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      鋼桁梁頂推橫向偏位控制方法研究

      2021-11-05 04:34:36王海周
      鐵道建筑技術(shù) 2021年10期
      關(guān)鍵詞:導梁偏位桁梁

      王海周

      (中鐵十四局集團有限公司 山東濟南 250013)

      1 工程概況

      黃大鐵路黃河特大橋主橋跨徑布置為120+4×180+120 m,采用下承式明橋面連續(xù)鋼桁梁,帶豎桿三角形桁式,桁高18.0 m,節(jié)間長度10 m,主桁中心距 11.0 m[1-2]。

      主梁采用頂推法施工,在114?!?15#墩間120 m搭設(shè)支架,作為鋼梁拼裝平臺。拼裝平臺處設(shè)2臺龍門吊,用以拼裝鋼梁。在115#~116#墩跨中位置設(shè)置臨時支墩,115?!?19#5個主墩搭設(shè)墩旁托架[3],作為頂推滑道梁支架,如圖1所示。

      圖1 頂推大臨設(shè)施布置

      2 支墊及滑行結(jié)構(gòu)

      鋼桁梁支撐點置于鋼桁梁下弦桿大節(jié)點處,支撐結(jié)構(gòu)從上到下分別為墊板、滑塊、MGE板、復合鋼板、滑道梁、支架、支架基礎(chǔ)[4]。MGE栓接于滑塊底,復合鋼板焊接在滑道梁上,MGE板與復合鋼板之間相對滑動,依靠墊板與梁底間摩擦力帶動上部梁體前行,完成頂推施工。墊板還用于調(diào)整高度,適應不同節(jié)點的預拱度和不同支架高度,如圖2所示。

      圖2 橋梁支撐系統(tǒng)

      3 鋼桁梁線形偏位分類

      大跨度鋼桁梁頂推施工的關(guān)鍵在于線形控制,偏位過大,容易造成前端導梁偏位過大無法上墩,整體線形控制不力會出現(xiàn)鋼梁局部卡死,無法再向前頂推等嚴重且不易處理的后果[5]。

      鋼桁梁頂推偏位分為三類,即縱向偏位、橫向偏位和豎向偏位。

      (1)縱向偏位

      縱向偏位即左右兩片主桁沿線路方向前進不一致,一前一后??v向偏位不加以控制,發(fā)展至一定程度,主桁中心線與線路中心線間出現(xiàn)較大夾角,鋼梁將朝著偏離中心的方向前進,同時也會引起鋼梁前段后端大的橫向偏位[6],如圖3所示。

      圖3 縱向偏位示意

      (2)橫向偏位

      橫向偏位即在水平面內(nèi)鋼桁梁中心線上某點或多點偏離線路中心線位置,如圖4所示。橫向偏位需要控制在一定的范圍之內(nèi),導梁、鋼梁橫向偏位過大會使滑塊與限位鋼板在滑動中接觸,限位鋼板與滑塊非滑動面產(chǎn)生巨大摩擦力,額外增加了牽引千斤頂?shù)臓恳Γ瑫r也增大了墩身所承受的水平反力,對墩身不利;若主梁橫向偏位沒有及時得到糾正,摩擦力進一步增大,限位鋼板受損后剛度降低,限位鋼板限位功能將失效。

      圖4 橫向偏位示意

      橫向偏位控制不當還會使左右兩臺水平牽引千斤頂受力不一致,梁內(nèi)產(chǎn)生扭曲,引起鋼梁部分桿件改變原工作狀態(tài),出現(xiàn)應力異常,使鋼梁在頂推中的狀態(tài)趨于不安全;鋼梁內(nèi)部產(chǎn)生扭曲使各墩左右側(cè)滑塊支反力不一致,增大了臨時支架單點的荷載,對下部滑道梁和臨時支架造成隱患。若橫向偏位沒有及時糾正,多處累計值較大后,隨即引起縱向偏位。

      (3)豎向偏位

      豎向偏位即頂推中的各平臺或滑道梁標高發(fā)生變化。各臨時支點標高發(fā)生變化后,各支點承受的鋼桁梁的重力重新分配,若未能及時發(fā)現(xiàn),部分支點豎向支反力大于原設(shè)計值,會給鋼桁梁帶來一定的附加應力,不利于鋼梁頂推施工,如圖5所示。

      圖5 豎向偏位示意

      減小豎向偏位,臨時支架的設(shè)計應趨于保守,適當加大安全系數(shù),具有承擔一定數(shù)值的偶然荷載能力;在施工中要保證支架基礎(chǔ)、支架的搭設(shè)精度,完成后全面測量,對于超出允許偏差的位置,調(diào)整平面高度后再次復核,直至滿足精度要求;合理組織頂推施工的各道工序,盡量避免頂推過程中出現(xiàn)單個支點受力過大;在施工過程中對支架及滑道梁進行周期性動態(tài)觀測,及時發(fā)現(xiàn)豎向偏位問題,便于調(diào)整處理。

      4 頂推橫向偏位原因分析

      頂推施工鋼梁橫向偏位原因復雜,根據(jù)東營黃大項目現(xiàn)場實踐經(jīng)驗從施工角度對橫向偏位原因進行總結(jié)。

      (1)頂推系統(tǒng)同步千斤頂不同步

      水平千斤頂頂進行程不一致是造成橫向偏位最主要的原因,本項目頂推系統(tǒng)為分散連續(xù)頂推,在各墩主桁下均設(shè)置牽引千斤頂。盡管千斤頂進行周期性檢驗、維護、維修,各墩左右側(cè)每個循環(huán)存在微小的不同步偏差在所難免。雖然單個循環(huán)千斤頂行程相差甚小,但較小行程差值長期累積后,即會引起橫向偏位[7-8]。

      (2)手動頂推人為因素干擾

      頂推系統(tǒng)在自動頂推之前要先進行手動調(diào)整,調(diào)整至各墩牽引力滿足頂推方案要求時的位置;在自動頂推階段出現(xiàn)線形變化時,也將采取手動頂推調(diào)整的措施解決。在手動調(diào)整階段,左右側(cè)千斤頂同步性受人為因素干擾較大,并且干擾值不易被觀測,不同步累積后首先造成縱向偏位,再由縱向偏位引起橫向偏位。

      (3)支架標高及幾何形位偏差

      滑道梁標高及幾何形位偏差是造成鋼梁橫向偏位的另一個原因,尤其是左右滑道梁的標高偏差。在頂推過程中,滑道梁標高的差異會使鋼梁向著標高低的一側(cè)滑動,造成橫向偏位?;舶鍢烁呒皫缀涡挝黄钍怯善湎虏拷Y(jié)構(gòu)高程變化造成,如支架立柱變形、滑道梁變形、支架下部基礎(chǔ)沉降變形。

      (4)間歇型“爬行”線形

      在頂推過程中由于鋼絞線的彈性和摩擦面摩擦狀態(tài)的轉(zhuǎn)變,滑塊與滑床板之間的滑動不能連續(xù)勻速進行,經(jīng)常出現(xiàn)間歇性“爬行”現(xiàn)象,每次線形回歸正常都需克服巨大的靜摩擦力,并在靜摩擦與動摩擦兩種狀態(tài)下交替轉(zhuǎn)換[9],對滑床板、滑道梁、支架產(chǎn)生較大的水平?jīng)_擊,造成其幾何形位發(fā)生變化。

      (5)風荷載影響

      當導梁懸臂過長時,容易受到風荷載的影響,導梁前端出現(xiàn)左右擺動,引起后端鋼梁偏離縱向中心線。

      5 橫向偏位模型分析

      本節(jié)建立橫向偏位模型,對比分析實際水平糾偏千斤頂糾偏效果與理論值的關(guān)系,并得出相關(guān)結(jié)論。

      本文以導梁上117#墩后140 m工況為例,模擬在116#墩上使用水平千斤頂分別糾偏5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm、40 mm、50 mm 需要施加的荷載。

      建立Midas模型,導梁及鋼桁梁桿件使用梁單元模擬,材料屬性按照設(shè)計所給材料的性能考慮,荷載僅考慮導梁及已拼裝主桁自重,模型荷載中1.35倍自重系數(shù)能夠含拼接板、隔板、節(jié)點局部加強及橫向聯(lián)接系的重量,水平糾偏力等效為強制位移。115#墩約束方式假定為固定支座,116#墩、118#墩、拼裝平臺、1#臨時墩均假定為活動支座。幾何模型如圖6所示[10]。

      圖6 鋼梁模型

      糾偏0 mm、5 mm、10 mm的組合應力結(jié)果由上至下如圖7所示。

      圖7 糾偏0 mm、5 mm、10 mm組合應力

      糾偏15 mm、20 mm、25 mm的組合應力結(jié)果由上至下如圖8所示。

      圖8 糾偏15 mm、20 mm、25 mm組合應力

      分別糾偏30 mm、40 mm、50 mm的組合應力結(jié)果由上至下如圖9所示。

      圖9 糾偏30 mm、40 mm、50 mm組合應力

      根據(jù)組合應力計算結(jié)果可知,在116#墩位置上糾偏5 mm,對主桁桿件應力影響極小,桿件應力分布狀態(tài)基本沒有變化,桿件應力仍然受其自身重力控制。因此,5 mm以內(nèi)的橫向糾偏不會對導梁及主梁桿件造成太大影響。但一次橫向糾偏值不能太大,仍應按照化整為零的原則,將較大的橫向偏位,分次多點進行糾偏消除。

      糾偏量提高至5 cm時,應力分布仍沒有明顯變化,主桁弦桿應力有所增大,由176 MPa增大到192 MPa,但未超出允許應力。所以,采用橫向糾偏千斤頂橫頂糾偏具有可行性。

      糾偏需要克服的是鋼梁和滑道之間的靜摩擦力,根據(jù)統(tǒng)計頂推數(shù)據(jù),頂推過程中的實際靜摩擦系數(shù)在0.08~0.1之間,模型計算靜摩擦系數(shù)取較高值0.1。對比分析理論彎曲糾偏力、模型計算支反力、實際糾偏力,見表1。

      表1 理論彎曲糾偏力、支反力及實際糾偏力匯總

      本項目水平糾偏千斤頂頂力為250 t,最大行程5 cm,糾偏量5~50 mm,現(xiàn)場實際糾偏力從84.6 t到86.9 t,糾偏力未見明顯變化。通過對比分析,實際糾偏力與理論彎曲糾偏力、需摩擦力關(guān)系不大,頂推過程中的橫向糾偏力不受彎曲應力控制,而是由靜摩擦力控制。

      現(xiàn)場糾偏力從糾偏5 mm至50 mm變化沒有明顯增大,說明在大跨度鋼桁梁頂推施工橫向糾偏中,糾偏力主要受靜摩擦力控制。在選用水平糾偏千斤頂規(guī)格時主要考慮靜摩擦系數(shù)。

      6 橫向糾偏措施及效果

      橫向糾偏要以精確的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),在保證鋼桁梁位置的前提下,以可推動滑塊和墊板的位置作為糾偏千斤頂作用點,如圖10所示。

      圖10 支撐系統(tǒng)

      (1)限位鋼板

      限位鋼板作為頂推過程中滑塊限位的基本約束,頂推過程中,若滑塊出現(xiàn)與一側(cè)限位鋼板頂緊現(xiàn)象,則將主梁起頂,調(diào)整滑塊位置,使其居于滑床板中部?;瑝K與限位鋼板頂緊狀態(tài)下,會增加水平牽引力,臨時支架、墩身的水平反力也隨之增加,不利于安全[11]。

      在很多鋼桁梁頂推施工中,使用角鋼作為限位鋼板并不合理,角鋼一般用作拉壓二力桿,而限位鋼板受較大水平推力(剪力),角鋼抵抗能力較差,而且角鋼板厚較薄,限位工作面狹小,不具備限位功能。在個別工程中已有角鋼限位失敗的案例,黃大鐵路東營黃河特大橋項目已經(jīng)成功地采用鋼板加加勁肋方式完成限位約束功能,建議使用板厚較厚的鋼板輔以同等厚度的加勁肋作為限位裝置。

      (2)單點單動

      頂推過程中,若發(fā)現(xiàn)導梁前端監(jiān)測點發(fā)生左右偏移,即縱向偏位,可單獨使用偏向一側(cè)的牽引千斤頂工作,另一側(cè)千斤頂不動,進行分次糾偏,一次糾偏量控制在5 cm,糾偏一次復測一次,直至導梁回歸正位。單點單動容易引起主梁后端位置偏差,在糾偏過程中應嚴密觀測后端滑塊與限位鋼板的相對位置,避免因?qū)Я呵岸嗣つ考m偏引起主梁后端偏位[12]。

      (3)橫向千斤頂糾偏

      根據(jù)第5章節(jié)分析可知,糾偏千斤頂并不是克服鋼桁梁彎曲應力而是克服靜摩擦力進行糾偏。對于本工程,相對于180 m跨度,鋼桁梁柔性較大,很小的力就可以對其糾偏5 cm。糾偏分次分點進行,逐級將鋼桁梁和導梁產(chǎn)生的橫向彎曲應力釋放掉。

      (4)前端牽引

      導梁上墩前懸臂較大時,采用鋼絲繩與前端墩身連接,并對鋼絲繩施加一定的牽引力,避免因異常大風天氣造成導梁懸臂左右擺動,也是控制導梁前端橫向偏位的一種輔助措施。

      7 結(jié)論

      在大跨度鋼桁梁頂推施工中,橫向偏位糾偏力主要受靜摩擦力控制,選用水平糾偏千斤頂規(guī)格時主要考慮靜摩擦系數(shù),一次糾偏反力大小可以忽略。

      根據(jù)該項目已完成工程經(jīng)驗,限位鋼板、單點單動、橫向千斤頂糾偏、前方牽引等措施可以有效控制、處理鋼桁梁的橫向偏位,建議在實際頂推施工過程中應綜合靈活運用橫向糾偏措施,并充分利用現(xiàn)場條件,以達到良好的偏差調(diào)整效果。

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