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【理论创新】钢桥制造、架设、施工设备技术的最新现状与发展趋势

导语:

 近年来,我国桥梁事业飞速发展,建成了一座座创世界纪录的各类桥梁,其中,大跨度桥梁绝大部分都是钢结构桥梁。而伴随着越来越多重载大跨度、复合新结构钢桥的出现,对钢桥建造技术提出了更高的要求,下面,请一起来看中铁九桥党委书记、执行董事王员根对我国钢桥的经验与思考《钢桥制造、架设、施工设备技术的最新现状与发展趋势》。

一、中国钢桥的发展

中国是最早掌握建桥技术的古老国家,早在公元206年就已经掌握了铁索桥的造桥技术,如1705年在大渡河上修建的“泸定桥”,是现存最精良的一座铁索桥。

1894年,中国著名的铁路工程师詹天佑在110多年前主持修建滦河铁路大桥。他采用中国传统的方法,以中国的潜水员潜入河底、配以机器操作的方式胜利完成打桩任务,建成滦河大桥。

1937年,钱塘江大桥由中国桥梁专家茅以升主持设计,是中国自行设计、建造的第一座双层铁路、公路两用桥,开创了我国自行建造钢桥的历史。

随着几代人的努力和不懈奋斗,中国钢桥实现了飞速发展。主要体现在下面几个方面:

连接形式的发展。钢桥连接形式从铆接到栓接,再到栓焊结合,甚至全焊,各有优缺点,不断推动着钢桥从材料,体量,跨度,功能等多方面综合发展。目前以栓焊结合为主流,多采用工厂焊接、工地栓接,分别应用了各自优点。

桥梁用钢材料强度、韧性、耐腐蚀性的综合发展。材料屈服强度从Q235到Q690不断提高,材料的韧性、可焊性、耐腐蚀性等也逐步提升,为钢桥的发展打下了坚实基础。目前已推出Q690qENH高性能钢,已在江汉七桥应用。另外,不锈钢复合钢、耐候钢等也在近几年得到了良好应用。材料性能逐渐向高性能方向发展

钢桥发展方向。一是进一步朝重载大跨度(千米级)方向发展。目前已建成的公铁两用桥斜拉桥沪苏通长江大桥最大跨度1092米,公铁两用桥悬索桥五峰山长江大桥最大跨度也是1092米。二是质量和寿命不断提高。设计寿命100年、120年,对耐久性要求逐步提高;对应加工质量,建造质量应用多方面的要求提高,钢桥品质不断提升。三是向复合方向发展。有结构复合、材料复合等,如斜拉、悬索、拱等结构形式的复合,钢与混凝土的复合等,景观与功能的复合等。四是向快速、集成方向发展。越来越趋向于满足桥位快速、集成施工的要求,如整节段、整孔工厂制造,先叠合预制再安装,装配化,整体拼装转体、整体提升等方案。

二、钢桥制造技术

     经过几十年的技术积累和进步,钢桥制造技术得到了飞速的发展。

1、U肋全熔透焊接技术得到应用,使桥面板获得了较好的抗疲劳性能。

2、自动化焊接技术得到了实际应用。通过应用一些桥面板单元焊接专机、焊接机器人系统等焊接技术,焊接质量得到了提升。

3、高性能桥梁钢焊接技术得到发展。钢桥跨度越来越大,对材料的强度提出了更高的要求,对焊缝与母材的结合性能也提出了更高的要求,特别是异种材质的焊接接头性能得到了大幅度改善。焊接接头的机械性能、抗拉、防裂、耐候等方面综合提升,为高性能桥梁钢的应用奠定了基础。

4、不锈钢复合钢板焊接技术得到提升。该技术为桥面等不易排水,容易锈蚀部分钢板提供了较好的解决方案。它在五峰山长江大桥、鳊鱼洲长江大桥中得到了应用。

5、钢桥智能制造技术的应用。如BIM技术在钢桥制造中的应用,可提前进行模型的施工模拟,避免施工过程中的一些不易发现的问题;二维码信息技术的应用,能快速获取项目信息,也可与物联网连接,定位构件当前的位置和状态信息等需要展示的信息;精密测量与虚拟预拼装技术应用提高了制造安装的质量;焊接仿真技术在钢桥制造中的应用,可对焊接变形进行预测预控。

三、钢桥架设技术

(一)钢梁架设方法

钢梁架设是钢桥施工的核心工作。目前国内常用的钢梁架设方法主要有:悬臂拼装法、膺架法、顶推法、拖拉法、浮拖法、转体法、整体提升法、缆载吊机法、缆索吊机法、钢混组合梁一体化施工方法、吊索塔架法、整节段架设法等。

1、悬臂拼装法

悬臂拼装法是一种将杆件依次拼装在平衡梁或已架钢梁上,使钢梁形成向桥孔中心逐渐增长的悬臂,从而完成钢梁安装的架设方法。常用于斜拉桥、连续钢桁梁桥、钢桁拱桥的钢梁架设。

2、膺架法

膺架法是指在钢梁的正下方设置临时膺架,利用起重机将钢梁杆件直接安装于膺架上的方法。常用于支墩高度较低、没有通航要求的桥梁施工。

3、顶推法

顶推法是在桥孔以外的位置拼装钢梁,待拼装完成后,将钢梁整体顶推至设计位置的施工方法。可适用连续梁桥、悬索桥、斜拉桥、拱桥等多种桥梁的钢梁架设。

4、拖拉法

拖拉法与顶推法的施工原理基本相同,不同点在于拖拉法将动力设备设置于钢梁的前方对钢梁进行拖拉。

5、浮拖法

浮拖法是将钢梁整体组拼后,前端采用浮船支承,后端采用滑道支承,利用动力设备将钢梁整体拖拉至设计位置的施工方法。常用于河道水流速度较低、桥址具备水上运输条件的简支梁架设。

6、转体法

转体法是指在河的两岸或其他适当位置,利用地形或使用临时支架对钢梁进行组装,然后对钢梁结构本身进行转动使其到达设计位置的施工方法。可适用于钢主塔、钢拱梁的安装。

7、整体提升法

整体提升法是先将钢梁整体拼装完成,然后在钢梁整体的上方设置多个提升设备,将钢梁提升到设计位置进行安装的方法。常用于大型钢拱梁的安装。

8、缆载吊机法

缆载吊机法常用于悬索桥钢梁的架设,其特点是利用悬索桥的主缆作为承载结构,将缆载吊机安装于两根主缆之上,对钢梁进行垂直提升或者较小角度的荡移安装。适用于具备钢梁运输条件的跨江、跨海悬索桥施工。

9、缆索吊机法

缆索吊机法是指在施工现场额外设置一套承重索,起重跑车在承重索上进行起吊和移动,以实现梁段的吊装与运输的施工方法。常用于山区悬索桥、拱桥的钢梁架设。

10、钢混组合梁一体化施工方法

钢混组合梁一体化施工方法,是将高速公路钢混组合桥梁梁段的拼装、叠合、养护、运输、架设均在现场同步进行的一种施工方法,适用于高速公路钢混组合桥梁的施工。

11、吊索塔架法

吊索塔架法是指利用吊索塔架来提升钢梁纵向刚度的方法,当采用悬臂法、顶推法施工而钢梁纵向刚度不足时,常采用吊索塔架法作为辅助。

12、整节段架设法

整节段架设法是指在工厂进行钢梁整节段制造,然后利用船舶将钢梁整节段运输至桥址后,直接用起重设备进行提升安装的方法。常用于具备大型钢梁运输条件的斜拉桥、悬索桥施工。

(二)钢桥架设技术的发展方向

1)大件化、快速化   面对桥梁跨度、重量越来越大的趋势,大块件吊装架设方法的应用越来越广泛,其具有工厂标准化制造、现场连接部位少的优点,施工质量可靠,施工速度快。

2)施工方法多样化   面对桥梁新型结构、施工条件多样化发展的趋势,常常需要数种施工方法配合使用。随着未来施工技术及施工装备的进步,钢梁架设方法的应用方式将会越来越灵活。

3)极端环境桥梁施工 面对我国海洋、高寒地区等极端环境的桥梁建设需求,需研究各种极端环境下的施工方法适应性、人员安全性、施工装备优化等问题。

四、钢桥施工设备技术

(一)钢桥施工设备

钢桥的建造离不开大型施工设备,钢梁架设专用设备主要包括步履式架梁起重机、桅杆式架梁起重机、全回转架梁起重机、爬坡式架梁起重机、缆载吊机、缆索吊机、步履式顶推设备等。

1、步履式架梁起重机

步履式架梁起重机主要用于斜拉桥钢梁节段的悬拼安装,目前世界额定起重量最大的步履式架梁起重机为沪苏通长江公铁大桥1800t步履式架梁起重机。

2、桅杆式架梁起重机

桅杆式架梁起重机具备±90°回转和变幅功能,适用于钢桁梁杆件或整体桁片的吊装。目前国内额定起重量最大的桅杆式架梁起重机为铜陵长江公铁大桥400t桅杆式架梁起重机。

3、全回转架梁起重机

全回转架梁起重机具备360°回转和变幅功能,适用于钢桁梁杆件的吊装。目前国内额定起重量最大的全回转架梁起重机为珠海洪鹤大桥100t全回转架梁起重机。

4、爬坡式架梁起重机

爬坡式架梁起重机具备爬坡、调平、回转功能,主要用于钢桁拱桥梁的架设。目前国内额定起重量最大的爬坡式架梁起重机为武汉江汉七桥100t爬坡式架梁起重机。

5、缆载吊机

缆载吊机是悬索桥钢梁节段安装的专用设备,其跨于悬索桥主缆上对钢梁节段进行提升,目前世界额定起重量最大的缆载吊机是五峰山长江公铁大桥2*900t缆载吊机。

6、缆索吊机

缆索吊机具备吊装、带载行走的功能,常用于施工场地钢梁运输条件较差的山区桥梁架设。

7、步履式顶推设备

步履式顶推设备可通过集群式控制实现钢梁的多点同步顶推,对临时支架的水平力小,且能方便地进行标高调节和横向调节,可用于各类钢桁梁、钢箱梁的安装。

(二)钢桥施工设备的选择(设计)方法

钢桥施工设备主要根据钢桥架设方案进行选择。在选择(设计)钢桥施工设备时,首先要满足技术参数、功能的要求,其次要充分考虑现场的施工条件,对施工设备的站位位置、吊耳连接、干涉情况等进行放样与计算,确保架设过程中施工设备与桥梁自身的安全性。

在钢桥施工设备设计时,需根据现场使用情况,不断进行结构与功能的优化,另外,面对新型结构、新环境的桥梁,需要对钢桥施工设备的结构、功能进行改进。

(三)钢桥施工设备的发展方向

(1)大型化  随着我国桥梁技术的发展,桥梁节段的最大重量持续被刷新,相应地,钢桥施工设备的额定起重量等参数也会越来越大。

(2)多样化  为满足我国交通运输网络的需求,需要在高寒高海拔地区、山岭峡谷地区、海峡地区建设桥梁,相应地,对钢桥施工设备的环境适应性提出更高的要求;另外,对于各种新型结构的钢桥,也需对钢桥施工设备的结构、功能做出改进以适应其使用工况。

(3)智能化  随着我国电气、液压控制技术的快速发展,钢桥施工设备关键功能的自动化程度已有了明显的提升,但在全自动操控、智能监控、故障自诊断、设备运维管理云平台等方面还有巨大的提升空间。

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