道建筑总公司2012.05 省级工法奖 高速铁路跨既有线空间刚架桥梁施工工法 山西省住房和城乡建设厅2012.10 科学技术奖创新成果 跨多条繁忙电气化铁路干线空间刚架(桥梁)综合施工技术 一等奖 中国施工企业管理协会
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