鋼箱梁大橋吊裝安全性參數(shù)計(jì)算及吊裝過(guò)程平衡控制措施分析

李添水

（大成工程建設(shè)集團(tuán)有限公司，福建 廈門(mén) 361000）

0 引言

鋼箱梁具有重量大、長(zhǎng)度大等特點(diǎn)。因此，對(duì)地基承載力、吊裝機(jī)械、吊具、過(guò)程控制、臨時(shí)承載機(jī)構(gòu)提出了較高的要求。從風(fēng)險(xiǎn)控制的角度看，在吊裝時(shí)控制鋼梁節(jié)段的平衡性是避免風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵措施，故本文將結(jié)合工程案例，對(duì)鋼箱梁大橋吊裝安全性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并分析吊裝過(guò)程平衡控制措施。

1 工程概況

某城市道路工程全長(zhǎng)為808.64m，紅線(xiàn)寬度為40m，設(shè)計(jì)速度為50km/h，其中包括一座289.25m 長(zhǎng)的鋼箱梁大橋。該橋梁跨徑設(shè)計(jì)為45m+56m+56m，梁高為2.0~4.3m，主梁采用波形鋼模板銅－混組合連續(xù)梁，進(jìn)行2次拋物線(xiàn)變化。

2 鋼箱梁大橋吊裝安全性參數(shù)計(jì)算

2.1 鋼箱梁分段

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙將本項(xiàng)目的鋼箱組合梁劃分為若干個(gè)分段，縱向?yàn)?5 個(gè)箱梁分段，橫向?yàn)閮蓚€(gè)箱梁分段，還有一個(gè)是箱外橫梁分段。表1 為部分箱梁分段的重量、長(zhǎng)度、高度及吊裝高度明細(xì)表。從中可知，該項(xiàng)目鋼箱梁具有較大的重量、長(zhǎng)度以及吊裝高度，導(dǎo)致施工風(fēng)險(xiǎn)偏高。

表1 箱梁左幅分段明細(xì)

2.2 吊裝安全性參數(shù)計(jì)算

該項(xiàng)目梁體重量在46.1～91.7t之間，重量≤48.1t的鋼箱梁采用單機(jī)吊裝方案，重量超過(guò)48.1t 的鋼箱梁采用雙機(jī)吊裝方案。

2.2.1 吊耳豎向剪切力計(jì)算

在設(shè)計(jì)吊耳時(shí)，應(yīng)對(duì)其豎向剪切應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

式中：σ——許用應(yīng)力，該項(xiàng)目吊耳材質(zhì)為Q345qC，許用剪切應(yīng)力為170N/mm2；

S——吊耳的受剪面積；

M——單個(gè)吊耳上載荷質(zhì)量；

g——重力加速度。

（1）單機(jī)模式下的計(jì)算結(jié)果。在單機(jī)吊裝模式下，每個(gè)鋼箱梁上設(shè)置4個(gè)吊耳，不利情況下由3個(gè)吊耳發(fā)揮作用，則單個(gè)吊耳上的最大載荷質(zhì)量為m=48.1/3=16t。吊耳底部寬度L=280mm，整體高度為H=280mm，在幾何中心設(shè)置有圓形中空，其直徑D=80mm。該項(xiàng)目中參數(shù)S的計(jì)算公式為：

式中：S——受剪面積；

W——吊耳的厚度；

L——吊耳底部寬度；

D——圓形中空的直徑。

當(dāng)σ=170N/mm2，W=30mm時(shí)，將各個(gè)參數(shù)代入式（1）和式（2），有σ·S=30mm×(140-40)mm×170N/mm2=5.1×105N。2mg=2×16200kg×9.8N/kg=3.175×105N。顯然，符合式（1）的要求，說(shuō)明在單機(jī)吊裝模式下吊耳設(shè)計(jì)規(guī)格滿(mǎn)足要求。

（2）雙機(jī)模式下的計(jì)算結(jié)果。對(duì)于重量超過(guò)48.1t的鋼箱梁，吊耳的設(shè)計(jì)規(guī)格有所變化，L和H分別增加至340mm，中空結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑改為100mm，厚度增加至62mm。雙機(jī)吊裝模式下的σ·S=62mm×（130-50）×170N/mm2=8.97×105N。單個(gè)吊耳的最大載荷為92.8t/4=23.2t，2mg=2×23200kg×9.8N/kg=45.5×105N。同樣滿(mǎn)足σ·S>2mg。因此在雙機(jī)吊裝模式下吊耳設(shè)計(jì)方案滿(mǎn)足要求。

2.2.2 鋼絲繩選型及安全系數(shù)計(jì)算

（1）鋼絲繩基本規(guī)格。吊裝時(shí)根據(jù)載荷的重量選擇鋼絲繩，具體見(jiàn)表2。

表2 鋼絲繩選擇分類(lèi)

（2）鋼絲繩安全系數(shù)計(jì)算。鋼箱梁分段可視作剛體結(jié)構(gòu)，吊耳為對(duì)稱(chēng)布置，鋼絲繩吊起后也為對(duì)稱(chēng)分布，鋼箱梁水平懸吊，鋼絲繩與鋼箱梁的夾角為60°。豎直方向上受力平衡，平衡關(guān)系的計(jì)算公式為：

式中：Ly——單根鋼絲繩在垂直方向上的分量；

LF——單根鋼絲繩上的拉力記；

θ——鋼絲繩與鋼箱梁的夾角。

因此，有4Ly=mg，此時(shí)LF的計(jì)算公式為：

當(dāng)載荷質(zhì)量為45t時(shí)，將各參數(shù)的取值代入（4）式，得到LF=45×0.866×9.8/4=95.5kN。Φ32mm 鋼絲繩的最小破斷拉力為774.8kN，將鋼絲繩的安全系數(shù)記為K，則有K=744.8/95.5=8.11。采用相同原理計(jì)算其他載荷條件下的鋼絲繩安全系數(shù)，總體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。可見(jiàn)，鋼絲繩的安全系數(shù)達(dá)到了較高水平。

表3 鋼絲繩安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

（3）卸扣選型及安全系數(shù)計(jì)算。卸扣是吊裝系統(tǒng)的重要組件，每一個(gè)吊點(diǎn)配置一個(gè)卸扣，每次吊裝所需的卸扣數(shù)量為4 個(gè)。當(dāng)載荷質(zhì)量≤45t 時(shí)，按照最大值45t 計(jì)算，單個(gè)卸扣的載荷質(zhì)量為45t/4=11.3t。當(dāng)載荷質(zhì)量在45～65t之間時(shí)，按照65t計(jì)算，單個(gè)卸扣的載荷質(zhì)量為65t/4=16.25t。當(dāng)載荷質(zhì)量在65～95t 之間時(shí)，按照95t 進(jìn)行計(jì)算，單個(gè)卸扣的載荷質(zhì)量為95t/4=23.75t。卸扣的安全系數(shù)為額定載荷/實(shí)際載荷，根據(jù)技術(shù)規(guī)范，安全系數(shù)不得低于2.0，實(shí)際計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。3種卸扣的安全系數(shù)均大于2.0，滿(mǎn)足使用要求。

表4 卸扣安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3 鋼箱梁吊裝過(guò)程平衡控制策略

3.1 吊裝流程

該項(xiàng)目鋼箱梁吊裝施工流程為：現(xiàn)場(chǎng)施工準(zhǔn)備→拼裝搭設(shè)支架→吊機(jī)準(zhǔn)備→鋼箱梁分段吊裝→測(cè)量及微調(diào)→現(xiàn)場(chǎng)焊接→現(xiàn)場(chǎng)涂裝→支架拆除→現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收[1]。其中與吊裝過(guò)程平衡控制相關(guān)的環(huán)節(jié)主要包括現(xiàn)場(chǎng)施工準(zhǔn)備、支架搭設(shè)以及節(jié)段吊裝。

3.2 吊裝前的施工準(zhǔn)備

3.2.1 場(chǎng)地準(zhǔn)備

（1）場(chǎng)地要求。該項(xiàng)目鋼箱梁重量較大，再加上吊裝車(chē)輛和運(yùn)輸車(chē)輛的自重，對(duì)場(chǎng)地的承載能力和平整度等提出了較高的要求，良好的場(chǎng)地條件可減少現(xiàn)場(chǎng)吊裝的擾動(dòng)，進(jìn)而確保吊裝的平衡性[2]。施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)做到場(chǎng)地堅(jiān)實(shí)平整，梁段運(yùn)輸和吊機(jī)開(kāi)行道路的坡度不得超過(guò)1%，其地基承載力不得低于12t/m2。

（2）場(chǎng)地平整和壓實(shí)。對(duì)橋兩側(cè)10m 范圍內(nèi)的場(chǎng)地進(jìn)行平整和壓實(shí)處理，施工措施如下：對(duì)原地面進(jìn)行開(kāi)挖，形成100cm 深的基坑，向基坑內(nèi)填筑磚渣，采用分層填筑與夯實(shí)的作業(yè)方法，磚渣上部鋪設(shè)碎石，并碾壓密實(shí)，表面承載力不低于400kPa[3]。在場(chǎng)地平整過(guò)程中，對(duì)吊機(jī)占位區(qū)地基下方采用細(xì)沙找平，平整度不超過(guò)1cm。

3.2.2 臨時(shí)支架場(chǎng)地處理

鋼箱梁吊裝時(shí)通過(guò)臨時(shí)支架進(jìn)行卸載，為確?；A(chǔ)的可靠性，應(yīng)提前澆筑地面?，F(xiàn)場(chǎng)共需要搭設(shè)60 個(gè)臨時(shí)支架，單個(gè)支架基礎(chǔ)的尺寸為5m×5m×0.3m，使用C25 混凝土澆筑。在支架基礎(chǔ)四周以土石進(jìn)行填充，形成壓實(shí)的斜坡，在斜坡表面設(shè)置防雨侵蝕措施[4]。

3.2.3 搭設(shè)臨時(shí)支架

梁段采用分段架設(shè)，在設(shè)計(jì)分段處設(shè)置臨時(shí)支架，支架主體結(jié)構(gòu)為“井”字型布置的4 根Φ325 鋼管，整體高度為26m，鋼管外側(cè)設(shè)計(jì)有斜支撐。鋼管橫橋向間距和順橋向間距均為3.3m，橫梁采用雙拼40A 工字鋼。支架基礎(chǔ)上預(yù)埋有4塊規(guī)格為500mm×500mm×16mm鋼板和固定鋼板的螺栓，臨時(shí)支架底部與鋼板進(jìn)行焊接，按照表5驗(yàn)收焊縫質(zhì)量。

表5 焊縫質(zhì)量驗(yàn)收內(nèi)容

3.3 吊裝過(guò)程平衡控制

3.3.1 正式吊裝前的基本要求

在正式進(jìn)行吊裝前1～2d，現(xiàn)場(chǎng)組織試吊一次，在天氣晴朗、風(fēng)力小于3 級(jí)的情況下進(jìn)行試吊，通過(guò)試吊確認(rèn)以下情況：

（1）滑輪是否靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，有無(wú)卡滯現(xiàn)象；

（2）檢查各處插銷(xiāo)是否安裝到位；

（3）檢查吊機(jī)限位是否正常運(yùn)行；

（4）檢查鋼絲繩是否存在斷股、亂繞現(xiàn)象；

（5）檢查吊鉤是否存在裂紋和缺陷。

3.3.2 吊裝方法

起吊時(shí)，必須在鋼箱梁兩端下部系掛纜繩，由防護(hù)人員進(jìn)行拉拽，一旦鋼箱梁出現(xiàn)晃動(dòng)，由地面人員通過(guò)纜繩進(jìn)行控制，確保吊裝的平衡性。對(duì)于重量低于48.1t，并且長(zhǎng)度不超過(guò)20m 的鋼箱梁節(jié)段，采用單機(jī)進(jìn)行吊裝，吊機(jī)的起重能力為62t，臂長(zhǎng)為39.4m，配重89t，工作半徑為9m。當(dāng)重量超過(guò)48.1t，或者節(jié)段長(zhǎng)度超過(guò)20m，單機(jī)吊裝的安全性和平穩(wěn)性都難以保障，此時(shí)改用雙機(jī)吊裝的方案。主要的吊裝控制措施如下。

（1）吊機(jī)旋轉(zhuǎn)方法。鋼梁吊升時(shí)，起重機(jī)邊升鉤邊回轉(zhuǎn)，使構(gòu)件繞原位置旋轉(zhuǎn)，直到豎直，起重機(jī)將構(gòu)件吊離地面后稍微旋轉(zhuǎn)起重臂使構(gòu)件處于基礎(chǔ)正上方，然后將其輕輕放在基礎(chǔ)上面[5]。

（2）吊機(jī)提升。起吊時(shí)先進(jìn)行試吊，將構(gòu)件提升至距離地面50cm 處，當(dāng)設(shè)備未出現(xiàn)任何異常時(shí)，再慢慢提升至預(yù)定高度，整個(gè)吊裝過(guò)程由地面控制人員確保鋼絲繩的角度，防止構(gòu)件在空中晃動(dòng)和扭轉(zhuǎn)。

（3）鋼梁就位。鋼梁吊裝到位后，通過(guò)人工結(jié)合小型千斤頂?shù)姆绞竭M(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，經(jīng)過(guò)測(cè)量定位，確認(rèn)位置準(zhǔn)確后，擰緊螺栓固定，并報(bào)請(qǐng)監(jiān)理驗(yàn)收合格，方可緩慢松鉤，完成吊裝。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，鋼箱梁大橋跨度較大，可采用分段吊裝的作業(yè)方式，將鋼梁劃分為若干節(jié)段。作業(yè)前必須計(jì)算吊耳、鋼絲繩、卸扣、地基、支架等重要組件的承載力和安全系數(shù)，從理論層面確保吊裝方案的可靠性。正式吊裝之前，對(duì)地面進(jìn)行硬化夯實(shí)處理，利用混凝土澆筑支架基礎(chǔ)，搭設(shè)、焊接鋼梁的臨時(shí)支架。進(jìn)入吊裝階段后，由專(zhuān)人利用繩索控制鋼梁的平衡性，緩慢起吊、平穩(wěn)就位。