无背索斜拉桥吊装施工技术研究

2022-06-07胡成明

黑龙江交通科技 2022年4期

胡成明

(中铁二十二局集团第一工程有限公司，黑龙江哈尔滨 150000)

0 引言

近年来，随着我国经济的快速发展，大型桥梁的建设日益增多，对桥梁的建设技术要求也日益增高，大型桥梁构件的吊装施工技术成为学者研究的重点之一。夏桂园[1]对城市钢结构桥梁的吊装施工技术进行了研究；刘邦等[2]结合实际工程，采用midas Civil软件对悬索桥钢箱梁的吊索拉力进行了有限元分析；张孝生[3]通过对高速公路T型梁吊装施工技术进行了研究。基于齐齐哈尔劳动湖水系文化北大桥工程，对无背索斜拉桥吊装施工的吊件选取、临时支墩承载力校核及吊装施工方案进行研究。

1 工程概况

齐齐哈尔劳动湖水系文化北大桥结构形式为无背索斜拉桥，大桥设计为4车道道宽，全长280 m。斜拉索主塔总重量为429 t，高度为32.7 m，横截面宽度为1.8 m；主梁采用正交异形扁平钢梁，高度为1.1 m，总重为899 t，为保证焊接质量及方便运输，钢梁采用工厂分块加工；斜拉索共14根，斜拉索与主塔采用通过钢锚箱连接的方式，斜拉索钢材的抗拉强度为1 670 MPa。

在钢箱梁施工过程中，需架设临时支墩承受架梁过程中的自重荷载，考虑临时支墩的稳定性，临时支墩为双排格构柱结构。临时支墩共计3处，主要采用螺旋管为立柱，双拼工字钢为横梁，槽钢为横撑及斜撑。在塔柱施工过程中，需架设临时支墩主要承受塔柱架设过程中的自重荷载及侧向推力(垂直和水平力)，考虑临时支墩的稳定性，临时支墩为多排格构柱结构。临时支墩共计1处，主要采用螺旋管为立柱，双拼工字钢为横梁，槽钢为横撑及斜撑。

2 工程重难点

(1)塔脚与主桥节点处轴线控制精度要求高；主塔吊装临时支架较高，搭设难度大。

(2)主塔吊装及安装时，控制主塔安装的角度调整及测量点精度要求高，支架需要考虑克服主塔本身重力产生水平方向分力。

(3)主塔环口焊缝为全方位焊接，焊缝质量要求高；高空焊接，防风及质量控制难度大，高空作业不方便，施工安全风险较大。

3 钢箱梁和塔柱吊装件选用

3.1 钢丝绳的选用

(1)钢箱梁吊装

钢箱梁吊装的钢丝绳按单机吊计算，采用2根钢丝绳夹角不大于60°的4点吊法吊装施工。单段最大重量79 t，考虑吊钩和钢丝绳重量2 t，则按总重81 t计算。则单根钢丝绳受力计算如下

(1)

式中：F为钢丝绳的钢丝破断拉力总和，kN；G为四点吊构件最大重量，t，取81 t；α为不均匀受力系数，取0.8；n为动荷载系数，取1.05；k为钢丝绳使用安全系数，取8。

因此，钢丝绳安全系数按8倍考虑，8×306.9=2 455.2 MPa，故钢丝绳选用Ф62 mm钢芯钢丝绳，公称抗拉强度2 680 MPa>2 455.2 MPa，满足要求。

(2)塔柱吊装

塔柱吊装最重构件塔柱1为123.2 t，利用1台500 t汽车吊和1台300 t汽车吊同时作业进行吊装，主要吊装作用的是500 t汽车吊，汽车吊的钢丝绳按单机吊计算，对折2根钢丝绳用2点吊法吊装施工。500 t汽车吊承受构件最大重量123.2×70%=86.24 t，吊钩和钢丝绳重2 t，则按总重88.24 t计算。则单根钢丝绳受力采用式(1)计算得钢丝绳的钢丝破断拉力总和F=334.3 kN，故钢丝绳选用Ф62 mm钢芯钢丝绳，公称抗拉强度2 680 MPa>2 674.4 MPa，满足要求。

3.2 吊耳选用

(1)钢箱梁吊装

钢箱梁最大重量79 t，在腹板和隔板相交的顶板上安装4个吊耳，吊耳材料为Q345qE厚30 mm的板材，吊耳参数B=280、H=280，每个吊耳最大承重29.6 t≤30 t。吊耳的允许负荷按下式计算

P=c·D·g/n=79×1.5×9.81/4=290.4 kN

(2)

式中：P为吊耳允许的负荷，kN；D为起重量(包括加强材料等重量)，kg；c为不均匀受力系数，取1.5；g为重力加速度，m/s2，取9.81；n为同时受力的吊耳数，个。吊耳的强度按下列公式校验：

①正应力校核

σ=P/Fmin=290.621.25/[2×(140-40)×30]=48.4 MPa；其中，Fmin为吊耳在垂直于拉力P方向的最小截面积，mm2。Q345qE材料的许用应力：[σ]=σs/n=345/1.5=230 MPa；其中，σs为Q345qE材料的屈服应力极限，MPa，σs=345 MPa；n为结构安全系数，n=1.5。则σ<[σ]，满足使用要求。

②切应力校核

τ=P/Amin=290 621.25/[(140-40)×30]=96.87 MPa；其中，Amin为吊耳在平行于拉力P方向的最小截面积，mm2。许用剪切应力：[τ]= a[σ]=0.6×230=138 MPa；其中，a为换算系数，a=0.6。则τ<[τ]，满足使用要求。

(2)塔柱吊装

塔柱吊装最重构件塔柱1为123.2 t，利用1台500 t汽车吊和1台300 t汽车吊同时作业选用2点吊法进行吊装，500 t汽车吊承担主要吊装作用，按单机吊计算，500 t汽车吊承受构件最大重量123.2×70%=86.24 t(考虑到不均匀受力：最大承受构件70%的重量)，腹板和隔板相交的顶板上安装2个吊耳，吊耳材料为Q390E厚35 mm的板材，每个吊耳最大承重64.68 t≤70 t。吊耳参数B=370、H=370，满足本工程需要。吊耳的允许负荷按式(2)计算得：P=86 240×1.5×9.81/2=634 510.8 N。吊耳的强度按下列公式校验。

①正应力

σ=P/Fmin=634 510.8/[2×(185-55)×35]=69.7 MPa；Q345qE材料的许用应力：[σ]=σs/n=390/1.5=260 MPa；其中，σs为Q390qE材料的极限屈服应力，MPa，σs=390 MPa；n为结构安全系数，n=1.5。则σ<[σ]，满足使用要求。

②切应力校核

τ=P/Amin=634 510.8/[(185-55)×35]=139 MPa；其中，Amin为吊耳在平行拉力P方向的最小截面积，mm2。许用剪切应力：[τ]=a[σ]=0.6×260=156 Pa；其中，a为换算系数，a=0.6。则τ<[τ]，满足使用要求。

3.3 卡环选用

(1)钢箱梁吊装

钢箱梁最大重量79 t，4个吊环受力，则单个吊环受力计算如下

F=nG/4=10×79/4 =197.5 kN

F为吊环受力总和，kN；G为最大重量，t取79 t；

选用W=99 mm，S=218 mm，d=60 mm，D=69 mm型卡环，允许负荷为250 kN，满足要求。

(2)塔柱吊装

塔柱吊装最重构件塔柱1为123.2 t，利用1台500 t汽车吊和1台300 t汽车吊同时作业选用2点吊法进行吊装，500 t汽车吊承担主要吊装作用，按单机吊计算，500 t汽车吊承受构件最大重量123.2×70%=86.24 t(考虑到不均匀受力：最大承受构件70%的重量)，2个吊环受力，则单个吊环受力计算如下：

F=nG/2=10×86.24/2 =431.2 kN

选用W=140 mm，S=308 mm，d=85 mm，D=98 mm型卡环，允许负荷为500 kN，满足要求。

4 临时支墩承载力校核

4.1 主桥临时支墩

(1)主桥临时支墩概况

临时支墩主要承受梁段的自重荷载，考虑临时支墩的稳定性，临时支墩为采用螺旋管为立柱，双拼工字钢为横梁，槽钢为横撑及斜撑的双排格构柱结构。立柱钢管采用螺旋焊接管，尺寸为直径426 mm、壁厚10 mm。结构每组12根，为4.2 m(横桥向)×3 m(顺桥向)，临时支墩高度为2 m。采用[14b槽钢作为钢管之间的横、纵向连接以及斜撑连接，采用焊接螺旋管的连接方式。

(2)主桥临时支墩承载力有限元分析

采用midas Civil有限元分析软件建立主桥临时支墩有限元模型，荷载取值为梁段自重产生的荷载及施工活荷载2 kN/m2。

计算各个构件的应力为：钢管立柱、工字钢横梁的最大应力分别为54.0 MPa、75.0 MPa均小于钢材的设计强度145 MPa，符合要求；钢管立柱的最大变形为0.8 mm，0.8/3000=1/3 750<1/400，符合要求；工字钢横梁最大变形1.96，减去其支点钢管柱顶变形0.8 mm，结果为1.16 mm，1.16/1 500=1/1 293<1/400，符合要求。

4.2 索塔临时支墩承载力校核

(1)索塔临时支墩概况

临时支墩主要承受主塔自重产生的竖向及横向荷载采用双排格构柱结构(考虑临时支墩的稳定性)。立柱钢管采用螺旋焊接管，尺寸为直径426 mm壁厚10 mm，结构为3.85 m(横桥向)×3 m(顺桥向)每组共计26根钢管立柱及4根钢管斜撑，临时支墩最高2.94 m。主要采用[14b槽钢作为钢管之间的横、纵向连接以及斜撑连接，焊接螺旋管的连接方式。

(2)索塔临时支墩有限元分析

采用midas Civil有限元分析软件建立主桥临时支墩有限元模型，荷载取值为梁段自重产生的竖向、横向荷载及施工活荷载2 kN/m2。

计算各个构件的应力为：钢管立柱、工字钢横梁的最大应力分别为31.1 MPa、70.0 MPa均小于钢材的设计强度145 MPa，符合要求；钢管柱最大变形为1.61 mm，1.61/4 000=1/2 484<1/400，符合要求；工字钢横梁最大变形2.38，减去其支点钢管柱顶变形0.5 mm，结果为1.88 mm，1.88/1 500=1/798<1/400，符合要求。

(3)索塔临时支墩稳定性计算

①斜撑钢管稳定性

②立柱钢管稳定性

③剪刀撑稳定性计算

由计算结果可知，剪刀撑最大轴力53.0 kN，钢管长细比λ=μL/i。按最不利的两端固定，μ=0.5，L为计算长度，m，取3 m，i=5.52 cm；λ=0.5×300/5.52=27.2<150，符合要求。轴心受压构件稳定系数，查表得0.968，钢管截面积为1 851.6 mm2，由此，钢管应力为53 000/0.968/1851.6=29.6 MPa<145 MPa，符合要求。

5 箱梁及塔柱吊装施工

5.1 箱梁的吊装

(1)第一步选择1台500 t汽车吊吊装GL1-GL5梁段，顺序为GL1到GL5依次吊装，GL1和GL5梁重为34.8 t，作业半径小于20 m；GL2和GL4梁重为79 t，作业半径小于18 m；GL3梁重为76.3 t，作业半径小于16 m。查500 t汽车吊性能表，满足吊装要求。GL1和GL5梁重为34.8 t，作业半径小于20 m；GL2和GL4梁重为79 t，作业半径小于18 m；GL3梁重为76.3 t，作业半径小于16 m。查500 t汽车吊性能表，吊车臂伸出长度为31.7 m，满足吊装要求。

(2)第二步选择1台300 t汽车吊吊装GL6-GL20梁段，顺序为GL6到GL20依次吊装，GL6-GL20梁段最重为49 t，作业半径小于16 m。查300 t汽车吊性能表，满足吊装要求。为提高安全系数，现场可根据实际情况沿桥梁横向适当调整吊车站位，缩短作业半径，保证吊装安全。

5.2 塔柱的吊装

主塔结构分三部分进行吊装塔柱结构1为左右两个箱形结构塔柱，塔柱结构2为上侧圆弧形结构，塔柱结构1安装完成后进行塔柱结构2的圆弧段安装，塔柱结构2的圆弧段安装完成后在进行横梁的安装，最后进行塔柱结构装饰的安装。

(1)塔柱临时支撑安装

主塔吊装时大里程方向靠近主塔增设临时支撑临时支墩2.94 m，结构每组共计26根钢管立柱及4根钢管斜撑，横桥顺桥尺寸为3.85 m(横桥向)×3 m(顺桥向)。临时支墩结构起塔柱吊装、焊接前以及锚固前的支撑作用。

(2)塔柱构件吊装顺序

塔柱的吊装，塔柱1选择500 t和300 t汽车吊各一台共同吊装，吊装需要专人指挥，建立统一指挥、统一号令机制，协调好两台汽车吊完成吊装，保证吊装工作万无一失。本工程塔柱吊装最重构件塔柱1为123.2 t，500 t汽车吊承担主要吊装作用，按单机吊计算，500 t汽车吊承受构件最大重量123.2×70%=86.24 t(考虑到不均匀受力：最大承受构件70%的重量)。考虑吊钩以及钢丝绳重量1 t，总重按87.24 t计算。300 t汽车吊起辅助吊装作用，123.2×60%=73.9 t(考虑到不均匀受力：最大承受构件60%的重量)。塔柱1吊装时500 t汽车吊作业半径小于13 m，300 t汽车吊作业半径小于9.5 m。

5.3 施工现场吊装场地要求

施工现场需与吊装及运输单位共同确认吊车站位及钢构件运输路线。汽车吊进场前，平整吊车站位土地并压实，通过重力触探实验确保地面承载力达到200 kPa要求。吊装及运输现场要求地面承载力计算。

500 t汽车吊自重96 t，配重50 t，索具估重1 t，本工程塔柱吊装最重构件塔柱1为123.2 t，500 t汽车吊承担主要吊装作用，按单机吊计算，500 t汽车吊承受构件最大重量123.2×70%=86.24 t(考虑到不均匀受力最大承受构件70%的重量)。则吊装过程中最大对地压力为(96+50+1+86.24)×g=2 332.4 kN。500 t汽车吊将塔柱1吊起后，其左后腿承重最大(按75%计算)，预计最大可达到174.93 t，固对地最大压力为1 749.3 kN。为增大受力面积，每个支腿处垫一个支腿承重块为3×3 m则对地压强η=1 749.3/(3×3)=194.4 kPa。施工现场对地面进行处理，地基承载力≥200 kPa，地基的抗压强度为0.2 MPa>0.1994 MPa，满足施工现场施工条件。