復雜環(huán)境下大型鋼箱梁安裝技術(shù)研究

王建峰 WANG Jian-feng

（華鐵信遠檢測科技有限公司，太原 030000）

1 工程概況

新建國道G106高架2號特大橋位于廣州市白云區(qū)北太路-龍河西路，橋梁與G106國道共線，全長1782.5m，中心樁號K21+648.851。橋梁下部結(jié)構(gòu)為門架式墩基礎，4#～5#跨位于白云區(qū)北太路-龍河西路的交叉路口，上部結(jié)構(gòu)采用鋼箱梁，橋跨組合為1×57m，橋梁交角為90度。橋面寬度33m。橋面橫坡左幅1%，右幅2%。

單幅鋼箱梁橫向分為5個鋼箱，相互間通過橫隔梁（間隔2m布設1道）進行連接。鋼箱采用頂面開口型式，縱橋向為3個構(gòu)造尺寸不同的節(jié)段（A段-B段-A段），單個鋼箱梁兩片腹板不等高設計。橋面板挑臂端部厚度為23cm，根部厚度為50cm，承托寬度為50cm，承托高度隨橋面超高漸變而漸變，鋼箱梁標準橫切面如圖1所示。

圖1 鋼箱梁標準橫切面

鋼箱梁具有跨度長、斷面尺寸大、重量重等特點。且施工所在位置為廣州市政主干道白云區(qū)北太路-龍河西路的交叉路口。路口處交通通行繁忙，施工環(huán)境復雜、安全風險高。故鋼箱梁安裝是本項目施工的技術(shù)難題。

2 采用BIM技術(shù)進行鋼箱梁安裝總體方案的設計

經(jīng)安全、技術(shù)及經(jīng)濟等方面綜合評估，鋼箱梁擬采取縱、橫向分段、分塊廠內(nèi)制作，運至現(xiàn)場吊裝后拼焊的施工總體方案。因鋼箱梁存在現(xiàn)場拼裝工藝難度大、節(jié)點焊接標準高、質(zhì)量不易控制等難題。故需盡量減少現(xiàn)場拼焊的作業(yè)量，廠內(nèi)加工成大節(jié)段后運至現(xiàn)場安裝，以確保箱梁質(zhì)量。無疑增加了吊裝的技術(shù)難度。

箱梁分段由鋼結(jié)構(gòu)加工廠根據(jù)實際情況以及運輸條件限制，結(jié)合鋼箱梁結(jié)構(gòu)特點、現(xiàn)場吊裝條件、可利用的起重設備、現(xiàn)場保通對臨時支墩設置要求等進行節(jié)段劃分。由于環(huán)境復雜，分段吊裝方案要求每個環(huán)節(jié)高度協(xié)同，稍有偏差就可能造成鋼箱梁安裝失敗。故本項目采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，采用BIM技術(shù)建模，進行吊裝的模擬推演，對出現(xiàn)的問題進行解決，并優(yōu)化方案。最終方案是于4#～5#墩間設置3個臨時支墩，臨時支墩立面布設如圖2所示。鋼箱梁對應分節(jié)段現(xiàn)場吊裝后拼焊。

圖2 臨時支墩布設位置示意圖

3 臨時支墩結(jié)構(gòu)設計、驗算及施工

3.1 臨時支墩設計方案

從承載能力強、施工簡便、安拆迅速、造價合理等4個方面進行綜合考量。并經(jīng)方案優(yōu)化及承載驗算，臨時支墩結(jié)構(gòu)形式為：臨時支墩由2排8根φ630×6mm鋼管+頂部雙拼I45a工字鋼縱、橫向分配梁組成；支墩鋼管長度約10m（具體根據(jù)梁底與基礎標高確定），外側(cè)四根鋼管距頂端及底端1m各設1道花架，其余鋼管間設水平橫撐，以增強鋼管矩陣總體剛度及穩(wěn)定性，花架使用[16槽鋼制作。

臨時支墩基礎采用雙層鋼筋C25混凝土剛性基礎，支墩頂部水平撐上搭設跳板作為施工作業(yè)平臺，平臺四周設置防落網(wǎng)，搭設標準爬梯上下施工平臺，爬梯四周設置防落網(wǎng)。臨時支墩布置與結(jié)構(gòu)見圖3所示。

圖3 臨時支墩布置與結(jié)構(gòu)示意

3.2 臨時支墩結(jié)構(gòu)承載能力驗算

3.2.1 計算方法及荷載取值

采用概率極限狀態(tài)設計法對臨時支墩的承載能力進行驗算。結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取0.95。荷載組合：1.2×0.95×恒荷載＋1.4×0.95×活荷載。

恒荷載為支墩結(jié)構(gòu)自重、鋼箱梁節(jié)段的重量荷載，按實際計算結(jié)果。

活荷載為施工人員及施工機械荷載、節(jié)段吊裝對臨時支墩的沖擊荷載。人員及機械活荷載按鋼箱梁節(jié)段水平投影面積為基數(shù)進行計算，取2.5kN/m2。沖擊荷載按鋼箱梁節(jié)段自重的10%計取。

3.2.2 驗算結(jié)果

①2I46工字鋼縱、橫向分配梁。

分配梁承受最大彎曲應力、剪切應力處為2#支墩小里程側(cè)，右幅橫向分配梁中跨的中間處，計算值如下：

最大應力值：126.4MPa＜[σ]=215MPa。

最大剪切應力值：56.9MPa＜[σ]=125MPa。

最大撓度：8.31mm＜6000/400=15.0mm。

②鋼管立柱。

承受最大軸向壓力的鋼管立柱為2#支墩小里程側(cè)從線路中線向外數(shù)的第2根，鋼管立柱承受的軸向壓力為867.2kN（含自重荷載）。軸向受壓穩(wěn)定系數(shù)經(jīng)計算、查表得φ=0.765。則得立柱的壓應力為：

867200/（3.14×6302/4-3.14×6182/4）/0.765=96.4MPa＜[σ]=215MPa。

③地基承載力計算。

鋼管立柱承受的最大軸向壓力為867.2kN，柱下為1.8m×1.8m×0.5m基礎，計算得地基承載力需＞267.7kPa?；A置于原有道路上，承載力能夠滿足要求。

3.3 臨時支墩施工技術(shù)要點

根據(jù)臨時支墩的設計方案，在施工現(xiàn)場將箱梁的線路中線、支墩的設計中線、支墩中點及臨時支墩分配梁上的各支點位置進行準確的測量放樣。支點標高根據(jù)各支點處的橋面設計標高、箱梁高度及預拱度進行計算。進而計算臨時支墩各構(gòu)件長度及安裝標高。標高計算需經(jīng)多人復核，確保無誤后再使用。現(xiàn)場采用全站儀測量檢查。

支點主要根據(jù)鋼箱梁腹板位置布置，如圖4所示，非腹板位置的支點施工時可根據(jù)實際情況增減支點數(shù)量。臨時支墩盡可能將拼裝工作在加工廠內(nèi)完成，以減少現(xiàn)場拼裝工作量及拼裝時間，降低對道路交通的影響。

圖4 分配梁上支點布設示意圖

在臨時支墩鋼管邊上搭設標準爬梯，方便施工人員上下。在臨時支墩基礎迎車方向用水馬做好保護，防止車輛撞擊臨時支墩。

4 鋼箱梁節(jié)段劃分及吊裝方案

4.1 鋼箱梁節(jié)段劃分

鋼箱梁梁寬15.978m，高2.4m，為單箱五室結(jié)構(gòu)。沿縱向與臨時支墩相對應，分為2個橫梁與2個箱體（2.45m+30m+21m+2.45m）4個節(jié)段。橫向按箱室分成5個節(jié)段。

鋼箱梁縱向節(jié)段的頂、底板和腹板對接焊縫不得布置在同一截面，應錯開一段距離，且需符合規(guī)范要求，如圖5所示。

圖5 底板和腹板對接焊縫錯位示意

4.2 吊機選型

鋼箱梁梁高約2.0～2.8m，板面離地面高約15m，吊裝時鋼絲繩為吊環(huán)式。吊機選型前，首先對施工現(xiàn)場進行實地考察，認真分析鋼箱梁現(xiàn)場空間位置關(guān)系、各個橋墩的位置、場地狀況和各吊裝節(jié)段尺寸、重量等因素。對每個節(jié)段的吊裝工況進行了詳細分析及采用BIM技術(shù)建模推演，以保證施工進度及安全吊裝。

最終方案為采用250t、350t汽車吊各1臺進行吊裝鋼箱梁節(jié)段。

4.3 重要節(jié)段吊裝驗算

4.3.1 250t單機吊裝安全驗算

250t單機吊裝最重節(jié)段為GXL-5段，總重為48.3t。以該段作為安全驗算段。吊裝時直接從梁車上起吊。250t吊機出桿31.1m，在工作半徑R=12m之內(nèi)吊重為65t，取安全系數(shù)0.8，吊機吊重能力為65×0.8=52t＞48.3t，吊重、仰角與高度均滿足要求。

4.3.2 350t單機吊裝安全驗算

350t單機吊裝最重節(jié)段為GXL-1，以該段作為安全驗算段。吊裝時直接從梁車上起吊節(jié)段。總重為81t。350t吊機出桿30.9m，在工作半徑R10m之內(nèi)吊重為105t，取安全系數(shù)0.8，吊機吊重能力為105×0.8=84t＞81t，吊重、仰角與高度均滿足要求。

4.4 鋼絲繩的選擇

按3種不同吊重進行鋼絲繩的選擇，每種吊重按最重節(jié)段進行受力分析。鋼絲繩與水平夾角取值為60°，綜合安全系數(shù)取10倍。

按承載計算結(jié)果，在吊重≤40t鋼箱梁時，最大單根鋼絲繩L拉=11.5t，選取抗拉強度為1870MPa的φ44-6×37纖維芯鋼絲繩；同理，吊重40～70t鋼箱梁時，選取抗拉強度為1870MPa的φ60-6×37鋼芯鋼絲繩。吊重70～90t鋼箱梁時，選取抗拉強度為1870MPa的φ80-6×37鋼芯鋼絲繩。

4.5 吊耳的選用

為了確保鋼箱梁局部承載安全，在腹板與橫隔板相交處的面板頂板設置臨時吊耳，如是吊耳不是設在上述位置，則需采取面板的加措施。采取4點起吊鋼箱梁節(jié)段，即設4個吊耳，吊耳選用依據(jù)《中華人民共和國行業(yè)標準設備吊耳》HG/T21574-2008。

為保證吊裝安全，須對吊耳的焊縫質(zhì)量進行檢驗。吊耳焊縫焊接完成后，由專職質(zhì)檢員進行檢驗，并請監(jiān)理工程師進行抽檢。節(jié)段在吊裝前，須再次對吊耳進行專門檢查，以保證吊裝安全。每個梁段的吊耳布設位置將根據(jù)梁段形狀，長度方向優(yōu)先布置在梁段兩側(cè)各1/3長度且下部有橫隔板等強結(jié)構(gòu)的位置，寬度方向布設在距離板邊200mm以上且下部有腹板等強結(jié)構(gòu)的位置，如圖6所示。

圖6 吊耳布置示意圖

4.6 卸扣的選用

卸扣受力與每個吊耳受力相對應，選用的卸扣與吊耳吊重相同：吊重≤40t鋼箱梁，考慮最不利因素情況下，由兩根鋼絲繩受力的情況下承載，則單個卸扣承受力為23t。卸扣選自美標G210，選用額定荷載25t的卸扣。吊重≤70t鋼箱梁，卸扣選自美標2130，選用額定荷載55t的卸扣。吊重≤90t鋼箱梁，卸扣選自美標2130，選用額定荷載120t的卸扣。

5 工地裝配、焊接

本標段鋼箱梁位于G106國道與北太路交接位置，方案設計時對道路行車道、路面標高、空中管線、周邊建構(gòu)筑物進行了數(shù)據(jù)采集及采用BIM建模推演，確定了詳細的吊裝方案。故施工時嚴格按設計方案中的汽吊站位、運節(jié)段梁車輛的停放方位及操作程序進行吊裝作業(yè)。

鋼箱梁平面為曲線，為防止鋼箱梁在吊裝時傾覆，在吊裝時須對鋼箱梁進行臨時固定好后才能給吊機松鉤。鋼箱梁需連續(xù)吊裝，不可出現(xiàn)孤立段，如果出現(xiàn)孤立段必須與臨時支墩焊接加固。

鋼箱梁吊裝時，曲面較大的節(jié)段使用臨時碼板固定，必要時與臨時支墩支點焊接固定。吊裝后根據(jù)測量數(shù)據(jù)調(diào)整鋼箱梁標高與平面位置，經(jīng)測量復檢合格后安裝間距300～400mm碼板固定節(jié)段，完成固定后再實施焊接。

鋼箱梁吊裝后空間參數(shù)與設計數(shù)據(jù)常會有輕微偏差，需根據(jù)偏差情況對鋼箱梁采取有效方法進行微調(diào)。

6 臨時支墩卸載及拆除

鋼箱梁整橋焊接完工且檢測后，對臨時支撐實施卸載，卸載由中間向兩側(cè)對稱實施。卸載時根據(jù)各支墩點的撓度變形值及各階段的分析數(shù)據(jù)，采取比例下降法，以避免出現(xiàn)個別支墩承載集中現(xiàn)象。

完成全部卸載后方進行支墩拆除，采取由跨中向兩側(cè)的順序依次拆除臨時支墩。

拆除前清理周邊障礙物，實施安全圍擋后于夜間進行。在施工平臺上用割刀把臨時支墩橫梁上的支點割除，然后再拆除臨時支墩橫梁，最后拆除鋼管墩。

7 鋼箱梁安裝施工期間的交通疏導方案

臨時支墩施工時交通疏導：臨時支墩在安裝和拆裝時需用占用G106國道雙向各一車道，雙向各保留2車道通行，施工時先單邊作業(yè)，時間為21：00到次日6：00共13天（安裝需要8天，拆除需要5天）；同時臨時支墩施工完后要做好圍擋，雙向各還有3車道通行，支墩施工完后還要短期占用路面約20天。鋼箱梁1節(jié)段吊裝時交通疏導：節(jié)段吊裝時需要全封閉G106國道往白云機場方向車道，車輛改道行駛過施工路段。同時封閉往奧體中心方向1車道。施工時間為晚上21：00到次日6：00，時間約需要4天。當天施工完后同時恢復交通。鋼箱梁2節(jié)段與3節(jié)段吊裝時交通疏導：節(jié)段吊裝時時需要全封閉G106國道往奧體中心方向車道，改道行駛過施工路段。同時封閉往白云機場方向1車道。施工時間為晚上21：00到次日6：00，時間約需要4天。當天施工完后同時恢復交通。

8 結(jié)束語

本文以國道G106高架2號特大橋施工為例，針對車流量大、過往人員密集、作業(yè)面狹窄、保通壓力大等困難情況下，提出大跨度鋼箱梁分段吊裝的方案，并基于BIM技術(shù)的基礎上，對分段規(guī)劃、臨時支墩設置位置及形式、汽吊站位等各環(huán)節(jié)進行了精心設計及建模推演，驗證方案可行性的同時，據(jù)以優(yōu)化方案，并指導現(xiàn)場施工。為該類型的大型鋼箱梁在困難條件下的安裝提供經(jīng)驗。