利用相鄰建筑物進行吊裝作業對其結構的影響分析

袁 迪 郝中明 尚杰軍

（中交一公局第三工程有限公司，北京 101102）

0 引言

在山區高速公路互通立交樞紐工程中，新建或改建匝道常與既有高速在空間位置上錯綜復雜，互通橋梁間多次進行拼接跨線施工；受地形及既有建筑物的限制，施工作業面有限，這些工程往往需要利用既有橋梁開展吊裝作業。進行橋梁吊裝作業時，往往需要采用大起重量的吊車施工，通常關注吊車的起吊能力及吊物重量，而忽視了這些荷載對既有橋梁的影響,甚至可能會超過橋梁正常使用的極限荷載，從而對橋梁造成破壞。

本文結合實際工程項目，分析吊車站位、橋梁本身結構型式、吊物重量及吊車自重等各類因素對橋梁的影響，并對吊裝過程進行科學地分析計算，以保證吊裝作業安全，為施工提供技術支持。

1 工程概述

1.1 工程簡介

萬州環線高速公路鹿山互通立交樞紐拼寬橋工程，與既有G42 滬蓉高速拱橋院子大橋進行拼接，見圖1所示。

圖1 鹿山互通新舊高速拼接示意

拼寬橋上部結構采用“工字鋼板梁+RC 橋面板”的單幅結構的型式；鋼主梁采用直腹板形式，40m 跨徑，單梁截面中心處組合高度2.5m，其中鋼梁高2.24m，單片鋼梁最大重量為30.7t，鋼梁距原地面高度高達76.2m。互通內A 匝道3 號橋，整體橋面寬度24.5m，左右半幅寬度11.75m，為40m 結構簡支，橋面連續T 梁。

1.2 吊裝方案基本思路

由于互通區內地勢高差大，場地作業狹窄，若于地面吊裝則高度較高，且周邊大量墩柱群導致吊車大臂伸展及轉動受限。吊裝位置見圖2。同時緊貼既有高速的拱橋院子大橋交通流量大，若利用老橋進行吊裝作業，則對交通干擾較大，同時運營多年的老橋劣化及受損程度不明，設計較為薄弱，在其上吊裝安全風險大。故考慮利用與拼寬橋相臨近的新建A3 匝道橋作為吊裝作業平臺，吊裝半徑最大為24m，吊裝高度為27.8m。

圖2 A3 橋與拼寬橋相對位置

鋼梁安裝擬采用梁段雙機抬吊方式，在廠內加工成梁段運至現場拼裝，然后由運梁炮車運送至安裝起吊位置進行安裝，吊車站位示意圖見圖3 所示。

圖3 吊車站位平面示意圖

鋼梁單片進行安裝，起吊安裝時首先安裝靠近老橋側主梁，主梁架設到位后及時安裝橫桿及斜撐，保證主梁的穩定性。

1.3 吊裝過程中存在的難點

（1）周邊環境復雜，吊裝高度大，緊鄰營運高速及高壓線路鐵塔，作業場地受限。

（2）橋上進行吊裝，除分析吊車、吊具自身的起吊能力外，更重要的是吊裝作業過程中既有橋梁結構不能造成破壞。

（3）吊裝作業下吊車于梁體上的應力分布是不均勻的，不同位置對橋梁的影響差異較大，可能出現整體滿足要求而局部破壞，如翼緣板等薄弱部位。

（4）受鋼梁重量及吊裝高度及半徑的要求，吊車選型時，至少需要SAC3000 型以上的吊車才能滿足要求。

2 橋梁結構安全性分析

2.1 計算基本數據

鋼材自重：78.5kN/m3；混凝土自重：26.0kN/m3；橋面護欄：10kN/m；自重系數：-1.05；對于汽車荷載縱向整體沖擊系數μ，計算的結構基頻=5.00Hz，沖擊系數μ=0.269；混凝土受彎構件豎向撓度最大值L/600。驗算結構強度及穩定性時恒荷載分項系數取1.2，活荷載分項系數取1.4；驗算撓度時荷載分項系數均取1.0。

2.2 起吊作業時支腿荷載計算

據汽車吊布置情況，將汽車吊受力模型進行簡化，假設支腿的支撐面是一個理想的平面，且4 條支腿均與接觸面接觸（無抬腿現象），默認回轉中心剛度大，變形小，考慮車架大梁的扭轉及各支腿的彎曲影響。汽車吊支腿受力計算簡圖如圖4 所示。

圖4 吊裝作業時支腿力計算簡圖

通過平衡方程求出各支反力：

吊裝梁段時，最大吊裝重量為15.0t，汽車吊配重100t，由汽車吊相關參數可知，=4.25m，=4.488m，=1.833m，=3.275m，=720kN，=1150.0N，=150.0×22=3300kN.m，=60°，通過平衡方程求解出各支腿反力為=446.85kN，=783.07kN，=529.77kN，=193.55kN。

2.3 起吊作業最不利工況驗算

按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG3362-2018）第5.1.2 條驗算，驗算結果見圖5、圖6、圖7 所示，結構重要性系數×作用效應的組合設計最大值均≤構件承載力設計值，滿足規范要求。

圖7 斜截面抗剪承載能力驗算結果

2.4 持久狀況正常使用極限狀態驗算

按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG3362-2018）第6.3.1-2 條驗算,驗算結果見圖8、圖9 所示，結構正截面及斜截面抗裂驗算均滿足規范要求。

圖8 正截面抗裂驗算頻遇組合結果

圖9 結構斜截面抗裂驗算結果

2.5 持久狀況構件應力驗算結果

按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG3362-2018）第7.1.5，7.1.6 條驗算，驗算結果見圖10、圖11，正截面及斜截面壓應力滿足規范要求。

圖10 正截面混凝土法向壓應力驗算結果

圖11 斜截面混凝土的主壓應力驗算結果

2.6 受彎構件撓度驗算

按照相關規范要求，受彎構件在使用階段的撓度驗算按荷載頻遇組合，乘以撓度長期增長系數，撓度長期增長系數取1.81。

對于鋼筋混凝土和預應力混凝土受彎構件，按上述計算的長期撓度值，在消除結構自重產生的長期撓度后，梁式橋主梁的最大撓度處不應超過計算跨徑的1/600。活載作用下的最小豎向位移見圖12。

圖12 活載作用下的最小豎向位移

2.7 汽車吊支腿鋼墊梁驗算

已知汽車吊最不利狀況時單支腿最大支腿力為783.07kN，單個支腿與鋼梁接觸面積約0.36m2，則作用在單個支腿處的面荷載為=2.18MPa。

通過建立鋼墊梁細部有限元模型,計算吊車站位起吊作業最不利工況時的內力及變形，鋼墊梁模型長度為2.8m。鋼墊梁豎向撓度值見圖13。由圖13 可知，汽車吊最不利狀況時支腿處鋼墊梁最大豎向撓度為-0.87mm，撓度值較小，說明鋼墊梁有足夠的剛度。

圖13 鋼墊梁豎向撓度值

經驗算，汽車吊站位起吊作業最不利工況時，鋼墊梁實體單元最大von-mises 應力為124.79MPa，小于Q355 鋼材的彎曲應力設計值275MPa；最大剪切應力為63.89MPa，小于剪切應力設計值160MPa；最大主拉應力為48.36MPa，最大主壓應力為129.38 MPa，小于軸向應力設計值275MPa。其最大剪切應力及主拉應力見圖14、圖15。

圖14 鋼墊梁最大剪切應力圖

圖15 鋼墊梁最大主拉應力圖

3 計算結果分析

綜合以上計算結果，汽車吊在A3 橋墩頂側10m范圍內，橋梁上部結構強度可滿足受力要求，且有一定的安全儲備。同時施工過程中需注意以下幾點：

（1）汽車吊移位時應嚴格沿著預制T 梁腹板中心線行走，應提前劃線標記，便于引導汽車吊行走路線。同時汽車吊移位時應卸除部分配重。

（2）施工過程中，應加強對上部預制T 梁的受力狀況的觀測，及時了解橋梁本身的承載狀態，出現異常時應立即停止施工。

（3）鋼梁吊裝過程中，應盡量避免將吊車安排在橋跨內，橋面及下方地面區域應實行封閉。橋面之上嚴禁方案允許以外的機械設備、車輛進入施工區域，防止超載事故的發生。圖16 為鋼梁吊裝作業現場。

圖16 鋼梁吊裝作業

（4）為避免橋上荷載過大，A3 橋橋面鋪裝宜在鋼梁吊裝完成后施做，但為保證橋梁整體受力，濕接縫必須施做完成并達到規定強度。

（5）吊裝前必須按照既定位置于橋面上測量放線，確定吊車支腿放置位置、運梁車輪胎運行路線，確保與計算工況一致。

（6）汽車吊支腿避免直接加載于梁體的翼緣板上，應設置墊梁使荷載均勻分布于相鄰兩片梁的梁肋傳遞荷載；同時墊梁與橋面間隙采用細砂鋪筑；以免荷載過于集中造成梁體破壞。

（7）嚴格限制汽車吊吊臂的旋轉范圍，施工時設置指揮人員，保證兩吊車協同作業，達到控制最不利位置支腿反力的目的。

4 結束語

利用既有結構進行吊裝作業對其結構本身的分析驗算是不容忽視的，項目技術人員通過對起重機在既有橋梁上作業對橋梁自身結構的受力分析計算，制定出了合理、安全的吊裝方案，并得以安全實施，大大加快了施工進度，降低了交通導改成本支出。為同類型互通立交工程跨線拼接施工作業提供了具體的方案和借鑒思路。