大跨度鋼桁架拱人行天橋安裝技術(shù)研究及應(yīng)用

摘要：文章結(jié)合實際工程案例，系統(tǒng)研究了鋼桁架拱分段設(shè)計、吊點選取、吊車選取、地基承載力計算及安裝技術(shù)，并通過有限元分析等手段合理選取吊點，避免了結(jié)構(gòu)出現(xiàn)焊縫開裂等問題，保證了人行天橋的壽命，值得同類項目參考。

關(guān)鍵詞：鋼桁架拱；人行天橋；吊點選?。话惭b

中圖分類號：U448.11A341144

0引言

高速公路通過中央分隔帶分左右幅設(shè)計，上跨人行天橋的墩身設(shè)置在中央分隔帶中。隨著改擴建工程的增多，雙向四車道天橋跨度無法滿足擴建雙向八車道跨度的要求，需設(shè)計跨度更大的人行天橋。人行天橋跨度增大，帶來了諸多問題，如人行天橋的重量增加，給吊裝帶來了困難；鋼桁架拱吊點選取不適當(dāng)容易造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力增大，甚至造成焊縫開裂的情況；鋼結(jié)構(gòu)分段及加工精度難以保證，需做好總體分段設(shè)計［1］。本文通過理論分析，實現(xiàn)了鋼桁架拱合理分段，選擇了合適的吊點、吊車，將該技術(shù)應(yīng)用于工程實踐，高效高質(zhì)量完成了人行天橋的安裝。

1工程概況

蘭州至?？诟咚俟窂V西欽州至北海段改擴建工程那麗服務(wù)區(qū)人行天橋采用（25+50+25）m鋼桁架拱，橋梁全長100 m，天橋立面布置見圖1。橋梁縱坡為雙向1%的縱坡，無橋面橫坡，鋼箱梁采用Q345C鋼，橋面鋪裝采用2.5 cm厚C15混凝土鋪裝和1.5 cm厚防滑地磚。

2技術(shù)特點

大跨度鋼桁架拱人行天橋安裝技術(shù)的難點及關(guān)鍵點在于對鋼桁拱結(jié)構(gòu)的分段、吊點選取、吊車選取、地基承載力計算及現(xiàn)場安裝，這些獨立的部分需要做好分項細(xì)化設(shè)計，才能順利完成大跨度鋼桁架拱人行天橋的安裝。因此必須對鋼桁拱架的分段做合理的設(shè)計，利用有限元軟件進行吊點選取對比分析，以減輕結(jié)構(gòu)吊裝過程出現(xiàn)過大的應(yīng)力；根據(jù)現(xiàn)場條件合理選擇吊車，必須保證足夠的地基承載力，確保吊裝過程中不出現(xiàn)傾覆垮塌事故。

3鋼桁架拱分段設(shè)計

為保證鋼桁拱架加工質(zhì)量，選在南寧專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠家進行加工，受限于道路運輸條件，無法完整加工成形整孔鋼桁架拱，需對鋼桁架拱進行分段運輸。為減少現(xiàn)場拼接工作量，結(jié)合運輸條件情況，將鋼桁拱架上、下弦分成3段，其中下弦桿分別與對應(yīng)的橋面板組裝成整體后發(fā)運；上弦桿分別與對應(yīng)的腹桿組裝成單片結(jié)構(gòu)整體發(fā)運。下弦桿與橋面板工廠組裝發(fā)運節(jié)段時，橋面板橫向接口與下弦桿接口要求錯開200 mm。鋼桁架拱分段設(shè)計見圖2，該總體分段方案報設(shè)計單位審批同意后方可進行加工，鋼結(jié)構(gòu)加工圖應(yīng)報送監(jiān)理審批后且焊接工藝評定通過審批后方可進行加工制作［2］。

4鋼桁架拱吊點選取

鋼桁架拱吊點選取不適當(dāng)容易造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力增大，甚至造成焊縫開裂的情況，因此需做不同吊點位置下結(jié)構(gòu)應(yīng)力的對比分析。由于結(jié)構(gòu)吊裝過程中發(fā)生的變形為彈性變形，因此以結(jié)構(gòu)變形不作為吊點選取的對比因素［3］。同時考慮施工的便利，選取最合適的吊點。分別設(shè)置5組吊點如圖3所示。

建立Midas Civil有限元模型，吊點1計算模型如圖4所示，對同一起吊工況不同吊點位置的結(jié)構(gòu)應(yīng)力作對比分析。鋼桁架共設(shè)置4處吊點，每邊各2處吊點。

提取5組電算模型分析結(jié)果匯總形成折線圖如下頁圖5所示。由圖5分析可知，在同一吊裝工況下，鋼桁架拱各桿件應(yīng)力變化不大，均處于較小值，遠(yuǎn)低于材料屈服強度，結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化受吊點位置變化影響??；應(yīng)力變化較大的是吊桿，其最小應(yīng)力為第1組吊點組合，應(yīng)力為138.8MPa，最大應(yīng)力為第3組吊點組合，應(yīng)力為677.0MPa。綜合對比選用吊點1作為實際施工吊點，該吊點設(shè)置合理，滿足受力要求及安全要求。

5吊車選取及地基承載力計算

5.1吊車選取計算

由《路橋施工計算手冊》相關(guān)規(guī)范可知，單機吊裝作業(yè)應(yīng)滿足以下公式：

（1）

完全拼裝后重67 t，Q1=67 t，吊索吊具重Q2=3 t，K為起重機降低系數(shù)，取0.8。

根據(jù)1臺汽車吊起吊不能超過額定起重量的80%規(guī)定，則起吊重量≥350/80%=280 t。

起重高度計算：

（2）

式中：h1 —— 安裝支座表面高度（m），根據(jù)實際汽車吊擺放在現(xiàn)有舊高速公路上，h1取9.3 m；

h2 —— 安裝預(yù)留空間（m），參考值為0.2～0.5 m，本項目取0.3 m；

h3 —— 吊點到構(gòu)件起吊后底面的高差（m），即主拱整體的高度為6.9 m；

h4 —— 吊具高度（m），綁扎點至吊鉤的距離，視實際而定，取5 m。

即：H=9.3+0.3+6.9+5=21.5 m，起重高度取21.5 m。

起重臂長度計算：

350 t汽車吊自重為84 t，全伸支腿360°作業(yè)，工作半徑為10 m，主臂伸出后長度為25.76 m時，最大起吊重量為87 t，滿足要求。

5.2地基承載力驗算

350 t汽車吊自重84 t加上主拱重67 t，總荷載為151 t，分別作用在吊車4個支腿上。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，汽車吊前端2個支腿承受70%的荷載，即105.7 t；汽車吊后端2個支腿承受30%的荷載，即45.3 t。

汽車吊支腿下方需要支墊以擴散應(yīng)力，采用2.0 m×2.0 m×0.02 m鋼板，然后加墊枕木，在枕木上放置一塊2.0 m×2.0 m×0.02 m鋼板；枕木一共6根，每根枕木截面尺寸為30 m×30 cm，單根長度為2 m。最不利的起吊工況為荷載施加在單側(cè)支腿，設(shè)計考慮安全系數(shù)，單個支腿設(shè)計承受荷載為105.7×0.7=73.99 t，單車起吊汽車吊起吊最大重量為350 t。假設(shè)起重時吊裝重量350 t全部壓在一個支腿上，則承載力驗算如下：

σ=350×10/（2.0×2.0）=875kPa

由此可得出吊裝場地地基承載力最低要求為875kPa，施工現(xiàn)場為現(xiàn)有舊高速公路，滿足吊裝作業(yè)。

6鋼桁架拱安裝技術(shù)

6.1施工工藝流程

鋼桁架拱人行天橋安裝工程流程見圖6。

6.2運輸方案

6.2.1總體運輸方案

本次運輸起點為南寧某鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司，終點為蘭州至北海高速公路改擴建項目1標(biāo)二分部那麗服務(wù)區(qū)施工現(xiàn)場。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，選擇公路運輸來完成。構(gòu)件裝車運輸前，須按以下要求進行包裝：

（1）重量＞5 t的桿件包裝時標(biāo)出桿件重心位置及重量數(shù)據(jù)。

（2）零星小件進行分類裝箱，每件重量≤50 kg，箱內(nèi)放置發(fā)運清單。

（3）連接板、嵌補段等較小件采用裝箱發(fā)運，包裝時在箱底部碼放木條，將構(gòu)件與箱體隔開。板件之間采用40 mm×40 mm五合板加墊隔開，箱內(nèi)其余空間用草簾填充。箱內(nèi)放置發(fā)運清單并加封。為確保鋼板梁天橋安裝的正常施工進度，制定具體的公路運輸方案。

根據(jù)工地施工現(xiàn)場的需要，隨時調(diào)遣運輸所需的車輛、工具及人員赴制造車間進行裝車準(zhǔn)備工作，并進行設(shè)備裝車，通過公路運輸至建設(shè)工程項目現(xiàn)場。

6.2.2運輸及路線

經(jīng)過路線勘察，鋼板梁制造廠家到施工現(xiàn)場共有3條運梁路線，比對后選擇運輸距離最短、高速公路多的路線，具體如下：扶綏→322國道→S45北南高速公路→G75蘭海高速公路→那麗服務(wù)區(qū)施工現(xiàn)場。

6.2.3交通組織

由于人行天橋吊裝作業(yè)區(qū)域樁號在運營高速公路內(nèi)，上行線（欽州往北海方向）為車輛正常行駛的高速公路，為保證吊裝作業(yè)以及行車安全，盡量減少擁堵，需將高速公路上行駛的車流進行導(dǎo)改，將車流避開吊裝作業(yè)區(qū)、從服務(wù)區(qū)入口匝道通行，再從服務(wù)區(qū)出口返回高速公路［4］；下行線（北海往欽州方向）處于封閉狀態(tài)，故直接在該封閉區(qū)域進行施工。

主拱需提前在下行線第一車道拼裝好，上行線交通管制完成后方可開始吊裝作業(yè)。

6.3主拱鋼桁架拱拼裝

主拱長50 m，分三段運輸至施工現(xiàn)場，最高處為6.871 m，根據(jù)預(yù)制節(jié)段在施工現(xiàn)場拼裝橋面板（25 m一段，共兩段）。根據(jù)示意圖拼裝好主拱肋，吊裝主拱肋至拼裝好的橋面板進行焊接，安裝腹桿、橫撐及防下?lián)吓R時豎撐，主拱肋整體吊裝至指定位置。

6.3.1主拱吊裝就位

6.3.1.1轉(zhuǎn)體

（1）整體拼裝完成后先預(yù)起吊離地約20 cm高，檢查吊點、支腿、鋼絲繩是否完全受力對稱，檢查無誤后方可進行下一步吊裝作業(yè)。

（2）預(yù)起吊平穩(wěn)無誤后，由施工人員在鋼桁拱兩端布設(shè)麻繩，起到轉(zhuǎn)體水平拉力的作用。布設(shè)完成后，起吊鋼桁拱至計算高度，先由吊車緩慢自行轉(zhuǎn)體使鋼桁拱大致與兩端蓋梁平行。

（3）預(yù)起吊穩(wěn)定后在鋼桁拱兩端安排人員拉設(shè)麻繩，共計2根。每根麻繩30 m長，麻繩直徑為3 cm，選用中麻、亞麻纖維材質(zhì)的麻繩。每根麻繩安排2名工人操作，對鋼桁拱產(chǎn)生水平拉力，促使鋼主梁轉(zhuǎn)動。操作順序為：一端人員施力使構(gòu)件轉(zhuǎn)動；同時另一端工人緩慢松繩，一旦發(fā)現(xiàn)鋼梁轉(zhuǎn)動過快，立即施力，降低鋼桁拱轉(zhuǎn)動速度。兩端工人配合使鋼桁拱整體緩慢轉(zhuǎn)動，同時注意周邊障礙物，避免鋼桁拱與其相碰撞。

（4）吊裝作業(yè)時，應(yīng)有固定指揮人員進行指揮吊裝，并應(yīng)在吊裝前統(tǒng)一吊裝指令。

6.3.1.2落位

拱肋落位前應(yīng)先定好拱肋軸線，以及拱肋四個角的關(guān)鍵控制點，整體吊裝擺位接近橋墩，工人配合微調(diào)擺位，盡量避免過大的擺動，調(diào)整至準(zhǔn)確位置后，利用全站儀測量放樣復(fù)核，確認(rèn)無誤后完成整體落位。落位穩(wěn)定后，立即復(fù)核橋位與設(shè)計偏差，偏差控制在允許值范圍內(nèi)，即可完成落位作業(yè)［5］。

6.3.2副拱鋼桁拱拼裝

副拱長25 m，最高處為4.2 m，橋面板及拱肋已預(yù)制成整體運至施工現(xiàn)場，現(xiàn)場依次將拱肋、橫撐、腹桿安裝，副拱整體吊裝至指定位置。

6.3.3安裝效果檢驗

大跨度鋼桁架拱人行天橋安裝完成后，對關(guān)鍵受力接頭進行焊縫超聲波檢測，焊縫質(zhì)量均滿足規(guī)范要求，無任何一條焊縫出現(xiàn)損傷；鋼結(jié)構(gòu)本身無屈服破壞現(xiàn)象，撓度均在設(shè)計要求范圍內(nèi)，橋面平整度良好，支座緊貼無脫空現(xiàn)象，證明了本次安裝方案設(shè)計的科學(xué)性。

7結(jié)語

本文通過實際工程案例較為詳細(xì)地闡述了大跨度鋼桁架拱人行天橋安裝技術(shù)，主要有：（1）鋼桁架拱分段設(shè)計，其關(guān)鍵點在于結(jié)構(gòu)分段處避免出現(xiàn)在內(nèi)力較大的截面；（2）通過有限元對比分析研究鋼桁架拱吊點選取，有效避免了不合理吊點設(shè)置造成結(jié)構(gòu)應(yīng)力過大的問題；（3）吊車選取及地基承載力計算，關(guān)鍵點在于保證選取的吊車滿足安全系數(shù)，同時地基要有足夠的承載力；（4）鋼桁架拱安裝技術(shù)，關(guān)鍵在于做好交通組織及人員組織。各項工作的緊密銜接才能保證大跨度鋼桁架拱人行天橋的準(zhǔn)確安裝。

該工程雖然安裝取得了成功，但忽略了一些細(xì)節(jié)設(shè)計，尤其是鋼絲繩吊點處的設(shè)計，未來可對關(guān)鍵吊點處進行細(xì)部結(jié)構(gòu)的有限元分析，保證細(xì)部結(jié)構(gòu)吊點的結(jié)構(gòu)不失效，確保施工安全。

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作者簡介：劉航君（1989—），工程師，主要從事道路橋梁施工技術(shù)管理工作。