內傾大噸位鋼拱腳精確安裝技術

王瑞龍

摘要： 隨著科學技術的進步，鋼結構的造型和結構形式越來越新穎，越來越復雜，給鋼結構的制作帶來了新挑戰，同時對鋼結構安裝技術也提出了新問題，鋼結構安裝是一項復雜的綜合性技術，涵蓋范圍廣。本文根據大同市北環橋主橋拱腳節點的精確定位安裝，分享該橋內傾大噸位鋼拱腳的技術安裝過程，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.

關鍵詞： 內傾；大噸位；精確；安裝

Key words： inclination；large tonnage；precision；installation

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

0 引言

隨著科學技術的進步，鋼結構的造型和結構形式越來越新穎，越來越復雜，給鋼結構的制作帶來了新挑戰，同時對鋼結構安裝技術也提出了新問題，許多先進的工藝方法成為工法，促進了鋼結構行業的發展。但是由于種種原因，在鋼結構安裝過程中，事故和違規現象也時有發生，給國家和企業帶來不必要的經濟損失和社會影響。鋼結構安裝是一項復雜的綜合性技術，涵蓋范圍廣。筆者有幸參加山西省大同市北環橋工程建設，大同市北環橋主橋鋼結構設計獨特新穎，造型國內首創，但是經過相關技術人員對設計圖紙的充分研究和充分理解，結合現場實際情況，制定出可靠、經濟的施工方案。本文根據大同市北環橋主橋拱腳節點的精確定位安裝，分享該橋內傾大噸位鋼拱腳的技術安裝過程，來與大家共勉。

1 工程簡介

山西省大同市北環橋為城市景觀橋，主橋采用四跨連續拱梁協作體系，其中主跨采用兩跨連續不對稱空間三角形拱橋。主橋跨徑布置為：28m+70m+130m+28m=256m，采用拱梁固結體系；拱為六邊形鋼箱梁截面，內傾角度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，使用狀態最大吊桿力為200t。主跨單側采用10根吊桿，吊桿間距為9m，集中錨固于主拱拱頂，使用狀態最大吊桿力為280t。

主、副拱相互交叉形成拱腳節點，在拱腳節點中，設置豎向及水平大承臺板，主副拱分別截斷焊接于兩塊大承壓板上，最終通過水平承壓板將壓力傳至下部承臺，拱腳節點是重要的傳力節點。拱腳節點通過拱腳支架與承臺混凝土結構相連，拱腳支架起傳力及抗震作用。

主橋P10墩為拱腳固結墩，主、副拱肋拱腳通過埋置在承臺內部的錨固架進行固定及傳力。承臺采用“回”字形，基礎采用摩擦樁設計，共設置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 難點分析

2.1 定位安裝精度高

本工程單個拱腳段重量約164t，安裝角度內傾73.84°，安裝時需將拱腳段底座平面傾斜角度調整到73.84 °才能安裝到位，且安裝時要將拱腳段同時穿過42根錨栓。因此拱腳段安裝是本工程施工的一大難點。

2.2 施工安裝監測監控難度大

由于環境溫度變化和日照、現場風力的影響，增加了監測監控難度。

2.3 安全風險大

在安裝過程中，處于空間內傾工況，自由度高，存在失穩風險。

3 施工技術方案

本橋為兩跨連續拱橋形式，構件受力耦合復雜程度比單拱肋嚴重，傳力機理更為復雜。主副拱的共用拱腳節點處，設置豎向及水平大承壓板，主副拱分別截斷焊接于兩塊大承壓板上，最終通過水平承壓板將壓力傳至下部承臺，結構形式復雜，桿系計算理論分析如表1。

針對拱腳段受力復雜的特點，并進行難點分析后，合理制定其安裝技術方案：

①建立高精度的測量控制網，根據業主提供的首級控制點建立首級控制網，結合現場實際情況及安裝需要，對首及控制網進行加密建立二級測量控制點網用于構件安裝測量定位，加密點選在橋體兩側及兩端混凝土引橋面，由于環境溫度變化和日照的影響，使測量定位十分復雜而困難。在精確定位時，必須監測結構溫度的分布規律，規避日照效應，削弱溫度對安裝進度引起的誤差。

②拱腳支架和拱腳安裝采取廠內散件發貨，現場胎架拼裝，最后整體吊裝。安裝順序為：1）進行拱腳支架的定位，為了控制拱腳安裝精度，定位時設置輔助安裝支架（該支架澆筑于混凝土內，不再取出），通過測量利用手拉葫蘆進行調整定位，當拼裝分塊吊裝就位后，采用千斤頂進行微調，復測定位精度滿足設計要求后將分塊與下部的輔助安裝支架焊接固定；2）進行拱腳混凝土第一次澆筑，混凝土強度達到要求后，安裝上部拱腳段；3）進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整，為了保證拱腳構件能同時穿過預埋在承臺的42根螺桿，且螺紋不被破壞，在拱腳段傾斜一側相應位置設置兩組預埋件，上部焊接一斜向三角支撐導向架，導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需要設置輔助支架，根據拱腳支架外形尺寸及重量，計算出設置輔助支架采用角鋼的種類和數量。

輔助支架立桿底部設置埋件埋于混凝土承臺墊層中，用于連接混凝土結構與輔助支架，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到一定強度后進行輔助支架安裝。

4.1.2 輔助安裝支架材料角鋼截面驗算

本工程輔助支架采用主材為角鋼L100×10，截面驗算如圖3。

通過驗算結果，各項指標均能滿足要求，然后進行輔助安裝支架立桿底部埋件布設，承臺墊層混凝土澆筑，輔助安裝支架安裝等相應的施工工序。

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，最大預埋件外形尺寸達到10930×4250×2080（mm），重量達到23t左右，其中錨栓重量約15t，上下環梁、豎向支撐及水平支撐總重約8t。

主、副拱交接處通過拱腳節點相連，是重要的傳力節點，拱腳節點通過拱腳支架與混凝土結構相連，形成拱肋的荷載傳遞系統。該拱腳分段內部結構復雜，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，外形尺寸達到16009×4279×8917（mm），重量達164t。

拱腳支架及拱腳工廠整體加工無法運輸，采取散件發運，到現場后拼裝成整體吊裝。

根據現場條件并結合拱腳支架的結構特點，在安裝胎架上進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行吊裝。

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

構件上胎后采用吊線錘的方法進行定位，裝配完成后再利用全站儀進行整體尺寸和位置復測。

4.2.2 拱腳支架分塊吊裝

根據拱腳支架結構，將上環梁、下環梁、水平支撐、豎向支撐拼裝成一個整體進行吊裝。整體拼裝順序為先拼裝下環梁，再拼裝上環梁，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置手拉葫用于調節拱腳支架的定位角度，埋件吊裝就位后通過手拉葫蘆進行初調定位，利用全站儀進行測量定位。當拼裝分塊吊裝就位后，采用千斤頂進行微調，復測定位精度滿足設計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，因此錨栓安裝時采用單點吊，且錨栓上螺紋較多，為了保護螺紋采用吊帶進行吊裝。吊裝時吊點設置在重心偏上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錨栓孔，然后通過調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行測量定位，經過微調達到定位精度要求后，利用錨栓上的螺母進行初步固定，待所有錨栓安裝完成后且經全站儀復測無誤后將錨栓與拱腳支架進行點焊固定。

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

4.2.4 拱腳支架安裝驗收標準

本工程拱腳支架安裝參照《鋼結構工程施工質量驗收規范》（GB50205-2001）單層鋼結構安裝工程中“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，進行承臺第一次混凝土澆筑，支架埋設在混凝土內，混凝土經養護達到強度要求時，進行拱腳段安裝。

4.3.1 拱腳分段拼裝

由于拱腳段重量較重、外形尺寸較大，整體加工無法運輸，故拱腳段采取合理拆分，工廠加工板單元，在現場進行整體拼裝。此方案既解決了難運輸的問題，也有利于保證構件加工精度。

拱腳段拼裝根據拱腳板單元的劃分采用50t汽車吊在胎架上進行拼裝。

4.3.2 吊裝準備

經拼裝后的拱腳重達164t，如此內傾大噸位的鋼結構安裝要做好充足的準備工作。

①地基加固。通過對場地承載力測試及混凝土應力擴散計算，在吊車行程和吊裝工作范圍內，進行原地夯實，并澆筑C20鋼筋混凝土20cm，確保拱腳運輸和吊裝安全。

②吊裝機械選擇。根據拼裝后拱腳的重量、外形尺寸以及場地需求，并結合施工成本的經濟性進行綜合分析，拱腳段采用1臺350t履帶吊進行吊裝。

③吊耳計算及選擇。拱腳段采用4點吊裝，根據構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，在計算吊耳強度時只考慮3個吊耳同時受力。吊耳強度計算如下：

1）吊耳的允許負荷按下式計算：P=■

式中：P——吊耳允許的負荷，kgf；

D——起重量（包括加強材料等重量），kgf；

c——不均勻受力系數，取c=1.5～2；

n——同時受力的吊耳數。

2）吊耳的強度按下列公式校驗：

正應力？滓=■<[？滓] [？滓]=■

切應力？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，N/mm2（kgf/mm2）；

[σ]——材料許用正應力，N/mm2（kgf/mm2）；

[τ]——材料許用切應力，N/mm2（kgf/mm2）；

k——安全系數，取k=2.5～3.0。

經過計算，所選吊耳規格和類型如表3所示。

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

④吊具的選擇。

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

⑤鋼絲繩的選擇。

結構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，多用作纜風繩。后者鋼絲細，較柔軟，多用作起重吊索。由于耳板采用全熔透焊縫，焊縫強度可不計算。鋼絲繩選擇計算過程如下：

按照前述構件重量分區劃分，拱腳段采用4點吊裝，考慮四個吊點不平衡狀態（三點受力），考慮鋼絲繩與構件的最不利夾角（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，單位為毫米每二分之一次方牛（mm/N1/2），按如下公式計算：

C=[Kn/（K′·R0）]1/2

式中：

Kn——鋼絲繩最小安全系數，本方案中取6；

K′——鋼絲繩最小破斷拉力系數，本方案取0.295；

R0——鋼絲繩公稱抗拉強度，單元為兆帕（MPa），本方案取1770。

經計算，吊裝所選用鋼絲繩規格如表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行全面復測以確保構件與設計吻合，根據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，做好分段吊裝前準備工作。

在吊裝用的鋼絲繩上設置滑輪組，起吊前根據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件安裝角度進行調節，使其接近于安裝就位的角度，安裝前將每根錨栓螺紋區域套上鐵皮套進行保護，吊裝落位時在安裝導向措施的輔助下，吊車緩緩落鉤將拱腳段沿錨栓自然下滑直至完成。落位通過全站儀進行精確定位，定位完成后擰緊錨栓上端緊固螺母，并點焊固定，最后再松鉤完成拱腳段安裝。

5 安裝注意事項

如此超大超重鋼構件，既要保證吊裝安全，又要控制好安裝精度，應注意以下事項：

①吊裝作業指派專人統一指揮，參加吊裝的起重工要掌握作業安全要求，其他人員要有明確分工。

②吊裝作業前必須嚴格檢查起重設備各部件的可靠性和安全性，并進行試吊。

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

④起吊物件應有專人負責，統一指揮。人員操作要密切配合，步調一致，指揮時不準戴手套，手勢要清楚，信號要明確，不得遠距離指揮吊物運行。

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

⑥吊運物件時，吊物上不準站人。吊物不準在人頭上越過。

⑦大雨及大霧天，能見度不夠，不得進行吊裝工作。

⑧安裝就位前，現場監控測量工作要仔細認真，測量工作由專職工程師進行，

6 質量驗收

由于現場組織科學合理，整個拱腳安裝過程中未發生安全質量事故，安裝精度經監控方測試，監理方確認，滿足設計及規范要求，并比計劃提前9天完工，為北環橋后續的工序開展奠定了良好開端。

7 結束語

鋼結構的安裝方法很多，有高空分散吊裝、分塊吊裝、整體吊裝、整體提升、結構滑移等等，在分析本工程的難點、特點后，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，在安裝時增設了輔助支架、手拉葫蘆、導向支架等設施。通過實踐證明，該方法不但可行，相比分散吊裝，既加快了施工進度，又保證了施工質量，提高了經濟效益。因此，針對含一定角度的大噸位鋼結構安裝，在整體吊裝的同時，增設一些輔助設施不失為是一種好的安裝方法。

參考文獻：

[1]材料力學[M].五版.高等教育出版社出版，2011.

[2]結構力學[M].五版.高等教育出版社出版，2010.

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