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大型化、多样化、智能化——钢桥专用设备的发展趋势
来源单位: 浏览次数:58次 发布日期:2021年01月14日

 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。

 

 

 

  钢桥建造的整体提升

  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。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,我国杰出的铁路工程师詹天佑主持修建完成了滦河铁路大桥。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。

 

 

 

 如今,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,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,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。

 

 

 笔者认为,钢桥未来的发展将出现以下几个特点:

 一,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斜拉桥——沪苏通长江大桥,最大跨度1092米;公铁两用悬索桥——五峰山长江大桥最大跨度也是1092米。

 二,质量和寿命不断提高。设计寿命100年、120年的提出,对耐久性要求逐步提高,加工质量、建造质量等多方面也相应提高,钢桥品质不断提升。

 三,向复合方向发展。包括结构复合、材料复合等。如斜拉、悬索、拱等结构型式的复合、钢与混凝土的复合、景观与功能的复合等。

 四,向快速、集成方向发展。如整节段、整孔工厂制造,先叠合预制再安装,整体拼装转体、整体提升等方案。

 制造技术的迭代升级

 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。例如,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。自动化焊接技术的实际应用,使焊接质量得到了提升。

 随着钢桥跨度的增大,钢桥制造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。不锈钢复合钢板焊接技术的提升,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。目前,该技术在五峰山长江大桥、鳊鱼洲长江大桥中得到了应用。

 此外,智能制造技术在钢桥制造中得以应用。如BIM技术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的应用,提高了制造安装的质量;焊接仿真技术的应用,可对焊接变形进行预测预控。

 

 

 

 快速、灵活的架设技术

 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。

 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。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。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。可适应连续梁桥、悬索桥、斜拉桥、拱桥等多种桥梁的钢梁架设。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。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。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。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。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。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。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。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。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。

 未来,面对桥梁跨度、重量越来越大,新型结构、施工条件多样化发展等趋势,钢桥架设技术也将逐步升级。主要包括:

 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。

 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。

 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。

 

 

    

 

       

 专用设备期待重大提升

 钢桥的建造离不开大型施工设备,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。

  钢梁架设专用设备

 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为沪苏通长江公铁大桥1800t步履式架梁起重机。

 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为铜陵长江公铁大桥400t桅杆式架梁起重机。

 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为珠海洪鹤大桥100t全回转架梁起重机。

 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为武汉江汉七桥100t爬坡式架梁起重机。

 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是五峰山长江公铁大桥2×900t缆载吊机。

 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。

 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。

 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。

 钢桥施工设备的发展方向

 第一,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。

 第二,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。

第三,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。

 

 

 (本文刊载于《桥梁》杂志2020年 第6期 总第98期 作者:王员根 中铁九桥工程有限公司

 

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