內(nèi)傾大噸位鋼拱腳精確安裝技術(shù)

王瑞龍

摘要： 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，鋼結(jié)構(gòu)的造型和結(jié)構(gòu)形式越來越新穎，越來越復(fù)雜，給鋼結(jié)構(gòu)的制作帶來了新挑戰(zhàn)，同時(shí)對鋼結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)也提出了新問題，鋼結(jié)構(gòu)安裝是一項(xiàng)復(fù)雜的綜合性技術(shù)，涵蓋范圍廣。本文根據(jù)大同市北環(huán)橋主橋拱腳節(jié)點(diǎn)的精確定位安裝，分享該橋內(nèi)傾大噸位鋼拱腳的技術(shù)安裝過程，來與大家共勉。

Abstract： With the progress of science and technology， the modeling and structural forms of steel structures are increasingly novel， and more and more complex， which has brought new challenges to the steel structure， and also put forward new problems to the installation technology of steel structure. Installation of steel structure is a complex technology， covering a wide range. According to the precise positioning installation of the main bridge arch foot joint of Datong north bridge， this paper shared the technological installation process of large tonnage steel arch foot with an inclination.

關(guān)鍵詞： 內(nèi)傾；大噸位；精確；安裝

Key words： inclination；large tonnage；precision；installation

中圖分類號：TU391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）22-0138-05

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，鋼結(jié)構(gòu)的造型和結(jié)構(gòu)形式越來越新穎，越來越復(fù)雜，給鋼結(jié)構(gòu)的制作帶來了新挑戰(zhàn)，同時(shí)對鋼結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)也提出了新問題，許多先進(jìn)的工藝方法成為工法，促進(jìn)了鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的發(fā)展。但是由于種種原因，在鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中，事故和違規(guī)現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生，給國家和企業(yè)帶來不必要的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。鋼結(jié)構(gòu)安裝是一項(xiàng)復(fù)雜的綜合性技術(shù)，涵蓋范圍廣。筆者有幸參加山西省大同市北環(huán)橋工程建設(shè)，大同市北環(huán)橋主橋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獨(dú)特新穎，造型國內(nèi)首創(chuàng)，但是經(jīng)過相關(guān)技術(shù)人員對設(shè)計(jì)圖紙的充分研究和充分理解，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，制定出可靠、經(jīng)濟(jì)的施工方案。本文根據(jù)大同市北環(huán)橋主橋拱腳節(jié)點(diǎn)的精確定位安裝，分享該橋內(nèi)傾大噸位鋼拱腳的技術(shù)安裝過程，來與大家共勉。

1 工程簡介

山西省大同市北環(huán)橋?yàn)槌鞘芯坝^橋，主橋采用四跨連續(xù)拱梁協(xié)作體系，其中主跨采用兩跨連續(xù)不對稱空間三角形拱橋。主橋跨徑布置為：28m+70m+130m+28m=256m，采用拱梁固結(jié)體系；拱為六邊形鋼箱梁截面，內(nèi)傾角度73.84°，橋面以上副拱高度15.8m，主拱高度54.8m，主副拱交叉處拱腳至橋面高度為12.2m。副主跨單側(cè)鋼箱梁采用6根吊桿，吊桿間距為6m，集中錨固于副拱拱頂，使用狀態(tài)最大吊桿力為200t。主跨單側(cè)采用10根吊桿，吊桿間距為9m，集中錨固于主拱拱頂，使用狀態(tài)最大吊桿力為280t。

主、副拱相互交叉形成拱腳節(jié)點(diǎn)，在拱腳節(jié)點(diǎn)中，設(shè)置豎向及水平大承臺板，主副拱分別截?cái)嗪附佑趦蓧K大承壓板上，最終通過水平承壓板將壓力傳至下部承臺，拱腳節(jié)點(diǎn)是重要的傳力節(jié)點(diǎn)。拱腳節(jié)點(diǎn)通過拱腳支架與承臺混凝土結(jié)構(gòu)相連，拱腳支架起傳力及抗震作用。

主橋P10墩為拱腳固結(jié)墩，主、副拱肋拱腳通過埋置在承臺內(nèi)部的錨固架進(jìn)行固定及傳力。承臺采用“回”字形，基礎(chǔ)采用摩擦樁設(shè)計(jì)，共設(shè)置42根直徑1.8m鉆孔樁，樁長為60m。

主橋整體示意圖及縱斷面圖如圖1。

2 難點(diǎn)分析

2.1 定位安裝精度高

本工程單個(gè)拱腳段重量約164t，安裝角度內(nèi)傾73.84°，安裝時(shí)需將拱腳段底座平面傾斜角度調(diào)整到73.84 °才能安裝到位，且安裝時(shí)要將拱腳段同時(shí)穿過42根錨栓。因此拱腳段安裝是本工程施工的一大難點(diǎn)。

2.2 施工安裝監(jiān)測監(jiān)控難度大

由于環(huán)境溫度變化和日照、現(xiàn)場風(fēng)力的影響，增加了監(jiān)測監(jiān)控難度。

2.3 安全風(fēng)險(xiǎn)大

在安裝過程中，處于空間內(nèi)傾工況，自由度高，存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

3 施工技術(shù)方案

本橋?yàn)閮煽邕B續(xù)拱橋形式，構(gòu)件受力耦合復(fù)雜程度比單拱肋嚴(yán)重，傳力機(jī)理更為復(fù)雜。主副拱的共用拱腳節(jié)點(diǎn)處，設(shè)置豎向及水平大承壓板，主副拱分別截?cái)嗪附佑趦蓧K大承壓板上，最終通過水平承壓板將壓力傳至下部承臺，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，桿系計(jì)算理論分析如表1。

針對拱腳段受力復(fù)雜的特點(diǎn)，并進(jìn)行難點(diǎn)分析后，合理制定其安裝技術(shù)方案：

①建立高精度的測量控制網(wǎng)，根據(jù)業(yè)主提供的首級控制點(diǎn)建立首級控制網(wǎng)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況及安裝需要，對首及控制網(wǎng)進(jìn)行加密建立二級測量控制點(diǎn)網(wǎng)用于構(gòu)件安裝測量定位，加密點(diǎn)選在橋體兩側(cè)及兩端混凝土引橋面，由于環(huán)境溫度變化和日照的影響，使測量定位十分復(fù)雜而困難。在精確定位時(shí)，必須監(jiān)測結(jié)構(gòu)溫度的分布規(guī)律，規(guī)避日照效應(yīng)，削弱溫度對安裝進(jìn)度引起的誤差。

②拱腳支架和拱腳安裝采取廠內(nèi)散件發(fā)貨，現(xiàn)場胎架拼裝，最后整體吊裝。安裝順序?yàn)椋?）進(jìn)行拱腳支架的定位，為了控制拱腳安裝精度，定位時(shí)設(shè)置輔助安裝支架（該支架澆筑于混凝土內(nèi)，不再取出），通過測量利用手拉葫蘆進(jìn)行調(diào)整定位，當(dāng)拼裝分塊吊裝就位后，采用千斤頂進(jìn)行微調(diào)，復(fù)測定位精度滿足設(shè)計(jì)要求后將分塊與下部的輔助安裝支架焊接固定；2）進(jìn)行拱腳混凝土第一次澆筑，混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后，安裝上部拱腳段；3）進(jìn)行拱腳混凝土第二次澆筑，完成拱腳的安裝。拱腳安裝角度也使用手拉葫蘆來調(diào)整，為了保證拱腳構(gòu)件能同時(shí)穿過預(yù)埋在承臺的42根螺桿，且螺紋不被破壞，在拱腳段傾斜一側(cè)相應(yīng)位置設(shè)置兩組預(yù)埋件，上部焊接一斜向三角支撐導(dǎo)向架，導(dǎo)向桿件斜率與錨栓斜率一致，確保拱腳沿螺桿軸向下滑。

4 施工方法和工藝

4.1 輔助安裝支架安裝

4.1.1 輔助安裝支架材料

由于拱腳支架在混凝土承臺之前施工，因此安裝拱腳支架時(shí)需要設(shè)置輔助支架，根據(jù)拱腳支架外形尺寸及重量，計(jì)算出設(shè)置輔助支架采用角鋼的種類和數(shù)量。

輔助支架立桿底部設(shè)置埋件埋于混凝土承臺墊層中，用于連接混凝土結(jié)構(gòu)與輔助支架，混凝土承臺墊層澆筑過程中穿插著將支架立桿底部埋件安裝完成。待混凝土承臺墊層達(dá)到一定強(qiáng)度后進(jìn)行輔助支架安裝。

4.1.2 輔助安裝支架材料角鋼截面驗(yàn)算

本工程輔助支架采用主材為角鋼L100×10，截面驗(yàn)算如圖3。

通過驗(yàn)算結(jié)果，各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足要求，然后進(jìn)行輔助安裝支架立桿底部埋件布設(shè)，承臺墊層混凝土澆筑，輔助安裝支架安裝等相應(yīng)的施工工序。

4.2 拱腳支架安裝

拱腳包含上部拱腳分段和下部拱腳支架兩大部分，拱腳支架外形尺寸大，重量重，最大預(yù)埋件外形尺寸達(dá)到10930×4250×2080（mm），重量達(dá)到23t左右，其中錨栓重量約15t，上下環(huán)梁、豎向支撐及水平支撐總重約8t。

主、副拱交接處通過拱腳節(jié)點(diǎn)相連，是重要的傳力節(jié)點(diǎn)，拱腳節(jié)點(diǎn)通過拱腳支架與混凝土結(jié)構(gòu)相連，形成拱肋的荷載傳遞系統(tǒng)。該拱腳分段內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由封板、橫隔板、加勁肋、拱腳錨板等鋼板焊接而成，最大板厚100mm，外形尺寸達(dá)到16009×4279×8917（mm），重量達(dá)164t。

拱腳支架及拱腳工廠整體加工無法運(yùn)輸，采取散件發(fā)運(yùn)，到現(xiàn)場后拼裝成整體吊裝。

根據(jù)現(xiàn)場條件并結(jié)合拱腳支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在安裝胎架上進(jìn)行拱腳支架的整體拼裝，采用50t汽車吊整體吊裝，最后散件安裝錨栓。

4.2.1 拱腳支架的拼裝

根據(jù)埋件外形尺寸在拱腳安裝位置附近選取拼裝場地，拼裝場地的位置必須保證50t汽車吊可以站位且拼裝分塊脫胎后能夠直接進(jìn)行吊裝。

拼裝前，根據(jù)拱腳支架的外形尺寸在拼裝場地劃好地腳線，在設(shè)胎架的位置下方鋪設(shè)H200×200×8×12的H型鋼，在該H型鋼上采用L80×10的角鋼設(shè)置拼裝胎架，利用25t汽車吊并配合使用千斤頂和手拉葫蘆進(jìn)行拼裝，拼裝完成后利用50t汽車吊脫胎直接吊裝。

構(gòu)件上胎后采用吊線錘的方法進(jìn)行定位，裝配完成后再利用全站儀進(jìn)行整體尺寸和位置復(fù)測。

4.2.2 拱腳支架分塊吊裝

根據(jù)拱腳支架結(jié)構(gòu)，將上環(huán)梁、下環(huán)梁、水平支撐、豎向支撐拼裝成一個(gè)整體進(jìn)行吊裝。整體拼裝順序?yàn)橄绕囱b下環(huán)梁，再拼裝上環(huán)梁，最后拼裝水平支撐和豎向支撐。

按照拱腳支架安裝思路，拼裝分塊采用50t的汽車吊直接吊裝。由于拱腳支架與混凝土承臺間存在夾角，故在吊裝鋼絲繩上需設(shè)置手拉葫用于調(diào)節(jié)拱腳支架的定位角度，埋件吊裝就位后通過手拉葫蘆進(jìn)行初調(diào)定位，利用全站儀進(jìn)行測量定位。當(dāng)拼裝分塊吊裝就位后，采用千斤頂進(jìn)行微調(diào)，復(fù)測定位精度滿足設(shè)計(jì)要求后將分塊與下部的輔助安裝支架焊接固定。

4.2.3 錨栓安裝

由于錨栓重量較輕且錨栓剛度較大，因此錨栓安裝時(shí)采用單點(diǎn)吊，且錨栓上螺紋較多，為了保護(hù)螺紋采用吊帶進(jìn)行吊裝。吊裝時(shí)吊點(diǎn)設(shè)置在重心偏上200mm左右使錨栓自然傾斜，起吊后操作人員輔助將錨栓下端對準(zhǔn)錨栓孔，然后通過調(diào)整錨栓角度將錨栓下滑到位。錨栓安裝完成后通過全站儀進(jìn)行測量定位，經(jīng)過微調(diào)達(dá)到定位精度要求后，利用錨栓上的螺母進(jìn)行初步固定，待所有錨栓安裝完成后且經(jīng)全站儀復(fù)測無誤后將錨栓與拱腳支架進(jìn)行點(diǎn)焊固定。

為了在安裝過程中不破壞錨栓上的螺紋，根據(jù)錨栓外徑尺寸，選擇合適的PVC管套在錨栓外面。

4.2.4 拱腳支架安裝驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

本工程拱腳支架安裝參照《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB50205-2001）單層鋼結(jié)構(gòu)安裝工程中“支承面、地腳螺栓（錨栓）位置的允許偏差”。

4.3 拱腳段安裝

拱腳支架安裝就位后，進(jìn)行承臺第一次混凝土澆筑，支架埋設(shè)在混凝土內(nèi)，混凝土經(jīng)養(yǎng)護(hù)達(dá)到強(qiáng)度要求時(shí)，進(jìn)行拱腳段安裝。

4.3.1 拱腳分段拼裝

由于拱腳段重量較重、外形尺寸較大，整體加工無法運(yùn)輸，故拱腳段采取合理拆分，工廠加工板單元，在現(xiàn)場進(jìn)行整體拼裝。此方案既解決了難運(yùn)輸?shù)膯栴}，也有利于保證構(gòu)件加工精度。

拱腳段拼裝根據(jù)拱腳板單元的劃分采用50t汽車吊在胎架上進(jìn)行拼裝。

4.3.2 吊裝準(zhǔn)備

經(jīng)拼裝后的拱腳重達(dá)164t，如此內(nèi)傾大噸位的鋼結(jié)構(gòu)安裝要做好充足的準(zhǔn)備工作。

①地基加固。通過對場地承載力測試及混凝土應(yīng)力擴(kuò)散計(jì)算，在吊車行程和吊裝工作范圍內(nèi)，進(jìn)行原地夯實(shí)，并澆筑C20鋼筋混凝土20cm，確保拱腳運(yùn)輸和吊裝安全。

②吊裝機(jī)械選擇。根據(jù)拼裝后拱腳的重量、外形尺寸以及場地需求，并結(jié)合施工成本的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合分析，拱腳段采用1臺350t履帶吊進(jìn)行吊裝。

③吊耳計(jì)算及選擇。拱腳段采用4點(diǎn)吊裝，根據(jù)構(gòu)件重心位置對稱位置布置吊耳，盡量控制吊具與水平夾角40°≤α≤60°，為了安全起見，在計(jì)算吊耳強(qiáng)度時(shí)只考慮3個(gè)吊耳同時(shí)受力。吊耳強(qiáng)度計(jì)算如下：

1）吊耳的允許負(fù)荷按下式計(jì)算：P=■

式中：P——吊耳允許的負(fù)荷，kgf；

D——起重量（包括加強(qiáng)材料等重量），kgf；

c——不均勻受力系數(shù)，取c=1.5～2；

n——同時(shí)受力的吊耳數(shù)。

2）吊耳的強(qiáng)度按下列公式校驗(yàn)：

正應(yīng)力？滓=■<[？滓] [？滓]=■

切應(yīng)力？子=■<[？子] [？子]=0.6[？滓]

式中：Fmin——垂直于P力方向的最小截面積，mm2；

Amin——平行于P力方向的最小截面積，mm2；

σs——材料的屈服點(diǎn)，N/mm2（kgf/mm2）；

[σ]——材料許用正應(yīng)力，N/mm2（kgf/mm2）；

[τ]——材料許用切應(yīng)力，N/mm2（kgf/mm2）；

k——安全系數(shù)，取k=2.5～3.0。

經(jīng)過計(jì)算，所選吊耳規(guī)格和類型如表3所示。

通過重量范圍以及吊耳規(guī)格來選取吊耳的形式，吊耳要提前經(jīng)過試驗(yàn)檢測，合格后方可使用。

④吊具的選擇。

吊裝設(shè)備必須保養(yǎng)良好，運(yùn)行正常，并定期進(jìn)行檢查，所選起吊用的工具和鋼絲繩必須有足夠的安全系數(shù)，不得小于5～7倍。使用的手拉葫蘆必須經(jīng)過安檢及正常保養(yǎng)，并有備用。

⑤鋼絲繩的選擇。

結(jié)構(gòu)吊裝中常用的鋼絲繩是先由若干根鋼絲捻成股，再由若干股圍繞繩芯捻成繩，其規(guī)格6×19和6×37等種（6股，每股分別由19、37根鋼絲捻成）。前者鋼絲粗，較硬，不易彎曲，多用作纜風(fēng)繩。后者鋼絲細(xì)，較柔軟，多用作起重吊索。由于耳板采用全熔透焊縫，焊縫強(qiáng)度可不計(jì)算。鋼絲繩選擇計(jì)算過程如下：

按照前述構(gòu)件重量分區(qū)劃分，拱腳段采用4點(diǎn)吊裝，考慮四個(gè)吊點(diǎn)不平衡狀態(tài)（三點(diǎn)受力），考慮鋼絲繩與構(gòu)件的最不利夾角（鋼絲繩與水平夾角60°），則每根鋼絲繩承重F0=G/（3×sin60°），鋼絲繩選擇計(jì)算公式如下：

d≥C·（F0）1/2

式中：

d——鋼絲繩直徑，單位為毫米（mm）；

F0——單根鋼絲繩承載力，單位為牛（N）；

C——鋼絲繩選擇系數(shù)，單位為毫米每二分之一次方牛（mm/N1/2），按如下公式計(jì)算：

C=[Kn/（K′·R0）]1/2

式中：

Kn——鋼絲繩最小安全系數(shù)，本方案中取6；

K′——鋼絲繩最小破斷拉力系數(shù)，本方案取0.295；

R0——鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度，單元為兆帕（MPa），本方案取1770。

經(jīng)計(jì)算，吊裝所選用鋼絲繩規(guī)格如表4。

4.3.3 拱腳段安裝

拱腳段吊裝前，采用全站儀對拼裝完成的拱腳段進(jìn)行全面復(fù)測以確保構(gòu)件與設(shè)計(jì)吻合，根據(jù)拱腳段的重心位置及安裝角度，通過三維模擬確定吊耳的精確安裝位置和安裝角度，做好分段吊裝前準(zhǔn)備工作。

在吊裝用的鋼絲繩上設(shè)置滑輪組，起吊前根據(jù)模擬吊裝初步確定每根吊索的長度，脫胎后利用滑輪組對構(gòu)件安裝角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其接近于安裝就位的角度，安裝前將每根錨栓螺紋區(qū)域套上鐵皮套進(jìn)行保護(hù)，吊裝落位時(shí)在安裝導(dǎo)向措施的輔助下，吊車緩緩落鉤將拱腳段沿錨栓自然下滑直至完成。落位通過全站儀進(jìn)行精確定位，定位完成后擰緊錨栓上端緊固螺母，并點(diǎn)焊固定，最后再松鉤完成拱腳段安裝。

5 安裝注意事項(xiàng)

如此超大超重鋼構(gòu)件，既要保證吊裝安全，又要控制好安裝精度，應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

①吊裝作業(yè)指派專人統(tǒng)一指揮，參加吊裝的起重工要掌握作業(yè)安全要求，其他人員要有明確分工。

②吊裝作業(yè)前必須嚴(yán)格檢查起重設(shè)備各部件的可靠性和安全性，并進(jìn)行試吊。

③為保證各起重設(shè)備的安全行駛和工具的使用，使用前應(yīng)做好全套檢查。所有吊重具應(yīng)滿足規(guī)定要求的安全系數(shù)。起重夾具要檢查保養(yǎng)，確保完好可靠。

④起吊物件應(yīng)有專人負(fù)責(zé)，統(tǒng)一指揮。人員操作要密切配合，步調(diào)一致，指揮時(shí)不準(zhǔn)戴手套，手勢要清楚，信號要明確，不得遠(yuǎn)距離指揮吊物運(yùn)行。

⑤吊運(yùn)物上的零星物件必須清除，特別是構(gòu)件體內(nèi)的邊角余料等雜物事前都要檢查清除，防止吊運(yùn)中墜落傷人。

⑥吊運(yùn)物件時(shí)，吊物上不準(zhǔn)站人。吊物不準(zhǔn)在人頭上越過。

⑦大雨及大霧天，能見度不夠，不得進(jìn)行吊裝工作。

⑧安裝就位前，現(xiàn)場監(jiān)控測量工作要仔細(xì)認(rèn)真，測量工作由專職工程師進(jìn)行，

6 質(zhì)量驗(yàn)收

由于現(xiàn)場組織科學(xué)合理，整個(gè)拱腳安裝過程中未發(fā)生安全質(zhì)量事故，安裝精度經(jīng)監(jiān)控方測試，監(jiān)理方確認(rèn)，滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，并比計(jì)劃提前9天完工，為北環(huán)橋后續(xù)的工序開展奠定了良好開端。

7 結(jié)束語

鋼結(jié)構(gòu)的安裝方法很多，有高空分散吊裝、分塊吊裝、整體吊裝、整體提升、結(jié)構(gòu)滑移等等，在分析本工程的難點(diǎn)、特點(diǎn)后，選用了地面散件組裝，大噸位吊車整體吊裝，為了確保安裝精度和吊裝安全，在安裝時(shí)增設(shè)了輔助支架、手拉葫蘆、導(dǎo)向支架等設(shè)施。通過實(shí)踐證明，該方法不但可行，相比分散吊裝，既加快了施工進(jìn)度，又保證了施工質(zhì)量，提高了經(jīng)濟(jì)效益。因此，針對含一定角度的大噸位鋼結(jié)構(gòu)安裝，在整體吊裝的同時(shí)，增設(shè)一些輔助設(shè)施不失為是一種好的安裝方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]材料力學(xué)[M].五版.高等教育出版社出版，2011.

[2]結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].五版.高等教育出版社出版，2010.

[3]《北環(huán)橋施工方案》2015年3月5日中鐵十七局集團(tuán)第四工程有限公司編制.