無背索斜拉橋吊裝施工技術研究

胡成明

(中鐵二十二局集團第一工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000)

0 引 言

近年來，隨著我國經濟的快速發展，大型橋梁的建設日益增多，對橋梁的建設技術要求也日益增高，大型橋梁構件的吊裝施工技術成為學者研究的重點之一。夏桂園[1]對城市鋼結構橋梁的吊裝施工技術進行了研究；劉邦等[2]結合實際工程，采用midas Civil軟件對懸索橋鋼箱梁的吊索拉力進行了有限元分析；張孝生[3]通過對高速公路T型梁吊裝施工技術進行了研究。基于齊齊哈爾勞動湖水系文化北大橋工程，對無背索斜拉橋吊裝施工的吊件選取、臨時支墩承載力校核及吊裝施工方案進行研究。

1 工程概況

齊齊哈爾勞動湖水系文化北大橋結構形式為無背索斜拉橋，大橋設計為4車道道寬，全長280 m。斜拉索主塔總重量為429 t，高度為32.7 m，橫截面寬度為1.8 m；主梁采用正交異形扁平鋼梁，高度為1.1 m，總重為899 t，為保證焊接質量及方便運輸，鋼梁采用工廠分塊加工；斜拉索共14根，斜拉索與主塔采用通過鋼錨箱連接的方式，斜拉索鋼材的抗拉強度為1 670 MPa。

在鋼箱梁施工過程中，需架設臨時支墩承受架梁過程中的自重荷載，考慮臨時支墩的穩定性，臨時支墩為雙排格構柱結構。臨時支墩共計3處，主要采用螺旋管為立柱，雙拼工字鋼為橫梁，槽鋼為橫撐及斜撐。在塔柱施工過程中，需架設臨時支墩主要承受塔柱架設過程中的自重荷載及側向推力(垂直和水平力)，考慮臨時支墩的穩定性，臨時支墩為多排格構柱結構。臨時支墩共計1處，主要采用螺旋管為立柱，雙拼工字鋼為橫梁，槽鋼為橫撐及斜撐。

2 工程重難點

(1)塔腳與主橋節點處軸線控制精度要求高；主塔吊裝臨時支架較高，搭設難度大。

(2)主塔吊裝及安裝時，控制主塔安裝的角度調整及測量點精度要求高，支架需要考慮克服主塔本身重力產生水平方向分力。

(3)主塔環口焊縫為全方位焊接，焊縫質量要求高；高空焊接，防風及質量控制難度大，高空作業不方便，施工安全風險較大。

3 鋼箱梁和塔柱吊裝件選用

3.1 鋼絲繩的選用

(1)鋼箱梁吊裝

鋼箱梁吊裝的鋼絲繩按單機吊計算，采用2根鋼絲繩夾角不大于60°的4點吊法吊裝施工。單段最大重量79 t，考慮吊鉤和鋼絲繩重量2 t，則按總重81 t計算。則單根鋼絲繩受力計算如下

(1)

式中：F為鋼絲繩的鋼絲破斷拉力總和，kN；G為四點吊構件最大重量，t，取81 t；α為不均勻受力系數，取0.8；n為動荷載系數，取1.05；k為鋼絲繩使用安全系數，取8。

因此，鋼絲繩安全系數按8倍考慮，8×306.9=2 455.2 MPa，故鋼絲繩選用Ф62 mm鋼芯鋼絲繩，公稱抗拉強度2 680 MPa>2 455.2 MPa，滿足要求。

(2)塔柱吊裝

塔柱吊裝最重構件塔柱1為123.2 t，利用1臺500 t汽車吊和1臺300 t汽車吊同時作業進行吊裝，主要吊裝作用的是500 t汽車吊，汽車吊的鋼絲繩按單機吊計算，對折2根鋼絲繩用2點吊法吊裝施工。500 t汽車吊承受構件最大重量123.2×70%=86.24 t，吊鉤和鋼絲繩重2 t，則按總重88.24 t計算。則單根鋼絲繩受力采用式(1)計算得鋼絲繩的鋼絲破斷拉力總和F=334.3 kN，故鋼絲繩選用Ф62 mm鋼芯鋼絲繩，公稱抗拉強度2 680 MPa>2 674.4 MPa，滿足要求。

3.2 吊耳選用

(1)鋼箱梁吊裝

鋼箱梁最大重量79 t，在腹板和隔板相交的頂板上安裝4個吊耳，吊耳材料為Q345qE厚30 mm的板材，吊耳參數B=280、H=280，每個吊耳最大承重29.6 t≤30 t。吊耳的允許負荷按下式計算

P=c·D·g/n=79×1.5×9.81/4=290.4 kN

(2)

式中：P為吊耳允許的負荷，kN；D為起重量(包括加強材料等重量)，kg；c為不均勻受力系數，取1.5；g為重力加速度，m/s2，取9.81；n為同時受力的吊耳數，個。吊耳的強度按下列公式校驗：

①正應力校核

σ=P/Fmin=290.621.25/[2×(140-40)×30]=48.4 MPa；其中，Fmin為吊耳在垂直于拉力P方向的最小截面積，mm2。Q345qE材料的許用應力：[σ]=σs/n=345/1.5=230 MPa；其中，σs為Q345qE材料的屈服應力極限，MPa，σs=345 MPa；n為結構安全系數，n=1.5。則σ<[σ]，滿足使用要求。

②切應力校核

τ=P/Amin=290 621.25/[(140-40)×30]=96.87 MPa；其中，Amin為吊耳在平行于拉力P方向的最小截面積，mm2。許用剪切應力：[τ]= a[σ]=0.6×230=138 MPa；其中，a為換算系數，a=0.6。則τ<[τ]，滿足使用要求。

(2)塔柱吊裝

塔柱吊裝最重構件塔柱1為123.2 t，利用1臺500 t汽車吊和1臺300 t汽車吊同時作業選用2點吊法進行吊裝，500 t汽車吊承擔主要吊裝作用，按單機吊計算，500 t汽車吊承受構件最大重量123.2×70%=86.24 t(考慮到不均勻受力：最大承受構件70%的重量)，腹板和隔板相交的頂板上安裝2個吊耳，吊耳材料為Q390E厚35 mm的板材，每個吊耳最大承重64.68 t≤70 t。吊耳參數B=370、H=370，滿足本工程需要。吊耳的允許負荷按式(2)計算得：P=86 240×1.5×9.81/2=634 510.8 N。吊耳的強度按下列公式校驗。

①正應力

σ=P/Fmin=634 510.8/[2×(185-55)×35]=69.7 MPa；Q345qE材料的許用應力：[σ]=σs/n=390/1.5=260 MPa；其中，σs為Q390qE材料的極限屈服應力，MPa，σs=390 MPa；n為結構安全系數，n=1.5。則σ<[σ]，滿足使用要求。

②切應力校核

τ=P/Amin=634 510.8/[(185-55)×35]=139 MPa；其中，Amin為吊耳在平行拉力P方向的最小截面積，mm2。許用剪切應力：[τ]=a[σ]=0.6×260=156 Pa；其中，a為換算系數，a=0.6。則τ<[τ]，滿足使用要求。

3.3 卡環選用

(1)鋼箱梁吊裝

鋼箱梁最大重量79 t，4個吊環受力，則單個吊環受力計算如下

F=nG/4=10×79/4 =197.5 kN

F為吊環受力總和，kN；G為最大重量，t取79 t；

選用W=99 mm，S=218 mm，d=60 mm，D=69 mm型卡環，允許負荷為250 kN，滿足要求。

(2)塔柱吊裝

塔柱吊裝最重構件塔柱1為123.2 t，利用1臺500 t汽車吊和1臺300 t汽車吊同時作業選用2點吊法進行吊裝，500 t汽車吊承擔主要吊裝作用，按單機吊計算，500 t汽車吊承受構件最大重量123.2×70%=86.24 t(考慮到不均勻受力：最大承受構件70%的重量)，2個吊環受力，則單個吊環受力計算如下：

F=nG/2=10×86.24/2 =431.2 kN

選用W=140 mm，S=308 mm，d=85 mm，D=98 mm型卡環，允許負荷為500 kN，滿足要求。

4 臨時支墩承載力校核

4.1 主橋臨時支墩

(1)主橋臨時支墩概況

臨時支墩主要承受梁段的自重荷載，考慮臨時支墩的穩定性，臨時支墩為采用螺旋管為立柱，雙拼工字鋼為橫梁，槽鋼為橫撐及斜撐的雙排格構柱結構。立柱鋼管采用螺旋焊接管，尺寸為直徑426 mm、壁厚10 mm。結構每組12根，為4.2 m(橫橋向)×3 m(順橋向)，臨時支墩高度為2 m。采用[14b槽鋼作為鋼管之間的橫、縱向連接以及斜撐連接，采用焊接螺旋管的連接方式。

(2)主橋臨時支墩承載力有限元分析

采用midas Civil有限元分析軟件建立主橋臨時支墩有限元模型，荷載取值為梁段自重產生的荷載及施工活荷載2 kN/m2。

計算各個構件的應力為：鋼管立柱、工字鋼橫梁的最大應力分別為54.0 MPa、75.0 MPa均小于鋼材的設計強度145 MPa，符合要求；鋼管立柱的最大變形為0.8 mm，0.8/3000=1/3 750<1/400，符合要求；工字鋼橫梁最大變形1.96，減去其支點鋼管柱頂變形0.8 mm，結果為1.16 mm，1.16/1 500=1/1 293<1/400，符合要求。

4.2 索塔臨時支墩承載力校核

(1)索塔臨時支墩概況

臨時支墩主要承受主塔自重產生的豎向及橫向荷載采用雙排格構柱結構(考慮臨時支墩的穩定性)。立柱鋼管采用螺旋焊接管，尺寸為直徑426 mm壁厚10 mm，結構為3.85 m(橫橋向)×3 m(順橋向)每組共計26根鋼管立柱及4根鋼管斜撐，臨時支墩最高2.94 m。主要采用[14b槽鋼作為鋼管之間的橫、縱向連接以及斜撐連接，焊接螺旋管的連接方式。

(2)索塔臨時支墩有限元分析

采用midas Civil有限元分析軟件建立主橋臨時支墩有限元模型，荷載取值為梁段自重產生的豎向、橫向荷載及施工活荷載2 kN/m2。

計算各個構件的應力為：鋼管立柱、工字鋼橫梁的最大應力分別為31.1 MPa、70.0 MPa均小于鋼材的設計強度145 MPa，符合要求；鋼管柱最大變形為1.61 mm，1.61/4 000=1/2 484<1/400，符合要求；工字鋼橫梁最大變形2.38，減去其支點鋼管柱頂變形0.5 mm，結果為1.88 mm，1.88/1 500=1/798<1/400，符合要求。

(3)索塔臨時支墩穩定性計算

①斜撐鋼管穩定性

②立柱鋼管穩定性

③剪刀撐穩定性計算

由計算結果可知，剪刀撐最大軸力53.0 kN，鋼管長細比λ=μL/i。按最不利的兩端固定，μ=0.5，L為計算長度，m，取3 m，i=5.52 cm；λ=0.5×300/5.52=27.2<150，符合要求。軸心受壓構件穩定系數，查表得0.968，鋼管截面積為1 851.6 mm2，由此，鋼管應力為53 000/0.968/1851.6=29.6 MPa<145 MPa，符合要求。

5 箱梁及塔柱吊裝施工

5.1 箱梁的吊裝

(1)第一步選擇1臺500 t汽車吊吊裝GL1-GL5梁段，順序為GL1到GL5依次吊裝，GL1和GL5梁重為34.8 t，作業半徑小于20 m；GL2和GL4梁重為79 t，作業半徑小于18 m；GL3梁重為76.3 t，作業半徑小于16 m。查500 t汽車吊性能表，滿足吊裝要求。GL1和GL5梁重為34.8 t，作業半徑小于20 m；GL2和GL4梁重為79 t，作業半徑小于18 m；GL3梁重為76.3 t，作業半徑小于16 m。查500 t汽車吊性能表，吊車臂伸出長度為31.7 m，滿足吊裝要求。

(2)第二步選擇1臺300 t汽車吊吊裝GL6-GL20梁段，順序為GL6到GL20依次吊裝，GL6-GL20梁段最重為49 t，作業半徑小于16 m。查300 t汽車吊性能表，滿足吊裝要求。為提高安全系數，現場可根據實際情況沿橋梁橫向適當調整吊車站位，縮短作業半徑，保證吊裝安全。

5.2 塔柱的吊裝

主塔結構分三部分進行吊裝塔柱結構1為左右兩個箱形結構塔柱，塔柱結構2為上側圓弧形結構，塔柱結構1安裝完成后進行塔柱結構2的圓弧段安裝，塔柱結構2的圓弧段安裝完成后在進行橫梁的安裝，最后進行塔柱結構裝飾的安裝。

(1)塔柱臨時支撐安裝

主塔吊裝時大里程方向靠近主塔增設臨時支撐臨時支墩2.94 m，結構每組共計26根鋼管立柱及4根鋼管斜撐，橫橋順橋尺寸為3.85 m(橫橋向)×3 m(順橋向)。臨時支墩結構起塔柱吊裝、焊接前以及錨固前的支撐作用。

(2)塔柱構件吊裝順序

塔柱的吊裝，塔柱1選擇500 t和300 t汽車吊各一臺共同吊裝，吊裝需要專人指揮，建立統一指揮、統一號令機制，協調好兩臺汽車吊完成吊裝，保證吊裝工作萬無一失。本工程塔柱吊裝最重構件塔柱1為123.2 t，500 t汽車吊承擔主要吊裝作用，按單機吊計算，500 t汽車吊承受構件最大重量123.2×70%=86.24 t(考慮到不均勻受力：最大承受構件70%的重量)。考慮吊鉤以及鋼絲繩重量1 t，總重按87.24 t計算。300 t汽車吊起輔助吊裝作用，123.2×60%=73.9 t(考慮到不均勻受力：最大承受構件60%的重量)。塔柱1吊裝時500 t汽車吊作業半徑小于13 m，300 t汽車吊作業半徑小于9.5 m。

5.3 施工現場吊裝場地要求

施工現場需與吊裝及運輸單位共同確認吊車站位及鋼構件運輸路線。汽車吊進場前，平整吊車站位土地并壓實，通過重力觸探實驗確保地面承載力達到200 kPa要求。吊裝及運輸現場要求地面承載力計算。

500 t汽車吊自重96 t，配重50 t，索具估重1 t，本工程塔柱吊裝最重構件塔柱1為123.2 t，500 t汽車吊承擔主要吊裝作用，按單機吊計算，500 t汽車吊承受構件最大重量123.2×70%=86.24 t(考慮到不均勻受力最大承受構件70%的重量)。則吊裝過程中最大對地壓力為(96+50+1+86.24)×g=2 332.4 kN。500 t汽車吊將塔柱1吊起后，其左后腿承重最大(按75%計算)，預計最大可達到174.93 t，固對地最大壓力為1 749.3 kN。為增大受力面積，每個支腿處墊一個支腿承重塊為3×3 m則對地壓強η=1 749.3/(3×3)=194.4 kPa。施工現場對地面進行處理，地基承載力≥200 kPa，地基的抗壓強度為0.2 MPa>0.1994 MPa，滿足施工現場施工條件。

6 結 論

(1)依據吊車選型及構件大小，采用理論計算的方法對無背索斜拉橋吊具進行合理選取，保證了橋梁吊裝施工的安全、經濟、高效。

(2)無背索斜拉橋吊裝施工過程中，主橋與索塔臨時支墩構件的最大應力分別為75.0 MPa、70.0 MPa，均小于試件的抗拉強度設計值145 MPa，臨時支墩承載力滿足設計要求。

(3)索塔臨時支墩的斜撐鋼、立柱鋼管及剪刀撐的穩定承載力均滿足設計要求。