下承式拱橋鋼箱梁吊裝施工控制技術
2023-12-10 20:05:00蒙宇紹
西部交通科技 2023年9期
作者簡介：蒙宇紹（1980—），高級工程師，研究方向：公路橋梁、隧道施工技術。
摘要：為探究鋼箱梁吊裝施工問題，文章以某下承式鋼箱梁拱橋為研究背景，分析了施工過程中的重難點，提出了合理的施工流程和關鍵施工步驟，確保施工過程中的安全、質量和效率，并對施工過程中出現(xiàn)的各種最不利荷載工況進行結構計算，確保各組成構件在施工過程中的強度、剛度及穩(wěn)定性符合要求。研究表明，所提出的“先梁后拱”施工原則符合當前項目條件，同時也滿足安全、經(jīng)濟、高效的施工要求。
關鍵詞：下承式拱橋；鋼箱梁吊裝；先梁后拱；結構安全驗算
中圖分類號：U448.22
0 引言
下承式拱橋由于造型優(yōu)美等特點常常用于市政橋梁中，而下承式拱橋［1］的施工技術問題是影響施工工期的主要問題。在施工前不僅要通過有限元模型［2］、BIM技術等對施工過程及受力情況進行分析，還要對施工質量進行安全控制［3-4］。鋼箱梁橋面寬［5］，為扁平結構［6］，也常常用于市政橋梁中。鋼箱梁的施工吊裝［7-8］及測控問題也是制約施工安全、質量和工期的主要問題［9］。
基于上述研究，本文以浙江某市政下承式拱橋的鋼箱梁吊裝為背景，探究鋼箱梁吊裝施工關鍵問題以及安全、質量等控制問題。
1 工程概況及重難點分析
1.1 工程概況
以浙江某市政下承式拱橋的鋼箱梁吊裝為研究背景，該橋為1×78 m下承式鋼箱拱橋，橋跨布置為 （1×78）m，主梁采用單箱七室斷面，橋面全寬37.5 m。橋型布置見圖1：
該橋吊桿采用擠壓錨固鋼絞線索體系，吊桿型號采用GJ15-9類型，索體標準強度fpk=1 860 MPa，其中吊桿的彈模E=1.9×105N/mm2，計算截面面積為12.6 cm2。吊桿通過錨杯將組成吊桿的各個預應力鋼絞線進行整體擠壓和張拉。結合現(xiàn)場施工情況，采用一端張拉的方式以便于現(xiàn)場張拉施工，吊桿的張拉端設置在橋面主梁處，而主拱拱肋一端為錨固固定端，可以方便張拉設備的使用。此外，吊桿為細長索結構，在使用營運過程中，受風荷載、汽車荷載、雨水溫濕度等的影響，可能會產(chǎn)生多次振動和銹蝕。因此，為了充分考慮到吊桿在使用過程中可能出現(xiàn)的振動疲勞問題、銹蝕引起的吊桿替換問題，要求吊桿在設計時吊桿軸力的冗余系數(shù)≥2.5。
1.2 施工重難點分析
1.2.1 橋面主梁以及主拱拱肋
本工程現(xiàn)場安裝施工內(nèi)容主要為鋼箱梁結構和拱肋結構的安裝施工，計劃按照先梁后拱的總體施工方案進行施工作業(yè)。該橋橋面主梁采用鋼箱梁結構，橋面寬37.5 m，主跨為78 m，如果采用整體吊裝施工技術，其作業(yè)難度非常大。因此，需要將橋梁鋼箱梁以及主拱拱肋進行節(jié)段劃分。若節(jié)段劃分過小，將增加吊裝施工工期，不利于項目施工的經(jīng)濟性和進度把控；節(jié)段劃分過大，又會影響吊裝施工質量，可能使得鋼箱梁和主拱拱肋中存在一定的初始應力，增加鋼箱梁以及主拱拱肋在營運節(jié)段發(fā)生失效和開裂的質量風險。因此，橋梁鋼箱梁以及主拱拱肋節(jié)段劃分是下承式拱橋鋼箱梁吊裝施工過程中的重難點之一。
1.2.2 鋼箱梁運輸
鋼箱梁的運輸長度長且跨度大，故鋼箱梁的運輸也是本工程的重點難點。對該批超長、超寬的鋼箱梁構件，計劃選用30～32 t半掛平板加長車進行公路運輸，并選用拉索加長底板車型運輸。運輸線路按照中南鋼構→黨農(nóng)線→紅十五線→信益線→錢陶公路→六一省道→三三省道→古咋線→江北連接線→機場路→東環(huán)北路→方欣路→目的地，運輸里程約為150 km。
1.2.3 鋼箱梁及拱肋結構現(xiàn)場吊裝施工
鋼箱梁及拱肋結構的吊裝安裝也是本工程的重點及難點。鋼箱梁現(xiàn)場安裝施工時，考慮到大面積的河道范圍內(nèi)無法行駛重型運梁車輛及大噸位汽車吊，故計劃利用已安裝完成的鋼箱梁以及下部臨時支撐架結構，在鋼箱梁上方行走重型運梁車輛及大噸位汽車吊，該方案需要提請設計單位對下部鋼箱梁結構進行應力及變形的驗算。
1.2.4 臨時腳手架及支撐桿件拆除工作
據(jù)前述可知，橋梁鋼箱梁的吊裝施工過程中，會使用一定數(shù)量的臨時腳手架以及支撐桿件，施工完成后，要對這些臨時腳手架以及支撐桿件進行拆除。為了確保鋼箱梁質量問題和臨時周轉性腳手架以及支撐桿件拆除工作的安全性，要探究以下問題：
（1）何時對臨時腳手架以及支撐桿件進行拆除才能確保鋼箱梁質量；
（2）臨時腳手架以及支撐桿件的拆除順序是怎樣的。
針對上述臨時腳手架以及支撐桿件拆除施工，要通過有限元軟件進行仿真數(shù)值模擬，計算和驗算臨時腳手架以及支撐桿件在拆除施工過程中各個構件、桿件的受力狀態(tài)，并在臨時腳手架以及支撐桿件拆除現(xiàn)場隨時隨地監(jiān)測和測量各個桿件和構件的變形及受力情況，確保臨時腳手架以及支撐桿件拆除工作順利有序地進行。
2 吊裝施工流程及步驟
2.1 施工流程（圖2）
考慮本橋暫無通航要求，主橋總體施工方案為先梁后拱，即在主河道范圍內(nèi)完成地基處理后，均勻布置一定間距的格構式支撐胎架，并在其頂部設置主梁拼裝平臺。同時進行吊桿的安裝、索力張拉、吊桿索力調(diào)整以及橋梁主梁和主拱線形的控制，并在上述工作全部完成后，逐步按支架拆除計劃進行支架的拆除和監(jiān)測工作。
具體施工組織及關鍵工程施工方案如下：
（1）進行地基處理及場地平整，做橋梁施工前的準備。
（2）工廠制作鋼箱梁節(jié)段及鋼拱肋節(jié)段。
（3）搭設臨時支架并預壓后，現(xiàn)場節(jié)段拼裝鋼箱梁梁體。
（4）搭設臨時支架，吊裝并焊接主拱。
（5）配合吊桿安裝和初張拉。
（6）施工裝飾拱肋部分。
（7）待上述工作全部完成后，逐步按支架拆除計劃進行支架的拆除和監(jiān)測工作，并進行后續(xù)收尾工作，主要包括橋面二期鋪裝、路面標志標線繪制、人行道的防護和車行道防撞欄桿等安裝工作。
（8）進行成橋荷載試驗，竣工驗收，通車運營。
吊裝施工流程如圖2所示。
2.2 臨時支架搭設
2.2.1 鋼箱梁臨時支撐架系統(tǒng)（圖3）
鋼箱梁的臨時支撐胎架系統(tǒng)采用?359×10 mm鋼管立柱，材質為Q345B，頂部分配梁采用雙拼HM600×250×14×20，分配梁之間設置HM94×150×6×9次梁；橫撐、斜撐采用16#槽鋼，材質均為Q235B。支撐胎架底部鋪設鋼制路基板，路基板下方為換填處理過的地基。經(jīng)承載力試驗得知，該換填地基土承載力約為300 kPa/m2，
可以滿足支撐胎架設置及受力要求。
節(jié)點說明：鋼箱梁臨時格構式支撐架的高度均在2.4 m左右。支撐胎架主梁與鋼管立柱采用≥10 mm的角焊縫焊接，并在鋼管立柱柱身處焊接10 mm×300 mm×200 mm耳板。水平支撐及斜支撐槽鋼采用4顆M20的10.9 s高強螺栓與鋼管立柱柱身的耳板連接。格構式支撐架的鋼管立柱與下方路基箱之間通過6 mm角焊縫圍焊焊接。格構式支撐胎架需經(jīng)過深化設計后，方可加工制作。
2.2.2 拱肋結構臨時支撐系統(tǒng)（下頁圖4）
拱肋結構的臨時支撐胎架系統(tǒng)采用?359×10鋼管立柱，材質為Q345B；頂部胎架梁采用HM600×250×14×20型鋼梁；橫撐和斜撐采用16#槽鋼，材質均為Q235B。為保證支撐胎架系統(tǒng)的穩(wěn)定性，支撐胎架底部的鋼管立柱與下方的鋼箱梁焊接固定，并在臨時支撐架之間設置了16#槽鋼斜撐，使臨時支撐架形成穩(wěn)定的整體。
節(jié)點說明：鋼拱肋格構式支撐架的高度在6.4～12.3 m左右，支撐胎架的主梁與鋼管立柱采用≥10 mm的角焊縫焊接，并在鋼管立柱柱身處焊接10 mm×300 mm×200 mm耳板，水平支撐及斜支撐槽鋼采用4顆M20的10.9 s高強螺栓與鋼管立柱柱身耳板連接。格構式支撐胎架需經(jīng)深化設計后，方可加工制作。
2.2.3 臨時支撐架驗收
（1）臨時支撐架搭設及主體結構施工過程中，項目部應根據(jù)方案要求進行技術交底，安排專人進行巡視檢查，并對施工過程中出現(xiàn)的不符合設計文件以及相關行業(yè)規(guī)定和規(guī)范中的技術參數(shù)要求的問題，應通知相關責任人及時整改，并做好整改記錄，從而確保項目施工過程中的質量。
（2）搭設完成的臨時支撐架應首先由項目部自行組織驗收，需要整改的，及時組織整改。
（3）臨時支撐架搭設完成后，必須會同總包和監(jiān)理單位進行驗收，并懸掛明顯的狀態(tài)標識牌（合格、不合格、待驗收等）。
2.3 關鍵步驟
鋼箱梁吊裝施工中的主要關鍵步驟如下：
2.3.1 支架預壓并吊裝鋼箱梁
臨時支撐架搭設施工完成后，選擇中部最不利的一排臨時支撐架，按1.2倍設計承載力進行支架頂部預壓加載試驗。加載試驗注意觀測支架的變形及沉降情況，確保支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定后，逐段吊裝鋼箱梁，見圖5。
2.3.2 拱肋架設
待鋼箱梁全部安裝焊接完成，搭設臨時支撐架，采用220 t汽車吊開始對稱安裝拱肋，見圖6。
2.3.3 安裝并張拉吊桿
采用70 t汽車吊根據(jù)設計要求依次開始安裝并張拉吊桿，見圖7。
2.3.4 拆除臨時支架并裝飾
按照從中間向兩邊的順序，依次對稱拆除卸載拱肋下方的臨時支撐胎架系統(tǒng)。順序安裝裝飾架結構，直至鋼結構安裝施工完成，見圖8。
3 吊裝工況安全驗算
3.1 工況分析
3.1.1 鋼箱梁吊裝工況計算（圖9）
鋼箱梁吊裝工作均采用就近吊裝施工的原則。鋼箱梁吊裝單元的最大外形尺寸為長13.8 m×寬4.6 m×高2.5 m，重量約為54.6 t。
SAC2200型220 t汽車吊選用主臂長度30.5 m，作業(yè)半徑為10 m以內(nèi)，額定起重量為65 t，可吊裝高度為28.8 m，吊機單機負載率為84%，可以滿足鋼箱梁分段單元吊裝施工要求。
3.1.2 拱肋結構吊裝工況分析
拱肋結構單元均采用就近吊裝施工的原則。拱肋吊裝單元的最大外形尺寸為長12.4 m×寬1.8 m×高1.9 m，重量約為27.4 t，安裝凈高約為15.3 m。SAC2200型220 t汽車吊選用的主臂長度為30.5 m，作業(yè)半徑在12 m以內(nèi)，額定起重量為56 t，可吊裝的高度為28.0 m，吊機單機的負載率為49%，可以滿足拱肋分段單元吊裝施工要求，見圖10。
3.2 鋼結構吊裝索具計算
鋼箱梁吊裝時設4根鋼絲繩吊索，吊裝角度按60°計算，則每根鋼絲繩受力為：
式中：
［Fg］——鋼絲繩的容許拉力（kN）；
Fg——鋼絲繩的鋼絲破斷拉力總和，無表查時可近似按Fg=0.5×d2計算;
d——鋼絲繩直徑；
α——換算系數(shù)，6×37鋼絲繩，取0.82 ；
K——鋼絲繩的安全系數(shù)，取6。
則選用直徑為?52 mm的壓制鋼絲繩，可以滿足吊裝要求。
4 吊裝施工安全措施
為確保鋼箱梁吊裝施工過程中的安全，需明確相應的安全措施：
（1）吊耳處根據(jù)受力大小進行內(nèi)部加固；
（2）吊耳設計圖：
（3）若采用吊車溜尾，需要移位時，設備尾部根據(jù)剛度情況決定是否加固并在吊車換位時落在搭好的道木上；
（4）吊裝時吊車支腿派專人監(jiān)護。
5 結語
本文主要結論如下：
（1）對于下承式拱橋鋼箱梁的吊裝施工，在施工前要明確施工過程中的重點和難點，防止在施工過程中出現(xiàn)安全和延誤工期等問題。
（2）施工前制定合理的施工流程、施工方法及施工步驟，是保證施工安全、質量與高效的關鍵措施。
（3）要對施工過程中出現(xiàn)的各種最不利荷載工況進行結構計算，確保各組成構件在施工過程中的強度、剛度及穩(wěn)定性符合要求。
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收稿日期：2023-04-08