基于模塊化理論的空間管桁架橋梁關鍵技術分析

王余鵬 韓 偉

（福建林業職業技術學院福建南平353000）

高空桁架棧道地形復雜，山勢陡峭，樹多林密，環保嚴格；汽車吊或履帶吊無法大面積進場；加之構件涂裝采用熱浸鍍鋅；成品保護要求高，構件現場不得焊接，以免破壞涂裝；必須經過分段，大部分構件重量在1.5~2.5 T之間，最大重達4.4 t（跨間桁架中部）；重量較大，山勢陡，不可人工搬運；需要對大的構件進行模塊分解與模塊集中的動態整合，即分解、預制、運輸和吊裝[3]。模塊景觀橋梁按模數加工，根據現場的支架間距直接組裝，主要特點如下：采用工廠模塊式加工,現場直接安裝。相對于傳統的桁架式景觀橋梁，標準化高、精度高、施工速度快的特點[1]。

1 項目概況

福州左海公園——金牛山城市森林步道及景觀工程一標段。分為兩期，一期約2 km，二期約1.8 km。包含的內容較為駁雜，主要結構形式為空間管桁架。

2 模塊設計

高空棧道由下部支墩和上部橋段組成。支墩支墩座落在樁基礎上，分為兩節，下節為混凝土柱墩，上節為Y型鋼柱。上部橋段采用空間管桁架結構，跨度統一為16 m，由7類基本模塊組成，包括3類支撐模塊和4類跨間模塊（圖1所示）。

圖1 模塊組成示意圖

高空棧道上部橋段的主體結構全部采用熱浸鋅防腐。面板采用25x5鋼格柵板，兩側設置鋁合金欄桿和不銹鋼扶手。高空棧道上部橋段的主體結構全部采用熱浸鋅防腐。面板采用25x5鋼格柵板，兩側設置鋁合金欄桿和不銹鋼扶手。T1：直線段帶懸挑側翼，5.4 t，1:16；S1：設遮陰雨篷，15.2T，平坡整個高空棧道就是由跨間模塊和支撐模塊交互組合構成（圖2、3所示）。

圖2 T1：直線段帶懸挑側翼，5.4 t，1:16 S1：設遮陰雨篷，15.2T，平坡

圖3 模塊結合示意圖

3 施工方案選擇

纜索吊裝作業是通過雙線索道纜索系統，由卷揚機牽引，吊運車將鋼構件吊運到棧道施工處上方，然后徐徐下降到棧道鋼構處并安裝到位。一標段兩期工程范圍內，共需要19段雙線索道纜索系統，共設置38個塔架，每個塔架高度約25 m。以3處靠近道路的棧道作為起點。用汽車吊完成起點棧道的搭設，并安裝橋面吊機。縱向軌道間距需保持一致，確保車輛能順利通行。

橋面結構段分段方式為縱向分段，用汽車吊將桁架模塊及鋼柱吊至橋面運輸小車上，運輸小車在橋面軌道上往前開行至橋面吊車附近，由橋面吊車負責吊裝。先吊裝下一跨鋼柱，再吊裝下一榀鋼柱上方的“支撐模塊L1、L2、L3”，再吊裝跨間模塊R1、R2、S1、T1。

單跨吊裝完成焊接后，在剛安裝完成的橋面上鋪設胎架和軌道，橋面吊機往下一鋼柱柱頂行走，另外，小車退回至起點，運輸下一榀鋼柱和橋段。依此類推，完成下節段鋼構件安裝。棧道分區域接駁施工，每個區域設置一臺橋面吊機系統（包含一臺吊機和橋吊運輸車）和一臺運輸小車。根據施工順序安裝進度，用上個區域安裝好的橋面吊機將下一待施工區域的吊機和運輸小車吊裝至指定柱頂位置。構件由吊機接駁。一期工程設有4個接駁點，共需要6套橋面吊設備系統。

通過接駁施工顯著縮短貨物運輸車的開行距離，最遠運輸路線約200 m，貨物運輸車的單程開行時間約3~5 min。施工效率顯著提升。可供吊機支撐的軌道間距只有1.6 m，即垂直棧道方向，橋面吊抗傾覆力臂僅1.6 m。在作業過程中，其重心偏移0.8 m，吊機將側翻。支撐模塊L1頂面長度僅1.6m，橋面吊機沿棧道方向抗傾覆力臂也較短。為了保證吊架安裝過程中不發生傾覆，施工中采用桁架上行移動式吊機抱箍裝置[4]，有效的保證現場施工安全（圖9所示）。

安裝支撐模塊時，軸向約束釋放的一側必須朝向棧道安裝的前進方向。部分跨度大的地段，采取格構臨時支撐（圖10、11所示）。

生命線采用φ10鋼絲繩，每根平臺橫梁兩端豎立高1.2 m的圓管48*3.5（即每隔1.6 m設置）橋面吊機包含“起重設備”及“運輸小車”兩部分。為滿足本工程的施工需要，需滿足：

（1）起重設備要求

起重設備的有效工作半徑為18 m，臂長要求22 m，且16 m半徑位置可吊重2.5 t，8.5 m半徑位置可吊重4 t。起重設備應確保在行駛過程中，配重產生的傾覆彎矩不大于80kN.m，在作業過程中，配重可提供的抵抗彎矩不小于200 kN.m。為防止起重設備超載，控制系統內必須包含過載報警系統。在發生超載時，設備會發出聲光報警。在控制系統中還需要設置整機垂直控制報警裝置，要求整機傾斜重心偏離吊機中心范圍即刻報警并且停止工作。橋面吊機安全特點：制動器管理、急停保護、超速保護、超程保護、電機保護、防雷保護、大風報警。

（2）運輸車要求

運輸車分為橋吊運輸車和構件運輸車兩類，最小行駛速度應大于20 m/min。橋吊運輸車限定采用兩軸四輪，軸距不超過為1.6 m，構件運輸車不限，且兩類運輸車的輪距均為1.6 m。要求兩類運輸車均能在1:16坡度，轉彎半徑6m的軌道上平穩、安全行駛，應考慮車體水平自動調整、運行防滑、停止防滑、失電防滑、防卡軌等措施。構件運輸車應滿足在本工程軌道上安全運送構件的要求，構件最大長度7.1 m，最大寬度3.0 m，最大高度1.2m。兩類運輸車的能源應采用便于充電的安全蓄電池，蓄電池應可供給運輸車滿載連續使用8 h，且蓄電池應便于替換。運輸車配備完善的報警系統，包括運輸車側翻報警、故障報警、電壓降低提醒報警（低于最低運行電壓啟動失電防滑系統）、過載報警，以及其它需要報警提醒的項目。

根據上述實測值（圖4），可以求出橋面吊（不含配重）自重約9.44 t。吊機大臂幅度約8 m時，橋面吊偏心矩為4.6 Tm(偏向大臂方向)。橋面吊安裝配重后，吊機自身（大臂幅度約16 m）與配重（配重臂2.5 m）產生的彎矩近似平衡。配重在工廠實測重量為3.6~3.8 T，配重彎矩約9 T m，橋面吊自身偏心矩亦為9 Tm。進行了吊重試驗，吊重2.4 t（13.0 m吊裝半徑），全方位旋轉，設備系統運行可靠，滿足方案吊裝條件要求。

圖4 橋面吊現場安裝配重實測

4 施工驗算

為了確保本項目的現場實施，根據設計圖紙建立了一標段一期結構的整體模型，對本項目橋面吊機施工時對棧道主體結構和下部鋼柱進行了工況驗算和分析。驗算及分析主要包含以下內容：

（1）吊裝階段荷載分析

選擇整個橋面吊吊裝施工中出現的最大傾覆彎矩（即力臂吊重最大），并考慮吊裝施工的8個工況，可求得的柱頂模塊各節點承受的集中荷載（見表1）。

圖5 柱頂模塊各節點受力圖

表1 各施工過程中的停機點反力

（2）吊裝工況施工驗算：

模塊吊裝作業中不存在接駁吊車的情況，且采取隔跨吊裝，故取彎弧段與直線段中較不利位置進行吊裝過程分析。

其中：吊機停在相鄰橋段為平滑彎弧段；

吊機停在相鄰橋段為小角度彎弧段；

吊機停在相鄰橋段為直線段；

以上3個較不利情況能包含整個貼地模塊橋面吊施工的最不利情況。經驗算3個較不利情況下的模塊構件最大應力比為0.52，滿足規范要求。

5 結語

通過實例分析，模塊化理論是指導模塊景觀橋梁標準化、集成化的設計、生產、建造的有效方法。分模塊計算可提高節點驗算精度，尤其是吊裝階段計算各節點所受荷載，準確度高。所有工況必須選擇施工中若干受力較不利的情況進行分析驗算，提高驗算的可靠性。有施工工況計算必須在凝土柱及樁基礎承載力驗算滿足荷載要求下進行，本文為突出空間管桁架結構，并未進行此項目進行分析和計算。