城市复杂环境下的人行天桥大跨度钢箱梁吊装

王 山 彭定荪

湖南省第三工程有限公司 湖南 湘潭 411104

装配式钢箱梁桥梁施工技术在市政和公路桥梁中的应用日益普及，同传统的预应力混凝土桥梁结构相比，装配式钢箱梁桥梁具有抗扭系数大、自重轻、刚度大、整体性好、跨越能力大、拼装架设方便、工期短等优点。目前对城市大跨度钢箱梁吊装有一定研究，但是每个案例面对的复杂环境不同，从而吊装作业施工技术方案亦有所不同[1-3]。本文以长株潭城际轨道西环线黄家湾高架车站横跨潭州大道快速路人行天桥A段46.18 m大跨度钢箱梁吊装施工为例，探索在城市复杂环境下大跨度钢箱梁吊装施工应用经验。

1 工程概况

长株潭城际轨道交通西环线黄家湾高架车站为西环线一期工程全线第3个车站，位于湘潭九华经济开发区，设于潭州大道与富家路交叉路口，沿潭州大道敷设。

黄家湾车站人行过街天桥由人行过街天桥A段和人行过街天桥B段2部分组成。人行过街天桥A段位于车站右侧（长沙方向），横跨已建成通车的潭州大道快速路，连接1、2出入口，跨度为46.18 m，宽度为6 m，如图1所示。人行过街天桥结构主体桥梁采用钢箱梁结构，主体钢构件材质采用Q355B，连接采用10.9级摩擦型高强螺栓。钢箱梁为一体两箱室结构形式，钢箱梁标准横断面上宽6 m，下宽3.66 m，梁高1.2 m。

图1 人行天桥平面位置示意

2 项目重点与难点

1）周边环境复杂。人行天桥A段横跨湘潭连接长沙的潭州大道快速路，快速路车流量大、速度快且不能中断交通；周边紧邻厂区、居民区，吊装作业给交通和居民出行组带来影响，需制定详细的交通导行方案。

2）跨度大、施工难度大。人行天桥A段跨度大，分段吊装单节钢箱梁最长为26.4 m，最长段钢箱梁质量为68.6 t，吊装设备选型和吊装方案设计是确保吊装作业成功的重要环节。

3）工期紧张。根据批准的工期计划，人行天桥施工工期（包含钢箱梁和上部雨棚）为20 d，其中人行天桥A段吊装作业时间仅为4 d。吊装作业只能选在车流量较小的夜间进行，有效工作时间短。钢箱梁按期加工预制完成和如何合理高效组织吊装作业是这次人行天桥能否按期完成的关键。

4）本工程场地狭小，吊车作业空间较小，其他专业交叉作业多，同时人行天桥A段横跨已建成通车的快速路，人行天桥紧邻在建轨道交通车站主体结构，吊装作业半径小，存在一定安全风险，操作不当，将造成结构损坏，如何确保吊装作业安全也是吊装的重点和难点。

3 吊装方案设计

1）根据设计图纸和现场施工环境，本次人行天桥钢箱梁施工采用工厂分段预制加工制作，现场分段一次性整体吊装。钢箱梁构件的装运选用6轴重型平板半挂车，超长构件选用MAN33-464型牵引车及配套尼古拉斯平板车组。

2）整个人行天桥A段将分成ZL1和ZL2两节段吊装，在潭州大道右侧分隔带人行天桥桥墩附近设置临时支架和拼装分接口。

3）人行天桥A段钢箱梁吊装顺序为先ZL1后ZL2，ZL1和ZL2主要数据如表1所示。

表1 钢箱梁分段ZL1、ZL2主要数据

4）人行天桥A段潭州大道快速路右侧分隔带人行天桥桥墩附近设置临时支架作为钢箱梁的操作平台，支架持续时间约2 d。临时支架采用φ299 mm×8 mm钢管与型钢搭设支撑平台系统；分配钢梁采用双拼40a#工字钢，支架连接系采用16a#槽钢；支架立柱底部铺设1.8 m×1.8 m×500 mm的素混凝土基础块。临时支架轴心受压、偏心分析、混凝土基础受力分析经过计算满足要求。

4 吊装机械选型及配件验算

4.1 吊装机械选型

根据分段钢箱梁长度、质量、提升高度及作业环境等因素，本次钢箱梁吊装选用1台350 t中联QAY350V533汽车吊。临时支架在现场为小单元件进行拼装焊接，单元件中最重构件钢管柱为0.4 t，拟采用25 t汽车吊进行临时支架的安装及拆卸。

4.2 吊耳与卸扣设置及相关验算

4.2.1 吊耳设置原则

本次吊装采用B-30型吊耳，其安全负载为30 t。吊耳设置在钢横梁腹板和隔板相交处的顶板顶面，一个钢横梁分段设置4个吊耳，4个吊耳向心线（构件重心）的交点是钢横梁分段自身的重心位置。吊点吊耳形式均采用船用通用吊耳，吊耳的等级、制作、焊接及吊点局部加强等级符合工艺文件要求。在吊点薄弱部位设置加强筋板补强，避免局部失稳。吊耳焊接完毕24 h后还需进行100%磁粉探伤。

4.2.2 卸扣选用

纵梁的每个吊耳配置1个40 t卸扣，大于每个卸扣吊装时承受构件的极限质量为29.0 t（详见4.2.3节），卸扣使用是安全的。

4.2.3 吊耳受力分析

人行天桥A段ZL1钢箱梁质量约68 t，长约26 m，吊装高度约9 m，拟设4个吊点，按对称吊点布置原则，钢丝绳水平夹角为60°。在吊装过程中，可能会出现短暂的3个吊耳受力的工况，故吊耳的强度计算只按3个吊耳受力工况进行计算〔式（1）〕：

4.2.6 吊耳钢板最小截面强度验算

吊耳钢板最小截面强度按式（3）进行验算。

经查询，符合GB 50017—2017《钢结构设计标准》4.5.5条的要求。所有吊点位置之间产生的弯矩小于钢桥整体安装后产生的弯矩，故吊点位置桥体弯矩、强度、稳定性满足原设计要求。

4.3 钢丝绳选择及验算

吊索具选择根据吊点受力分析，如图2所示，在吊装过程中，可能会出现短暂的3根钢丝绳受力的工况，故钢丝绳的强度计算只按3根钢丝绳受力工况进行计算。设每一吊点采用单股钢丝绳，则每股钢丝绳所受的拉力F为290 kN。

图2 钢丝绳受力情况

安全系数K＇取8，则每根钢丝绳需承受的拉力P＝F×K＇＝290×8＝2 320 kN，抗拉强度为1 960 MPa的直径为60.0 mm的钢丝绳的最大受力为2 510 kN＞2 320 kN，使用该类钢丝绳可满足使用要求。

5 钢箱梁吊装工况分析

5.1 吊装最不利工况分析

1）钢箱梁吊装对钢箱梁整体刚度有较高的要求，本次吊装采用最不利工况ZL1段进行安全验算。

2）ZL1为钢箱梁最重和最长吊装节段，构件质量约为67.7 t，长26.04 m，是黄家湾车站人行天桥最不利吊装构件。拟采用350 t中联QAY350V533汽车吊进行吊装作业，吊车工作半径12 m，汽车吊臂长25.8 m，额定吊重86 t，而

实际吊重为68.6 t×1.1（安全系数）＋2 t（钩头、钢丝绳）≈77.46 t，QAY350V533汽车吊可以满足安全吊装要求。

5.2 吊装时地基承载力验算

在构件吊装施工过程中，将采取对起重机械支腿区域铺垫钢板和枕木。每个支腿下部垫铺规格为2.5 m×2.5 m×30 mm钢板1块，钢板上垫铺规格为2.00 m×0.25 m×0.25 m枕木，钢板下铺2 m×6 m路基板。潭州大道现状沥青混凝土路面承载能力经过现场试验复核为100 kN/m2。在整个吊装施工过程中，ZL1、ZL2钢箱梁吊装施工采用350 t中联QAY350V533汽车吊。吊装时地面最大荷载最不利工况考虑为2个支腿受力，则支腿反力按式（5）计算：

经计算，支腿对路面的压应力为108.8 kN/m2，小于现状沥青道路地面承载力1 000 kN/m2，现状沥青道路地面承载力满足使用要求。绿化带吊装覆盖区域需采用C25混凝土硬化，确保硬化后的地基承载力不得低于300 kN/m2。

5.3 吊车稳定性验算

起吊前先进行抗倾覆验算，确保汽车的稳定力矩大于倾覆力矩。根据现场的情况，选取最不利工况ZL1进行验算，构件最大质量为68.6 t，构件长26.04 m，作业半径12 m。根据GB/T 3011—2008《起重机设计规范》，吊车所受的力矩和应大于0〔式（7）〕。

汽车吊工作时的受力简图如图3所示。考虑最不利工况，风动荷载作用于吊物端，倾覆边为吊车自重力矩的力臂最短边。

图3中：G为汽车吊自重加配重，取84 t＋107 t＝191 t；Q为吊物最大质量，取68.6 t；W为风动荷载，按吊物的20%考虑，取68.6 t×0.2＝12.16 t；a为汽车吊重心至支脚倾覆支点的距离，支腿全伸为9.0 m，故a取4.5 m；R为吊物作用于倾覆边的力臂，即汽车吊工作半径，最大取12米；h为风动载合力点高度，取9 m。将上述数据代入式（8）计算，得到汽车吊工作时的力矩为144 345 N·m＞0，故稳定性满足要求。

图3 汽车吊工作时受力示意

6 人行天桥A段钢箱梁吊装施工操作要点

6.1 吊装施工工艺流程

施工准备→测量放线复核→封闭施工及交通导行→临时支架安装就位→ZL1钢箱板梁定位吊装→ZL2钢箱板梁定位吊装→钢箱梁焊接、涂装→临时支架落架、拆除

6.2 操作要点

6.2.1 吊装施工模拟

正式吊装前对吊装方案进行全员、全要素、全过程吊装施工模拟。检查交通导行方案可行性；检查人、机、材准备情况和协同性；检查吊装作业环境等。通过施工现场吊装模拟，进一步优化吊装方案。

6.2.2 测量放线复核

钢箱梁安装前，必须对支座顶标高、中线以及每孔跨径进行复测，误差在设计和规范允许范围内方可架设。同时，在桩顶上画出纵横向十字线，以便于安装对正。钢箱梁架设完毕后现场采用千斤顶或楔铁来调节位置及标高、垂直度，待垂直度和标高调整完毕后再进行焊接定位。

6.2.3 封闭施工及交通导行

根据已批准的专项施工方案和交通导行方案，吊装施工区域采用硬质围挡封闭施工，对箱梁运输路线和吊装区域分时段交通导行。采取双班作业方式，从而减少占道时间，吊装作业安排在夜间10点至第二天早上6点进行，严格控制临时占路范围和时间。按照有关规定，设置临时交通导行标志、设置路障、隔离设施、夜间警示信号，现场人员协助交通管理部门疏导交通，确保车辆行人安全通过施工区域。

6.2.4 临时支架安装就位

按照施工方案在潭州大道右侧辅道范围内搭设临时支架，并确保临时支架的强度、刚度和稳定性。

6.2.5 ZL1钢箱梁吊装

吊车预先停在工作半径范围内，运输钢箱梁车开到吊机起吊范围内。起重工挂索，吊机缓慢上力将钢梁吊离运输车300 mm时停下，观察吊机是否稳定，然后吊机起吊，把钢梁吊过墩柱或支架，吊机旋转到达安装位置，在现场信号工和技术人员指挥下，缓慢落钩，将钢梁上的支座线对准柱顶上的定位线进行就位，就位后逐步松钩，待吊机只承担10%钢梁质量时仔细观察支架、墩柱、支座及钢箱梁本体有无变形，确定安全后完全卸荷，摘钩卸绳，安装完毕。吊装过程中进行临时加固，构件安装过程中采取必要的牵拉、支撑、临时连接等措施。

6.2.6 ZL2钢箱梁吊装

按照ZL1钢箱梁吊装流程进行ZL2钢箱梁吊装，ZL2吊装期间，右侧辅道可以通行。

6.2.7 钢箱梁连接和涂装

ZL1和ZL2钢箱梁架设完毕后现场采用千斤顶或楔铁来调节位置及标高、垂直度，待垂直度和标高调整完毕后再进行焊接和高强螺栓连接定位。钢箱梁连接和涂装质量需满足现行规范标准和设计要求。

6.2.8 临时支架落架、拆除

临时支架落架、拆除前，所有焊接、打磨、补漆工作全部结束，并且通过焊缝检测合格后，方可落架、拆除。分段临时支架落架、拆除前，焊接全部结束，对桥面关键部位进行水平标高测量，测量数据记录，并做好测量点标记。密切关注临时支撑落架点的标高变化，整桥临时支架落架，每次落架数值不得大于5 mm，循环往复，直至临时支架支点与下箱形梁底板产生缝隙，开始拆除临时支架。分段临时支架落架、拆除后进行桥面板装饰铺设。

7 结语

在长株潭城际轨道西环线黄家湾高架车站人行天桥A段46.18 m大跨度钢箱梁吊装施工中，通过利用Navisworks、Abaqus CAE等BIM技术手段实现了吊车选型、吊具有限元分析、吊车三维模型参数化生成、吊装过程三维模拟等，吊车方案由最初的2台200 t双机抬吊方案变更为1台350 t吊装方案，在确保安全的前提下，节约了吊装费用。

通过制定切实可行的吊装方案和交通导行方案，科学安排、精心组织，确保了大跨度钢箱梁在城市复杂环境下顺利安全吊装，吊装时间由原计划的4 d缩短到2 d，最大限度减少了对人民群众出行的影响。黄家湾车站大跨度钢箱梁的吊装施工技术经验可为后续类似工程提供借鉴。