拱橋超大質量拱肋鋼結構吊裝方案研究

摘要：以信陽高新區海營生態智慧城云智大道橋為研究對象，對飛燕式鋼混組合拱橋超大質量拱肋鋼結構吊裝方案進行研究。進行拱肋鋼結構吊裝高度測算，闡述起重機的選用與計算方法，對吊裝作業地基及支架地基承載力進行計算，提出19段超大質量拱肋鋼結構的吊裝工藝。研究結果可對超大質量構件吊裝以及起重機選用與計算提供參考。

關鍵詞：飛燕式拱橋；超大質量；鋼結構；吊裝；承載力

0 " 引言

近年來，組合式橋梁在城市交通建筑中的應用范圍不斷擴大，梁拱結合的飛燕式拱橋就是其中一個典型代表[1]。飛燕式拱橋具有跨越能力大、承載能力強、地基適應能力強、造型優美等特點。本文以信陽高新區海營生態智慧城云智大道橋，超大質量拱肋鋼結構吊裝為研究對象，對拱肋鋼結構吊裝高度進行測算，闡述起重機的選用與計算方法，對吊裝作業地基及支架地基承載力進行計算，提出19段超大質量拱肋鋼結構的吊裝工藝。

1 " 工程概況

信陽高新區海營生態智慧城云智大道橋全長234m，其中主橋160m。主橋采用30m+100m+30m=160m飛燕式拱橋，主橋主梁采用鋼混結合梁結構，拱肋采用八邊形鋼箱結構。在軸線平面內，主拱矢高25m，矢跨比1/4；邊拱矢高6.862m，矢跨比1/3.44。南北兩側引橋均采用1～30m預應力混凝土整體箱梁。

主橋為中承式拱橋，鋼拱柔梁吊橫梁體系，拱肋為主承重結構，主拱產生的水平推力部分由主、邊拱間相互平衡，部分由系桿承受。拉索區橋面系為縱橫梁體系，由主梁、橫梁、縱梁和橋面板組成，除橋面板為混凝土結構外，其余均為鋼結構。荷載由橋面板傳到橫梁再到縱梁，由縱梁傳給吊桿再傳到拱肋，由拱肋傳到拱腳、基礎。

2 " 拱肋鋼結構吊裝方案確定

根據工程概況及現場條件將整個拱肋共分19段，如圖1所示。其中中跨7段，每側邊跨2段（共4段），每側拱腳4段（共8段）。

通過建模及繪圖，分別計算了19段拱肋結構的尺寸、質量，結合現場實際測量，測算出拱肋鋼結構實際安裝高度。其中，拱腳G5最重段安裝高度距地面3.3m，拱肋G9合攏段安裝高度距地面30m，邊拱G1鋼結構安裝高度距地面12m，拱肋鋼結構明細表及部位分析見表1。

鋼結構安裝整體思路為拱肋從拱腳開始對稱安裝，最后安裝合攏段（G9）。拱肋安裝順序依次為拱腳G4→臨時支架→拱腳G5→拱腳G6→鉆石橫梁→拱腳G3→邊跨拱肋G2、G1→牛腿→鋼梁→鋼梁上安裝拱肋臨時支架→安裝拱肋G7→拱肋G8→合攏段拱肋G9。

3 " 起重設備選用

3.1 " 起重設備類型

施工常用起重設備主要包括汽車起重機、履帶式起重機、 輪胎起重機等[2]。通過對以上起重設備優缺點、實際施工條件、施工成本等進行分析可知，汽車起重機具有行駛速度快、轉場迅速、對路面破壞性小的特點，鑒于施工場地工點多，流動性大，需經常變換作業地點，為此選用汽車起重機吊裝拱肋鋼結構構件。

3.2 " 起重機吊裝計算

針對現場實際吊裝情況，分別選取3種特殊工況進行吊裝工況分析，具體如下：

3.2.1 " 拱腳G5鋼結構計算

拱腳G5鋼結構最重段質量71t，安裝高度3.3m，經繪圖模擬，計算出起重機臂長為17.9m，回轉半徑7m。拱腳G5鋼結構起重機荷載為：

Q=K（Q1+Q2）=1.1×（71+1）=79.2t " " " （1）

式中：Q為起重機荷載；Q1為構件自身質量；Q2為吊具及鋼絲繩重，按1t計算；K為動載系數，按1.1計算。查閱汽車起重機SAC2000E性能參數表可知，配重70t后移500mm，等同配重79t時。此情況下最大吊裝質量為94t，拱腳G5鋼結構吊裝質量為79.2t，＜94t，滿足規范要求。

3.2.2 " 主拱G9鋼結構計算

主拱G9鋼結構合龍段質量41t，安裝高度30m，經繪圖模擬，計算出起重機臂長為40.4m，回轉半徑10m。主拱G9鋼結構起重機荷載為：

Q=K（Q1+Q2）=1.1×（41+1）=46.2t " " " （2）

此情況下最大吊裝質量為49t，主拱G9鋼結構吊裝質量為46.2t，＜49t，滿足規范要求。

3.2.3 " 邊拱G1鋼結構計算

邊拱G1鋼結構質量27.5t，安裝高度12m，經繪圖模擬，計算出起重機臂長為26.9m，回轉半徑7m。邊拱G1鋼結構起重機荷載為：

Q=K（Q1+Q2）=1.1×（27.5+1）=31.35t " " "（3）

查閱汽車起重機STC1000T性能參數表可知，配重8t時，此工況最大吊裝質量為54.6t，邊拱G1鋼結構吊裝質量為46.2t，＜54.6t，滿足規范要求。

綜上所述，根據吊裝質量及現場情況，綜合考慮工期及成本等因素，吊裝采用200t和100t汽車起重機進行吊裝作業，即可滿足要求。

4 " 吊耳設計及鋼絲繩選用

4.1 " 受力分析

拱肋最重段為拱腳上段，質量為71t，采用4個吊點進行吊裝，由于橫向吊耳間距遠小于縱向吊耳間距，故按照雙股鋼絲繩進行受力，受力分析如圖2所示。單根鋼筋受力F計算如下：

F=72/4sin60°×g=207.8kN " " " " " （4）

4.2 " 鋼絲繩選用及計算

吊裝單件最大質量按照71t計算，按照GB/T 2018-2017《粗直徑鋼絲繩》選用Ф60mm的鋼絲繩。

單根鋼絲繩承受的拉力為F=207.8kN，單根鋼絲繩承受的破斷拉力F0為：

F0=F·K/φ=207.8×6÷0.82=1520.5kN " " （5）

式中：F為鋼絲繩承受的拉力；K為安全系數，取值

6；φ為應力折減系數，取值0.82；

查閱五金手冊，采用6×37M-FC鋼絲繩，鋼絲繩強度等級為1570（纖維芯），經計算，得到鋼絲繩最小破斷拉力總和2085.8kN，＞1520.5kN，為此鋼絲繩滿足吊裝要求。

4.3 " 卸扣選用

卸扣按照GB/T25854-2010《一般起重用D形和弓形鍛造卸扣》，選擇弓形卸扣等級為4級，極限工作荷載32t，詳見表2。

4.4 " 吊耳設置與相關要求

根據每個隔板位置設置吊耳，通過設計并在詳圖中標識，吊耳設置及相關要求如下：

吊耳布置應盡量布置在隔板、腹板及加勁肋上部對應位置；根據起重機型號、鋼絲繩長度、梁段長度、起重機臂長等，確保鋼絲繩與梁段夾角＞60°；應考慮卸扣具體尺寸；吊耳孔中心距吊耳邊緣距離≥吊耳孔直徑；吊耳厚度≥6mm，吊耳孔中心至與構件連接焊縫距離為1.5～2D（D為吊耳孔的直徑）；吊耳板與構件連接焊縫長度和高度應經過計算，并滿足要求：焊縫高度≥6mm；吊耳板可根據計算和構造要求設置加強板，加強板厚度≤吊耳板厚度。

5 " 吊裝作業地基及支架地基承載力計算

5.1 " 吊裝作業地基承載力計算

選取吊裝拱肋鋼結構最重段71t計算。200t汽車起重機的自重約為54.9t，吊裝最大段時配重70t，地基承載力計算如下：

（6）

式中：G1為吊裝質量，本工程最重吊裝質量=構件質量+繩索質量=72t，動力系數按1.4考慮；G2為汽車起重機自重+起重機配重（54.9t+70t=125t）；S為汽車起重機的受力面積，四支腿墊板按2m×2m=4㎡計算；?a為地基承載力。

通過現場工程地質測繪以及勘探研究可知，云智大道橋地層巖性多為Ⅱ級普通土，素填土居多。查閱資料素填土壓縮模量為7MPa時，承載力為160kPa。現場地面換填夯實硬化后其就能達到相應承載力，滿足吊裝要求。

5.2 " 支架地基承載力計算

選擇承載力最大的支架，即合龍拱肋下方主梁段接口位置支架進行地基承載力分析。設N總為豎向總壓力，N1為拱肋和主梁安裝完成后支架支撐質量，N2為支架自重，N3為基礎自重，N4為施工載荷，N5為混凝土橋面質量。經計算得到，N2=70kN，N4=50kN（按計算混凝土橋面質量），N3=172.8kN，N5=2068.6kN。

拱肋和主梁安裝完成后支架支撐質量N1計算如下：

N1=G總=拱肋+主梁+拱肋支架+橫梁=1545kN "（7）

豎向總壓力N總計算如下：

N總=N1+N2+N3+N4+N5=3906kN " " " " " （8）

豎向總壓強P計算如下：

P=N總/A=111.6kN/m2 " " " " " " （9）

式中：A為混凝土基礎表面積，采用7m×5m基礎，值為35m2。

綜上所述，基礎采用500mm厚C25混凝土地基承載力可達150kN/m2，滿足規范要求。

6 " 鋼結構吊裝

拱肋鋼結構吊裝工程中共計有4個拱腳，2個拱肋，根據現場情況分析，本工程吊裝均為常規吊裝，按照結構形式分為3類：拱腳、邊拱吊裝、中跨拱肋吊裝[3]。

6.1 " 吊裝站位及運輸通道

拱肋吊裝，每段對應一個200t起重機站位。邊跨區因安裝完邊拱肋及臨時支架，起重機及運輸車無法進入內部，故在邊拱G2、G1及邊跨主縱梁安裝前，先采用200t起重機，將8根中橫梁按照安裝位置提前放到邊跨區地面[4]。邊跨主縱梁安裝后，用100t起重機和200t起重機分別站在橋體兩側抬吊中橫梁就位。需要注意的是，起重機站位及運輸車要避開6m寬地下涵管區域。

6.2 " 拱腳及邊拱肋吊裝

吊裝順序依據分段由下到上依次吊裝。拱腳分為兩段安裝，第一段的安裝精度關系到拱肋的安裝線形，為保證安裝精度，在拱腳第一段和第二段四周搭設剛性支架。拱腳安裝就位后與支架剛性連接，以避免由于混凝土澆筑造成誤差。

6.2.1 " 拱腳下段鋼結構吊裝

200t汽車起重機進場就位，起重機站在橋體外側通道，吊裝站位如圖3所示，運輸車載拱腳到安裝位置，起重機將拱腳下段從運輸車上吊運到回轉半徑范圍內。拱腳下段質量為60t，安裝高度為1m，選用工況為：起重機回轉半徑為7m，臂長為17.9m，配重70t后移500mm，等同79t配重時，可吊裝94t（SAC2000E型起重機主臂性能表數據），滿足工況要求。

6.2.2 " 拱腳上段鋼結構的吊裝

200t汽車起重機站在橋體外側通道，起重機將拱腳上段從運輸車吊到地面回轉半徑范圍內，調整到安裝狀態后吊裝就位。拱腳上段質量為71t，安裝高度為3.3m，選用工況為：起重機回轉半徑為7m，臂長為17.9m，配重70t后移500mm，等同79t配重時，可吊裝94t，滿足工況要求。

6.2.3 " 拱腳鋼結構的吊裝

搭設拱腳G3、G6臨時支架，200t起重機站在橋體外側通道，起重機將拱腳G3、G6從運輸車吊到地面回轉半徑范圍內，調整到安裝狀態后吊裝就位。G3質量為55t，安裝高度4.8m，G6質量為68t，安裝高度7.6m，選用工況為：起重機回轉半徑為7m，臂長為26.9m，當70t配重后移500mm，等同79t配重時，可吊裝86t，滿足工況要求。

6.2.4 " 安裝邊跨拱肋

100t起重機站在橋體外側通道，先安裝臨時支架后依次吊裝邊跨拱肋G2、G1。邊跨拱肋G2質量51t，安裝高度7m，邊跨拱肋G1質量28t，安裝高度12m，邊跨拱肋從運輸車上將構件吊裝到地面，調整到安裝狀態后進行吊裝。起重機選用工況為：起重機回轉半徑為7m，臂長為26.9m，汽車起重機STC1000T在13.3t配重時，最大吊裝質量為59.5t，滿足工況要求。

6.3 " 中跨拱肋吊裝

主梁安裝完成后，在主縱梁上搭設拱肋安裝臨時支架。每條中跨拱肋共5個安裝節段，安裝順序為自下向上安裝，最終合攏[5]。

200t起重機站在橋體外側通道，起重機對稱安裝中跨拱肋G7、G8，最后安裝合攏段G9。中跨拱肋G7質量37t，安裝高度15m；拱肋G8質量40t，安裝高度23m；合攏段G9重41t，安裝高度30m。5個拱肋段從運輸車吊到地面回轉半徑范圍內，調整到安裝狀態后吊裝就位。

按照合攏段選用工況為：起重機回轉半徑為10m，臂長為40.4m，汽車起重機SAC2000E配重70t后移500mm，等同79t配重時，最大吊裝質量為49t，滿足工況要求。

6.4 " 吊裝安全措施

拱肋為圓弧形，尺寸較長，為了避免構件吊裝過程中擺動過大，同時為了更好的輔助構件就位，構件吊裝前，需要在構件兩側綁扎遛繩[6]。構件吊裝采用四點吊裝，以最大限度保證構件吊裝過程中的穩定。構件吊裝過程中，起重機的起鉤、落鉤、回轉必須采用最慢速，以防止構件發生大幅度擺動。吊裝過程中，通過人為拉拽遛繩保證構件的穩定性，控制構件的姿態。構件吊裝過程中構件擺動較大時，停止起重機操作，通過人為拉拽遛繩使構件穩定后再繼續操作起重機。

7 " 結束語

本文以信陽高新區海營生態智慧城云智大道橋超大質量拱肋鋼結構吊裝方案為研究對象，通過實際測算、三維建模、CAD吊裝尺寸模擬等方式，主要獲得以下幾點結論：

通過將飛燕式超大質量鋼拱橋拱肋鋼結構合理分解成19段，通過建模測算出各段拱肋鋼結構的尺寸、質量，結合現場實際測算出各段拱肋鋼結構吊裝高度，提高了吊裝施工精準度。

各段拱肋鋼結構質量均在20t以上，吊裝施工過程屬于重危大工程。起重機選型、吊耳設計、鋼絲繩選用、吊裝作業地基及支架地基承載力計算等至關重要，通過合理選擇及驗證，降低了施工安全風險。

拱結構吊裝工藝中通，過對各段拱肋鋼結構吊裝模擬、起重機站位布置，極大程度提高了拱肋鋼結構吊裝施工合理性，為類似橋梁預制橋面板吊裝提供了寶貴的施工經驗，同時為大型構件吊裝提供了的理論基礎和實踐指導。

參考文獻

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