臨時(shí)支架在大跨度鋼拱橋施工中的應(yīng)用與研究

郭思軍

中交一航局第二工程有限公司，中國·山東 青島 266071

1 引言

中國煙臺港西港區(qū)30 萬t 級原油碼頭工程鋼拱橋施工項(xiàng)目位于煙臺港西港區(qū)石油作業(yè)區(qū)內(nèi)，在煙臺港西港區(qū)一期工程東側(cè)，山后李家山北側(cè)。由于鋼拱橋?qū)庸きh(huán)境和場地要求高，受現(xiàn)場場地和環(huán)境影響，經(jīng)對加工廠家和施工場地的綜合考察，并與設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入溝通，決定采用陸地整橋加工成型后，通過海上運(yùn)輸至施工現(xiàn)場進(jìn)行整體吊裝的工藝?？紤]到業(yè)主要求工期緊，鋼拱橋需兩次起吊，且需要進(jìn)行長距離運(yùn)輸，如何保證鋼拱橋在快速加工組裝和吊裝下滿足鋼拱橋?qū)?、?qiáng)度和穩(wěn)定性要求成為本工程能否按期完工的關(guān)鍵。如何在鋼拱橋的組裝和吊裝中，加快拼接進(jìn)度，采用盡可能少的施工措施，并解決橋位架設(shè)過程中橋梁易產(chǎn)生彈性壓縮變形影響拱肋成型曲線和拱肋的平面度的問題是論文研究的重要內(nèi)容。

2 課題研究內(nèi)容

2.1 方案比選和確定

方案一：采用組裝支架和吊裝支架

為保證鋼拱橋在整體拼接過程中在進(jìn)行拱肋拼接時(shí)對精度和穩(wěn)定性的要求，方法一是拱橋拼接時(shí)采用組裝支架（支架如圖1、圖2所示），根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段劃分，在拱肋節(jié)段分縫位置處搭設(shè)支架，支架水平面和垂直方向用槽鋼聯(lián)結(jié)成剪刀撐以增加支架的剛性和穩(wěn)定性。支架工字鋼與砼基礎(chǔ)部分接觸的根部必須與預(yù)埋件焊接；拱橋吊裝時(shí)利用型鋼加工吊裝支架，進(jìn)行垂直吊裝，減少鋼拱橋的吊裝變形。

圖1 組裝支架圖

圖2 吊裝支架圖

方案一的優(yōu)點(diǎn)：

（1）能提供安全穩(wěn)定的組裝支撐。

（2）橋梁架設(shè)時(shí)摘掛鉤操作簡單，橋梁垂直受力，拱肋不易變形。

（3）橋梁架設(shè)完成后，后續(xù)處理工作簡單。

方案一的缺點(diǎn)：

（1）所需的兩個(gè)支架本身重量較大，所需鋼材多，加工組裝復(fù)雜，成本高。

（2）組裝支架對組裝場地地基的要求高，場地需要澆筑專門的基礎(chǔ)墩，費(fèi)用高。

（3）組裝支架在拱橋加工完成后需要拆除后才能進(jìn)行整體吊裝，影響拱橋的架設(shè)進(jìn)度，無法為海上施工盡早提供通道。

方案二：采用臨時(shí)支架和吊耳板

臨時(shí)支架利用雙HN500*200*7*11 型鋼和直徑630mm，壁厚7mm 的鋼管作為拱橋的臨時(shí)桿件，在拱腳、吊點(diǎn)下及吊點(diǎn)間對鋼拱橋進(jìn)行加固作為鋼拱橋拱肋拼接時(shí)的支撐支架和吊裝支撐，且吊點(diǎn)的設(shè)置與吊裝鋼絲繩的夾角方向相同，臨時(shí)支架如圖3、圖4所示。

圖3 臨時(shí)支撐圖

圖4 臨時(shí)支架側(cè)面圖

方案二的優(yōu)點(diǎn)：

（1）能提供安全穩(wěn)定的組裝支撐和吊裝支撐。

（2）臨時(shí)支架拼接于拱橋上，對組裝場地地基無要求。

（3）組裝和吊裝共用一套支架組裝簡單，支撐加固時(shí)間短，縮短施工工期且成本較低。

方案二的缺點(diǎn)：

⑴鋼拱橋架設(shè)完成后后期拆除臨時(shí)支架的時(shí)間較長，工作較為煩瑣。

⑵整體吊裝對鋼絲繩和卡環(huán)的要求高，需要大載荷的吊索具。

綜合上述兩種方案，本著在滿足鋼拱橋?qū)?、?qiáng)度和穩(wěn)定性要求的情況下，加快鋼拱橋施工進(jìn)度，并且盡可能減少施工中所產(chǎn)生的措施費(fèi)用，我們決定采用第二種方案，并對該方案繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化改善，以提高鋼拱橋的施工效率。

2.2 方案工藝原理

2.2.1 施工現(xiàn)場環(huán)境影響

鋼拱橋海上整體吊裝較陸上架設(shè)影響因素多，該工程施工現(xiàn)場屬于無掩護(hù)外海海域，現(xiàn)場涌浪大，漲落潮時(shí)，流速大，且第一座橋靠近岸邊施工水域狹小。造成的后果主要是鋼拱橋起吊后穩(wěn)定性差，易上下擺動，起重船和運(yùn)輸方駁下錨受限，第一跨橋需多次改纜才能完成架設(shè)同時(shí)存在安全隱患，為降低鋼拱橋海上吊裝的客觀影響因素，可采取以下措施加以預(yù)防。

（1）加大起重船舶的選型與吊索具的選型，使風(fēng)浪對起重船的影響降到最低，以消除鋼拱橋在吊裝時(shí)晃動帶來的危險(xiǎn)；

（2）選擇合適的作業(yè)時(shí)機(jī)，風(fēng)、浪、流影響較小時(shí)作業(yè)，保證設(shè)備安全。

（3）在拱橋支墩基礎(chǔ)施工時(shí)提前利用40#工字鋼在橫橋向和縱橋向進(jìn)行限位的精確預(yù)埋，使橋梁架設(shè)過程中能快速精確地進(jìn)行鋼拱橋的安裝，盡量減少鋼拱橋在空中停留的時(shí)間。

2.2.2 臨時(shí)支架吊裝原理

鋼拱橋鋼管拱肋為二次拋物線啞鈴式拱形結(jié)構(gòu)，拱肋與水平面垂直，橋位架設(shè)時(shí)易產(chǎn)生彈性壓縮變形，影響拱肋成型曲線和拱肋的平面度，通過雙HN500*200*7*11 型鋼將鋼拱橋的拱肋和橋面系連接成剛性整體，在橋梁架設(shè)過程中不會產(chǎn)生彈性變形。吊耳板按照吊點(diǎn)位置與起重船鉤頭所成夾角方向布置，來消除鋼絲繩對吊耳板的側(cè)向力，使吊耳板只受孔壁的抗拉力和抗壓力[1-3]。

2.3 工藝流程

2.4 操作要點(diǎn)

2.4.1 臨時(shí)加固的驗(yàn)算

（1）強(qiáng)度計(jì)算

拱橋起重重量為806t，吊點(diǎn)順橋向間距22m，吊鉤距離吊點(diǎn)垂直距離41m，布置在拱肋上。取分項(xiàng)系數(shù)1.3，計(jì)算鋼拱橋起吊時(shí)，內(nèi)力和應(yīng)力設(shè)計(jì)值如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 彎矩圖

圖6 軸力圖（KN）

圖7 應(yīng)力圖（MPa）

拱肋最大拉應(yīng)力160MPa，下弦桿最大壓應(yīng)力101Mpa，均小于Q345 鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度；臨時(shí)拉桿最大拉應(yīng)力45Mpa，小于Q235 鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求。

（2）穩(wěn)定性

①加強(qiáng)撐桿穩(wěn)定

吊點(diǎn)下橫橋向加強(qiáng)撐桿受到軸向壓力設(shè)計(jì)值388KN（有限元計(jì)算數(shù)值），撐桿直徑630mm，壁厚7mm，按照軸心受壓構(gòu)件驗(yàn)算其穩(wěn)定性如下：

A=137cm2，i=22cm，λ=54.5，φ=0.835，

N/φA=388000/13700/0.835=33.9MPa ＜215Mpa，滿 足規(guī)范要求。

②下弦桿穩(wěn)定

下弦桿為箱型結(jié)構(gòu)，同時(shí)受到彎矩和軸向壓力作用，按照壓彎構(gòu)件計(jì)算其穩(wěn)定性如下：

式中：

N—鋼撐桿產(chǎn)生的軸力；

A—毛截面面積；

f—鋼材承載力設(shè)計(jì)值；

NEX—?dú)W拉臨界力；

Mx—繞強(qiáng)軸（x 軸）的彎矩設(shè)計(jì)值；

W1x—彎矩作用平面內(nèi)較大受壓纖維毛截面抵抗矩；

φx，φy—分別為彎矩作用平面內(nèi)、彎矩作用平面外的軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)

βmx—彎矩作用平面內(nèi)的等效彎矩系數(shù)。

計(jì)算左式=90Mpa ＜310Mpa，滿足規(guī)范要求。

③整體穩(wěn)定

采用有限元軟件計(jì)算，整體失穩(wěn)最小特征值112，滿足穩(wěn)定要求，前4 階模態(tài)如圖8所示。

圖8 前4 階模態(tài)圖

2.4.2 吊耳板承載力計(jì)算

（1）吊耳孔壁局部受壓承載力

式中：

σcj——孔壁局部受壓承載力（Mpa）

a——動力系數(shù)，取1.1～1.3；

γg——載荷分項(xiàng)系數(shù)，取1.35；

P——單個(gè)吊耳板荷載標(biāo)準(zhǔn)值（N），取2007KN；

r——吊耳孔半徑（mm），取90mm；

δ——吊耳孔厚度（mm），取135mm；

fcj——局部緊接承壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（Mpa），按表吊耳板鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值采用175MPa，如圖9所示。

圖9 吊耳圖

（2）吊耳孔壁受拉承載力：（G·Lame 公式）

式中：

σtj——孔壁受拉承載力（Mpa）；

R——取吊耳板寬度B 的一半（mm），取350mm；

ftj——孔壁受拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（Mpa），可按表吊耳板鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值采用230MPa，如表1所示。

表1 吊耳板鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

孔壁受壓承載力計(jì)算：

故滿足局部緊接承壓強(qiáng)度要求。

孔壁受拉承載力計(jì)算：

故滿足孔壁受拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（Mpa）要求。

2.4.3 拱肋的拼接

（1）在臨時(shí)支架頂部上用全站儀放線及測量標(biāo)高，用支架上的頂絲進(jìn)行精調(diào)位置，采用2 臺200t 汽車吊將鋼拱橋分段拱肋進(jìn)行吊裝就位，復(fù)測后采用CO2焊機(jī)焊接，拼接順序?yàn)橄葍啥嗽僦虚g合攏，鋼拱肋軸線符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，每條環(huán)縫必須進(jìn)行檢測，如圖10、圖11 所示。

圖10 拱肋的拼接（端段）

圖11 拱肋合攏（合攏段）

3 工藝實(shí)施效果

3.1 依托工程實(shí)施效果

本工程首次采用臨時(shí)支架及吊耳板的工藝。通過雙HN500*200*7*11 型鋼和直徑630mm，壁厚7mm 的鋼管作為拱橋的臨時(shí)桿件，在拱腳、吊點(diǎn)下及吊點(diǎn)間對鋼拱橋進(jìn)行加固為拱肋的分段拼接提供了平臺的同時(shí)，也將鋼拱橋的拱肋和橋面系連接為剛性整體，橋梁架設(shè)后拱肋成型曲線和拱肋的平面度均滿足要求，如圖12 所示。

圖12 吊裝完成圖

3.2 實(shí)施中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

采用臨時(shí)支架和吊耳板的工藝，該工藝的突出特點(diǎn)是，省去鋼拱橋拱肋整體拼接時(shí)所需的支撐支架，大大減少了所用鋼材的數(shù)量，且對組裝場地沒用地質(zhì)要求，臨時(shí)支架所用型鋼拼接簡單，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性均滿足要求。但在實(shí)際拼接時(shí)因H500 型鋼頂部為水平面與拱肋圓弧面接觸較少，容易影響拱肋的拼接精度和加固強(qiáng)度。為滿足受力和精度要求，我們在型鋼與拱肋之間用三塊20mm 的立面弧形鋼板焊接。

3.3 存在的問題及改進(jìn)措施

（1）本工程首次采用臨時(shí)支架及吊耳板的工藝。通過雙HN500×200×7×11 型鋼和直徑630mm，壁厚7mm 的鋼管作為拱橋的臨時(shí)桿件，在拱腳、吊點(diǎn)下及吊點(diǎn)間對鋼拱橋進(jìn)行加固為拱肋的分段拼接提供了平臺的同時(shí)，也將鋼拱橋的拱肋和橋面系連接為剛性整體，橋梁架設(shè)后拱肋成型曲線和拱肋的平面度均滿足要求。

（2）本工藝在應(yīng)用之前，經(jīng)公司專題會的多次研究討論，最終確定采用臨時(shí)支架和吊耳板的工藝，該工藝的突出特點(diǎn)是，省去鋼拱橋拱肋整體拼接時(shí)所需的支撐支架，大大減少了所用鋼材的數(shù)量，且對組裝場地沒有地質(zhì)要求，臨時(shí)支架所用型鋼拼接簡單，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性均滿足要求。但在實(shí)際拼接時(shí)因H500 型鋼頂部為水平面，與拱肋圓弧面接觸較少，容易影響拱肋的拼接精度和加固強(qiáng)度。為滿足受力和精度要求，我們在型鋼與拱肋之間采用三塊20mm 的立面弧形鋼板焊接。

（3）由于臨時(shí)支架隨鋼拱橋一起吊裝，待吊裝完成后臨時(shí)支架須逐一拆除，在拆除過程中，型鋼將橋面防腐涂層損壞，需重新處理。建議在進(jìn)行橋面防腐涂裝時(shí)面漆可待臨時(shí)支架拆除后進(jìn)行橋面面漆的整體處理，或在橋面鋪設(shè)竹膠板等進(jìn)行涂層保護(hù)。

4 效益評估

煙臺西港區(qū)原油碼頭鋼拱橋制作、運(yùn)輸、吊裝施工中，多處采用了新的施工工藝，特別是拱肋弦桿的以直代彎、拱肋單元工廠整體預(yù)拼裝，現(xiàn)場拱肋整體吊裝，整體吊裝就位等施工工藝減小了海上施工作業(yè)量，其“化整為零、化零為整”的思想大大縮短了工期，在鋼拱橋組裝、吊裝中采用的臨時(shí)支架的施工工藝，加快了鋼拱橋的加工、安裝速度，兩跨鋼拱橋在短短3 個(gè)月內(nèi)完成加工，作業(yè)29 個(gè)小時(shí)就完成2 座橋的架設(shè)任務(wù)，整個(gè)施工過程中無一例安全質(zhì)量事故發(fā)生。采用臨時(shí)吊裝支架僅其節(jié)省的拱肋拼裝平臺的鋼材約100t 左右。臨時(shí)支架加固安全可靠，通過測量人員對橋的成型尺寸及拱肋軸線的檢測效果良好，本次采用臨時(shí)支架的工藝，使鋼拱橋的加工與安裝進(jìn)度與質(zhì)量均達(dá)到預(yù)期效果[2-4]。

5 結(jié)語

本工程采用的臨時(shí)支架及吊耳板的工藝，有效解決了橋位架設(shè)時(shí)橋梁易產(chǎn)生彈性壓縮變形，影響拱肋成型曲線和拱肋的平面度，即提供了鋼拱橋整體拼接時(shí)所需的支撐支架也解決了鋼拱橋在海上整體吊裝的加固問題，加快了鋼拱橋的施工效率，不僅保證了工程的施工工期，也提高了施工質(zhì)量。為今后類似橋梁施工提供可借鑒的施工經(jīng)驗(yàn)。