城市復(fù)雜環(huán)境下的人行天橋大跨度鋼箱梁吊裝

王 山 彭定蓀

湖南省第三工程有限公司 湖南 湘潭 411104

裝配式鋼箱梁橋梁施工技術(shù)在市政和公路橋梁中的應(yīng)用日益普及，同傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)相比，裝配式鋼箱梁橋梁具有抗扭系數(shù)大、自重輕、剛度大、整體性好、跨越能力大、拼裝架設(shè)方便、工期短等優(yōu)點(diǎn)。目前對(duì)城市大跨度鋼箱梁吊裝有一定研究，但是每個(gè)案例面對(duì)的復(fù)雜環(huán)境不同，從而吊裝作業(yè)施工技術(shù)方案亦有所不同[1-3]。本文以長(zhǎng)株潭城際軌道西環(huán)線黃家灣高架車站橫跨潭州大道快速路人行天橋A段46.18 m大跨度鋼箱梁吊裝施工為例，探索在城市復(fù)雜環(huán)境下大跨度鋼箱梁吊裝施工應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

長(zhǎng)株潭城際軌道交通西環(huán)線黃家灣高架車站為西環(huán)線一期工程全線第3個(gè)車站，位于湘潭九華經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)，設(shè)于潭州大道與富家路交叉路口，沿潭州大道敷設(shè)。

黃家灣車站人行過(guò)街天橋由人行過(guò)街天橋A段和人行過(guò)街天橋B段2部分組成。人行過(guò)街天橋A段位于車站右側(cè)（長(zhǎng)沙方向），橫跨已建成通車的潭州大道快速路，連接1、2出入口，跨度為46.18 m，寬度為6 m，如圖1所示。人行過(guò)街天橋結(jié)構(gòu)主體橋梁采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)，主體鋼構(gòu)件材質(zhì)采用Q355B，連接采用10.9級(jí)摩擦型高強(qiáng)螺栓。鋼箱梁為一體兩箱室結(jié)構(gòu)形式，鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面上寬6 m，下寬3.66 m，梁高1.2 m。

圖1 人行天橋平面位置示意

2 項(xiàng)目重點(diǎn)與難點(diǎn)

1）周邊環(huán)境復(fù)雜。人行天橋A段橫跨湘潭連接長(zhǎng)沙的潭州大道快速路，快速路車流量大、速度快且不能中斷交通；周邊緊鄰廠區(qū)、居民區(qū)，吊裝作業(yè)給交通和居民出行組帶來(lái)影響，需制定詳細(xì)的交通導(dǎo)行方案。

2）跨度大、施工難度大。人行天橋A段跨度大，分段吊裝單節(jié)鋼箱梁最長(zhǎng)為26.4 m，最長(zhǎng)段鋼箱梁質(zhì)量為68.6 t，吊裝設(shè)備選型和吊裝方案設(shè)計(jì)是確保吊裝作業(yè)成功的重要環(huán)節(jié)。

3）工期緊張。根據(jù)批準(zhǔn)的工期計(jì)劃，人行天橋施工工期（包含鋼箱梁和上部雨棚）為20 d，其中人行天橋A段吊裝作業(yè)時(shí)間僅為4 d。吊裝作業(yè)只能選在車流量較小的夜間進(jìn)行，有效工作時(shí)間短。鋼箱梁按期加工預(yù)制完成和如何合理高效組織吊裝作業(yè)是這次人行天橋能否按期完成的關(guān)鍵。

4）本工程場(chǎng)地狹小，吊車作業(yè)空間較小，其他專業(yè)交叉作業(yè)多，同時(shí)人行天橋A段橫跨已建成通車的快速路，人行天橋緊鄰在建軌道交通車站主體結(jié)構(gòu)，吊裝作業(yè)半徑小，存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)，操作不當(dāng)，將造成結(jié)構(gòu)損壞，如何確保吊裝作業(yè)安全也是吊裝的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3 吊裝方案設(shè)計(jì)

1）根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境，本次人行天橋鋼箱梁施工采用工廠分段預(yù)制加工制作，現(xiàn)場(chǎng)分段一次性整體吊裝。鋼箱梁構(gòu)件的裝運(yùn)選用6軸重型平板半掛車，超長(zhǎng)構(gòu)件選用MAN33-464型牽引車及配套尼古拉斯平板車組。

2）整個(gè)人行天橋A段將分成ZL1和ZL2兩節(jié)段吊裝，在潭州大道右側(cè)分隔帶人行天橋橋墩附近設(shè)置臨時(shí)支架和拼裝分接口。

3）人行天橋A段鋼箱梁吊裝順序?yàn)橄萙L1后ZL2，ZL1和ZL2主要數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 鋼箱梁分段ZL1、ZL2主要數(shù)據(jù)

4）人行天橋A段潭州大道快速路右側(cè)分隔帶人行天橋橋墩附近設(shè)置臨時(shí)支架作為鋼箱梁的操作平臺(tái)，支架持續(xù)時(shí)間約2 d。臨時(shí)支架采用φ299 mm×8 mm鋼管與型鋼搭設(shè)支撐平臺(tái)系統(tǒng)；分配鋼梁采用雙拼40a#工字鋼，支架連接系采用16a#槽鋼；支架立柱底部鋪設(shè)1.8 m×1.8 m×500 mm的素混凝土基礎(chǔ)塊。臨時(shí)支架軸心受壓、偏心分析、混凝土基礎(chǔ)受力分析經(jīng)過(guò)計(jì)算滿足要求。

4 吊裝機(jī)械選型及配件驗(yàn)算

4.1 吊裝機(jī)械選型

根據(jù)分段鋼箱梁長(zhǎng)度、質(zhì)量、提升高度及作業(yè)環(huán)境等因素，本次鋼箱梁吊裝選用1臺(tái)350 t中聯(lián)QAY350V533汽車吊。臨時(shí)支架在現(xiàn)場(chǎng)為小單元件進(jìn)行拼裝焊接，單元件中最重構(gòu)件鋼管柱為0.4 t，擬采用25 t汽車吊進(jìn)行臨時(shí)支架的安裝及拆卸。

4.2 吊耳與卸扣設(shè)置及相關(guān)驗(yàn)算

4.2.1 吊耳設(shè)置原則

本次吊裝采用B-30型吊耳，其安全負(fù)載為30 t。吊耳設(shè)置在鋼橫梁腹板和隔板相交處的頂板頂面，一個(gè)鋼橫梁分段設(shè)置4個(gè)吊耳，4個(gè)吊耳向心線（構(gòu)件重心）的交點(diǎn)是鋼橫梁分段自身的重心位置。吊點(diǎn)吊耳形式均采用船用通用吊耳，吊耳的等級(jí)、制作、焊接及吊點(diǎn)局部加強(qiáng)等級(jí)符合工藝文件要求。在吊點(diǎn)薄弱部位設(shè)置加強(qiáng)筋板補(bǔ)強(qiáng)，避免局部失穩(wěn)。吊耳焊接完畢24 h后還需進(jìn)行100%磁粉探傷。

4.2.2 卸扣選用

縱梁的每個(gè)吊耳配置1個(gè)40 t卸扣，大于每個(gè)卸扣吊裝時(shí)承受構(gòu)件的極限質(zhì)量為29.0 t（詳見(jiàn)4.2.3節(jié)），卸扣使用是安全的。

4.2.3 吊耳受力分析

人行天橋A段ZL1鋼箱梁質(zhì)量約68 t，長(zhǎng)約26 m，吊裝高度約9 m，擬設(shè)4個(gè)吊點(diǎn)，按對(duì)稱吊點(diǎn)布置原則，鋼絲繩水平夾角為60°。在吊裝過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)短暫的3個(gè)吊耳受力的工況，故吊耳的強(qiáng)度計(jì)算只按3個(gè)吊耳受力工況進(jìn)行計(jì)算〔式（1）〕：

4.2.6 吊耳鋼板最小截面強(qiáng)度驗(yàn)算

吊耳鋼板最小截面強(qiáng)度按式（3）進(jìn)行驗(yàn)算。

經(jīng)查詢，符合GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》4.5.5條的要求。所有吊點(diǎn)位置之間產(chǎn)生的彎矩小于鋼橋整體安裝后產(chǎn)生的彎矩，故吊點(diǎn)位置橋體彎矩、強(qiáng)度、穩(wěn)定性滿足原設(shè)計(jì)要求。

4.3 鋼絲繩選擇及驗(yàn)算

吊索具選擇根據(jù)吊點(diǎn)受力分析，如圖2所示，在吊裝過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)短暫的3根鋼絲繩受力的工況，故鋼絲繩的強(qiáng)度計(jì)算只按3根鋼絲繩受力工況進(jìn)行計(jì)算。設(shè)每一吊點(diǎn)采用單股鋼絲繩，則每股鋼絲繩所受的拉力F為290 kN。

圖2 鋼絲繩受力情況

安全系數(shù)K＇取8，則每根鋼絲繩需承受的拉力P＝F×K＇＝290×8＝2 320 kN，抗拉強(qiáng)度為1 960 MPa的直徑為60.0 mm的鋼絲繩的最大受力為2 510 kN＞2 320 kN，使用該類鋼絲繩可滿足使用要求。

5 鋼箱梁吊裝工況分析

5.1 吊裝最不利工況分析

1）鋼箱梁吊裝對(duì)鋼箱梁整體剛度有較高的要求，本次吊裝采用最不利工況ZL1段進(jìn)行安全驗(yàn)算。

2）ZL1為鋼箱梁最重和最長(zhǎng)吊裝節(jié)段，構(gòu)件質(zhì)量約為67.7 t，長(zhǎng)26.04 m，是黃家灣車站人行天橋最不利吊裝構(gòu)件。擬采用350 t中聯(lián)QAY350V533汽車吊進(jìn)行吊裝作業(yè)，吊車工作半徑12 m，汽車吊臂長(zhǎng)25.8 m，額定吊重86 t，而

實(shí)際吊重為68.6 t×1.1（安全系數(shù)）＋2 t（鉤頭、鋼絲繩）≈77.46 t，QAY350V533汽車吊可以滿足安全吊裝要求。

5.2 吊裝時(shí)地基承載力驗(yàn)算

在構(gòu)件吊裝施工過(guò)程中，將采取對(duì)起重機(jī)械支腿區(qū)域鋪墊鋼板和枕木。每個(gè)支腿下部墊鋪規(guī)格為2.5 m×2.5 m×30 mm鋼板1塊，鋼板上墊鋪規(guī)格為2.00 m×0.25 m×0.25 m枕木，鋼板下鋪2 m×6 m路基板。潭州大道現(xiàn)狀瀝青混凝土路面承載能力經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)復(fù)核為100 kN/m2。在整個(gè)吊裝施工過(guò)程中，ZL1、ZL2鋼箱梁吊裝施工采用350 t中聯(lián)QAY350V533汽車吊。吊裝時(shí)地面最大荷載最不利工況考慮為2個(gè)支腿受力，則支腿反力按式（5）計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算，支腿對(duì)路面的壓應(yīng)力為108.8 kN/m2，小于現(xiàn)狀瀝青道路地面承載力1 000 kN/m2，現(xiàn)狀瀝青道路地面承載力滿足使用要求。綠化帶吊裝覆蓋區(qū)域需采用C25混凝土硬化，確保硬化后的地基承載力不得低于300 kN/m2。

5.3 吊車穩(wěn)定性驗(yàn)算

起吊前先進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算，確保汽車的穩(wěn)定力矩大于傾覆力矩。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況，選取最不利工況ZL1進(jìn)行驗(yàn)算，構(gòu)件最大質(zhì)量為68.6 t，構(gòu)件長(zhǎng)26.04 m，作業(yè)半徑12 m。根據(jù)GB/T 3011—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，吊車所受的力矩和應(yīng)大于0〔式（7）〕。

汽車吊工作時(shí)的受力簡(jiǎn)圖如圖3所示?？紤]最不利工況，風(fēng)動(dòng)荷載作用于吊物端，傾覆邊為吊車自重力矩的力臂最短邊。

圖3中：G為汽車吊自重加配重，取84 t＋107 t＝191 t；Q為吊物最大質(zhì)量，取68.6 t；W為風(fēng)動(dòng)荷載，按吊物的20%考慮，取68.6 t×0.2＝12.16 t；a為汽車吊重心至支腳傾覆支點(diǎn)的距離，支腿全伸為9.0 m，故a取4.5 m；R為吊物作用于傾覆邊的力臂，即汽車吊工作半徑，最大取12米；h為風(fēng)動(dòng)載合力點(diǎn)高度，取9 m。將上述數(shù)據(jù)代入式（8）計(jì)算，得到汽車吊工作時(shí)的力矩為144 345 N·m＞0，故穩(wěn)定性滿足要求。

圖3 汽車吊工作時(shí)受力示意

6 人行天橋A段鋼箱梁吊裝施工操作要點(diǎn)

6.1 吊裝施工工藝流程

施工準(zhǔn)備→測(cè)量放線復(fù)核→封閉施工及交通導(dǎo)行→臨時(shí)支架安裝就位→ZL1鋼箱板梁定位吊裝→ZL2鋼箱板梁定位吊裝→鋼箱梁焊接、涂裝→臨時(shí)支架落架、拆除

6.2 操作要點(diǎn)

6.2.1 吊裝施工模擬

正式吊裝前對(duì)吊裝方案進(jìn)行全員、全要素、全過(guò)程吊裝施工模擬。檢查交通導(dǎo)行方案可行性；檢查人、機(jī)、材準(zhǔn)備情況和協(xié)同性；檢查吊裝作業(yè)環(huán)境等。通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)吊裝模擬，進(jìn)一步優(yōu)化吊裝方案。

6.2.2 測(cè)量放線復(fù)核

鋼箱梁安裝前，必須對(duì)支座頂標(biāo)高、中線以及每孔跨徑進(jìn)行復(fù)測(cè)，誤差在設(shè)計(jì)和規(guī)范允許范圍內(nèi)方可架設(shè)。同時(shí)，在樁頂上畫(huà)出縱橫向十字線，以便于安裝對(duì)正。鋼箱梁架設(shè)完畢后現(xiàn)場(chǎng)采用千斤頂或楔鐵來(lái)調(diào)節(jié)位置及標(biāo)高、垂直度，待垂直度和標(biāo)高調(diào)整完畢后再進(jìn)行焊接定位。

6.2.3 封閉施工及交通導(dǎo)行

根據(jù)已批準(zhǔn)的專項(xiàng)施工方案和交通導(dǎo)行方案，吊裝施工區(qū)域采用硬質(zhì)圍擋封閉施工，對(duì)箱梁運(yùn)輸路線和吊裝區(qū)域分時(shí)段交通導(dǎo)行。采取雙班作業(yè)方式，從而減少占道時(shí)間，吊裝作業(yè)安排在夜間10點(diǎn)至第二天早上6點(diǎn)進(jìn)行，嚴(yán)格控制臨時(shí)占路范圍和時(shí)間。按照有關(guān)規(guī)定，設(shè)置臨時(shí)交通導(dǎo)行標(biāo)志、設(shè)置路障、隔離設(shè)施、夜間警示信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)人員協(xié)助交通管理部門疏導(dǎo)交通，確保車輛行人安全通過(guò)施工區(qū)域。

6.2.4 臨時(shí)支架安裝就位

按照施工方案在潭州大道右側(cè)輔道范圍內(nèi)搭設(shè)臨時(shí)支架，并確保臨時(shí)支架的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。

6.2.5 ZL1鋼箱梁吊裝

吊車預(yù)先停在工作半徑范圍內(nèi)，運(yùn)輸鋼箱梁車開(kāi)到吊機(jī)起吊范圍內(nèi)。起重工掛索，吊機(jī)緩慢上力將鋼梁吊離運(yùn)輸車300 mm時(shí)停下，觀察吊機(jī)是否穩(wěn)定，然后吊機(jī)起吊，把鋼梁吊過(guò)墩柱或支架，吊機(jī)旋轉(zhuǎn)到達(dá)安裝位置，在現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)工和技術(shù)人員指揮下，緩慢落鉤，將鋼梁上的支座線對(duì)準(zhǔn)柱頂上的定位線進(jìn)行就位，就位后逐步松鉤，待吊機(jī)只承擔(dān)10%鋼梁質(zhì)量時(shí)仔細(xì)觀察支架、墩柱、支座及鋼箱梁本體有無(wú)變形，確定安全后完全卸荷，摘鉤卸繩，安裝完畢。吊裝過(guò)程中進(jìn)行臨時(shí)加固，構(gòu)件安裝過(guò)程中采取必要的牽拉、支撐、臨時(shí)連接等措施。

6.2.6 ZL2鋼箱梁吊裝

按照Z(yǔ)L1鋼箱梁吊裝流程進(jìn)行ZL2鋼箱梁吊裝，ZL2吊裝期間，右側(cè)輔道可以通行。

6.2.7 鋼箱梁連接和涂裝

ZL1和ZL2鋼箱梁架設(shè)完畢后現(xiàn)場(chǎng)采用千斤頂或楔鐵來(lái)調(diào)節(jié)位置及標(biāo)高、垂直度，待垂直度和標(biāo)高調(diào)整完畢后再進(jìn)行焊接和高強(qiáng)螺栓連接定位。鋼箱梁連接和涂裝質(zhì)量需滿足現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。

6.2.8 臨時(shí)支架落架、拆除

臨時(shí)支架落架、拆除前，所有焊接、打磨、補(bǔ)漆工作全部結(jié)束，并且通過(guò)焊縫檢測(cè)合格后，方可落架、拆除。分段臨時(shí)支架落架、拆除前，焊接全部結(jié)束，對(duì)橋面關(guān)鍵部位進(jìn)行水平標(biāo)高測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)記錄，并做好測(cè)量點(diǎn)標(biāo)記。密切關(guān)注臨時(shí)支撐落架點(diǎn)的標(biāo)高變化，整橋臨時(shí)支架落架，每次落架數(shù)值不得大于5 mm，循環(huán)往復(fù)，直至臨時(shí)支架支點(diǎn)與下箱形梁底板產(chǎn)生縫隙，開(kāi)始拆除臨時(shí)支架。分段臨時(shí)支架落架、拆除后進(jìn)行橋面板裝飾鋪設(shè)。

7 結(jié)語(yǔ)

在長(zhǎng)株潭城際軌道西環(huán)線黃家灣高架車站人行天橋A段46.18 m大跨度鋼箱梁吊裝施工中，通過(guò)利用Navisworks、Abaqus CAE等BIM技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)了吊車選型、吊具有限元分析、吊車三維模型參數(shù)化生成、吊裝過(guò)程三維模擬等，吊車方案由最初的2臺(tái)200 t雙機(jī)抬吊方案變更為1臺(tái)350 t吊裝方案，在確保安全的前提下，節(jié)約了吊裝費(fèi)用。

通過(guò)制定切實(shí)可行的吊裝方案和交通導(dǎo)行方案，科學(xué)安排、精心組織，確保了大跨度鋼箱梁在城市復(fù)雜環(huán)境下順利安全吊裝，吊裝時(shí)間由原計(jì)劃的4 d縮短到2 d，最大限度減少了對(duì)人民群眾出行的影響。黃家灣車站大跨度鋼箱梁的吊裝施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)可為后續(xù)類似工程提供借鑒。