城市復雜環境下的人行天橋大跨度鋼箱梁吊裝

王 山 彭定蓀

湖南省第三工程有限公司 湖南 湘潭 411104

裝配式鋼箱梁橋梁施工技術在市政和公路橋梁中的應用日益普及，同傳統的預應力混凝土橋梁結構相比，裝配式鋼箱梁橋梁具有抗扭系數大、自重輕、剛度大、整體性好、跨越能力大、拼裝架設方便、工期短等優點。目前對城市大跨度鋼箱梁吊裝有一定研究，但是每個案例面對的復雜環境不同，從而吊裝作業施工技術方案亦有所不同[1-3]。本文以長株潭城際軌道西環線黃家灣高架車站橫跨潭州大道快速路人行天橋A段46.18 m大跨度鋼箱梁吊裝施工為例，探索在城市復雜環境下大跨度鋼箱梁吊裝施工應用經驗。

1 工程概況

長株潭城際軌道交通西環線黃家灣高架車站為西環線一期工程全線第3個車站，位于湘潭九華經濟開發區，設于潭州大道與富家路交叉路口，沿潭州大道敷設。

黃家灣車站人行過街天橋由人行過街天橋A段和人行過街天橋B段2部分組成。人行過街天橋A段位于車站右側（長沙方向），橫跨已建成通車的潭州大道快速路，連接1、2出入口，跨度為46.18 m，寬度為6 m，如圖1所示。人行過街天橋結構主體橋梁采用鋼箱梁結構，主體鋼構件材質采用Q355B，連接采用10.9級摩擦型高強螺栓。鋼箱梁為一體兩箱室結構形式，鋼箱梁標準橫斷面上寬6 m，下寬3.66 m，梁高1.2 m。

圖1 人行天橋平面位置示意

2 項目重點與難點

1）周邊環境復雜。人行天橋A段橫跨湘潭連接長沙的潭州大道快速路，快速路車流量大、速度快且不能中斷交通；周邊緊鄰廠區、居民區，吊裝作業給交通和居民出行組帶來影響，需制定詳細的交通導行方案。

2）跨度大、施工難度大。人行天橋A段跨度大，分段吊裝單節鋼箱梁最長為26.4 m，最長段鋼箱梁質量為68.6 t，吊裝設備選型和吊裝方案設計是確保吊裝作業成功的重要環節。

3）工期緊張。根據批準的工期計劃，人行天橋施工工期（包含鋼箱梁和上部雨棚）為20 d，其中人行天橋A段吊裝作業時間僅為4 d。吊裝作業只能選在車流量較小的夜間進行，有效工作時間短。鋼箱梁按期加工預制完成和如何合理高效組織吊裝作業是這次人行天橋能否按期完成的關鍵。

4）本工程場地狹小，吊車作業空間較小，其他專業交叉作業多，同時人行天橋A段橫跨已建成通車的快速路，人行天橋緊鄰在建軌道交通車站主體結構，吊裝作業半徑小，存在一定安全風險，操作不當，將造成結構損壞，如何確保吊裝作業安全也是吊裝的重點和難點。

3 吊裝方案設計

1）根據設計圖紙和現場施工環境，本次人行天橋鋼箱梁施工采用工廠分段預制加工制作，現場分段一次性整體吊裝。鋼箱梁構件的裝運選用6軸重型平板半掛車，超長構件選用MAN33-464型牽引車及配套尼古拉斯平板車組。

2）整個人行天橋A段將分成ZL1和ZL2兩節段吊裝，在潭州大道右側分隔帶人行天橋橋墩附近設置臨時支架和拼裝分接口。

3）人行天橋A段鋼箱梁吊裝順序為先ZL1后ZL2，ZL1和ZL2主要數據如表1所示。

表1 鋼箱梁分段ZL1、ZL2主要數據

4）人行天橋A段潭州大道快速路右側分隔帶人行天橋橋墩附近設置臨時支架作為鋼箱梁的操作平臺，支架持續時間約2 d。臨時支架采用φ299 mm×8 mm鋼管與型鋼搭設支撐平臺系統；分配鋼梁采用雙拼40a#工字鋼，支架連接系采用16a#槽鋼；支架立柱底部鋪設1.8 m×1.8 m×500 mm的素混凝土基礎塊。臨時支架軸心受壓、偏心分析、混凝土基礎受力分析經過計算滿足要求。

4 吊裝機械選型及配件驗算

4.1 吊裝機械選型

根據分段鋼箱梁長度、質量、提升高度及作業環境等因素，本次鋼箱梁吊裝選用1臺350 t中聯QAY350V533汽車吊。臨時支架在現場為小單元件進行拼裝焊接，單元件中最重構件鋼管柱為0.4 t，擬采用25 t汽車吊進行臨時支架的安裝及拆卸。

4.2 吊耳與卸扣設置及相關驗算

4.2.1 吊耳設置原則

本次吊裝采用B-30型吊耳，其安全負載為30 t。吊耳設置在鋼橫梁腹板和隔板相交處的頂板頂面，一個鋼橫梁分段設置4個吊耳，4個吊耳向心線（構件重心）的交點是鋼橫梁分段自身的重心位置。吊點吊耳形式均采用船用通用吊耳，吊耳的等級、制作、焊接及吊點局部加強等級符合工藝文件要求。在吊點薄弱部位設置加強筋板補強，避免局部失穩。吊耳焊接完畢24 h后還需進行100%磁粉探傷。

4.2.2 卸扣選用

縱梁的每個吊耳配置1個40 t卸扣，大于每個卸扣吊裝時承受構件的極限質量為29.0 t（詳見4.2.3節），卸扣使用是安全的。

4.2.3 吊耳受力分析

人行天橋A段ZL1鋼箱梁質量約68 t，長約26 m，吊裝高度約9 m，擬設4個吊點，按對稱吊點布置原則，鋼絲繩水平夾角為60°。在吊裝過程中，可能會出現短暫的3個吊耳受力的工況，故吊耳的強度計算只按3個吊耳受力工況進行計算〔式（1）〕：

4.2.6 吊耳鋼板最小截面強度驗算

吊耳鋼板最小截面強度按式（3）進行驗算。

經查詢，符合GB 50017—2017《鋼結構設計標準》4.5.5條的要求。所有吊點位置之間產生的彎矩小于鋼橋整體安裝后產生的彎矩，故吊點位置橋體彎矩、強度、穩定性滿足原設計要求。

4.3 鋼絲繩選擇及驗算

吊索具選擇根據吊點受力分析，如圖2所示，在吊裝過程中，可能會出現短暫的3根鋼絲繩受力的工況，故鋼絲繩的強度計算只按3根鋼絲繩受力工況進行計算。設每一吊點采用單股鋼絲繩，則每股鋼絲繩所受的拉力F為290 kN。

圖2 鋼絲繩受力情況

安全系數K＇取8，則每根鋼絲繩需承受的拉力P＝F×K＇＝290×8＝2 320 kN，抗拉強度為1 960 MPa的直徑為60.0 mm的鋼絲繩的最大受力為2 510 kN＞2 320 kN，使用該類鋼絲繩可滿足使用要求。

5 鋼箱梁吊裝工況分析

5.1 吊裝最不利工況分析

1）鋼箱梁吊裝對鋼箱梁整體剛度有較高的要求，本次吊裝采用最不利工況ZL1段進行安全驗算。

2）ZL1為鋼箱梁最重和最長吊裝節段，構件質量約為67.7 t，長26.04 m，是黃家灣車站人行天橋最不利吊裝構件。擬采用350 t中聯QAY350V533汽車吊進行吊裝作業，吊車工作半徑12 m，汽車吊臂長25.8 m，額定吊重86 t，而

實際吊重為68.6 t×1.1（安全系數）＋2 t（鉤頭、鋼絲繩）≈77.46 t，QAY350V533汽車吊可以滿足安全吊裝要求。

5.2 吊裝時地基承載力驗算

在構件吊裝施工過程中，將采取對起重機械支腿區域鋪墊鋼板和枕木。每個支腿下部墊鋪規格為2.5 m×2.5 m×30 mm鋼板1塊，鋼板上墊鋪規格為2.00 m×0.25 m×0.25 m枕木，鋼板下鋪2 m×6 m路基板。潭州大道現狀瀝青混凝土路面承載能力經過現場試驗復核為100 kN/m2。在整個吊裝施工過程中，ZL1、ZL2鋼箱梁吊裝施工采用350 t中聯QAY350V533汽車吊。吊裝時地面最大荷載最不利工況考慮為2個支腿受力，則支腿反力按式（5）計算：

經計算，支腿對路面的壓應力為108.8 kN/m2，小于現狀瀝青道路地面承載力1 000 kN/m2，現狀瀝青道路地面承載力滿足使用要求。綠化帶吊裝覆蓋區域需采用C25混凝土硬化，確保硬化后的地基承載力不得低于300 kN/m2。

5.3 吊車穩定性驗算

起吊前先進行抗傾覆驗算，確保汽車的穩定力矩大于傾覆力矩。根據現場的情況，選取最不利工況ZL1進行驗算，構件最大質量為68.6 t，構件長26.04 m，作業半徑12 m。根據GB/T 3011—2008《起重機設計規范》，吊車所受的力矩和應大于0〔式（7）〕。

汽車吊工作時的受力簡圖如圖3所示。考慮最不利工況，風動荷載作用于吊物端，傾覆邊為吊車自重力矩的力臂最短邊。

圖3中：G為汽車吊自重加配重，取84 t＋107 t＝191 t；Q為吊物最大質量，取68.6 t；W為風動荷載，按吊物的20%考慮，取68.6 t×0.2＝12.16 t；a為汽車吊重心至支腳傾覆支點的距離，支腿全伸為9.0 m，故a取4.5 m；R為吊物作用于傾覆邊的力臂，即汽車吊工作半徑，最大取12米；h為風動載合力點高度，取9 m。將上述數據代入式（8）計算，得到汽車吊工作時的力矩為144 345 N·m＞0，故穩定性滿足要求。

圖3 汽車吊工作時受力示意

6 人行天橋A段鋼箱梁吊裝施工操作要點

6.1 吊裝施工工藝流程

施工準備→測量放線復核→封閉施工及交通導行→臨時支架安裝就位→ZL1鋼箱板梁定位吊裝→ZL2鋼箱板梁定位吊裝→鋼箱梁焊接、涂裝→臨時支架落架、拆除

6.2 操作要點

6.2.1 吊裝施工模擬

正式吊裝前對吊裝方案進行全員、全要素、全過程吊裝施工模擬。檢查交通導行方案可行性；檢查人、機、材準備情況和協同性；檢查吊裝作業環境等。通過施工現場吊裝模擬，進一步優化吊裝方案。

6.2.2 測量放線復核

鋼箱梁安裝前，必須對支座頂標高、中線以及每孔跨徑進行復測，誤差在設計和規范允許范圍內方可架設。同時，在樁頂上畫出縱橫向十字線，以便于安裝對正。鋼箱梁架設完畢后現場采用千斤頂或楔鐵來調節位置及標高、垂直度，待垂直度和標高調整完畢后再進行焊接定位。

6.2.3 封閉施工及交通導行

根據已批準的專項施工方案和交通導行方案，吊裝施工區域采用硬質圍擋封閉施工，對箱梁運輸路線和吊裝區域分時段交通導行。采取雙班作業方式，從而減少占道時間，吊裝作業安排在夜間10點至第二天早上6點進行，嚴格控制臨時占路范圍和時間。按照有關規定，設置臨時交通導行標志、設置路障、隔離設施、夜間警示信號，現場人員協助交通管理部門疏導交通，確保車輛行人安全通過施工區域。

6.2.4 臨時支架安裝就位

按照施工方案在潭州大道右側輔道范圍內搭設臨時支架，并確保臨時支架的強度、剛度和穩定性。

6.2.5 ZL1鋼箱梁吊裝

吊車預先停在工作半徑范圍內，運輸鋼箱梁車開到吊機起吊范圍內。起重工掛索，吊機緩慢上力將鋼梁吊離運輸車300 mm時停下，觀察吊機是否穩定，然后吊機起吊，把鋼梁吊過墩柱或支架，吊機旋轉到達安裝位置，在現場信號工和技術人員指揮下，緩慢落鉤，將鋼梁上的支座線對準柱頂上的定位線進行就位，就位后逐步松鉤，待吊機只承擔10%鋼梁質量時仔細觀察支架、墩柱、支座及鋼箱梁本體有無變形，確定安全后完全卸荷，摘鉤卸繩，安裝完畢。吊裝過程中進行臨時加固，構件安裝過程中采取必要的牽拉、支撐、臨時連接等措施。

6.2.6 ZL2鋼箱梁吊裝

按照ZL1鋼箱梁吊裝流程進行ZL2鋼箱梁吊裝，ZL2吊裝期間，右側輔道可以通行。

6.2.7 鋼箱梁連接和涂裝

ZL1和ZL2鋼箱梁架設完畢后現場采用千斤頂或楔鐵來調節位置及標高、垂直度，待垂直度和標高調整完畢后再進行焊接和高強螺栓連接定位。鋼箱梁連接和涂裝質量需滿足現行規范標準和設計要求。

6.2.8 臨時支架落架、拆除

臨時支架落架、拆除前，所有焊接、打磨、補漆工作全部結束，并且通過焊縫檢測合格后，方可落架、拆除。分段臨時支架落架、拆除前，焊接全部結束，對橋面關鍵部位進行水平標高測量，測量數據記錄，并做好測量點標記。密切關注臨時支撐落架點的標高變化，整橋臨時支架落架，每次落架數值不得大于5 mm，循環往復，直至臨時支架支點與下箱形梁底板產生縫隙，開始拆除臨時支架。分段臨時支架落架、拆除后進行橋面板裝飾鋪設。

7 結語

在長株潭城際軌道西環線黃家灣高架車站人行天橋A段46.18 m大跨度鋼箱梁吊裝施工中，通過利用Navisworks、Abaqus CAE等BIM技術手段實現了吊車選型、吊具有限元分析、吊車三維模型參數化生成、吊裝過程三維模擬等，吊車方案由最初的2臺200 t雙機抬吊方案變更為1臺350 t吊裝方案，在確保安全的前提下，節約了吊裝費用。

通過制定切實可行的吊裝方案和交通導行方案，科學安排、精心組織，確保了大跨度鋼箱梁在城市復雜環境下順利安全吊裝，吊裝時間由原計劃的4 d縮短到2 d，最大限度減少了對人民群眾出行的影響。黃家灣車站大跨度鋼箱梁的吊裝施工技術經驗可為后續類似工程提供借鑒。