大跨度鋼桁架拱人行天橋安裝技術研究及應用

摘要：文章結合實際工程案例，系統(tǒng)研究了鋼桁架拱分段設計、吊點選取、吊車選取、地基承載力計算及安裝技術，并通過有限元分析等手段合理選取吊點，避免了結構出現(xiàn)焊縫開裂等問題，保證了人行天橋的壽命，值得同類項目參考。

關鍵詞：鋼桁架拱；人行天橋；吊點選取；安裝

中圖分類號：U448.11A341144

0引言

高速公路通過中央分隔帶分左右幅設計，上跨人行天橋的墩身設置在中央分隔帶中。隨著改擴建工程的增多，雙向四車道天橋跨度無法滿足擴建雙向八車道跨度的要求，需設計跨度更大的人行天橋。人行天橋跨度增大，帶來了諸多問題，如人行天橋的重量增加，給吊裝帶來了困難；鋼桁架拱吊點選取不適當容易造成結構內部應力增大，甚至造成焊縫開裂的情況；鋼結構分段及加工精度難以保證，需做好總體分段設計［1］。本文通過理論分析，實現(xiàn)了鋼桁架拱合理分段，選擇了合適的吊點、吊車，將該技術應用于工程實踐，高效高質量完成了人行天橋的安裝。

1工程概況

蘭州至海口高速公路廣西欽州至北海段改擴建工程那麗服務區(qū)人行天橋采用（25+50+25）m鋼桁架拱，橋梁全長100 m，天橋立面布置見圖1。橋梁縱坡為雙向1%的縱坡，無橋面橫坡，鋼箱梁采用Q345C鋼，橋面鋪裝采用2.5 cm厚C15混凝土鋪裝和1.5 cm厚防滑地磚。

2技術特點

大跨度鋼桁架拱人行天橋安裝技術的難點及關鍵點在于對鋼桁拱結構的分段、吊點選取、吊車選取、地基承載力計算及現(xiàn)場安裝，這些獨立的部分需要做好分項細化設計，才能順利完成大跨度鋼桁架拱人行天橋的安裝。因此必須對鋼桁拱架的分段做合理的設計，利用有限元軟件進行吊點選取對比分析，以減輕結構吊裝過程出現(xiàn)過大的應力；根據(jù)現(xiàn)場條件合理選擇吊車，必須保證足夠的地基承載力，確保吊裝過程中不出現(xiàn)傾覆垮塌事故。

3鋼桁架拱分段設計

為保證鋼桁拱架加工質量，選在南寧專業(yè)鋼結構廠家進行加工，受限于道路運輸條件，無法完整加工成形整孔鋼桁架拱，需對鋼桁架拱進行分段運輸。為減少現(xiàn)場拼接工作量，結合運輸條件情況，將鋼桁拱架上、下弦分成3段，其中下弦桿分別與對應的橋面板組裝成整體后發(fā)運；上弦桿分別與對應的腹桿組裝成單片結構整體發(fā)運。下弦桿與橋面板工廠組裝發(fā)運節(jié)段時，橋面板橫向接口與下弦桿接口要求錯開200 mm。鋼桁架拱分段設計見圖2，該總體分段方案報設計單位審批同意后方可進行加工，鋼結構加工圖應報送監(jiān)理審批后且焊接工藝評定通過審批后方可進行加工制作［2］。

4鋼桁架拱吊點選取

鋼桁架拱吊點選取不適當容易造成結構內部應力增大，甚至造成焊縫開裂的情況，因此需做不同吊點位置下結構應力的對比分析。由于結構吊裝過程中發(fā)生的變形為彈性變形，因此以結構變形不作為吊點選取的對比因素［3］。同時考慮施工的便利，選取最合適的吊點。分別設置5組吊點如圖3所示。

建立Midas Civil有限元模型，吊點1計算模型如圖4所示，對同一起吊工況不同吊點位置的結構應力作對比分析。鋼桁架共設置4處吊點，每邊各2處吊點。

提取5組電算模型分析結果匯總形成折線圖如下頁圖5所示。由圖5分析可知，在同一吊裝工況下，鋼桁架拱各桿件應力變化不大，均處于較小值，遠低于材料屈服強度，結構應力變化受吊點位置變化影響小；應力變化較大的是吊桿，其最小應力為第1組吊點組合，應力為138.8MPa，最大應力為第3組吊點組合，應力為677.0MPa。綜合對比選用吊點1作為實際施工吊點，該吊點設置合理，滿足受力要求及安全要求。

5吊車選取及地基承載力計算

5.1吊車選取計算

由《路橋施工計算手冊》相關規(guī)范可知，單機吊裝作業(yè)應滿足以下公式：

（1）

完全拼裝后重67 t，Q1=67 t，吊索吊具重Q2=3 t，K為起重機降低系數(shù)，取0.8。

根據(jù)1臺汽車吊起吊不能超過額定起重量的80%規(guī)定，則起吊重量≥350/80%=280 t。

起重高度計算：

（2）

式中：h1 —— 安裝支座表面高度（m），根據(jù)實際汽車吊擺放在現(xiàn)有舊高速公路上，h1取9.3 m；

h2 —— 安裝預留空間（m），參考值為0.2～0.5 m，本項目取0.3 m；

h3 —— 吊點到構件起吊后底面的高差（m），即主拱整體的高度為6.9 m；

h4 —— 吊具高度（m），綁扎點至吊鉤的距離，視實際而定，取5 m。

即：H=9.3+0.3+6.9+5=21.5 m，起重高度取21.5 m。

起重臂長度計算：

350 t汽車吊自重為84 t，全伸支腿360°作業(yè)，工作半徑為10 m，主臂伸出后長度為25.76 m時，最大起吊重量為87 t，滿足要求。

5.2地基承載力驗算

350 t汽車吊自重84 t加上主拱重67 t，總荷載為151 t，分別作用在吊車4個支腿上。根據(jù)設計經(jīng)驗，汽車吊前端2個支腿承受70%的荷載，即105.7 t；汽車吊后端2個支腿承受30%的荷載，即45.3 t。

汽車吊支腿下方需要支墊以擴散應力，采用2.0 m×2.0 m×0.02 m鋼板，然后加墊枕木，在枕木上放置一塊2.0 m×2.0 m×0.02 m鋼板；枕木一共6根，每根枕木截面尺寸為30 m×30 cm，單根長度為2 m。最不利的起吊工況為荷載施加在單側支腿，設計考慮安全系數(shù)，單個支腿設計承受荷載為105.7×0.7=73.99 t，單車起吊汽車吊起吊最大重量為350 t。假設起重時吊裝重量350 t全部壓在一個支腿上，則承載力驗算如下：

σ=350×10/（2.0×2.0）=875kPa

由此可得出吊裝場地地基承載力最低要求為875kPa，施工現(xiàn)場為現(xiàn)有舊高速公路，滿足吊裝作業(yè)。

6鋼桁架拱安裝技術

6.1施工工藝流程

鋼桁架拱人行天橋安裝工程流程見圖6。

6.2運輸方案

6.2.1總體運輸方案

本次運輸起點為南寧某鋼結構工程有限公司，終點為蘭州至北海高速公路改擴建項目1標二分部那麗服務區(qū)施工現(xiàn)場。根據(jù)結構特點，選擇公路運輸來完成。構件裝車運輸前，須按以下要求進行包裝：

（1）重量＞5 t的桿件包裝時標出桿件重心位置及重量數(shù)據(jù)。

（2）零星小件進行分類裝箱，每件重量≤50 kg，箱內放置發(fā)運清單。

（3）連接板、嵌補段等較小件采用裝箱發(fā)運，包裝時在箱底部碼放木條，將構件與箱體隔開。板件之間采用40 mm×40 mm五合板加墊隔開，箱內其余空間用草簾填充。箱內放置發(fā)運清單并加封。為確保鋼板梁天橋安裝的正常施工進度，制定具體的公路運輸方案。

根據(jù)工地施工現(xiàn)場的需要，隨時調遣運輸所需的車輛、工具及人員赴制造車間進行裝車準備工作，并進行設備裝車，通過公路運輸至建設工程項目現(xiàn)場。

6.2.2運輸及路線

經(jīng)過路線勘察，鋼板梁制造廠家到施工現(xiàn)場共有3條運梁路線，比對后選擇運輸距離最短、高速公路多的路線，具體如下：扶綏→322國道→S45北南高速公路→G75蘭海高速公路→那麗服務區(qū)施工現(xiàn)場。

6.2.3交通組織

由于人行天橋吊裝作業(yè)區(qū)域樁號在運營高速公路內，上行線（欽州往北海方向）為車輛正常行駛的高速公路，為保證吊裝作業(yè)以及行車安全，盡量減少擁堵，需將高速公路上行駛的車流進行導改，將車流避開吊裝作業(yè)區(qū)、從服務區(qū)入口匝道通行，再從服務區(qū)出口返回高速公路［4］；下行線（北海往欽州方向）處于封閉狀態(tài)，故直接在該封閉區(qū)域進行施工。

主拱需提前在下行線第一車道拼裝好，上行線交通管制完成后方可開始吊裝作業(yè)。

6.3主拱鋼桁架拱拼裝

主拱長50 m，分三段運輸至施工現(xiàn)場，最高處為6.871 m，根據(jù)預制節(jié)段在施工現(xiàn)場拼裝橋面板（25 m一段，共兩段）。根據(jù)示意圖拼裝好主拱肋，吊裝主拱肋至拼裝好的橋面板進行焊接，安裝腹桿、橫撐及防下?lián)吓R時豎撐，主拱肋整體吊裝至指定位置。

6.3.1主拱吊裝就位

6.3.1.1轉體

（1）整體拼裝完成后先預起吊離地約20 cm高，檢查吊點、支腿、鋼絲繩是否完全受力對稱，檢查無誤后方可進行下一步吊裝作業(yè)。

（2）預起吊平穩(wěn)無誤后，由施工人員在鋼桁拱兩端布設麻繩，起到轉體水平拉力的作用。布設完成后，起吊鋼桁拱至計算高度，先由吊車緩慢自行轉體使鋼桁拱大致與兩端蓋梁平行。

（3）預起吊穩(wěn)定后在鋼桁拱兩端安排人員拉設麻繩，共計2根。每根麻繩30 m長，麻繩直徑為3 cm，選用中麻、亞麻纖維材質的麻繩。每根麻繩安排2名工人操作，對鋼桁拱產(chǎn)生水平拉力，促使鋼主梁轉動。操作順序為：一端人員施力使構件轉動；同時另一端工人緩慢松繩，一旦發(fā)現(xiàn)鋼梁轉動過快，立即施力，降低鋼桁拱轉動速度。兩端工人配合使鋼桁拱整體緩慢轉動，同時注意周邊障礙物，避免鋼桁拱與其相碰撞。

（4）吊裝作業(yè)時，應有固定指揮人員進行指揮吊裝，并應在吊裝前統(tǒng)一吊裝指令。

6.3.1.2落位

拱肋落位前應先定好拱肋軸線，以及拱肋四個角的關鍵控制點，整體吊裝擺位接近橋墩，工人配合微調擺位，盡量避免過大的擺動，調整至準確位置后，利用全站儀測量放樣復核，確認無誤后完成整體落位。落位穩(wěn)定后，立即復核橋位與設計偏差，偏差控制在允許值范圍內，即可完成落位作業(yè)［5］。

6.3.2副拱鋼桁拱拼裝

副拱長25 m，最高處為4.2 m，橋面板及拱肋已預制成整體運至施工現(xiàn)場，現(xiàn)場依次將拱肋、橫撐、腹桿安裝，副拱整體吊裝至指定位置。

6.3.3安裝效果檢驗

大跨度鋼桁架拱人行天橋安裝完成后，對關鍵受力接頭進行焊縫超聲波檢測，焊縫質量均滿足規(guī)范要求，無任何一條焊縫出現(xiàn)損傷；鋼結構本身無屈服破壞現(xiàn)象，撓度均在設計要求范圍內，橋面平整度良好，支座緊貼無脫空現(xiàn)象，證明了本次安裝方案設計的科學性。

7結語

本文通過實際工程案例較為詳細地闡述了大跨度鋼桁架拱人行天橋安裝技術，主要有：（1）鋼桁架拱分段設計，其關鍵點在于結構分段處避免出現(xiàn)在內力較大的截面；（2）通過有限元對比分析研究鋼桁架拱吊點選取，有效避免了不合理吊點設置造成結構應力過大的問題；（3）吊車選取及地基承載力計算，關鍵點在于保證選取的吊車滿足安全系數(shù)，同時地基要有足夠的承載力；（4）鋼桁架拱安裝技術，關鍵在于做好交通組織及人員組織。各項工作的緊密銜接才能保證大跨度鋼桁架拱人行天橋的準確安裝。

該工程雖然安裝取得了成功，但忽略了一些細節(jié)設計，尤其是鋼絲繩吊點處的設計，未來可對關鍵吊點處進行細部結構的有限元分析，保證細部結構吊點的結構不失效，確保施工安全。

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作者簡介：劉航君（1989—），工程師，主要從事道路橋梁施工技術管理工作。