超大型臨時(shí)吊裝設(shè)備的應(yīng)用研究

范 偉 陳欽剛

（中鐵廣州工程局集團(tuán)橋梁工程有限公司，廣東江門 529000）

1 工程概況

本工程為無推力鋼箱系桿拱橋，主橋全長(zhǎng)510 m，主跨308 m，主拱由兩根箱形拱肋及九根箱形橫撐、檢修梯等附件組成，拱肋主體結(jié)構(gòu)重量3 915 t。原拱肋架設(shè)的投標(biāo)方案為纜索吊架設(shè)法，施工過程中發(fā)現(xiàn)橋址處地質(zhì)條件較差，淤泥層厚度達(dá)20 m，不利于纜索吊機(jī)后錨碇施工，且橋址位于珠三角臺(tái)風(fēng)多發(fā)地區(qū)，拱肋架設(shè)處于臺(tái)風(fēng)季節(jié)，施工風(fēng)險(xiǎn)大。根據(jù)實(shí)際情況，鋼箱拱肋采取了節(jié)段制造、低位組拼、整體滑移、上船浮運(yùn)、整體提升的方法，提升重量（包括臨時(shí)構(gòu)件）達(dá)到4 690 t，提升結(jié)構(gòu)物跨度244.5 m，提升高度30 m，本提升方法施工在提升噸位、提升跨度、提升高度均為世界第一，在國(guó)內(nèi)同類型鋼箱拱施工中為首次。

鋼箱拱整體提升所采用的臨時(shí)吊裝設(shè)備即提升支架，于橋墩兩側(cè)各布置一副，每副支架重達(dá)836.1 t，外加拼裝輔助構(gòu)件重約36.9 t。

拱肋提升布置如圖1所示。

圖1 拱肋提升總體布置

提升支架為超大型超靜定桁架鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，主要構(gòu)成部件有前立柱桁架、后立柱桁架、拉桿、縱梁、連接系、提升機(jī)械系統(tǒng)及后錨定機(jī)械系統(tǒng)。根據(jù)構(gòu)件受力的差異，不同的構(gòu)件分別采用H型鋼、萬能桿件、螺旋鋼管及箱型組合等不同的結(jié)構(gòu)，采用不同等級(jí)的材料如Q235b、Q345b和45號(hào)鋼；連接方式分別采用精致螺栓、高強(qiáng)螺栓、普通螺栓、一級(jí)焊縫、二級(jí)焊縫、銷軸等，根據(jù)裝配式理念，工地一般采用螺栓及銷軸連接，工廠完成焊縫連接，不同材料對(duì)應(yīng)的焊接工藝又分E5015手工電弧焊、ST101焊劑H08MnA埋弧自動(dòng)焊和H08AMnSiA CO2氣體保護(hù)焊（CO2純度≥99.5%）。

提升支架布置如圖2和圖3所示。

圖2 提升支架立面（單位：mm）

圖3 提升支架平面（單位：mm）

2 構(gòu)件制造

根據(jù)提升支架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，構(gòu)件的制造總體原則應(yīng)服務(wù)于現(xiàn)場(chǎng)安裝及質(zhì)量保證。

根據(jù)構(gòu)件的加工精度、加工設(shè)備及檢測(cè)條件分工廠制造與工地制造，提升支架中的高強(qiáng)鋼、異形構(gòu)造、高精度控制及一級(jí)焊縫構(gòu)件均委托具備相應(yīng)資質(zhì)的大型鋼結(jié)構(gòu)工廠制造，如柱帽、縱梁、H700立柱及拼接板、吊點(diǎn)及后錨定構(gòu)造等；二級(jí)及以下等級(jí)焊縫、螺栓連接則在施工工地的臨時(shí)鋼結(jié)構(gòu)場(chǎng)加工或拼裝，如后立柱螺旋管桁架、連接系萬能桿件桁架。

根據(jù)運(yùn)輸條件、放置場(chǎng)地及吊裝設(shè)備盡可能少拆分構(gòu)件，最大可能滿足場(chǎng)地放置及吊裝安裝要求，工程施工工地位于廣州市南沙區(qū)，本區(qū)域近海、水系發(fā)達(dá)，水上交通條件便利，滿足運(yùn)輸要求；施工工地橋墩兩側(cè)各布置一臺(tái)5613塔吊及7030塔吊，為便于提升支架的吊裝拼裝，在靠近施工便道側(cè)提升支架前支腿旁增加一臺(tái)7035塔吊（45 m臂）。

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件制造流程：原材料復(fù)檢→焊接工藝評(píng)定→鋼板對(duì)接→下料→拼裝→焊接→矯正變形。

2.1 焊接工藝評(píng)定

為了確鋼結(jié)構(gòu)的制造質(zhì)量，在工程鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭中選擇具有代表性的焊接接頭進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，以確保焊接工藝合理可靠。根據(jù)結(jié)構(gòu)、材料、接頭形式、焊接位置、鋼板厚度及焊接方法的差異，將焊接接頭分為對(duì)接焊縫、熔透角焊縫、坡口角焊縫和T形角焊縫。

設(shè)計(jì)階段應(yīng)綜合考慮焊縫布置：避免焊縫集中、三向交叉焊縫；焊縫尺寸不宜太大；焊縫盡可能對(duì)稱布置，連接過渡平滑，避免應(yīng)力集中現(xiàn)象；避免仰焊。

2.2 激光切割技術(shù)

為滿足大型異形鋼結(jié)構(gòu)尺寸精準(zhǔn)控制，工廠采用激光切割技術(shù)，按照激光切割機(jī)設(shè)備性能、構(gòu)件材料、厚度等特性匹配切割參數(shù)，在加工能力范圍內(nèi)根據(jù)加工材料的特性選擇焦點(diǎn)位置、切割速度以及氣體使用等參數(shù)，提升切割效率和切割質(zhì)量。

2.3 對(duì)接與焊接

鋼結(jié)構(gòu)的對(duì)接、焊接通常產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形，其產(chǎn)生的根本原因是焊接過程的不均勻溫度場(chǎng)以及引起的局部塑性變形和比容不同的組織，焊接應(yīng)力與變形的存在，對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、加工精度以及耐久性等產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，因工廠的焊接環(huán)境、設(shè)備及器具等條件比現(xiàn)場(chǎng)好，在滿足運(yùn)輸限制的條件下，最大限度地在工廠完成焊接工作，有利于控制鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

根據(jù)工期安排及相應(yīng)的氣象資料，利用ANSYS有限元分析軟件計(jì)算構(gòu)件的溫度變化，以確定鋼結(jié)構(gòu)最佳下料尺寸與焊接溫度。通過臨時(shí)胎架和碼板對(duì)各種鋼板對(duì)接臨時(shí)固定后再進(jìn)行焊接，必要時(shí)施加一個(gè)和焊接變形相反的預(yù)變形，考慮結(jié)構(gòu)對(duì)稱性適當(dāng)采取多人對(duì)稱均速、多層、多道同時(shí)焊接，使其變形相反而抵消。為消除焊接應(yīng)力，小構(gòu)件可在焊前預(yù)熱，在焊接過程中，用電動(dòng)風(fēng)鏟振動(dòng)敲擊焊道；焊接完成后立即進(jìn)行后熱、保溫處理，保證焊縫中的擴(kuò)散氫有足夠的時(shí)間得以逸出，從而避免延遲裂紋出現(xiàn)。完成焊接后均應(yīng)按要求進(jìn)行超聲波探傷，內(nèi)部缺陷評(píng)定應(yīng)符合《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級(jí)》（GB 11345—89）規(guī)定。

2.4 鏜孔與預(yù)拼裝

鏜孔采取鉆孔胎型，即加工一個(gè)短接頭，利用短接頭定位鉆模板鉆桿件孔。每個(gè)接頭應(yīng)在工廠內(nèi)預(yù)拼裝，必要時(shí)采取沖釘調(diào)整，對(duì)應(yīng)接頭、拼接板編號(hào)處理，以便現(xiàn)場(chǎng)安裝匹配。

3 構(gòu)件拼裝

提升支架構(gòu)件的制造及拼裝均嚴(yán)格匹配現(xiàn)場(chǎng)吊裝設(shè)備，通過水路運(yùn)輸，將構(gòu)件運(yùn)至支腿旁的7035塔吊（45 m臂）處，通過塔吊將構(gòu)件臨時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)至已施工完成的混凝土橋面上。從側(cè)面對(duì)整個(gè)桁架分前三角區(qū)、后三角區(qū)、下桁架區(qū)，如圖4所示。

圖4 提升支架側(cè)面（單位：mm）

安裝順序則從下桁架區(qū)到后三角區(qū)再到前三角區(qū)。前立柱，后立柱采用萬能桿件桁架連接，吊點(diǎn)處則通過螺旋鋼管桁架連接，在兩側(cè)側(cè)面區(qū)域完成拼裝后及時(shí)安裝對(duì)應(yīng)高度的連接系以保證臨時(shí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，如圖5所示。

圖5 提升支架三維布置

3.1 預(yù)埋及安裝

宏觀考慮提升支架的拼裝及吊裝，在混凝土主墩及箱梁施工階段同步進(jìn)行提升支架主體結(jié)構(gòu)及輔助設(shè)施的預(yù)埋施工，其中主體結(jié)構(gòu)包含前、后立柱柱腳、連接系1，輔助設(shè)施包括橋面7035塔吊（45 m臂）基礎(chǔ)、塔吊附墻基礎(chǔ)、萬能桿件連接系安裝臨時(shí)支墩及攬風(fēng)錨固點(diǎn)。

提升支架的制造根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)吊裝設(shè)備進(jìn)行分塊處理，分塊拼裝過程需根據(jù)其安裝的穩(wěn)定性采取相應(yīng)臨時(shí)支墩、纜繩配合千斤頂、卷?yè)P(yáng)機(jī)等輔助設(shè)備，分段安裝過程需及時(shí)測(cè)量、糾偏，直至每個(gè)分區(qū)完成合龍。

3.2 測(cè)量與監(jiān)控

為確保提升支架各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和結(jié)構(gòu)拼裝的安全性，需對(duì)支架安裝各種狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，以備糾偏。通過SPA計(jì)算，由于前立柱和吊點(diǎn)在提升工況中出現(xiàn)較大位移，提升支架安裝之時(shí)就要提前預(yù)拱值，以抵消提升工況的位移。

提升過程中，在抗拔后錨定張拉力、提升吊點(diǎn)拉力滿載和風(fēng)荷載作用下，提升支架任何節(jié)點(diǎn)的偏位都會(huì)影響支架的受力穩(wěn)定性，需要在拼裝到提升各階段結(jié)構(gòu)的變形、偏位進(jìn)行監(jiān)控、評(píng)估，確保線形滿足設(shè)計(jì)要求。監(jiān)控內(nèi)容包括變形監(jiān)控及應(yīng)力監(jiān)控，變形監(jiān)控點(diǎn)分別布置在前、后柱帽及吊點(diǎn)處，每個(gè)不同的工況實(shí)施前后及過程中采用全站儀及棱鏡監(jiān)控記錄。溫度應(yīng)力監(jiān)控點(diǎn)分別布置在后立柱頂部及柱腳、前立柱與連接系交接附近、前拉桿、后拉桿、縱梁與前立柱交接附近，為保證提升支架應(yīng)力及溫度的測(cè)試可靠性與精度，應(yīng)力及溫度監(jiān)控的所有測(cè)點(diǎn)均采用表面式振弦式傳感器。振弦式應(yīng)變計(jì)為一密封式自保證體系，與外界物質(zhì)并不直接相關(guān)，測(cè)試時(shí)采用一脈沖電流激勵(lì)，通過測(cè)其頻率即可得到混凝土的應(yīng)變，得到應(yīng)力。振弦式應(yīng)變傳感器內(nèi)部帶有一個(gè)隨溫度敏感變化的電阻傳感元件，通過測(cè)試其電阻值即可得測(cè)點(diǎn)溫度，采集儀器為鋼弦應(yīng)變自動(dòng)測(cè)試儀。提升過程中，后錨定抗拔鋼絞線幾乎承受由拉桿傳來的所有力，對(duì)鋼絞線應(yīng)力監(jiān)控非常必要，直接采用脈動(dòng)法測(cè)自振頻率，由索力與索自振頻率關(guān)系求索力，長(zhǎng)索精度高，短索需標(biāo)定，儀器主要為頻率采集儀，放大器，濾波器等。

4 荷載試驗(yàn)與實(shí)施

提升支架試吊立面如圖6所示。

圖6 提升支架試吊立面（單位：mm）

提升支架在完成拼裝及驗(yàn)收后，進(jìn)入荷載試驗(yàn)階段，載荷試驗(yàn)配載物選用廣州打撈局專用800 t浮筒，浮筒直徑為8.4 m，長(zhǎng)20 m，自重285 t，水箱加滿水后總重1 290 t（包含吊點(diǎn)分配梁、鋼絲繩重量）。

荷載試驗(yàn)通過加、排水方式進(jìn)行配載，因橋址處河道因半日潮的水文地質(zhì)漲落潮明顯，加、排水方式及潮差對(duì)提升重量影響較大，荷載試驗(yàn)過程需要充分考慮水浪、浮筒自身結(jié)構(gòu)、浮筒的吊具等因素，采取相關(guān)措施防止加載時(shí)浮筒偏載、偏位而導(dǎo)致提升支架體系、吊具受力不均。起吊及后錨定的應(yīng)力控制應(yīng)與浮筒水位測(cè)量、應(yīng)力監(jiān)控密切配合。按額定載荷的50%、80%、100%、110%逐級(jí)加載，直到水箱完全脫離水面20 cm，每級(jí)加載完成后穩(wěn)壓20 min，滿載完成后穩(wěn)壓30 min，期間技術(shù)人員檢查鋼結(jié)構(gòu)情況，監(jiān)控人員檢查監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

提升支架通過一岸左右幅支架同時(shí)進(jìn)行荷載試驗(yàn)，消除荷載拼裝期間的非彈性變形，試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期，由此形成試驗(yàn)、測(cè)量成果報(bào)告，以指導(dǎo)主橋鋼箱拱正式提升作業(yè)。在正式的鋼箱拱整體提升作業(yè)中，超大型臨時(shí)吊裝設(shè)備提升支架順利完成吊裝任務(wù)，實(shí)現(xiàn)工廠化、大型化、機(jī)械化的架拱新工藝。

鋼箱拱整體提升到位如圖7所示。

圖7 鋼箱拱整體提升到位

5 結(jié)語(yǔ)

由于整體同步提升在同類型橋型里屬于首次運(yùn)用，能夠借鑒的工藝案例較少，運(yùn)用裝配式理念統(tǒng)籌工程項(xiàng)目全壽命過程，從大型構(gòu)配件的設(shè)計(jì)、制造、拼裝、試驗(yàn)、監(jiān)控等關(guān)鍵環(huán)節(jié)精細(xì)控制，既能確保施工技術(shù)的合理性，又能符合施工的質(zhì)量安全要求，具備勞動(dòng)生產(chǎn)率的提升以及能源節(jié)約和工期縮短等特點(diǎn)，可以應(yīng)用于臨時(shí)性工程，還可在大部分工程中廣泛應(yīng)用。