基于模塊化理論的空間管桁架橋梁關(guān)鍵技術(shù)分析

王余鵬 韓 偉

（福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院福建南平353000）

高空桁架棧道地形復(fù)雜，山勢(shì)陡峭，樹(shù)多林密，環(huán)保嚴(yán)格；汽車吊或履帶吊無(wú)法大面積進(jìn)場(chǎng)；加之構(gòu)件涂裝采用熱浸鍍鋅；成品保護(hù)要求高，構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)不得焊接，以免破壞涂裝；必須經(jīng)過(guò)分段，大部分構(gòu)件重量在1.5~2.5 T之間，最大重達(dá)4.4 t（跨間桁架中部）；重量較大，山勢(shì)陡，不可人工搬運(yùn)；需要對(duì)大的構(gòu)件進(jìn)行模塊分解與模塊集中的動(dòng)態(tài)整合，即分解、預(yù)制、運(yùn)輸和吊裝[3]。模塊景觀橋梁按模數(shù)加工，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的支架間距直接組裝，主要特點(diǎn)如下：采用工廠模塊式加工,現(xiàn)場(chǎng)直接安裝。相對(duì)于傳統(tǒng)的桁架式景觀橋梁，標(biāo)準(zhǔn)化高、精度高、施工速度快的特點(diǎn)[1]。

1 項(xiàng)目概況

福州左海公園——金牛山城市森林步道及景觀工程一標(biāo)段。分為兩期，一期約2 km，二期約1.8 km。包含的內(nèi)容較為駁雜，主要結(jié)構(gòu)形式為空間管桁架。

2 模塊設(shè)計(jì)

高空棧道由下部支墩和上部橋段組成。支墩支墩座落在樁基礎(chǔ)上，分為兩節(jié)，下節(jié)為混凝土柱墩，上節(jié)為Y型鋼柱。上部橋段采用空間管桁架結(jié)構(gòu)，跨度統(tǒng)一為16 m，由7類基本模塊組成，包括3類支撐模塊和4類跨間模塊（圖1所示）。

圖1 模塊組成示意圖

高空棧道上部橋段的主體結(jié)構(gòu)全部采用熱浸鋅防腐。面板采用25x5鋼格柵板，兩側(cè)設(shè)置鋁合金欄桿和不銹鋼扶手。高空棧道上部橋段的主體結(jié)構(gòu)全部采用熱浸鋅防腐。面板采用25x5鋼格柵板，兩側(cè)設(shè)置鋁合金欄桿和不銹鋼扶手。T1：直線段帶懸挑側(cè)翼，5.4 t，1:16；S1：設(shè)遮陰雨篷，15.2T，平坡整個(gè)高空棧道就是由跨間模塊和支撐模塊交互組合構(gòu)成（圖2、3所示）。

圖2 T1：直線段帶懸挑側(cè)翼，5.4 t，1:16 S1：設(shè)遮陰雨篷，15.2T，平坡

圖3 模塊結(jié)合示意圖

3 施工方案選擇

纜索吊裝作業(yè)是通過(guò)雙線索道纜索系統(tǒng)，由卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引，吊運(yùn)車將鋼構(gòu)件吊運(yùn)到棧道施工處上方，然后徐徐下降到棧道鋼構(gòu)處并安裝到位。一標(biāo)段兩期工程范圍內(nèi)，共需要19段雙線索道纜索系統(tǒng)，共設(shè)置38個(gè)塔架，每個(gè)塔架高度約25 m。以3處靠近道路的棧道作為起點(diǎn)。用汽車吊完成起點(diǎn)棧道的搭設(shè)，并安裝橋面吊機(jī)?？v向軌道間距需保持一致，確保車輛能順利通行。

橋面結(jié)構(gòu)段分段方式為縱向分段，用汽車吊將桁架模塊及鋼柱吊至橋面運(yùn)輸小車上，運(yùn)輸小車在橋面軌道上往前開(kāi)行至橋面吊車附近，由橋面吊車負(fù)責(zé)吊裝。先吊裝下一跨鋼柱，再吊裝下一榀鋼柱上方的“支撐模塊L1、L2、L3”，再吊裝跨間模塊R1、R2、S1、T1。

單跨吊裝完成焊接后，在剛安裝完成的橋面上鋪設(shè)胎架和軌道，橋面吊機(jī)往下一鋼柱柱頂行走，另外，小車退回至起點(diǎn)，運(yùn)輸下一榀鋼柱和橋段。依此類推，完成下節(jié)段鋼構(gòu)件安裝。棧道分區(qū)域接駁施工，每個(gè)區(qū)域設(shè)置一臺(tái)橋面吊機(jī)系統(tǒng)（包含一臺(tái)吊機(jī)和橋吊運(yùn)輸車）和一臺(tái)運(yùn)輸小車。根據(jù)施工順序安裝進(jìn)度，用上個(gè)區(qū)域安裝好的橋面吊機(jī)將下一待施工區(qū)域的吊機(jī)和運(yùn)輸小車吊裝至指定柱頂位置。構(gòu)件由吊機(jī)接駁。一期工程設(shè)有4個(gè)接駁點(diǎn)，共需要6套橋面吊設(shè)備系統(tǒng)。

通過(guò)接駁施工顯著縮短貨物運(yùn)輸車的開(kāi)行距離，最遠(yuǎn)運(yùn)輸路線約200 m，貨物運(yùn)輸車的單程開(kāi)行時(shí)間約3~5 min。施工效率顯著提升?？晒┑鯔C(jī)支撐的軌道間距只有1.6 m，即垂直棧道方向，橋面吊抗傾覆力臂僅1.6 m。在作業(yè)過(guò)程中，其重心偏移0.8 m，吊機(jī)將側(cè)翻。支撐模塊L1頂面長(zhǎng)度僅1.6m，橋面吊機(jī)沿棧道方向抗傾覆力臂也較短。為了保證吊架安裝過(guò)程中不發(fā)生傾覆，施工中采用桁架上行移動(dòng)式吊機(jī)抱箍裝置[4]，有效的保證現(xiàn)場(chǎng)施工安全（圖9所示）。

安裝支撐模塊時(shí)，軸向約束釋放的一側(cè)必須朝向棧道安裝的前進(jìn)方向。部分跨度大的地段，采取格構(gòu)臨時(shí)支撐（圖10、11所示）。

生命線采用φ10鋼絲繩，每根平臺(tái)橫梁兩端豎立高1.2 m的圓管48*3.5（即每隔1.6 m設(shè)置）橋面吊機(jī)包含“起重設(shè)備”及“運(yùn)輸小車”兩部分。為滿足本工程的施工需要，需滿足：

（1）起重設(shè)備要求

起重設(shè)備的有效工作半徑為18 m，臂長(zhǎng)要求22 m，且16 m半徑位置可吊重2.5 t，8.5 m半徑位置可吊重4 t。起重設(shè)備應(yīng)確保在行駛過(guò)程中，配重產(chǎn)生的傾覆彎矩不大于80kN.m，在作業(yè)過(guò)程中，配重可提供的抵抗彎矩不小于200 kN.m。為防止起重設(shè)備超載，控制系統(tǒng)內(nèi)必須包含過(guò)載報(bào)警系統(tǒng)。在發(fā)生超載時(shí)，設(shè)備會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警。在控制系統(tǒng)中還需要設(shè)置整機(jī)垂直控制報(bào)警裝置，要求整機(jī)傾斜重心偏離吊機(jī)中心范圍即刻報(bào)警并且停止工作。橋面吊機(jī)安全特點(diǎn)：制動(dòng)器管理、急停保護(hù)、超速保護(hù)、超程保護(hù)、電機(jī)保護(hù)、防雷保護(hù)、大風(fēng)報(bào)警。

（2）運(yùn)輸車要求

運(yùn)輸車分為橋吊運(yùn)輸車和構(gòu)件運(yùn)輸車兩類，最小行駛速度應(yīng)大于20 m/min。橋吊運(yùn)輸車限定采用兩軸四輪，軸距不超過(guò)為1.6 m，構(gòu)件運(yùn)輸車不限，且兩類運(yùn)輸車的輪距均為1.6 m。要求兩類運(yùn)輸車均能在1:16坡度，轉(zhuǎn)彎半徑6m的軌道上平穩(wěn)、安全行駛，應(yīng)考慮車體水平自動(dòng)調(diào)整、運(yùn)行防滑、停止防滑、失電防滑、防卡軌等措施。構(gòu)件運(yùn)輸車應(yīng)滿足在本工程軌道上安全運(yùn)送構(gòu)件的要求，構(gòu)件最大長(zhǎng)度7.1 m，最大寬度3.0 m，最大高度1.2m。兩類運(yùn)輸車的能源應(yīng)采用便于充電的安全蓄電池，蓄電池應(yīng)可供給運(yùn)輸車滿載連續(xù)使用8 h，且蓄電池應(yīng)便于替換。運(yùn)輸車配備完善的報(bào)警系統(tǒng)，包括運(yùn)輸車側(cè)翻報(bào)警、故障報(bào)警、電壓降低提醒報(bào)警（低于最低運(yùn)行電壓?jiǎn)?dòng)失電防滑系統(tǒng)）、過(guò)載報(bào)警，以及其它需要報(bào)警提醒的項(xiàng)目。

根據(jù)上述實(shí)測(cè)值（圖4），可以求出橋面吊（不含配重）自重約9.44 t。吊機(jī)大臂幅度約8 m時(shí)，橋面吊偏心矩為4.6 Tm(偏向大臂方向)。橋面吊安裝配重后，吊機(jī)自身（大臂幅度約16 m）與配重（配重臂2.5 m）產(chǎn)生的彎矩近似平衡。配重在工廠實(shí)測(cè)重量為3.6~3.8 T，配重彎矩約9 T m，橋面吊自身偏心矩亦為9 Tm。進(jìn)行了吊重試驗(yàn)，吊重2.4 t（13.0 m吊裝半徑），全方位旋轉(zhuǎn)，設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行可靠，滿足方案吊裝條件要求。

圖4 橋面吊現(xiàn)場(chǎng)安裝配重實(shí)測(cè)

4 施工驗(yàn)算

為了確保本項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立了一標(biāo)段一期結(jié)構(gòu)的整體模型，對(duì)本項(xiàng)目橋面吊機(jī)施工時(shí)對(duì)棧道主體結(jié)構(gòu)和下部鋼柱進(jìn)行了工況驗(yàn)算和分析。驗(yàn)算及分析主要包含以下內(nèi)容：

（1）吊裝階段荷載分析

選擇整個(gè)橋面吊吊裝施工中出現(xiàn)的最大傾覆彎矩（即力臂吊重最大），并考慮吊裝施工的8個(gè)工況，可求得的柱頂模塊各節(jié)點(diǎn)承受的集中荷載（見(jiàn)表1）。

圖5 柱頂模塊各節(jié)點(diǎn)受力圖

表1 各施工過(guò)程中的停機(jī)點(diǎn)反力

（2）吊裝工況施工驗(yàn)算：

模塊吊裝作業(yè)中不存在接駁吊車的情況，且采取隔跨吊裝，故取彎弧段與直線段中較不利位置進(jìn)行吊裝過(guò)程分析。

其中：吊機(jī)停在相鄰橋段為平滑彎弧段；

吊機(jī)停在相鄰橋段為小角度彎弧段；

吊機(jī)停在相鄰橋段為直線段；

以上3個(gè)較不利情況能包含整個(gè)貼地模塊橋面吊施工的最不利情況。經(jīng)驗(yàn)算3個(gè)較不利情況下的模塊構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.52，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)例分析，模塊化理論是指導(dǎo)模塊景觀橋梁標(biāo)準(zhǔn)化、集成化的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、建造的有效方法。分模塊計(jì)算可提高節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算精度，尤其是吊裝階段計(jì)算各節(jié)點(diǎn)所受荷載，準(zhǔn)確度高。所有工況必須選擇施工中若干受力較不利的情況進(jìn)行分析驗(yàn)算，提高驗(yàn)算的可靠性。有施工工況計(jì)算必須在凝土柱及樁基礎(chǔ)承載力驗(yàn)算滿足荷載要求下進(jìn)行，本文為突出空間管桁架結(jié)構(gòu)，并未進(jìn)行此項(xiàng)目進(jìn)行分析和計(jì)算。