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      行業資訊

      禮嘉嘉陵江大橋:梁拱組合剛構橋施工的智慧升級

      發布: 橋檢車小編 時間: 2022-03-15 瀏覽次數:0

        禮嘉嘉陵江大橋為重慶市快速路二橫線西段項目的控制性工程,為國內首座大跨徑上承式梁拱組合預應力混凝土剛構橋,采用對下部結構無推力、自平衡的梁-拱組合受力體系,大橋建設過程中需綜合采用梁橋、懸澆拱橋、矮塔斜拉橋建造工藝,成橋過程經歷多次體系轉換;梁拱組合三角區上弦箱梁與下弦拱梁需同步采用斜拉扣掛法,該工藝為行業內首次采用,無成功經驗可以借鑒。

        梁拱組合三角區長61m、高度31.5m,由上弦箱梁與下弦拱梁組合交匯形成(交匯處夾角約14°)。三角區下弦拱梁底緣線按2.2次拋物線規律變化,沿橋梁軸線方向共25個節段,其中0#節段采用墩旁托架與橋墩同時澆筑,其余梁段采用掛籃懸臂澆筑施工工藝。上弦箱梁沿橋梁軸線方向共25個節段,其中0#節段長度12m,與橋墩固結;0#節段采用墩旁托架施工工藝與橋墩同時澆筑,1-12#節段高4.8m、長度在4.5~5.0m范圍之間,采用掛籃懸臂澆筑施工工藝。

        施工中的獨特之處

        橋梁施工過程中,融合梁橋、懸澆拱橋、矮塔斜拉橋施工工藝于一身,需經歷多次體系轉換。并且,首次在橋梁施工過程中運用上弦箱梁與下弦拱梁同步斜拉扣掛施工工藝。

        針對橋梁構造特點,研發輕型爬坡倒三角掛籃,有效避開與臨時扣索的空間干涉,克服大角度變坡斜爬難題。提出上下弦梁合龍段施工工法,規避梁拱組合區域上弦箱梁與下弦拱梁掛籃空間干擾(10號節段以后),通過上弦箱梁菱形掛籃與下弦拱梁倒三角掛籃的空中重組,進行梁拱合龍段(13號節段)的澆筑。

        開展基于BIM+智慧工地的管理應用,基于Revit+Navisworks進行施工方案模擬與交底工作,采用Revit對設計模型進行WBS模型分解;基于分解后的模型進行鋼棧橋、掛籃、臨時塔架等施工措施設計、計算、制造,利用Navisworks模擬出禮嘉大橋上下弦梁合龍段的最佳施工工序。同時,利用三維掃描技術結合施工傳統測量進行橋梁線形復核,基于掃描模型與設計模型自動對比,提前進行弧形線性的偏差分析及偏差控制,軸線最大偏差及平整度均在5mm內,實現成橋線形的精確控制。

        下承式掛籃 形式更優

        掛籃選型對比分析

        下弦拱梁為C60鋼筋混凝土結構(未設置預應力體系),截面高度4.8m、寬度9m,拱梁頂、底緣線設計為2.2次拋物線規律變化,其變化方程式為y=-0.0006924(119-x)2.2+25.5,拱梁斜拱角度達到27°。下弦拱梁1至12號節段,采用懸澆拱橋施工工藝,即采用掛籃懸臂澆筑并在墩身設置臨時拉索輔助施工(臨時拉索張拉端設置于拱梁頂板齒板,通過臨時拉索預應力抵消自重引起的梁頂面拉應力),在13號節段與上弦箱梁交匯。為此下弦掛籃的設計需滿足三個要求:避免與臨時扣索形成空間干擾;有效解決與上弦箱梁施工的空間干擾問題;掛籃需具備大角度變坡斜爬能力?;谝陨先齻€要求開展掛籃選型對比分析(如下表所示)。

        1.上承式掛籃

        掛籃承重主桁架固定在梁體頂部,與懸吊平臺組成整體懸澆結構。

        優點是上承式掛籃構造及受力明晰,施工工藝成熟,安拆除工作較為常規。但經施工模擬,梁頂面施工空間狹窄且存在與臨時扣索、上弦箱梁干擾的問題;運用上承式掛籃混凝土節段間采用豎向分縫,掛籃縱向懸挑長度較長,導致掛籃自重較大(經濟指標在0.48左右);此外上承式掛籃變坡斜爬能力較差。

        2.下承式掛籃

        掛籃承重主桁設置在拱梁下部,由掛腿固定在拱梁背部形成整體懸澆結構。

        優點是掛籃自重較小,經濟指標為0.32左右;具備優異的爬坡、角度定位調節能力。但可借鑒的成熟施工經驗較少,對掛籃的設計、制作、運用要求高,且安裝及拆除難度較大。

        經以上對比分析可知,在相同設計承載力下,下承式掛籃自重更小,整體結構尺寸更小,爬坡能力更強;而且掛籃定位調節靈活性更強,更能適應拱梁弧度變化。同時解決了與臨時扣索、上弦箱梁空間干擾問題,因而選用下承式掛籃結構進行下弦拱梁施工。

        下承式掛籃的設計

        掛籃由承重桁架、行走系統、錨固系統、定位系統、模板系統、工作平臺等系統組成,單只掛籃重約82.3噸。

        1.承重桁架

        掛籃承重主桁是掛籃支撐模板體系和懸澆荷載的主體結構,承重主桁主要受力結構由兩榀倒三角形主桁構成。兩榀倒三角主桁之間設置前、中、后橫梁進行連接,保證整體性中橫梁上設置耳板連接錨固系統,在主桁中間設置掛腿,掛腿是主頂系統調整掛籃姿態時的主要受力結構,同時也是掛籃行走時支撐掛籃自重的主要受力構件。為減輕結構自重,主體結構除掛腿外其余部件均采用焊接H型鋼斷面構件,材質采用Q345B材料?! ?.行走系統

        行走系統實現掛籃空載前移,主要由行走軌道、前后行走小車及推進油缸組成。行走時利用主頂系統將掛籃下放,使前行走小車(履帶式小坦克)落至軌道,調節頂升機構使后行走小車接觸下梁面并受力,行走小車伸縮桿調整掛籃行走角度,使掛籃處于平穩行走狀態,由行走油缸推動掛籃行走。

        3.掛籃錨固系統

        下弦梁掛籃錨固系統包括兩組中橫梁錨桿組。錨固系統的作用是將掛籃自重和所承受的施工荷載傳遞到已澆筑混凝土梁段上,錨固系統為了施工時安裝方便,采用材質為40Cr的Tr60×8高強螺桿,并將錨桿設置在下弦梁內室腹板位置,避免錨桿與臨時拉索和掛腿位置矛盾問題。待止推器安裝完成后進行安裝錨桿,通過行走油頂、止推器的作用,調整掛籃下方螺桿孔的位置,確保螺桿順利穿入梁塊底板錨固盒子。安裝并擰緊螺桿1與螺桿2之間的連接套筒,確保擰入絲牙數滿足要求。隨后安裝錨固盒子上方墊塊、墊圈、螺母。

        4.定位系統

        定位系統實現掛籃澆筑前的初步定位,及達到施工條件的精確定位時需要的微調定位功能,定位系統由頂升機構、止推機構及主頂系統等組成。掛籃由主頂系統提升到預定位置附近,頂升機構設置在承重主桁架尾端,頂升機構在掛籃定位時,調整掛籃前端的豎向高程與設計基本相符,隨后通過頂升機構的微調功能使掛籃的定位達到施工規范要求。止推機構在承受掛籃斜向分力的同時,通過自身裝有的液壓千斤頂微調掛籃在橋梁縱向位置。

        5.模板系統

        模板系統由外模系統和內模系統組成,外模系統由底模、側模和頂模組成。為了減小下弦梁直線段與拱梁曲線的施工誤差,在底模設計時,掛籃模板以折代曲的最大長度不超過 2.5m,并在底模上設置固定的最大調整量。內模受橫隔板的影響,無法做成大塊模板整體隨掛籃前移,設計采用小塊鋼模板以方便裝拆,模板之間采用螺栓連接。

        6.工作平臺

        為保證施工人員安全,掛籃設置工作平臺供人員往返。工作平臺可根據施工過程中掛籃姿態的變化而進行調整。

        下承式掛籃的受力分析

        根據本掛籃結構的特點,采用 ANSYS 軟件對結構強度進行計算分析,主要結構 beam188 梁單元仿真模擬,錨固系統及頂升機構等單向受力構件采用link10單元模擬。模型各部分裝配采用共節點固結,節點耦合及接觸分析等方式模擬。在有限元分析的基礎上,再根據得到的內力等相關信息,對結構桿件及相關構件進行詳細計算。

        計算工況共分為3個,工況I:掛籃位于拱梁2號節段,混凝土澆筑完成 (混凝土重209.6t)但未凝固,掛籃與水平夾角 23°,風向垂直于模板(風速13.6m/s),計算掛籃工作狀態的受力和變形;工況II:掛籃位于拱梁11號節段,混凝土澆筑完成 (混凝土重218.2t)但未凝固,掛籃與水平夾角13.1°,風向垂直于模板(風速13.6m/s),計算掛籃工作狀態的受力和變形;工況III:掛籃位于拱梁2號節段且行走到位,掛籃與水平夾角23°,風向垂直于模板(風速13.6m/s),計算掛籃行走到位狀態的受力和變形。

        計算結果表明,澆筑工況下的掛籃最大應力為148MPa,底模前端最大變形為19.8mm;行走工況下的掛籃最大應力達到132MPa,最大變形為35mm;掛籃強度和剛度均滿足要求。

        下承式掛籃的制作及安裝

        掛籃構件集中在場內加工。單只掛籃構件生產完成后,須進行試拼,并噴漆和編號。掛籃各構件生產齊全后,根據施工場地情況進行進場安排?,F場安裝時,單墩大小里程側掛籃對稱同步安裝。單只掛籃的構件須根據出場編號進行組裝。吊裝前,組裝構件為主桁系統和錨固系統。

        掛籃安裝完成后投入使用前進行載荷試驗,按照下弦拱梁混凝土方量最大節段確定掛籃預壓重量,經比較,根據12號節段確定預壓重量(預壓重量為節段重量+施工機具、人群等臨時荷載+掛籃模板重量的1.1倍),由此計算的理論預壓重量為1.1×218.2=240t。預壓過程中,實時監控變形情況;預壓觀測采用四等水準測量,采用DZS2級水準儀和配套直尺進行,配備專業測量人員4人分兩組觀測。

        下承式掛籃的施工工藝

        BIM技術的助力

        通過建立高精度BIM模型,開展全橋工序模擬,提高圖紙二次深化設計的質量和效率,減少圖紙中的錯漏碰缺,提高橋梁的可建造性;基于BIM模型開展碰撞整合分析、結構分析、節點深化、工程量統計、航拍傾斜攝影建模、三維掃描、坐標測量等功能,提高建造效率及施工質量。同時,依托自主研發BIM+GIS的項目管理云平臺,實現BIM+智慧工地的一體化集成,實現基于制度化、數據化、自動化、智能化的全過程項目管控。

        建立了基于BIM的項目管理制度,編制《禮嘉嘉陵江特大橋BIM應用策劃方案》,提出了全流程、集成化、定制化、智能化、全員參與、責任清單化的BIM6大實施理念。應用策劃方案明確闡述了BIM工作總體實施方案,對團隊建設、工作制度、建模標準、模型維護、關鍵技術應用、協同工作流程做了詳細規定,并制定四個階段共13項應用點。

        本工程基于五個階段:建模策劃、模型拆解與分工、原始數據收集、模型建立、模型整合與檢查。針對BIM模型創建中存在的變截面六邊形獨柱式空心墩、2.2次拋物線下弦拱梁、臨時斜拉扣索、倒三角斜爬掛籃等異形構件,使用Revit與Dynamo相結合的方式進行參數化建模。

        基于項目特點編制的BIM實施標準,在模型設計過程中使用標準文件架構、標準化族庫命名、標準化構件分類與命名,實施過程中嚴格管控模型質量。建立施工階段禮嘉大橋BIM模型,包含:基礎、橋墩、橋臺、上弦箱梁、下弦拱梁、橋面系、景觀、機電及導向標示等所有大橋模型,并根據相關資料整合調整優化,模型深度達到LOD400。通過InfraWorks將場地環境等GIS信息數據與BIM模型進行整合,輔助施工場地便捷規劃。

        整合沖突分析

        在施工圖深化設計階段,建立橋梁施工中預應力管道與鋼筋模型,進行碰撞檢查,有效規避前期設計錯誤122處。建立上弦菱形掛籃與下弦倒三角掛籃高精度模型,復核掛籃設計的準確度,發現各類問題46處,有效規避圖紙合同及加工風險,累計節約工期11天。項目互通立交墩柱采用花瓶式異形墩柱,經統計分析共設計有21種墩柱形?;贐IM模型將不同墩柱進行整合分析(如圖10所示),發現墩柱細部尺寸部分偏差在10cm以內。針對上述情況,BIM小組對墩柱細部尺寸進行優化,將原始需求的21套定型鋼??s減為6套。

        工序模擬及方案模擬論證

        項目在編制禮嘉嘉陵江大橋上下弦合龍段施工方案時,使用BIM技術輔助相關方案編制及方案比選,對工序轉換中涉及的方案重要轉換節點及位置進行精細化建模,對重點部位進行前置模擬分析導入Fuzor進行工況模擬,規避施工操作空間不足及可能出現的碰撞問題。形成各方案工藝模擬說明文檔,組織內部方案討論會及評審會,選定最佳的合龍段施工方案。

        BIM測量輔助及質量復核

        大橋主墩內外沿高度方向進行收斂,下弦拱梁采用2.2次拋物線,設計僅給出底部控制點坐標,現場分節段澆筑需計算對應節段的控制點坐標?;贐IM模型將大橋整體定位坐標體系轉換為重慶市獨立坐標體系,從而實現任意提取模型各個位置、節點的三維坐標;并將其與傳統坐標計算方式進行測量坐標復核,提升測量工作精準度,大幅度減輕計算復核負擔,提升測量工作效率。

        在墩柱施工完成后,采用S350掃描儀進行施工質量復核,基于掃描模型與設計模型自動對比,提前進行弧形線性的偏差分析及偏差控制,軸線最大偏差及平整度均在5mm內,實現成橋線形的精確控制。

        BIM+智慧工地項目管控

        由于大橋存在較多的交叉施工作業,基于BIM模型模擬全橋動態建造工程,實現形象進度與產值計劃雙控;確保施工計劃的合理性,并完成各階段的動態施工場景布設與協調;識別大型臨時設施、物資設備、人力資源需求制約進度關鍵因素。實施過程中利用無人機采集現場施工全景實景數據,提交BIM形象進度報告?;贐IM平臺建立進度預警體系(黃、橙、紅、黑),實現對計劃進度與預計進度的對比分析及自動預警。

        基于BIM平臺實現了圖模一體化式的集成查看,輔助施工現場方案審批、技術檔案管理、驗收管理等工作。利用移動端質量巡檢及整改功能,對現場技術質量問題進行檢查、整改、驗收、統計分析,提高管理效率。

        最后,通過采用實體+BIM+VR技術進行安全教育培訓和交底,提升了安全教育的交底效果。完成了項目PDCA安全隱患整改追溯機制,并與基于BIM模型的平臺安全巡檢時空分析,對安全管理人員進行了績效考核。

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