下承式拱橋鋼箱梁吊裝施工控制技術(shù)

作者簡介：蒙宇紹（1980—），高級工程師，研究方向：公路橋梁、隧道施工技術(shù)。

摘要：為探究鋼箱梁吊裝施工問題，文章以某下承式鋼箱梁拱橋為研究背景，分析了施工過程中的重難點(diǎn)，提出了合理的施工流程和關(guān)鍵施工步驟，確保施工過程中的安全、質(zhì)量和效率，并對施工過程中出現(xiàn)的各種最不利荷載工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，確保各組成構(gòu)件在施工過程中的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性符合要求。研究表明，所提出的“先梁后拱”施工原則符合當(dāng)前項目條件，同時也滿足安全、經(jīng)濟(jì)、高效的施工要求。

關(guān)鍵詞：下承式拱橋；鋼箱梁吊裝；先梁后拱；結(jié)構(gòu)安全驗算

中圖分類號：U448.22

0 引言

下承式拱橋由于造型優(yōu)美等特點(diǎn)常常用于市政橋梁中，而下承式拱橋^［1］的施工技術(shù)問題是影響施工工期的主要問題。在施工前不僅要通過有限元模型^［2］、BIM技術(shù)等對施工過程及受力情況進(jìn)行分析，還要對施工質(zhì)量進(jìn)行安全控制^［3-4］。鋼箱梁橋面寬^［5］，為扁平結(jié)構(gòu)^［6］，也常常用于市政橋梁中。鋼箱梁的施工吊裝^［7-8］及測控問題也是制約施工安全、質(zhì)量和工期的主要問題^［9］。

基于上述研究，本文以浙江某市政下承式拱橋的鋼箱梁吊裝為背景，探究鋼箱梁吊裝施工關(guān)鍵問題以及安全、質(zhì)量等控制問題。

1 工程概況及重難點(diǎn)分析

1.1 工程概況

以浙江某市政下承式拱橋的鋼箱梁吊裝為研究背景，該橋為1×78 m下承式鋼箱拱橋，橋跨布置為 （1×78）m，主梁采用單箱七室斷面，橋面全寬37.5 m。橋型布置見圖1：

該橋吊桿采用擠壓錨固鋼絞線索體系，吊桿型號采用GJ15-9類型，索體標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f_pk=1 860 MPa，其中吊桿的彈模E=1.9×10⁵ N/mm²，計算截面面積為12.6 cm²。吊桿通過錨杯將組成吊桿的各個預(yù)應(yīng)力鋼絞線進(jìn)行整體擠壓和張拉。結(jié)合現(xiàn)場施工情況，采用一端張拉的方式以便于現(xiàn)場張拉施工，吊桿的張拉端設(shè)置在橋面主梁處，而主拱拱肋一端為錨固固定端，可以方便張拉設(shè)備的使用。此外，吊桿為細(xì)長索結(jié)構(gòu)，在使用營運(yùn)過程中，受風(fēng)荷載、汽車荷載、雨水溫濕度等的影響，可能會產(chǎn)生多次振動和銹蝕。因此，為了充分考慮到吊桿在使用過程中可能出現(xiàn)的振動疲勞問題、銹蝕引起的吊桿替換問題，要求吊桿在設(shè)計時吊桿軸力的冗余系數(shù)≥2.5。

1.2 施工重難點(diǎn)分析

1.2.1 橋面主梁以及主拱拱肋

本工程現(xiàn)場安裝施工內(nèi)容主要為鋼箱梁結(jié)構(gòu)和拱肋結(jié)構(gòu)的安裝施工，計劃按照先梁后拱的總體施工方案進(jìn)行施工作業(yè)。該橋橋面主梁采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)，橋面寬37.5 m，主跨為78 m，如果采用整體吊裝施工技術(shù)，其作業(yè)難度非常大。因此，需要將橋梁鋼箱梁以及主拱拱肋進(jìn)行節(jié)段劃分。若節(jié)段劃分過小，將增加吊裝施工工期，不利于項目施工的經(jīng)濟(jì)性和進(jìn)度把控；節(jié)段劃分過大，又會影響吊裝施工質(zhì)量，可能使得鋼箱梁和主拱拱肋中存在一定的初始應(yīng)力，增加鋼箱梁以及主拱拱肋在營運(yùn)節(jié)段發(fā)生失效和開裂的質(zhì)量風(fēng)險。因此，橋梁鋼箱梁以及主拱拱肋節(jié)段劃分是下承式拱橋鋼箱梁吊裝施工過程中的重難點(diǎn)之一。

1.2.2 鋼箱梁運(yùn)輸

鋼箱梁的運(yùn)輸長度長且跨度大，故鋼箱梁的運(yùn)輸也是本工程的重點(diǎn)難點(diǎn)。對該批超長、超寬的鋼箱梁構(gòu)件，計劃選用30～32 t半掛平板加長車進(jìn)行公路運(yùn)輸，并選用拉索加長底板車型運(yùn)輸。運(yùn)輸線路按照中南鋼構(gòu)→黨農(nóng)線→紅十五線→信益線→錢陶公路→六一省道→三三省道→古咋線→江北連接線→機(jī)場路→東環(huán)北路→方欣路→目的地，運(yùn)輸里程約為150 km。

1.2.3 鋼箱梁及拱肋結(jié)構(gòu)現(xiàn)場吊裝施工

鋼箱梁及拱肋結(jié)構(gòu)的吊裝安裝也是本工程的重點(diǎn)及難點(diǎn)。鋼箱梁現(xiàn)場安裝施工時，考慮到大面積的河道范圍內(nèi)無法行駛重型運(yùn)梁車輛及大噸位汽車吊，故計劃利用已安裝完成的鋼箱梁以及下部臨時支撐架結(jié)構(gòu)，在鋼箱梁上方行走重型運(yùn)梁車輛及大噸位汽車吊，該方案需要提請設(shè)計單位對下部鋼箱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力及變形的驗算。

1.2.4 臨時腳手架及支撐桿件拆除工作

據(jù)前述可知，橋梁鋼箱梁的吊裝施工過程中，會使用一定數(shù)量的臨時腳手架以及支撐桿件，施工完成后，要對這些臨時腳手架以及支撐桿件進(jìn)行拆除。為了確保鋼箱梁質(zhì)量問題和臨時周轉(zhuǎn)性腳手架以及支撐桿件拆除工作的安全性，要探究以下問題：

（1）何時對臨時腳手架以及支撐桿件進(jìn)行拆除才能確保鋼箱梁質(zhì)量；

（2）臨時腳手架以及支撐桿件的拆除順序是怎樣的。

針對上述臨時腳手架以及支撐桿件拆除施工，要通過有限元軟件進(jìn)行仿真數(shù)值模擬，計算和驗算臨時腳手架以及支撐桿件在拆除施工過程中各個構(gòu)件、桿件的受力狀態(tài)，并在臨時腳手架以及支撐桿件拆除現(xiàn)場隨時隨地監(jiān)測和測量各個桿件和構(gòu)件的變形及受力情況，確保臨時腳手架以及支撐桿件拆除工作順利有序地進(jìn)行。

2 吊裝施工流程及步驟

2.1 施工流程（圖2）

考慮本橋暫無通航要求，主橋總體施工方案為先梁后拱，即在主河道范圍內(nèi)完成地基處理后，均勻布置一定間距的格構(gòu)式支撐胎架，并在其頂部設(shè)置主梁拼裝平臺。同時進(jìn)行吊桿的安裝、索力張拉、吊桿索力調(diào)整以及橋梁主梁和主拱線形的控制，并在上述工作全部完成后，逐步按支架拆除計劃進(jìn)行支架的拆除和監(jiān)測工作。

具體施工組織及關(guān)鍵工程施工方案如下：

（1）進(jìn)行地基處理及場地平整，做橋梁施工前的準(zhǔn)備。

（2）工廠制作鋼箱梁節(jié)段及鋼拱肋節(jié)段。

（3）搭設(shè)臨時支架并預(yù)壓后，現(xiàn)場節(jié)段拼裝鋼箱梁梁體。

（4）搭設(shè)臨時支架，吊裝并焊接主拱。

（5）配合吊桿安裝和初張拉。

（6）施工裝飾拱肋部分。

（7）待上述工作全部完成后，逐步按支架拆除計劃進(jìn)行支架的拆除和監(jiān)測工作，并進(jìn)行后續(xù)收尾工作，主要包括橋面二期鋪裝、路面標(biāo)志標(biāo)線繪制、人行道的防護(hù)和車行道防撞欄桿等安裝工作。

（8）進(jìn)行成橋荷載試驗，竣工驗收，通車運(yùn)營。

吊裝施工流程如圖2所示。

2.2 臨時支架搭設(shè)

2.2.1 鋼箱梁臨時支撐架系統(tǒng)（圖3）

鋼箱梁的臨時支撐胎架系統(tǒng)采用?359×10 mm鋼管立柱，材質(zhì)為Q345B，頂部分配梁采用雙拼HM600×250×14×20，分配梁之間設(shè)置HM94×150×6×9次梁；橫撐、斜撐采用16#槽鋼，材質(zhì)均為Q235B。支撐胎架底部鋪設(shè)鋼制路基板，路基板下方為換填處理過的地基。經(jīng)承載力試驗得知，該換填地基土承載力約為300 kPa/m²，

可以滿足支撐胎架設(shè)置及受力要求。

節(jié)點(diǎn)說明：鋼箱梁臨時格構(gòu)式支撐架的高度均在2.4 m左右。支撐胎架主梁與鋼管立柱采用≥10 mm的角焊縫焊接，并在鋼管立柱柱身處焊接10 mm×300 mm×200 mm耳板。水平支撐及斜支撐槽鋼采用4顆M20的10.9 s高強(qiáng)螺栓與鋼管立柱柱身的耳板連接。格構(gòu)式支撐架的鋼管立柱與下方路基箱之間通過6 mm角焊縫圍焊焊接。格構(gòu)式支撐胎架需經(jīng)過深化設(shè)計后，方可加工制作。

2.2.2 拱肋結(jié)構(gòu)臨時支撐系統(tǒng)（下頁圖4）

拱肋結(jié)構(gòu)的臨時支撐胎架系統(tǒng)采用?359×10鋼管立柱，材質(zhì)為Q345B；頂部胎架梁采用HM600×250×14×20型鋼梁；橫撐和斜撐采用16#槽鋼，材質(zhì)均為Q235B。為保證支撐胎架系統(tǒng)的穩(wěn)定性，支撐胎架底部的鋼管立柱與下方的鋼箱梁焊接固定，并在臨時支撐架之間設(shè)置了16#槽鋼斜撐，使臨時支撐架形成穩(wěn)定的整體。

節(jié)點(diǎn)說明：鋼拱肋格構(gòu)式支撐架的高度在6.4～12.3 m左右，支撐胎架的主梁與鋼管立柱采用≥10 mm的角焊縫焊接，并在鋼管立柱柱身處焊接10 mm×300 mm×200 mm耳板，水平支撐及斜支撐槽鋼采用4顆M20的10.9 s高強(qiáng)螺栓與鋼管立柱柱身耳板連接。格構(gòu)式支撐胎架需經(jīng)深化設(shè)計后，方可加工制作。

2.2.3 臨時支撐架驗收

（1）臨時支撐架搭設(shè)及主體結(jié)構(gòu)施工過程中，項目部應(yīng)根據(jù)方案要求進(jìn)行技術(shù)交底，安排專人進(jìn)行巡視檢查，并對施工過程中出現(xiàn)的不符合設(shè)計文件以及相關(guān)行業(yè)規(guī)定和規(guī)范中的技術(shù)參數(shù)要求的問題，應(yīng)通知相關(guān)責(zé)任人及時整改，并做好整改記錄，從而確保項目施工過程中的質(zhì)量。

（2）搭設(shè)完成的臨時支撐架應(yīng)首先由項目部自行組織驗收，需要整改的，及時組織整改。

（3）臨時支撐架搭設(shè)完成后，必須會同總包和監(jiān)理單位進(jìn)行驗收，并懸掛明顯的狀態(tài)標(biāo)識牌（合格、不合格、待驗收等）。

2.3 關(guān)鍵步驟

鋼箱梁吊裝施工中的主要關(guān)鍵步驟如下：

2.3.1 支架預(yù)壓并吊裝鋼箱梁

臨時支撐架搭設(shè)施工完成后，選擇中部最不利的一排臨時支撐架，按1.2倍設(shè)計承載力進(jìn)行支架頂部預(yù)壓加載試驗。加載試驗注意觀測支架的變形及沉降情況，確保支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定后，逐段吊裝鋼箱梁，見圖5。

2.3.2 拱肋架設(shè)

待鋼箱梁全部安裝焊接完成，搭設(shè)臨時支撐架，采用220 t汽車吊開始對稱安裝拱肋，見圖6。

2.3.3 安裝并張拉吊桿

采用70 t汽車吊根據(jù)設(shè)計要求依次開始安裝并張拉吊桿，見圖7。

2.3.4 拆除臨時支架并裝飾

按照從中間向兩邊的順序，依次對稱拆除卸載拱肋下方的臨時支撐胎架系統(tǒng)。順序安裝裝飾架結(jié)構(gòu)，直至鋼結(jié)構(gòu)安裝施工完成，見圖8。

3 吊裝工況安全驗算

3.1 工況分析

3.1.1 鋼箱梁吊裝工況計算（圖9）

鋼箱梁吊裝工作均采用就近吊裝施工的原則。鋼箱梁吊裝單元的最大外形尺寸為長13.8 m×寬4.6 m×高2.5 m，重量約為54.6 t。

SAC2200型220 t汽車吊選用主臂長度30.5 m，作業(yè)半徑為10 m以內(nèi)，額定起重量為65 t，可吊裝高度為28.8 m，吊機(jī)單機(jī)負(fù)載率為84%，可以滿足鋼箱梁分段單元吊裝施工要求。

3.1.2 拱肋結(jié)構(gòu)吊裝工況分析

拱肋結(jié)構(gòu)單元均采用就近吊裝施工的原則。拱肋吊裝單元的最大外形尺寸為長12.4 m×寬1.8 m×高1.9 m，重量約為27.4 t，安裝凈高約為15.3 m。SAC2200型220 t汽車吊選用的主臂長度為30.5 m，作業(yè)半徑在12 m以內(nèi)，額定起重量為56 t，可吊裝的高度為28.0 m，吊機(jī)單機(jī)的負(fù)載率為49%，可以滿足拱肋分段單元吊裝施工要求，見圖10。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)吊裝索具計算

鋼箱梁吊裝時設(shè)4根鋼絲繩吊索，吊裝角度按60°計算，則每根鋼絲繩受力為：

式中：

［F_g］——鋼絲繩的容許拉力（kN）；

F_g——鋼絲繩的鋼絲破斷拉力總和，無表查時可近似按F_g=0.5×d²計算;

d——鋼絲繩直徑；

α——換算系數(shù)，6×37鋼絲繩，取0.82 ；

K——鋼絲繩的安全系數(shù)，取6。

則選用直徑為?52 mm的壓制鋼絲繩，可以滿足吊裝要求。

4 吊裝施工安全措施

為確保鋼箱梁吊裝施工過程中的安全，需明確相應(yīng)的安全措施：

（1）吊耳處根據(jù)受力大小進(jìn)行內(nèi)部加固；

（2）吊耳設(shè)計圖：

（3）若采用吊車溜尾，需要移位時，設(shè)備尾部根據(jù)剛度情況決定是否加固并在吊車換位時落在搭好的道木上；

（4）吊裝時吊車支腿派專人監(jiān)護(hù)。

5 結(jié)語

本文主要結(jié)論如下：

（1）對于下承式拱橋鋼箱梁的吊裝施工，在施工前要明確施工過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，防止在施工過程中出現(xiàn)安全和延誤工期等問題。

（2）施工前制定合理的施工流程、施工方法及施工步驟，是保證施工安全、質(zhì)量與高效的關(guān)鍵措施。

（3）要對施工過程中出現(xiàn)的各種最不利荷載工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，確保各組成構(gòu)件在施工過程中的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性符合要求。

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收稿日期：2023-04-08