自升降塔架在桥梁吊装工程中的运用

2022-08-15陈翔黄书海

交通世界 2022年19期

陈翔，黄书海

（贵州桥梁建设集团有限责任公司，贵州贵阳 550001）

1 吊装施工

1.1 工程概况

贵州省贵阳市人民大道（南段）第一合同段筑城广场大桥（以下简称筑城广场大桥），地处贵阳市市中心南明区繁华地段，该桥上跨贵阳市南明河，桥梁四周被已有高大建筑物群包围，施工场地十分狭窄。大桥结构为：双层小半径曲线钢桁架主梁+抛物线轻型斜跨拱。桥梁主体受力结构为钢桁架主梁，桥拱为装饰结构。

其中，桥拱部分分为小拱与大拱，小拱和大拱计算跨径分别为90m 和162m（见图1），计算矢高分别为60m 和70m，拱圈结构为钢箱拱，采用2～2.5m 变高菱形截面（下宽上窄）。拱圈由若干节段构成，每段设计长度为7～9m（下长上短）。

图1 筑成广场大桥立面（投影面）示意图

1.2 自升降塔架吊装工艺概述

以筑城广场大桥为例，筑城广场大桥钢桁架主梁由于起吊高度均在15m以内，故采用常规吊车即可解决吊装问题，但当主桁架施工完成后，在拱圈安装施工过程中，即面临施工场地狭窄、吊装吨位大、吊装高度高等难题，主要表现为：①施工场地四周均被已有高大建筑物群包围，除已施工完成的主体梁式桥面（华伦体系桁架梁）外，几乎没有任何施工作业场地；②在大桥拱圈安装过程中，每个拱圈的计算矢高和起吊重量均较大，以大拱为例，大拱计算矢高70m（即使在已有双层桥面顶面起吊，起吊高度也达到60m），整个拱圈自重499t，因此传统吊车、缆索吊等吊装方式已不能解决本工程拱圈吊装问题[1]。

为了解决上述问题，施工单位自行设计了一种自升降塔架系统，利用主体梁式桥顶面作为施工平台，将自升降塔架作为吊装系统主体，在配合拱圈体外铰后，通过拱圈竖转工艺完成了拱圈的吊装合龙，其吊装流程如下：

（1）利用主体梁式桥面作为自升降塔架施工平台。主体梁式桥完成后，在梁式桥面进行塔架基础施工，通过塔架自升降功能完成塔架主体结构安装及吊装系统安装。

（2）将拱圈适当拆分，在桥面设置台架平台，并在拱圈拱脚位置设置体外铰，同时，在桥面设置胎架，将拆分后的拱圈放置于胎架，配合自升降爬架系统，形成半拱圈竖转体系，一方面解决了拱圈垂直提升问题，另一方面也解决了拱圈水平移动问题。

（3）将拆分的拱圈吊装到位后，进行最后的合龙。按上述步骤将各个拆分拱圈起吊到位后，最后开始吊装合龙段，将拆分的拱圈进行合龙，重新连接成整体，从而使拱圈整体吊装到位。

2 自升降爬架设计参数及设计原理

自升降爬架在整个起吊过程中起到了十分关键的作用，以下通过重点介绍自升降爬架各个重要参数及设计原理，说明自升降爬架在吊装工程中的运用机理。

2.1 自升降爬架设计参数

自升降爬架主要由4 部分组成：①塔架立柱节段（包括顶节段、标准段、底节段）；②外套架系统；③液压爬升系统；④临时锁扣系统。

2.1.1 塔架立柱节段

立柱断面中对中尺寸为2m×2m，其中，顶节段高度2.5m（自重2.3t），标准节段高度3m（自重1.6t），底节段高度0.5m （自重0.3t）。所有节段均由直径为219mm（壁厚12mm）、102mm（壁厚6mm）、89mm（壁厚6mm）Q345b锰钢钢管配合法兰盘制作而成，见图2。

图2 自升降爬架立柱节段示意（单位：mm）

2.1.2 外套架系统

外套架系统是自升降爬架的辅助系统，其目的在于实现爬架的自升降功能。同时，为方便运输，该框架设计为4 部分（总长度8.3m，可拆分为0.4m、2m、2m、3.9m）。

外套架与立柱节段保持平行，四周与立柱节段保持400mm（中对中），为方便完成套架在立柱节段的上下移动及受力体系转换，立柱与套架设置临时锁扣。同时，套架顶设置5t 电动葫芦，方便自提升（下放）、安装（拆除）立柱节段。

2.1.3 液压爬升系统

主要是提供外套架自爬升及自下降动力，每一组立柱（包括外套架）由4个5t千斤顶组成。完整的一套提升系统由4个立柱组成。

2.1.4 临时锁扣系统

为实现爬架自升降功能，塔架立柱节段与外套架设置临时锁扣点，通过临时锁扣点的临时锁扣与解锁（配冲钉螺栓），实现外套架与立柱节段受力体系相互转换，在配合液压爬升系统吊装后，从而达到自提升（下降）标准节、自安装（拆除）标准节的目的[2]。

2.2 自升降爬架设计原理简述

2.2.1 立柱平面布置

根据吊装起吊点实际情况，确定立柱安装平面位置，从而确定吊装作业范围。为保证自提升爬架吊装过程稳定，立柱个数通常以4个为一组，且使吊装点尽量靠近平面布置形心位置。以筑城广场大桥为例，为了实现拱圈顺利竖转，四个立柱（一组）中对中距离（按拱轴线方向）纵向6m，横向9.6m；两组间中对中距离17m，与拱轴线平行布置，吊点布置靠近平面布置形心位置。

2.2.2 节段安装

在地面完成底节段与初始标准节段安装。利用外套架系统、临时锁扣系统与液压爬升系统，进行受力体系轮换，实现节段安装（见图3），拆除过程按上述过程逆操作即可。

图3 自升降爬架节段安装示意

2.2.3 平台顶吊装点设置

施工中，需要解决吊装过程中的构件水平位移问题，因此平台顶的吊点可根据立柱布置，设置多组，以满足构件水平位移过程中，吊点换钩操作。以筑成广场大桥为例，立柱顶面每组设置两组吊点，即A类吊点与B类吊点，以此解决构件在起吊过程中，因水平位移产生的换钩操作问题。

2.3 自升降爬架建模验算

根据起吊设计，利用Midas 建模，通过模拟验算，并结合现场实际情况（考虑拱座拱铰共同受力），取最不利荷载情况（大拱起吊，139t，安全系数1.2），得到自升降爬架最大弯应力241MPa （安全允许应力345MPa，完全满足安全施工需要），最大偏位9.2cm（安全允许范围20cm，完全满足安全施工需要）。

3 自升降爬架实际运用中需注意的问题

以筑成广场大桥拱圈吊装为例，利用自升降爬架，结合拱外铰，将拱圈分别提升到位，从而实现拱圈的安装，现以大拱吊装为例，说明实际运用中需注意的问题：

3.1 吊装前的注意事项

3.1.1 立柱偏位及水平偏差检测

在立柱节段基础安装完成后，通过仪器设备检测其顶面高程、水平高差、立柱偏位等，符合要求后，方可进行下道工序，尽量保证立柱顶面间相对高差最小。

3.1.2 起吊系统走线

在已安装完成的爬架系统上安装起吊与牵引钢丝绳，使之形成完整的起吊系统。

3.1.3 半拱地面焊接

在拱圈台架上完成起吊拱圈的焊接工作，连接起吊拱圈的牵引、起吊钢丝绳安装，使拱圈处于待起吊状态。

3.1.4 吊点转换点设置

为了克服起吊过程产生的巨大水平分力，不仅需在爬架顶设置多组起吊点（A 类、B 类），而且在待起吊的构件上也要设置对应的多组起吊点，以筑成广场大桥为例，拱圈设置5个吊点转换点A1、A2、A3、B1、B2，以和爬架顶吊点A 类、B 类吊点对应，通过吊点转换减小起吊竖直夹角（控制在5°以内），使水平分力控制在起吊总重的7%内，保证安全起吊。

3.1.5 起吊系统的调试与试吊

虽然自升降爬架可安全起吊60m高度，139t重的物体（安全系数1.2），但由于实际施工过程中，可能存在加工与安装的误差，故还需要对安装完成的爬架进行试吊。试吊过程如实记录爬架立柱的偏位和塔顶水平数据，通过对数据进行对比，要求必须符合相关规范要求（倾斜度小于6‰）[3]。

3.2 合龙段的吊装注意事项

以筑成广场大桥拱圈吊装为例，拱圈拆分成三段：左半拱、右半拱、合龙段。以大拱为例，当左半拱和右半拱分别起吊到位后（考虑预拱度），需利用提升爬架作为临时支撑吊点，使左、右半拱临时固结于提升爬架上，在复核拱圈高程和线性无误后，起吊合龙段就位，进行焊接。需要注意的是，必须先形成完整拱圈后，再进行拱脚铰接处固定，以保证爬架及拱圈的稳定性。

4 自升降爬架施工要点

（1）确定自升降爬架作业面。自升降爬架需在起吊位置有足够的作业面，为自升降爬架提供安装、运输的空间，如主桁架梁未完成，则不能采用此工艺。

（2）自升降爬架的配套设施需提前完成。使用自升降爬架提升施工时，还需提前将其他辅助设施准备到位，以便施工顺利进行，本工程中，拱铰、换勾吊点、滑轮、钢丝绳走线、牵引、吊装体系等辅助设施均需提前做好准备。

（3）自升降爬架自提升过程中，顶面水平十分重要。自升降爬架使用时，要尽量保持顶面水平，使受力始终处于可控状态，故在每节段安装完成时，均要检测立柱段顶水平偏差，使之保持在允许范围内，如水平偏差超过规范允许范围，必须先查明原因，整改完成无误后方可进行后续节段安装。本工程中，拱圈提升过程的水平偏差为2～3cm（允许偏差5cm），塔柱偏位为9～15cm（允许偏差16cm）。

（4）因自升降爬架属于高空作业，需根据需要增设附属防护措施。因实际使用情况千差万别，故自升降爬架需根据实际情况适当增加安全防护设施，以最大程度保证施工人员作业环境安全。

（5）自升降爬架使用前，需进行技术交底。自升降爬架涉及较多的临时锁扣与解锁工序，需施工人员熟悉操作流程并认真按操作流程完成每步操作，使用前，必须对操作人员做好详细且有效的技术交底，以确保自升降爬架整体安全性能。

（6）自升降爬架使用的标准构件较多，使用前，需提前做好计划，确定立柱段数量并运输至指定地点。

（7）标准节及各附属构件加工精度要保证。综上所述，升降爬架需使用较多的标准节及附属构件，每一个构件间相互配合，相互作用，一个构件的加工精度不够，会导致整个系统不能正常运行，甚至出现严重的安全事故。因此，该系统使用前，需对每个标准节及附属构件进行严格检查，除了材质必须保证外，构件及附属构件的尺寸、角度、几何形状等指标均应满足设计要求（一般要求误差控制在±2mm）。在使用过程中，还应不定期测量各构件的变形情况，如发现隐患，及时停止施工，更换相应构件。