無(wú)背索斜拉橋吊裝施工技術(shù)研究

胡成明

(中鐵二十二局集團(tuán)第一工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000)

0 引 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大型橋梁的建設(shè)日益增多，對(duì)橋梁的建設(shè)技術(shù)要求也日益增高，大型橋梁構(gòu)件的吊裝施工技術(shù)成為學(xué)者研究的重點(diǎn)之一。夏桂園[1]對(duì)城市鋼結(jié)構(gòu)橋梁的吊裝施工技術(shù)進(jìn)行了研究；劉邦等[2]結(jié)合實(shí)際工程，采用midas Civil軟件對(duì)懸索橋鋼箱梁的吊索拉力進(jìn)行了有限元分析；張孝生[3]通過(guò)對(duì)高速公路T型梁吊裝施工技術(shù)進(jìn)行了研究?；邶R齊哈爾勞動(dòng)湖水系文化北大橋工程，對(duì)無(wú)背索斜拉橋吊裝施工的吊件選取、臨時(shí)支墩承載力校核及吊裝施工方案進(jìn)行研究。

1 工程概況

齊齊哈爾勞動(dòng)湖水系文化北大橋結(jié)構(gòu)形式為無(wú)背索斜拉橋，大橋設(shè)計(jì)為4車道道寬，全長(zhǎng)280 m。斜拉索主塔總重量為429 t，高度為32.7 m，橫截面寬度為1.8 m；主梁采用正交異形扁平鋼梁，高度為1.1 m，總重為899 t，為保證焊接質(zhì)量及方便運(yùn)輸，鋼梁采用工廠分塊加工；斜拉索共14根，斜拉索與主塔采用通過(guò)鋼錨箱連接的方式，斜拉索鋼材的抗拉強(qiáng)度為1 670 MPa。

在鋼箱梁施工過(guò)程中，需架設(shè)臨時(shí)支墩承受架梁過(guò)程中的自重荷載，考慮臨時(shí)支墩的穩(wěn)定性，臨時(shí)支墩為雙排格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)。臨時(shí)支墩共計(jì)3處，主要采用螺旋管為立柱，雙拼工字鋼為橫梁，槽鋼為橫撐及斜撐。在塔柱施工過(guò)程中，需架設(shè)臨時(shí)支墩主要承受塔柱架設(shè)過(guò)程中的自重荷載及側(cè)向推力(垂直和水平力)，考慮臨時(shí)支墩的穩(wěn)定性，臨時(shí)支墩為多排格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)。臨時(shí)支墩共計(jì)1處，主要采用螺旋管為立柱，雙拼工字鋼為橫梁，槽鋼為橫撐及斜撐。

2 工程重難點(diǎn)

(1)塔腳與主橋節(jié)點(diǎn)處軸線控制精度要求高；主塔吊裝臨時(shí)支架較高，搭設(shè)難度大。

(2)主塔吊裝及安裝時(shí)，控制主塔安裝的角度調(diào)整及測(cè)量點(diǎn)精度要求高，支架需要考慮克服主塔本身重力產(chǎn)生水平方向分力。

(3)主塔環(huán)口焊縫為全方位焊接，焊縫質(zhì)量要求高；高空焊接，防風(fēng)及質(zhì)量控制難度大，高空作業(yè)不方便，施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大。

3 鋼箱梁和塔柱吊裝件選用

3.1 鋼絲繩的選用

(1)鋼箱梁吊裝

鋼箱梁吊裝的鋼絲繩按單機(jī)吊計(jì)算，采用2根鋼絲繩夾角不大于60°的4點(diǎn)吊法吊裝施工。單段最大重量79 t，考慮吊鉤和鋼絲繩重量2 t，則按總重81 t計(jì)算。則單根鋼絲繩受力計(jì)算如下

(1)

式中：F為鋼絲繩的鋼絲破斷拉力總和，kN；G為四點(diǎn)吊構(gòu)件最大重量，t，取81 t；α為不均勻受力系數(shù)，取0.8；n為動(dòng)荷載系數(shù)，取1.05；k為鋼絲繩使用安全系數(shù)，取8。

因此，鋼絲繩安全系數(shù)按8倍考慮，8×306.9=2 455.2 MPa，故鋼絲繩選用Ф62 mm鋼芯鋼絲繩，公稱抗拉強(qiáng)度2 680 MPa>2 455.2 MPa，滿足要求。

(2)塔柱吊裝

塔柱吊裝最重構(gòu)件塔柱1為123.2 t，利用1臺(tái)500 t汽車吊和1臺(tái)300 t汽車吊同時(shí)作業(yè)進(jìn)行吊裝，主要吊裝作用的是500 t汽車吊，汽車吊的鋼絲繩按單機(jī)吊計(jì)算，對(duì)折2根鋼絲繩用2點(diǎn)吊法吊裝施工。500 t汽車吊承受構(gòu)件最大重量123.2×70%=86.24 t，吊鉤和鋼絲繩重2 t，則按總重88.24 t計(jì)算。則單根鋼絲繩受力采用式(1)計(jì)算得鋼絲繩的鋼絲破斷拉力總和F=334.3 kN，故鋼絲繩選用Ф62 mm鋼芯鋼絲繩，公稱抗拉強(qiáng)度2 680 MPa>2 674.4 MPa，滿足要求。

3.2 吊耳選用

(1)鋼箱梁吊裝

鋼箱梁最大重量79 t，在腹板和隔板相交的頂板上安裝4個(gè)吊耳，吊耳材料為Q345qE厚30 mm的板材，吊耳參數(shù)B=280、H=280，每個(gè)吊耳最大承重29.6 t≤30 t。吊耳的允許負(fù)荷按下式計(jì)算

P=c·D·g/n=79×1.5×9.81/4=290.4 kN

(2)

式中：P為吊耳允許的負(fù)荷，kN；D為起重量(包括加強(qiáng)材料等重量)，kg；c為不均勻受力系數(shù)，取1.5；g為重力加速度，m/s2，取9.81；n為同時(shí)受力的吊耳數(shù)，個(gè)。吊耳的強(qiáng)度按下列公式校驗(yàn)：

①正應(yīng)力校核

σ=P/Fmin=290.621.25/[2×(140-40)×30]=48.4 MPa；其中，F(xiàn)min為吊耳在垂直于拉力P方向的最小截面積，mm2。Q345qE材料的許用應(yīng)力：[σ]=σs/n=345/1.5=230 MPa；其中，σs為Q345qE材料的屈服應(yīng)力極限，MPa，σs=345 MPa；n為結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，n=1.5。則σ<[σ]，滿足使用要求。

②切應(yīng)力校核

τ=P/Amin=290 621.25/[(140-40)×30]=96.87 MPa；其中，Amin為吊耳在平行于拉力P方向的最小截面積，mm2。許用剪切應(yīng)力：[τ]= a[σ]=0.6×230=138 MPa；其中，a為換算系數(shù)，a=0.6。則τ<[τ]，滿足使用要求。

(2)塔柱吊裝

塔柱吊裝最重構(gòu)件塔柱1為123.2 t，利用1臺(tái)500 t汽車吊和1臺(tái)300 t汽車吊同時(shí)作業(yè)選用2點(diǎn)吊法進(jìn)行吊裝，500 t汽車吊承擔(dān)主要吊裝作用，按單機(jī)吊計(jì)算，500 t汽車吊承受構(gòu)件最大重量123.2×70%=86.24 t(考慮到不均勻受力：最大承受構(gòu)件70%的重量)，腹板和隔板相交的頂板上安裝2個(gè)吊耳，吊耳材料為Q390E厚35 mm的板材，每個(gè)吊耳最大承重64.68 t≤70 t。吊耳參數(shù)B=370、H=370，滿足本工程需要。吊耳的允許負(fù)荷按式(2)計(jì)算得：P=86 240×1.5×9.81/2=634 510.8 N。吊耳的強(qiáng)度按下列公式校驗(yàn)。

①正應(yīng)力

σ=P/Fmin=634 510.8/[2×(185-55)×35]=69.7 MPa；Q345qE材料的許用應(yīng)力：[σ]=σs/n=390/1.5=260 MPa；其中，σs為Q390qE材料的極限屈服應(yīng)力，MPa，σs=390 MPa；n為結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，n=1.5。則σ<[σ]，滿足使用要求。

②切應(yīng)力校核

τ=P/Amin=634 510.8/[(185-55)×35]=139 MPa；其中，Amin為吊耳在平行拉力P方向的最小截面積，mm2。許用剪切應(yīng)力：[τ]=a[σ]=0.6×260=156 Pa；其中，a為換算系數(shù)，a=0.6。則τ<[τ]，滿足使用要求。

3.3 卡環(huán)選用

(1)鋼箱梁吊裝

鋼箱梁最大重量79 t，4個(gè)吊環(huán)受力，則單個(gè)吊環(huán)受力計(jì)算如下

F=nG/4=10×79/4 =197.5 kN

F為吊環(huán)受力總和，kN；G為最大重量，t取79 t；

選用W=99 mm，S=218 mm，d=60 mm，D=69 mm型卡環(huán)，允許負(fù)荷為250 kN，滿足要求。

(2)塔柱吊裝

塔柱吊裝最重構(gòu)件塔柱1為123.2 t，利用1臺(tái)500 t汽車吊和1臺(tái)300 t汽車吊同時(shí)作業(yè)選用2點(diǎn)吊法進(jìn)行吊裝，500 t汽車吊承擔(dān)主要吊裝作用，按單機(jī)吊計(jì)算，500 t汽車吊承受構(gòu)件最大重量123.2×70%=86.24 t(考慮到不均勻受力：最大承受構(gòu)件70%的重量)，2個(gè)吊環(huán)受力，則單個(gè)吊環(huán)受力計(jì)算如下：

F=nG/2=10×86.24/2 =431.2 kN

選用W=140 mm，S=308 mm，d=85 mm，D=98 mm型卡環(huán)，允許負(fù)荷為500 kN，滿足要求。

4 臨時(shí)支墩承載力校核

4.1 主橋臨時(shí)支墩

(1)主橋臨時(shí)支墩概況

臨時(shí)支墩主要承受梁段的自重荷載，考慮臨時(shí)支墩的穩(wěn)定性，臨時(shí)支墩為采用螺旋管為立柱，雙拼工字鋼為橫梁，槽鋼為橫撐及斜撐的雙排格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)。立柱鋼管采用螺旋焊接管，尺寸為直徑426 mm、壁厚10 mm。結(jié)構(gòu)每組12根，為4.2 m(橫橋向)×3 m(順橋向)，臨時(shí)支墩高度為2 m。采用[14b槽鋼作為鋼管之間的橫、縱向連接以及斜撐連接，采用焊接螺旋管的連接方式。

(2)主橋臨時(shí)支墩承載力有限元分析

采用midas Civil有限元分析軟件建立主橋臨時(shí)支墩有限元模型，荷載取值為梁段自重產(chǎn)生的荷載及施工活荷載2 kN/m2。

計(jì)算各個(gè)構(gòu)件的應(yīng)力為：鋼管立柱、工字鋼橫梁的最大應(yīng)力分別為54.0 MPa、75.0 MPa均小于鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度145 MPa，符合要求；鋼管立柱的最大變形為0.8 mm，0.8/3000=1/3 750<1/400，符合要求；工字鋼橫梁最大變形1.96，減去其支點(diǎn)鋼管柱頂變形0.8 mm，結(jié)果為1.16 mm，1.16/1 500=1/1 293<1/400，符合要求。

4.2 索塔臨時(shí)支墩承載力校核

(1)索塔臨時(shí)支墩概況

臨時(shí)支墩主要承受主塔自重產(chǎn)生的豎向及橫向荷載采用雙排格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)(考慮臨時(shí)支墩的穩(wěn)定性)。立柱鋼管采用螺旋焊接管，尺寸為直徑426 mm壁厚10 mm，結(jié)構(gòu)為3.85 m(橫橋向)×3 m(順橋向)每組共計(jì)26根鋼管立柱及4根鋼管斜撐，臨時(shí)支墩最高2.94 m。主要采用[14b槽鋼作為鋼管之間的橫、縱向連接以及斜撐連接，焊接螺旋管的連接方式。

(2)索塔臨時(shí)支墩有限元分析

采用midas Civil有限元分析軟件建立主橋臨時(shí)支墩有限元模型，荷載取值為梁段自重產(chǎn)生的豎向、橫向荷載及施工活荷載2 kN/m2。

計(jì)算各個(gè)構(gòu)件的應(yīng)力為：鋼管立柱、工字鋼橫梁的最大應(yīng)力分別為31.1 MPa、70.0 MPa均小于鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度145 MPa，符合要求；鋼管柱最大變形為1.61 mm，1.61/4 000=1/2 484<1/400，符合要求；工字鋼橫梁最大變形2.38，減去其支點(diǎn)鋼管柱頂變形0.5 mm，結(jié)果為1.88 mm，1.88/1 500=1/798<1/400，符合要求。

(3)索塔臨時(shí)支墩穩(wěn)定性計(jì)算

①斜撐鋼管穩(wěn)定性

②立柱鋼管穩(wěn)定性

③剪刀撐穩(wěn)定性計(jì)算

由計(jì)算結(jié)果可知，剪刀撐最大軸力53.0 kN，鋼管長(zhǎng)細(xì)比λ=μL/i。按最不利的兩端固定，μ=0.5，L為計(jì)算長(zhǎng)度，m，取3 m，i=5.52 cm；λ=0.5×300/5.52=27.2<150，符合要求。軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，查表得0.968，鋼管截面積為1 851.6 mm2，由此，鋼管應(yīng)力為53 000/0.968/1851.6=29.6 MPa<145 MPa，符合要求。

5 箱梁及塔柱吊裝施工

5.1 箱梁的吊裝

(1)第一步選擇1臺(tái)500 t汽車吊吊裝GL1-GL5梁段，順序?yàn)镚L1到GL5依次吊裝，GL1和GL5梁重為34.8 t，作業(yè)半徑小于20 m；GL2和GL4梁重為79 t，作業(yè)半徑小于18 m；GL3梁重為76.3 t，作業(yè)半徑小于16 m。查500 t汽車吊性能表，滿足吊裝要求。GL1和GL5梁重為34.8 t，作業(yè)半徑小于20 m；GL2和GL4梁重為79 t，作業(yè)半徑小于18 m；GL3梁重為76.3 t，作業(yè)半徑小于16 m。查500 t汽車吊性能表，吊車臂伸出長(zhǎng)度為31.7 m，滿足吊裝要求。

(2)第二步選擇1臺(tái)300 t汽車吊吊裝GL6-GL20梁段，順序?yàn)镚L6到GL20依次吊裝，GL6-GL20梁段最重為49 t，作業(yè)半徑小于16 m。查300 t汽車吊性能表，滿足吊裝要求。為提高安全系數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)實(shí)際情況沿橋梁橫向適當(dāng)調(diào)整吊車站位，縮短作業(yè)半徑，保證吊裝安全。

5.2 塔柱的吊裝

主塔結(jié)構(gòu)分三部分進(jìn)行吊裝塔柱結(jié)構(gòu)1為左右兩個(gè)箱形結(jié)構(gòu)塔柱，塔柱結(jié)構(gòu)2為上側(cè)圓弧形結(jié)構(gòu)，塔柱結(jié)構(gòu)1安裝完成后進(jìn)行塔柱結(jié)構(gòu)2的圓弧段安裝，塔柱結(jié)構(gòu)2的圓弧段安裝完成后在進(jìn)行橫梁的安裝，最后進(jìn)行塔柱結(jié)構(gòu)裝飾的安裝。

(1)塔柱臨時(shí)支撐安裝

主塔吊裝時(shí)大里程方向靠近主塔增設(shè)臨時(shí)支撐臨時(shí)支墩2.94 m，結(jié)構(gòu)每組共計(jì)26根鋼管立柱及4根鋼管斜撐，橫橋順橋尺寸為3.85 m(橫橋向)×3 m(順橋向)。臨時(shí)支墩結(jié)構(gòu)起塔柱吊裝、焊接前以及錨固前的支撐作用。

(2)塔柱構(gòu)件吊裝順序

塔柱的吊裝，塔柱1選擇500 t和300 t汽車吊各一臺(tái)共同吊裝，吊裝需要專人指揮，建立統(tǒng)一指揮、統(tǒng)一號(hào)令機(jī)制，協(xié)調(diào)好兩臺(tái)汽車吊完成吊裝，保證吊裝工作萬(wàn)無(wú)一失。本工程塔柱吊裝最重構(gòu)件塔柱1為123.2 t，500 t汽車吊承擔(dān)主要吊裝作用，按單機(jī)吊計(jì)算，500 t汽車吊承受構(gòu)件最大重量123.2×70%=86.24 t(考慮到不均勻受力：最大承受構(gòu)件70%的重量)。考慮吊鉤以及鋼絲繩重量1 t，總重按87.24 t計(jì)算。300 t汽車吊起輔助吊裝作用，123.2×60%=73.9 t(考慮到不均勻受力：最大承受構(gòu)件60%的重量)。塔柱1吊裝時(shí)500 t汽車吊作業(yè)半徑小于13 m，300 t汽車吊作業(yè)半徑小于9.5 m。

5.3 施工現(xiàn)場(chǎng)吊裝場(chǎng)地要求

施工現(xiàn)場(chǎng)需與吊裝及運(yùn)輸單位共同確認(rèn)吊車站位及鋼構(gòu)件運(yùn)輸路線。汽車吊進(jìn)場(chǎng)前，平整吊車站位土地并壓實(shí)，通過(guò)重力觸探實(shí)驗(yàn)確保地面承載力達(dá)到200 kPa要求。吊裝及運(yùn)輸現(xiàn)場(chǎng)要求地面承載力計(jì)算。

500 t汽車吊自重96 t，配重50 t，索具估重1 t，本工程塔柱吊裝最重構(gòu)件塔柱1為123.2 t，500 t汽車吊承擔(dān)主要吊裝作用，按單機(jī)吊計(jì)算，500 t汽車吊承受構(gòu)件最大重量123.2×70%=86.24 t(考慮到不均勻受力最大承受構(gòu)件70%的重量)。則吊裝過(guò)程中最大對(duì)地壓力為(96+50+1+86.24)×g=2 332.4 kN。500 t汽車吊將塔柱1吊起后，其左后腿承重最大(按75%計(jì)算)，預(yù)計(jì)最大可達(dá)到174.93 t，固對(duì)地最大壓力為1 749.3 kN。為增大受力面積，每個(gè)支腿處墊一個(gè)支腿承重塊為3×3 m則對(duì)地壓強(qiáng)η=1 749.3/(3×3)=194.4 kPa。施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)地面進(jìn)行處理，地基承載力≥200 kPa，地基的抗壓強(qiáng)度為0.2 MPa>0.1994 MPa，滿足施工現(xiàn)場(chǎng)施工條件。

6 結(jié) 論

(1)依據(jù)吊車選型及構(gòu)件大小，采用理論計(jì)算的方法對(duì)無(wú)背索斜拉橋吊具進(jìn)行合理選取，保證了橋梁吊裝施工的安全、經(jīng)濟(jì)、高效。

(2)無(wú)背索斜拉橋吊裝施工過(guò)程中，主橋與索塔臨時(shí)支墩構(gòu)件的最大應(yīng)力分別為75.0 MPa、70.0 MPa，均小于試件的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值145 MPa，臨時(shí)支墩承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)索塔臨時(shí)支墩的斜撐鋼、立柱鋼管及剪刀撐的穩(wěn)定承載力均滿足設(shè)計(jì)要求。