拱橋超大質(zhì)量拱肋鋼結(jié)構(gòu)吊裝方案研究

摘要：以信陽高新區(qū)海營生態(tài)智慧城云智大道橋為研究對象，對飛燕式鋼混組合拱橋超大質(zhì)量拱肋鋼結(jié)構(gòu)吊裝方案進行研究。進行拱肋鋼結(jié)構(gòu)吊裝高度測算，闡述起重機的選用與計算方法，對吊裝作業(yè)地基及支架地基承載力進行計算，提出19段超大質(zhì)量拱肋鋼結(jié)構(gòu)的吊裝工藝。研究結(jié)果可對超大質(zhì)量構(gòu)件吊裝以及起重機選用與計算提供參考。

關(guān)鍵詞：飛燕式拱橋；超大質(zhì)量；鋼結(jié)構(gòu)；吊裝；承載力

0 " 引言

近年來，組合式橋梁在城市交通建筑中的應(yīng)用范圍不斷擴大，梁拱結(jié)合的飛燕式拱橋就是其中一個典型代表[1]。飛燕式拱橋具有跨越能力大、承載能力強、地基適應(yīng)能力強、造型優(yōu)美等特點。本文以信陽高新區(qū)海營生態(tài)智慧城云智大道橋，超大質(zhì)量拱肋鋼結(jié)構(gòu)吊裝為研究對象，對拱肋鋼結(jié)構(gòu)吊裝高度進行測算，闡述起重機的選用與計算方法，對吊裝作業(yè)地基及支架地基承載力進行計算，提出19段超大質(zhì)量拱肋鋼結(jié)構(gòu)的吊裝工藝。

1 " 工程概況

信陽高新區(qū)海營生態(tài)智慧城云智大道橋全長234m，其中主橋160m。主橋采用30m+100m+30m=160m飛燕式拱橋，主橋主梁采用鋼混結(jié)合梁結(jié)構(gòu)，拱肋采用八邊形鋼箱結(jié)構(gòu)。在軸線平面內(nèi)，主拱矢高25m，矢跨比1/4；邊拱矢高6.862m，矢跨比1/3.44。南北兩側(cè)引橋均采用1～30m預(yù)應(yīng)力混凝土整體箱梁。

主橋為中承式拱橋，鋼拱柔梁吊橫梁體系，拱肋為主承重結(jié)構(gòu)，主拱產(chǎn)生的水平推力部分由主、邊拱間相互平衡，部分由系桿承受。拉索區(qū)橋面系為縱橫梁體系，由主梁、橫梁、縱梁和橋面板組成，除橋面板為混凝土結(jié)構(gòu)外，其余均為鋼結(jié)構(gòu)。荷載由橋面板傳到橫梁再到縱梁，由縱梁傳給吊桿再傳到拱肋，由拱肋傳到拱腳、基礎(chǔ)。

2 " 拱肋鋼結(jié)構(gòu)吊裝方案確定

根據(jù)工程概況及現(xiàn)場條件將整個拱肋共分19段，如圖1所示。其中中跨7段，每側(cè)邊跨2段（共4段），每側(cè)拱腳4段（共8段）。

通過建模及繪圖，分別計算了19段拱肋結(jié)構(gòu)的尺寸、質(zhì)量，結(jié)合現(xiàn)場實際測量，測算出拱肋鋼結(jié)構(gòu)實際安裝高度。其中，拱腳G5最重段安裝高度距地面3.3m，拱肋G9合攏段安裝高度距地面30m，邊拱G1鋼結(jié)構(gòu)安裝高度距地面12m，拱肋鋼結(jié)構(gòu)明細(xì)表及部位分析見表1。

鋼結(jié)構(gòu)安裝整體思路為拱肋從拱腳開始對稱安裝，最后安裝合攏段（G9）。拱肋安裝順序依次為拱腳G4→臨時支架→拱腳G5→拱腳G6→鉆石橫梁→拱腳G3→邊跨拱肋G2、G1→牛腿→鋼梁→鋼梁上安裝拱肋臨時支架→安裝拱肋G7→拱肋G8→合攏段拱肋G9。

3 " 起重設(shè)備選用

3.1 " 起重設(shè)備類型

施工常用起重設(shè)備主要包括汽車起重機、履帶式起重機、 輪胎起重機等[2]。通過對以上起重設(shè)備優(yōu)缺點、實際施工條件、施工成本等進行分析可知，汽車起重機具有行駛速度快、轉(zhuǎn)場迅速、對路面破壞性小的特點，鑒于施工場地工點多，流動性大，需經(jīng)常變換作業(yè)地點，為此選用汽車起重機吊裝拱肋鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

3.2 " 起重機吊裝計算

針對現(xiàn)場實際吊裝情況，分別選取3種特殊工況進行吊裝工況分析，具體如下：

3.2.1 " 拱腳G5鋼結(jié)構(gòu)計算

拱腳G5鋼結(jié)構(gòu)最重段質(zhì)量71t，安裝高度3.3m，經(jīng)繪圖模擬，計算出起重機臂長為17.9m，回轉(zhuǎn)半徑7m。拱腳G5鋼結(jié)構(gòu)起重機荷載為：

Q=K（Q1+Q2）=1.1×（71+1）=79.2t " " " （1）

式中：Q為起重機荷載；Q1為構(gòu)件自身質(zhì)量；Q2為吊具及鋼絲繩重，按1t計算；K為動載系數(shù)，按1.1計算。查閱汽車起重機SAC2000E性能參數(shù)表可知，配重70t后移500mm，等同配重79t時。此情況下最大吊裝質(zhì)量為94t，拱腳G5鋼結(jié)構(gòu)吊裝質(zhì)量為79.2t，＜94t，滿足規(guī)范要求。

3.2.2 " 主拱G9鋼結(jié)構(gòu)計算

主拱G9鋼結(jié)構(gòu)合龍段質(zhì)量41t，安裝高度30m，經(jīng)繪圖模擬，計算出起重機臂長為40.4m，回轉(zhuǎn)半徑10m。主拱G9鋼結(jié)構(gòu)起重機荷載為：

Q=K（Q1+Q2）=1.1×（41+1）=46.2t " " " （2）

此情況下最大吊裝質(zhì)量為49t，主拱G9鋼結(jié)構(gòu)吊裝質(zhì)量為46.2t，＜49t，滿足規(guī)范要求。

3.2.3 " 邊拱G1鋼結(jié)構(gòu)計算

邊拱G1鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量27.5t，安裝高度12m，經(jīng)繪圖模擬，計算出起重機臂長為26.9m，回轉(zhuǎn)半徑7m。邊拱G1鋼結(jié)構(gòu)起重機荷載為：

Q=K（Q1+Q2）=1.1×（27.5+1）=31.35t " " "（3）

查閱汽車起重機STC1000T性能參數(shù)表可知，配重8t時，此工況最大吊裝質(zhì)量為54.6t，邊拱G1鋼結(jié)構(gòu)吊裝質(zhì)量為46.2t，＜54.6t，滿足規(guī)范要求。

綜上所述，根據(jù)吊裝質(zhì)量及現(xiàn)場情況，綜合考慮工期及成本等因素，吊裝采用200t和100t汽車起重機進行吊裝作業(yè)，即可滿足要求。

4 " 吊耳設(shè)計及鋼絲繩選用

4.1 " 受力分析

拱肋最重段為拱腳上段，質(zhì)量為71t，采用4個吊點進行吊裝，由于橫向吊耳間距遠(yuǎn)小于縱向吊耳間距，故按照雙股鋼絲繩進行受力，受力分析如圖2所示。單根鋼筋受力F計算如下：

F=72/4sin60°×g=207.8kN " " " " " （4）

4.2 " 鋼絲繩選用及計算

吊裝單件最大質(zhì)量按照71t計算，按照GB/T 2018-2017《粗直徑鋼絲繩》選用Ф60mm的鋼絲繩。

單根鋼絲繩承受的拉力為F=207.8kN，單根鋼絲繩承受的破斷拉力F0為：

F0=F·K/φ=207.8×6÷0.82=1520.5kN " " （5）

式中：F為鋼絲繩承受的拉力；K為安全系數(shù)，取值

6；φ為應(yīng)力折減系數(shù)，取值0.82；

查閱五金手冊，采用6×37M-FC鋼絲繩，鋼絲繩強度等級為1570（纖維芯），經(jīng)計算，得到鋼絲繩最小破斷拉力總和2085.8kN，＞1520.5kN，為此鋼絲繩滿足吊裝要求。

4.3 " 卸扣選用

卸扣按照GB/T25854-2010《一般起重用D形和弓形鍛造卸扣》，選擇弓形卸扣等級為4級，極限工作荷載32t，詳見表2。

4.4 " 吊耳設(shè)置與相關(guān)要求

根據(jù)每個隔板位置設(shè)置吊耳，通過設(shè)計并在詳圖中標(biāo)識，吊耳設(shè)置及相關(guān)要求如下：

吊耳布置應(yīng)盡量布置在隔板、腹板及加勁肋上部對應(yīng)位置；根據(jù)起重機型號、鋼絲繩長度、梁段長度、起重機臂長等，確保鋼絲繩與梁段夾角＞60°；應(yīng)考慮卸扣具體尺寸；吊耳孔中心距吊耳邊緣距離≥吊耳孔直徑；吊耳厚度≥6mm，吊耳孔中心至與構(gòu)件連接焊縫距離為1.5～2D（D為吊耳孔的直徑）；吊耳板與構(gòu)件連接焊縫長度和高度應(yīng)經(jīng)過計算，并滿足要求：焊縫高度≥6mm；吊耳板可根據(jù)計算和構(gòu)造要求設(shè)置加強板，加強板厚度≤吊耳板厚度。

5 " 吊裝作業(yè)地基及支架地基承載力計算

5.1 " 吊裝作業(yè)地基承載力計算

選取吊裝拱肋鋼結(jié)構(gòu)最重段71t計算。200t汽車起重機的自重約為54.9t，吊裝最大段時配重70t，地基承載力計算如下：

（6）

式中：G1為吊裝質(zhì)量，本工程最重吊裝質(zhì)量=構(gòu)件質(zhì)量+繩索質(zhì)量=72t，動力系數(shù)按1.4考慮；G2為汽車起重機自重+起重機配重（54.9t+70t=125t）；S為汽車起重機的受力面積，四支腿墊板按2m×2m=4㎡計算；?a為地基承載力。

通過現(xiàn)場工程地質(zhì)測繪以及勘探研究可知，云智大道橋地層巖性多為Ⅱ級普通土，素填土居多。查閱資料素填土壓縮模量為7MPa時，承載力為160kPa。現(xiàn)場地面換填夯實硬化后其就能達(dá)到相應(yīng)承載力，滿足吊裝要求。

5.2 " 支架地基承載力計算

選擇承載力最大的支架，即合龍拱肋下方主梁段接口位置支架進行地基承載力分析。設(shè)N總為豎向總壓力，N1為拱肋和主梁安裝完成后支架支撐質(zhì)量，N2為支架自重，N3為基礎(chǔ)自重，N4為施工載荷，N5為混凝土橋面質(zhì)量。經(jīng)計算得到，N2=70kN，N4=50kN（按計算混凝土橋面質(zhì)量），N3=172.8kN，N5=2068.6kN。

拱肋和主梁安裝完成后支架支撐質(zhì)量N1計算如下：

N1=G總=拱肋+主梁+拱肋支架+橫梁=1545kN "（7）

豎向總壓力N總計算如下：

N總=N1+N2+N3+N4+N5=3906kN " " " " " （8）

豎向總壓強P計算如下：

P=N總/A=111.6kN/m2 " " " " " " （9）

式中：A為混凝土基礎(chǔ)表面積，采用7m×5m基礎(chǔ)，值為35m2。

綜上所述，基礎(chǔ)采用500mm厚C25混凝土地基承載力可達(dá)150kN/m2，滿足規(guī)范要求。

6 " 鋼結(jié)構(gòu)吊裝

拱肋鋼結(jié)構(gòu)吊裝工程中共計有4個拱腳，2個拱肋，根據(jù)現(xiàn)場情況分析，本工程吊裝均為常規(guī)吊裝，按照結(jié)構(gòu)形式分為3類：拱腳、邊拱吊裝、中跨拱肋吊裝[3]。

6.1 " 吊裝站位及運輸通道

拱肋吊裝，每段對應(yīng)一個200t起重機站位。邊跨區(qū)因安裝完邊拱肋及臨時支架，起重機及運輸車無法進入內(nèi)部，故在邊拱G2、G1及邊跨主縱梁安裝前，先采用200t起重機，將8根中橫梁按照安裝位置提前放到邊跨區(qū)地面[4]。邊跨主縱梁安裝后，用100t起重機和200t起重機分別站在橋體兩側(cè)抬吊中橫梁就位。需要注意的是，起重機站位及運輸車要避開6m寬地下涵管區(qū)域。

6.2 " 拱腳及邊拱肋吊裝

吊裝順序依據(jù)分段由下到上依次吊裝。拱腳分為兩段安裝，第一段的安裝精度關(guān)系到拱肋的安裝線形，為保證安裝精度，在拱腳第一段和第二段四周搭設(shè)剛性支架。拱腳安裝就位后與支架剛性連接，以避免由于混凝土澆筑造成誤差。

6.2.1 " 拱腳下段鋼結(jié)構(gòu)吊裝

200t汽車起重機進場就位，起重機站在橋體外側(cè)通道，吊裝站位如圖3所示，運輸車載拱腳到安裝位置，起重機將拱腳下段從運輸車上吊運到回轉(zhuǎn)半徑范圍內(nèi)。拱腳下段質(zhì)量為60t，安裝高度為1m，選用工況為：起重機回轉(zhuǎn)半徑為7m，臂長為17.9m，配重70t后移500mm，等同79t配重時，可吊裝94t（SAC2000E型起重機主臂性能表數(shù)據(jù)），滿足工況要求。

6.2.2 " 拱腳上段鋼結(jié)構(gòu)的吊裝

200t汽車起重機站在橋體外側(cè)通道，起重機將拱腳上段從運輸車吊到地面回轉(zhuǎn)半徑范圍內(nèi)，調(diào)整到安裝狀態(tài)后吊裝就位。拱腳上段質(zhì)量為71t，安裝高度為3.3m，選用工況為：起重機回轉(zhuǎn)半徑為7m，臂長為17.9m，配重70t后移500mm，等同79t配重時，可吊裝94t，滿足工況要求。

6.2.3 " 拱腳鋼結(jié)構(gòu)的吊裝

搭設(shè)拱腳G3、G6臨時支架，200t起重機站在橋體外側(cè)通道，起重機將拱腳G3、G6從運輸車吊到地面回轉(zhuǎn)半徑范圍內(nèi)，調(diào)整到安裝狀態(tài)后吊裝就位。G3質(zhì)量為55t，安裝高度4.8m，G6質(zhì)量為68t，安裝高度7.6m，選用工況為：起重機回轉(zhuǎn)半徑為7m，臂長為26.9m，當(dāng)70t配重后移500mm，等同79t配重時，可吊裝86t，滿足工況要求。

6.2.4 " 安裝邊跨拱肋

100t起重機站在橋體外側(cè)通道，先安裝臨時支架后依次吊裝邊跨拱肋G2、G1。邊跨拱肋G2質(zhì)量51t，安裝高度7m，邊跨拱肋G1質(zhì)量28t，安裝高度12m，邊跨拱肋從運輸車上將構(gòu)件吊裝到地面，調(diào)整到安裝狀態(tài)后進行吊裝。起重機選用工況為：起重機回轉(zhuǎn)半徑為7m，臂長為26.9m，汽車起重機STC1000T在13.3t配重時，最大吊裝質(zhì)量為59.5t，滿足工況要求。

6.3 " 中跨拱肋吊裝

主梁安裝完成后，在主縱梁上搭設(shè)拱肋安裝臨時支架。每條中跨拱肋共5個安裝節(jié)段，安裝順序為自下向上安裝，最終合攏[5]。

200t起重機站在橋體外側(cè)通道，起重機對稱安裝中跨拱肋G7、G8，最后安裝合攏段G9。中跨拱肋G7質(zhì)量37t，安裝高度15m；拱肋G8質(zhì)量40t，安裝高度23m；合攏段G9重41t，安裝高度30m。5個拱肋段從運輸車吊到地面回轉(zhuǎn)半徑范圍內(nèi)，調(diào)整到安裝狀態(tài)后吊裝就位。

按照合攏段選用工況為：起重機回轉(zhuǎn)半徑為10m，臂長為40.4m，汽車起重機SAC2000E配重70t后移500mm，等同79t配重時，最大吊裝質(zhì)量為49t，滿足工況要求。

6.4 " 吊裝安全措施

拱肋為圓弧形，尺寸較長，為了避免構(gòu)件吊裝過程中擺動過大，同時為了更好的輔助構(gòu)件就位，構(gòu)件吊裝前，需要在構(gòu)件兩側(cè)綁扎遛繩[6]。構(gòu)件吊裝采用四點吊裝，以最大限度保證構(gòu)件吊裝過程中的穩(wěn)定。構(gòu)件吊裝過程中，起重機的起鉤、落鉤、回轉(zhuǎn)必須采用最慢速，以防止構(gòu)件發(fā)生大幅度擺動。吊裝過程中，通過人為拉拽遛繩保證構(gòu)件的穩(wěn)定性，控制構(gòu)件的姿態(tài)。構(gòu)件吊裝過程中構(gòu)件擺動較大時，停止起重機操作，通過人為拉拽遛繩使構(gòu)件穩(wěn)定后再繼續(xù)操作起重機。

7 " 結(jié)束語

本文以信陽高新區(qū)海營生態(tài)智慧城云智大道橋超大質(zhì)量拱肋鋼結(jié)構(gòu)吊裝方案為研究對象，通過實際測算、三維建模、CAD吊裝尺寸模擬等方式，主要獲得以下幾點結(jié)論：

通過將飛燕式超大質(zhì)量鋼拱橋拱肋鋼結(jié)構(gòu)合理分解成19段，通過建模測算出各段拱肋鋼結(jié)構(gòu)的尺寸、質(zhì)量，結(jié)合現(xiàn)場實際測算出各段拱肋鋼結(jié)構(gòu)吊裝高度，提高了吊裝施工精準(zhǔn)度。

各段拱肋鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量均在20t以上，吊裝施工過程屬于重危大工程。起重機選型、吊耳設(shè)計、鋼絲繩選用、吊裝作業(yè)地基及支架地基承載力計算等至關(guān)重要，通過合理選擇及驗證，降低了施工安全風(fēng)險。

拱結(jié)構(gòu)吊裝工藝中通，過對各段拱肋鋼結(jié)構(gòu)吊裝模擬、起重機站位布置，極大程度提高了拱肋鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工合理性，為類似橋梁預(yù)制橋面板吊裝提供了寶貴的施工經(jīng)驗，同時為大型構(gòu)件吊裝提供了的理論基礎(chǔ)和實踐指導(dǎo)。

參考文獻

[1] 施洲，蘇威風(fēng)，郭俊麗，等.飛燕式拱橋結(jié)構(gòu)靜動力特性分析[J].

重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）. 2013，32（S1）：873-878.

[2] 劉強華.大跨度、大重量斜靠式系桿拱橋浮拖法施工技術(shù)研究

[J].鐵道建筑技術(shù). 2016（2）：5-8.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計

規(guī)范：GB50917-2013[M].北京：中國計劃出版社，2013.

[4] 張吳友.鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工技術(shù)要點探討[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā). 2014，

33（28）：114-116.

[5] 周莉，孫東利，謝斌等.鋼-混組合體系：中承式系桿拱橋的設(shè)

計[J].城市道橋與防洪，2012（6）：109-113+11.

[6] 晏金洲.高層建筑預(yù)制構(gòu)件吊裝施工技術(shù)[J].城市住宅，2018，

25（8）：122-124+128.