鋼桁梁自錨式連續(xù)頂推施工支架安全性研究

茆峰

中鐵二十四局集團(tuán)上海鐵建工程有限公司 上海 200070

1 工程概述

京滬鐵路昆山至陸家浜段改建工程改造范圍為K1403+796-K1408+418，改建鐵路的主橋位于DK1405+975處，主橋下方為青陽(yáng)港三級(jí)航道，設(shè)計(jì)采用80m鋼桁梁跨越青陽(yáng)港航道。由于既有青陽(yáng)港航道施工期間不斷航，橋梁上跨處河道寬度為82m，通航空間狹小，不允許在航道中直接搭設(shè)支架，故鋼桁梁架設(shè)采取岸上拼裝，在鋼桁梁前端設(shè)置36m導(dǎo)梁懸臂，采用自錨式連續(xù)頂推法施工架設(shè)鋼桁梁，施工期間臨時(shí)封閉航道。

2 施工方案

2.1 鋼桁梁結(jié)構(gòu)

鋼桁梁結(jié)構(gòu)為80m無(wú)豎桿整體節(jié)點(diǎn)平行弦三角桁架下承式鋼桁梁，共8個(gè)節(jié)段，每個(gè)節(jié)段長(zhǎng)度為10m，桁高為11.6m，兩片主桁間距為11.8m。主桁采用栓焊結(jié)合的整體節(jié)點(diǎn)，在工廠內(nèi)將桿件和節(jié)點(diǎn)板加工完成，運(yùn)到工地架設(shè)。除橋面板和下弦桿頂板采用熔透焊接連接外，其余桿件均在節(jié)點(diǎn)外采用高強(qiáng)度螺栓連接。主桁、縱梁及橫梁采用Q370qE鋼材，橋門(mén)架及橫聯(lián)采用Q345qD鋼材。

2.2 自錨式連續(xù)頂推法

80m鋼桁梁采用自錨式連續(xù)頂推法頂推通過(guò)青陽(yáng)港航道，通過(guò)將鋼桁梁拼裝支架與橋梁下部結(jié)構(gòu)相結(jié)合形成頂推施工平臺(tái)，鋼桁梁下弦桿節(jié)點(diǎn)處設(shè)置滾動(dòng)式重物移運(yùn)器降低摩阻力，縱梁上設(shè)置錨固銷孔，根據(jù)長(zhǎng)行程千斤頂?shù)墓ぷ髟恚瑢⒁惑w化自錨式頂推千斤頂自動(dòng)錨固于縱梁，形成自錨式的動(dòng)力系統(tǒng)。一個(gè)頂推行程結(jié)束后，千斤頂自動(dòng)松錨，回縮至下一錨固位置停止，自動(dòng)錨固裝置將錨釘插入縱梁銷孔，千斤頂與縱梁再次形成整體進(jìn)行下一個(gè)頂推循環(huán)。

80m鋼桁梁采用“廠內(nèi)分段制作+現(xiàn)場(chǎng)整體拼裝+自錨式連續(xù)頂推法施工”，鋼桁梁廠內(nèi)制作完畢運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)采用1臺(tái)150噸履帶吊拼裝，在青陽(yáng)港東岸設(shè)頂推支架，在支架上拼裝鋼桁梁結(jié)構(gòu)。當(dāng)鋼桁架頂推至縱橋向設(shè)計(jì)位置后，再橫向頂推至橫橋向設(shè)計(jì)位置，最后落梁就位。

2.3 支架設(shè)計(jì)與施工

2.3.1 支架基礎(chǔ)

陸地支架基礎(chǔ)采用長(zhǎng)×寬×高為110.5m×4m×0.5m的鋼筋混凝土，在鋼筋混凝土基礎(chǔ)下方用級(jí)配碎石進(jìn)行回填。南側(cè)支架基礎(chǔ)采用條形鋼筋混凝土基礎(chǔ)，基礎(chǔ)間距為11.8m，底部用級(jí)配碎石進(jìn)行回填，根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)地面標(biāo)高調(diào)整開(kāi)挖厚度，對(duì)回填基礎(chǔ)進(jìn)行夯實(shí)，對(duì)于土體較差區(qū)域，加大開(kāi)挖深度，使用級(jí)配碎石進(jìn)行換填并進(jìn)行壓實(shí)，直至要求標(biāo)高。砼基礎(chǔ)采用C30混凝土，基礎(chǔ)配筋采用上下兩層鋼筋，縱向鋼筋為Φ12@30，橫向鋼筋Φ8@30。承臺(tái)邊支架直接利用橋墩承臺(tái)作為鋼管立柱基礎(chǔ)。

2.3.2 陸地支架

陸地支架共82根鋼管立柱，南北兩側(cè)各41根，橫橋向兩組立柱間距11.8m。鋼支架橫橋向每列共4根鋼管立柱，兩根組成一組，縱橋向間距5m。鋼管長(zhǎng)度6m，頂面標(biāo)高為8.8m，鋼管立柱頂面設(shè)置Ф800mm法蘭盤(pán)作為縱橫梁結(jié)構(gòu)支撐面。鋼管采用φ609×12mm的螺旋鋼管，為增加支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在鋼管之間設(shè)剪刀撐，剪刀撐規(guī)格為16號(hào)槽鋼。

2.3.3 水中支架

水中支架鋼管樁基礎(chǔ)采用φ630×12mm鋼管，共設(shè)置10列，靠近橋墩側(cè)縱向間距為3×3m+2.3m+1.7m，橫向單側(cè)3根一組，間距為1.5m，橫橋向兩組立柱間距為11.8m。單根鋼管樁長(zhǎng)度24m～27m，打入持力層2m以上。鋼管樁之間設(shè)置上下兩道剪刀撐，上下間距2.5m，剪刀撐規(guī)格為16號(hào)槽鋼。

2.3.4 橫梁

鋼管頂面設(shè)置橫梁，陸地鋼支架橫梁采用2根長(zhǎng)2.5m的45號(hào)工字鋼組拼，其中5道橫梁采用整體橫梁，橫梁長(zhǎng)度為14.5m，使支架結(jié)構(gòu)形成整體，增強(qiáng)支架的穩(wěn)定性。支架尾部用腳手架搭設(shè)平臺(tái)，在其上方鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)作為走道板，作為人行通道使用，并在兩側(cè)設(shè)置防護(hù)欄桿。水中鋼支架橫梁采用4根長(zhǎng)4m的40號(hào)工字鋼組拼，其中最前端3道橫梁采用整體橫梁，橫梁長(zhǎng)度為15.8m。橫梁與鋼管頂面連接部位采用全部電焊連接。

2.3.5 縱梁

在鋼桁梁左右下弦桿下方各設(shè)置一根縱梁，兩根縱梁之間間距為11.8m，縱梁上設(shè)置銷孔用于自錨。在陸地鋼支架上縱梁高×寬尺寸為500cm×600cm，水中鋼支架上縱梁高×寬尺寸為700cm×600cm，縱梁腹板共4道，腹板采用鋼板厚度為20mm，縱梁縱向每500mm設(shè)置一道橫向筋板，采用鋼板厚度為20mm，頂板采用30mm厚的鋼板，縱梁所有連接位置設(shè)置在橫梁上。在水中鋼支架縱梁端頭設(shè)置船頭坡，船頭坡的坡長(zhǎng)為2m，前端比后端底3cm，使400t重物移運(yùn)器在縱梁滑道上平順離開(kāi)。在接收水中鋼支架處縱梁端頭設(shè)置倒八字形端部，使重物移運(yùn)器在中心線偏差在10cm都能順利夾住縱梁。

3 安全性分析

3.1 計(jì)算信息

依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)柱頂水平位移最大值 H/500；依據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》，鋼結(jié)構(gòu)豎向位移最大值L/400；依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，鋼管支架應(yīng)具有必要的縱橫向剛度，施工過(guò)程中應(yīng)保證橫向和縱向的傾覆穩(wěn)定性，穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)不小于 4.0[1]。

3.2 荷載信息

3.2.1 永久作用

鋼桁梁自重計(jì)算容重采用78.5kN/m3。依據(jù)鋼桁架拼裝施工全過(guò)程有限元模型自動(dòng)加載計(jì)算，由于模型與實(shí)際重量存在差異，通過(guò)自重系數(shù)調(diào)整為圖紙重量，桁架為1056t，導(dǎo)梁為91.2t，重物移運(yùn)器每個(gè)以2t計(jì)算。

3.2.2 風(fēng)荷載

依據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，80米鋼桁架橋橋址處百年一遇基本風(fēng)速為28.6m/s，施工中結(jié)構(gòu)計(jì)算的風(fēng)速重現(xiàn)期按10年一遇計(jì)取。10年一遇的風(fēng)速重現(xiàn)系數(shù)為0.84，則施工過(guò)程中計(jì)算風(fēng)速為24m/s，經(jīng)計(jì)算得：主梁風(fēng)荷載為：FL=1.9kN/m。為計(jì)算方便主桁前排風(fēng)荷載區(qū)1.5kN/m，后排風(fēng)荷載取0.9kN/m；支架風(fēng)荷載按線荷載布置，橫向風(fēng)荷載作用于有限元模型鋼管單元，取值1.5kN/m[2]。

3.2.3 作用效應(yīng)組合

依據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，施工階段考慮鋼管支架結(jié)構(gòu)自重、施工機(jī)具和人群臨時(shí)荷載、施工期十年一遇風(fēng)荷載，以及鋼桁梁安裝施工過(guò)程中作用于鋼管支架的最不利荷載等。施工荷載除了有特別規(guī)定外均采用標(biāo)準(zhǔn)值，不同類型荷載組合時(shí)不考慮荷載組合系數(shù)。施工階段的鋼桁梁支架縱橫向穩(wěn)定計(jì)算，其構(gòu)件自重效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)取1.2[3-5]。

3.3 計(jì)算模型

采用有限元分析通用軟件Midas Civil，建立橋梁鋼結(jié)構(gòu)三維有限元桿系模型，進(jìn)行主梁、主桁等節(jié)段塊體安裝施工的全過(guò)程結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。鋼桁梁與支架結(jié)構(gòu)有限元分析模型如圖1、圖2所示。

圖1 80m鋼桁梁模型圖

3.4 施工模擬

依據(jù)橋梁鋼結(jié)構(gòu)拼裝施工流程，有限元軟件結(jié)構(gòu)計(jì)算基本完全模擬了鋼桁梁橋梁安裝工程的施工全過(guò)程。在最不利受力條件下結(jié)構(gòu)變形dmax=2.85mm,支架最大組合應(yīng)力σ=98.8MPa，鋼管支撐最大組合應(yīng)力σ=30MPa，縱梁最大組合應(yīng)力σ=74.9MPa，結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力圖見(jiàn)圖3-圖6。

圖3 支架變形圖

圖4 鋼管結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖

圖5 支架應(yīng)力圖

圖6 縱梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖

3.5 支架穩(wěn)定性分析

綜合施工階段分析，頂推前施工階段、頂推施工階段工況下分別進(jìn)行臨時(shí)支架穩(wěn)定性驗(yàn)算。根據(jù)施工實(shí)際情況，施工荷載為結(jié)構(gòu)自重荷載、風(fēng)荷載、施工機(jī)具人員等活荷載組成。根據(jù)有限元屈曲模態(tài)分析結(jié)果，一階模態(tài)分析臨界荷載系數(shù)為6.20，二階模態(tài)分析臨界荷載系數(shù)為6.24。

3.6 分析結(jié)論

根據(jù)規(guī)范可知，最不利受力條件下結(jié)構(gòu)變形允許值為L(zhǎng)/400=15mm，有限元計(jì)算結(jié)果在最不利受力條件下結(jié)構(gòu)變形dmax=2.85mm，滿足規(guī)范要求。支架及鋼管支架厚度均小于16mm，查規(guī)范可知抗拉、抗壓和抗彎應(yīng)力允許值為215MPa，有限元計(jì)算支架最大組合應(yīng)力σ=98.8MPa，鋼管支撐最大組合應(yīng)力σ=30MPa，小于允許值，滿足材料強(qiáng)度要求。縱梁厚度為20mm-30mm，查規(guī)范可知抗拉、抗壓和抗彎應(yīng)力允許值為205MPa，有限元計(jì)算縱梁最大組合應(yīng)力σ=74.9MPa，，滿足材料強(qiáng)度要求。鋼管支架應(yīng)具有必要的縱橫向剛度，施工過(guò)程中應(yīng)保證橫向和縱向的傾覆穩(wěn)定性，穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)不小于4.0，有限元軟件屈曲模態(tài)分析一階臨界荷載系數(shù)為6.2，二階臨界荷載系數(shù)為6.24，大于規(guī)范要求。綜上，有限元分析結(jié)果反映支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，理論分析結(jié)果滿足規(guī)范要求，可按照理論分析結(jié)果制定并實(shí)施支架施工方案。

4 安全措施

4.1 支架基礎(chǔ)

支架搭設(shè)前必須將支架區(qū)域及周邊吊裝場(chǎng)地內(nèi)的耕植土清除完畢，壓路機(jī)進(jìn)行初步碾壓，鋪設(shè)一層厚度為20cm的級(jí)配碎石，再用壓路機(jī)壓實(shí)。地基處理完畢后必須進(jìn)行承載力試驗(yàn)，地基承載力須達(dá)到250kPa以上。對(duì)于局部存在淤泥質(zhì)土區(qū)域，應(yīng)將全部軟土挖除，使用級(jí)配碎石進(jìn)行換填并進(jìn)行壓實(shí)，直至設(shè)計(jì)標(biāo)高。支架砼基礎(chǔ)采用C30混凝土，基礎(chǔ)配筋采用上下兩層鋼筋，縱向鋼筋為Φ12@30，橫向鋼筋Φ8@30。為避免基礎(chǔ)被積水浸泡導(dǎo)致地基軟化，基礎(chǔ)周邊必須設(shè)置排水溝，及時(shí)排除基礎(chǔ)積水，如果位置較低無(wú)法排除，應(yīng)設(shè)置集水坑，采用排水設(shè)備排除積水。

4.2 支架預(yù)壓

由于鋼桁梁桿件在工廠制造時(shí)，桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了總拼預(yù)制，精度要求較高，必須確保鋼桁梁在頂推過(guò)程中不發(fā)生形變。為此支架搭設(shè)完成后，需按照鋼桁梁結(jié)構(gòu)荷載的1.1倍進(jìn)行預(yù)壓以消除支架非彈性變形，同時(shí)測(cè)定支架結(jié)構(gòu)彈性變形數(shù)值，為鋼桁梁結(jié)構(gòu)預(yù)拱度調(diào)整提供數(shù)據(jù)。支架預(yù)壓采用沙袋進(jìn)行，分級(jí)加上荷載。完成預(yù)壓并卸載后，及時(shí)對(duì)支架頂面高程進(jìn)行測(cè)量，對(duì)不滿足要求的位置進(jìn)行微調(diào)。在鋼梁吊裝過(guò)程中，隨時(shí)監(jiān)控支架的沉降情況，隨時(shí)調(diào)整支架頂部鋼桁梁線型豎向調(diào)整千斤，鋼桁梁的線型即可滿足設(shè)計(jì)要求。支架沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)每日整理上報(bào)，出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)較大時(shí)應(yīng)立即停止施工并對(duì)沉降數(shù)據(jù)較大的點(diǎn)加強(qiáng)觀測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果制定相應(yīng)的措施。

4.3 拆裝安全

鋼桁梁架設(shè)到位后，采用液壓千斤頂將鋼桁梁整體頂起使鋼桁梁與支架體系分離，再對(duì)拼裝支架進(jìn)行拆除作業(yè)，支架拆除順序和拼裝順序相反，依次拆除人行通道、人行通道端橫梁、縱梁、橫梁及鋼管立柱。支架拆除過(guò)程采用履帶吊進(jìn)行吊裝拆卸，水中鋼管采用70t履帶吊和DZ90振動(dòng)錘配合施工分段拔出，預(yù)先將焊接部位進(jìn)行分割使構(gòu)件獨(dú)立，零星材料統(tǒng)一收集整理后吊下，大型構(gòu)件需專人指揮吊裝，并注意吊臂旋轉(zhuǎn)方向，嚴(yán)禁向鐵路方向旋轉(zhuǎn)。其余構(gòu)件均拆卸吊裝至堆放場(chǎng)地，有序堆碼。水中鋼支架如無(wú)法拆除，采用高壓水槍將鋼管立柱四周淤泥沖刷完成后采用鏈鋸將鋼管進(jìn)行切割，保證切割面在河床線以下200cm。

在支架拆除過(guò)程中，嚴(yán)禁非作業(yè)人員進(jìn)入拆除危險(xiǎn)區(qū)域。拆除支架的順序嚴(yán)格按照“先裝后拆、后裝先拆”的順序進(jìn)行，由上到下逐步拆除，嚴(yán)禁上下同時(shí)進(jìn)行拆除作業(yè)。在拆除支架的過(guò)程中，必須使用吊車?yán)|索綁住桿件后再進(jìn)行拆除。對(duì)于拆下的桿件，由吊車緩慢吊起放置于材料堆場(chǎng)，吊裝期間拆除作業(yè)人員離開(kāi)吊裝區(qū)域，嚴(yán)禁邊吊邊拆。拆除細(xì)小部件時(shí)，嚴(yán)禁直接從高處拋擲。拆除作業(yè)人員應(yīng)帶好安全帶，安全帶做到高掛低用，嚴(yán)禁未佩戴安全帶即進(jìn)行拆除作業(yè)。

4.4 作業(yè)人員

支架搭設(shè)拆除人員必須持證上崗，進(jìn)場(chǎng)前做好三級(jí)教育，不滿足登高操作條件的人員如女性、未滿18周歲或患有高血壓、眩暈癥等疾病等人員不允許參與登高安裝拆除作業(yè)。每月必須開(kāi)展安全教育培訓(xùn)，確保每名作業(yè)人員了解相應(yīng)安全知識(shí)。拆除作業(yè)中需要?jiǎng)踊鹱鳂I(yè)，相關(guān)操作人員須持有特種作業(yè)資格證方可進(jìn)行相應(yīng)施工內(nèi)容，嚴(yán)禁非持證人員動(dòng)火作業(yè)。每年對(duì)施工人員開(kāi)展體檢，身體條件不滿足高處作業(yè)要求的，及時(shí)對(duì)其轉(zhuǎn)崗。為每名作業(yè)人員配備齊全安全防護(hù)用品，如安全帽、安全繩、勞保服、勞保鞋等，進(jìn)入工地須穿戴整齊各類安全防護(hù)用品方可進(jìn)場(chǎng)，未佩戴相關(guān)防護(hù)物品人員禁止進(jìn)場(chǎng)進(jìn)行安裝拆除作業(yè)[6]。

4.5 施工條件

當(dāng)遇到六級(jí)及以上大風(fēng)或雨雪大霧天氣時(shí)應(yīng)停止支架搭設(shè)或拆除作業(yè)，待天氣轉(zhuǎn)好后方可進(jìn)行作業(yè)。確保現(xiàn)場(chǎng)各類安全警示標(biāo)志懸掛齊全，特別對(duì)于洞口、高處、動(dòng)火等位置必須設(shè)置安全警示標(biāo)志。在支架安裝拆除作業(yè)時(shí)，對(duì)作業(yè)區(qū)域采用護(hù)欄或警示帶等臨時(shí)設(shè)施進(jìn)行封閉管理，確保施工現(xiàn)場(chǎng)條件安全有序[7]。

5 變形安全監(jiān)控

5.1 頂推施工支架監(jiān)測(cè)及控制

在頂推施工準(zhǔn)備階段明確支架施工期間的變形控制目標(biāo)、預(yù)警值及允許值，考慮到現(xiàn)在實(shí)際情況及有限元模擬計(jì)算結(jié)果，根據(jù)折算系數(shù)等確定控制值、預(yù)警值、允許值，水平、豎向變形預(yù)警值分別為5mm、7.5mm，水平、豎向變形允許值分別為10mm、15mm。當(dāng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)超過(guò)預(yù)警值時(shí)，應(yīng)及時(shí)將情況反映給施工安全管理人員，避免支架發(fā)生嚴(yán)重事故。當(dāng)全面排查消除隱患點(diǎn)后，先進(jìn)行試頂推，變形滿足要求方可繼續(xù)頂推。當(dāng)變形繼續(xù)擴(kuò)大，超過(guò)允許值時(shí)應(yīng)立即停工，邀請(qǐng)專家對(duì)方案、現(xiàn)場(chǎng)措施等內(nèi)容進(jìn)行全面檢驗(yàn)核算，查找出原因后方能復(fù)工，確保頂推過(guò)程中支架結(jié)構(gòu)的安全。

5.2 支架變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

2019年12月頂推開(kāi)始，準(zhǔn)備階段期間在5號(hào)、16號(hào)、20號(hào)、25號(hào)、45號(hào)、60號(hào)、75號(hào)、80號(hào)等支架上布置觀測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)頻率為1次/10分鐘，變形超過(guò)預(yù)警值監(jiān)測(cè)頻率提高為1次/2分鐘，確保監(jiān)測(cè)及時(shí)。由監(jiān)測(cè)結(jié)果表1可知，8處支架變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移均未超過(guò)水平變形、豎向變形預(yù)警值，說(shuō)明支架剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性均滿足要求，支架方案滿足施工需要。

表1 支架變形監(jiān)測(cè)表 單位：mm

6 結(jié)論

1、京滬鐵路昆山至陸家浜段改建工程自錨式連續(xù)頂推施工中，運(yùn)用有限元軟件分析支架各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)如支架變形、支架應(yīng)力、鋼管局部應(yīng)力、縱梁應(yīng)力等內(nèi)容，計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，實(shí)際施工中也取得良好效果，說(shuō)明支架方案在類似工程中可廣泛推廣應(yīng)用。

2、支架施工中要注意“人機(jī)料法環(huán)”等安全影響因子，做好支架基礎(chǔ)、支架預(yù)壓、拆裝安全、作業(yè)人員教育、合適施工條件等關(guān)鍵要素，確保支架施工安全。

3、頂推過(guò)程中對(duì)支架進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示支架變形未超過(guò)預(yù)警值，符合有限元計(jì)算結(jié)果，滿足規(guī)范要求，支架方案合理。