拱桥超大质量拱肋钢结构吊装方案研究.pdf

274工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工0 引言近年来，组合式桥梁在城市交通建筑中的应用范围不断扩大，梁拱结合的飞燕式拱桥就是其中一个典型代表1。飞燕式拱桥具有跨越能力大、承载能力强、地基适应能力强、造型优美等特点。本文以信阳高新区海营生态智慧城云智大道桥，超大质量拱肋钢结构吊装为研究对象，对拱肋钢结构吊装高度进行测算，阐述起重机的选用与计算方法，对吊装作业地基及支架地基承载力进行计算，提出 19 段超大质量拱肋钢结构的吊装工艺。1 工程概况信阳高新区海营生态智慧城云智大道桥全长 234m，其中主桥 160m。主桥采用 30m+100m+30m=160m 飞燕式拱桥，主桥主梁采用钢混结合梁结构，拱肋采用八边形钢箱结构。在轴线平面内，主拱矢高 25m，矢跨比 1/4；边拱矢高 6.862m，矢跨比 1/3.44。南北两侧引桥均采用130m 预应力混凝土整体箱梁。主桥为中承式拱桥，钢拱柔梁吊横梁体系，拱肋为主承重结构，主拱产生的水平推力部分由主、边拱间相互平衡，部分由系杆承受。拉索区桥面系为纵横梁体系，由主梁、横梁、纵梁和桥面板组成，除桥面板为混凝土结构外，其余均为钢结构。荷载由桥面板传到横梁再到纵梁，由纵梁传给吊杆再传到拱肋，由拱肋传到拱脚、基础。2 拱肋钢结构吊装方案确定根据工程概况及现场条件将整个拱肋共分 19 段，如图 1 所示。其中中跨 7 段，每侧边跨 2 段（共 4 段），每侧拱脚 4 段（共 8 段）。通过建模及绘图，分别计算了 19 段拱肋结构的尺寸、质量，结合现场实际测量，测算出拱肋钢结构实际安装高度。其中，拱脚 G5最重段安装高度距地面3.3m，拱肋 G9合拢段安装高度距地面 30m，边拱 G1钢结构安装高度距地面 12m，拱肋钢结构明细表及部位分析见表 1。钢结构安装整体思路为拱肋从拱脚开始对称安装，最后安装合拢段(G9)。拱肋安装顺序依次为拱脚 G4临时支架拱脚 G5拱脚 G6钻石横梁拱脚 G3边跨拱肋 G2、G1牛腿钢梁钢梁上安装拱肋临时支架安装拱肋 G7拱肋 G8合拢段拱肋 G9。拱桥超大质量拱肋钢结构吊装方案研究于建（中铁十九局集团第五工程有限公司，辽宁大连116100）摘要：以信阳高新区海营生态智慧城云智大道桥为研究对象，对飞燕式钢混组合拱桥超大质量拱肋钢结构吊装方案进行研究。进行拱肋钢结构吊装高度测算，阐述起重机的选用与计算方法，对吊装作业地基及支架地基承载力进行计算，提出 19 段超大质量拱肋钢结构的吊装工艺。研究结果可对超大质量构件吊装以及起重机选用与计算提供参考。关键词：飞燕式拱桥；超大质量；钢结构；吊装；承载力图1 拱肋分段示意图CM&M 2023.042753 起重设备选用3.1 起重设备类型施工常用起重设备主要包括汽车起重机、履带式起重机、轮胎起重机等2。通过对以上起重设备优缺点、实际施工条件、施工成本等进行分析可知，汽车起重机具有行驶速度快、转场迅速、对路面破坏性小的特点，鉴于施工场地工点多，流动性大，需经常变换作业地点，为此选用汽车起重机吊装拱肋钢结构构件。3.2 起重机吊装计算针对现场实际吊装情况，分别选取 3 种特殊工况进行吊装工况分析，具体如下：3.2.1 拱脚G5钢结构计算拱脚 G5钢结构最重段质量 71t，安装高度 3.3m，经绘图模拟，计算出起重机臂长为 17.9m，回转半径 7m。拱脚 G5钢结构起重机荷载为：Q=K(Q1+Q2)=1.1(71+1)=79.2t （1）式中：Q为起重机荷载；Q1为构件自身质量；Q2为吊具及钢丝绳重，按 1t 计算；K为动载系数，按 1.1 计算。查阅汽车起重机 SAC2000E 性能参数表可知，配重 70t 后移500mm，等同配重 79t 时。此情况下最大吊装质量为 94t，拱脚G5钢结构吊装质量为79.2t，94t，满足规范要求。3.2.2 主拱G9钢结构计算主拱 G9钢结构合龙段质量 41t，安装高度 30m，经绘图模拟，计算出起重机臂长为 40.4m，回转半径 10m。主拱 G9钢结构起重机荷载为：Q=K(Q1+Q2)=1.1(41+1)=46.2t （2）此情况下最大吊装质量为 49t，主拱 G9钢结构吊装质量为 46.2t，49t，满足规范要求。3.2.3 边拱G1钢结构计算边拱 G1钢结构质量 27.5t，安装高度 12m，经绘图模拟，计算出起重机臂长为 26.9m，回转半径 7m。边拱G1钢结构起重机荷载为：Q=K(Q1+Q2)=1.1(27.5+1)=31.35t （3）查阅汽车起重机 STC1000T 性能参数表可知，配重 8t 时，此工况最大吊装质量为 54.6t，边拱G1钢结构吊装质量为 46.2t，54.6t，满足规范要求。综上所述，根据吊装质量及现场情况，综合考虑工期及成本等因素，吊装采用 200t 和 100t汽车起重机进行吊装作业，即可满足要求。4 吊耳设计及钢丝绳选用4.1 受力分析拱肋最重段为拱脚上段，质量为 71t，采用 4 个吊点进行吊装，由于横向吊耳间距远小于纵向吊耳间距，故按照双股钢丝绳进行受力，受力分析如图 2 所示。单根钢筋受力F计算如下：F=72/4sin60 g=207.8kN （4）4.2 钢丝绳选用及计算吊装单件最大质量按照 71t 计算，按照 GB/T 2018-2017粗直径钢丝绳选用 60mm 的钢丝绳。单根钢丝绳承受的拉力为F=207.8kN，单根钢丝绳承受的破断拉力F0为：F0=FK/=207.860.82=1520.5kN （5）式中：F为钢丝绳承受的拉力；K为安全系数，取值6；为应力折减系数，取值0.82；查阅五金手册，采用 637M-FC 钢丝绳，钢丝绳强度等级为 1570（纤维芯），经计算，得到钢丝绳最小破断拉力总和 2085.8kN，1520.5kN，为此钢丝绳满足吊装要求。4.3 卸扣选用卸扣按照 GB/T25854-2010一般起重用 D 形和弓形锻造卸扣，选择弓形卸扣等级为 4 级，极限工作荷载32t，详见表 2。4.4 吊耳设置与相关要求根据每个隔板位置设置吊耳，通过设计并在详图中标识，吊耳设置及相关要求如下：表1 拱肋钢结构明细表及部位分析编号长/mm宽/mm高/mm单件质量/t数量/件单项质量/t部位安装高度/m备注G165003300200027.54110边拱12G21400028003000514204边拱7G3740034003000554220边拱4.8G4800040003300604240拱脚下段1G5930051003300714284拱脚上段3.3最重段G61087031003000684272主拱7.6G71600025003000374148主拱15G81800026003000404160主拱23G9175003200300041282主拱30合拢段总质量1720图2 受力分析276工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工吊耳布置应尽量布置在隔板、腹板及加劲肋上部对应位置；根据起重机型号、钢丝绳长度、梁段长度、起重机臂长等，确保钢丝绳与梁段夹角 60；应考虑卸扣具体尺寸；吊耳孔中心距吊耳边缘距离吊耳孔直径；吊耳厚度 6mm，吊耳孔中心至与构件连接焊缝距离为 1.52D（D为吊耳孔的直径）；吊耳板与构件连接焊缝长度和高度应经过计算，并满足要求：焊缝高度 6mm；吊耳板可根据计算和构造要求设置加强板，加强板厚度吊耳板厚度。5 吊装作业地基及支架地基承载力计算5.1 吊装作业地基承载力计算选取吊装拱肋钢结构最重段 71t 计算。200t 汽车起重机的自重约为 54.9t，吊装最大段时配重 70t，地基承载力计算如下：（6）式中：G1为吊装质量，本工程最重吊装质量=构件质量+绳索质量=72t，动力系数按 1.4 考虑；G2为汽车起重机自重+起重机配重（54.9t+70t=125t）；S为汽车起重机的受力面积，四支腿垫板按 2m2m=4 计算；a为地基承载力。通过现场工程地质测绘以及勘探研究可知，云智大道桥地层岩性多为级普通土，素填土居多。查阅资料素填土压缩模量为 7MPa 时，承载力为 160kPa。现场地面换填夯实硬化后其就能达到相应承载力，满足吊装要求。5.2 支架地基承载力计算选择承载力最大的支架，即合龙拱肋下方主梁段接口位置支架进行地基承载力分析。设N总为竖向总压力，N1为拱肋和主梁安装完成后支架支撑质量，N2为支架自重，N3为基础自重，N4为施工载荷，N5为混凝土桥面质量。经计算得到，N2=70kN，N4=50kN（按计算混凝土桥面质量），N3=172.8kN，N5=2068.6kN。拱肋和主梁安装完成后支架支撑质量N1计算如下：N1=G总=拱肋+主梁+拱肋支架+横梁=1545kN （7）竖向总压力N总计算如下：N总=N1+N2+N3+N4+N5=3906kN （8）竖向总压强P计算如下：P=N总/A=111.6kN/m2 （9）式中：A为混凝土基础表面积，采用 7m5m 基础，值为 35m2。综上所述，基础采用 500mm 厚 C25 混凝土地基承载力可达 150kN/m2，满足规范要求。6 钢结构吊装拱肋钢结构吊装工程中共计有 4 个拱脚，2 个拱肋，根据现场情况分析，本工程吊装均为常规吊装，按照结构形式分为 3 类：拱脚、边拱吊装、中跨拱肋吊装3。6.1 吊装站位及运输通道拱肋吊装，每段对应一个 200t 起重机站位。边跨区因安装完边拱肋及临时支架，起重机及运输车无法进入内部，故在边拱 G2、G1及边跨主纵梁安装前，先采用 200t 起重机，将 8 根中横梁按照安装位置提前放到边跨区地面4。边跨主纵梁安装后，用 100t 起重机和200t 起重机分别站在桥体两侧抬吊中横梁就位。需要注意的是，起重机站位及运输车要避开 6m 宽地下涵管区域。6.2 拱脚及边拱肋吊装吊装顺序依据分段由下到上依次吊装。拱脚分为两段安装，第一段的安装精度关系到拱肋的安装线形，为保证安装精度，在拱脚第一段和第二段四周搭设刚性支架。拱脚安装就位后与支架刚性连接，以避免由于混凝土浇筑造成误差。6.2.1 拱脚下段钢结构吊装200t 汽车起重机进场就位，起重机站在桥体外侧通道，吊装站位如图 3 所示，运输车载拱脚到安装位置，起重机将拱脚下段从运输车上吊运到回转半径范围内。拱脚下段质量为 60t，安装高度为 1m，选用工况为：起重机回转半径为 7m，臂长为 17.9m，配重 70t 后移表2 一般起重用D形和弓形锻造卸扣性能卸扣极限工作载荷/t扣体顶部圆钢直径/mm销轴直径、扣体开口尺寸/mm环眼外径/mm弓形扣体内径/mm销轴扣顶内圆净距/mm3290100220160224图3 拱脚G4吊装平面示意图CM&M 2023.04277500mm，等同 79t 配重时，可吊装 94t（SAC2000E 型起重机主臂性能表数据），满足工况要求。6.2.2 拱脚上段钢结构的吊装200t 汽车起重机站在桥体外侧通道，起重机将拱脚上段从运输车吊到地面回转半径范围内，调整到安装状态后吊装就位。拱脚上段质量为 71t，安装高度为 3.3m，选用工况为：起重机回转半径为 7m，臂长为 17.9m，配重 70t 后移 500mm，等同 79t 配重时，可吊装 94t，满足工况要求。6.2.3 拱脚钢结构的吊装搭设拱脚 G3、G6临时支架，200t 起重机站在桥体外侧通道，起重机将拱脚 G3、G6从运输车吊到地面回转半径范围内，调整到安装状态后吊装就位。G3质量为55t，安装高度 4.8m，G6质量为 68t，安装高度 7.6m，选用工况为：起重机回转半径为 7m，臂长为 26.9m，当70t 配重后移 500mm，等同 79t 配重时，可吊装 86t，满足工况要求。6.2.4 安装边跨拱肋100t 起重机站在桥体外侧通道，先安装临时支架后依次吊装边跨拱肋 G2、G1。边跨拱肋 G2质量 51t，安装高度 7m，边跨拱肋 G1质量 28t，安装高度 12m，边跨拱肋从运输车上将构件吊装到地面，调整到安装状态后进行吊装。起重机选用工况为：起重机回转半径为 7m，臂长为 26.9m，汽车起重机 STC1000T 在 13.3t 配重时，最大吊装质量为 59.5t，满足工况要求。6.3 中跨拱肋吊装主梁安装完成后，在主纵梁上搭设拱肋安装临时支架。每条中跨拱肋共 5 个安装节段，安装顺序为自下向上安装，最终合拢5。200t 起重机站在桥体外侧通道，起重机对称安装中跨拱肋 G7、G8，最后安装合拢段 G9。中跨拱肋 G7质量37t，安装高度 15m；拱肋 G8质量 40t，安装高度 23m；合拢段 G9重 41t，安装高度 30m。5 个拱肋段从运输车吊到地面回转半径范围内，调整到安装状态后吊装就位。按照合拢段选用工况为：起重机回转半径为 10m，臂长为 40.4m，汽车起重机 SAC2000E 配重 70t 后移500mm，等同 79t 配重时，最大吊装质量为 49t，满足工况要求。6.4 吊装安全措施拱肋为圆弧形，尺寸较长，为了避免构件吊装过程中摆动过大，同时为了更好的辅助构件就位，构件吊装前，需要在构件两侧绑扎遛绳6。构件吊装采用四点吊装，以最大限度保证构件吊装过程中的稳定。构件吊装过程中，起重机的起钩、落钩、回转必须采用最慢速，以防止构件发生大幅度摆动。吊装过程中，通过人为拉拽遛绳保证构件的稳定性，控制构件的姿态。构件吊装过程中构件摆动较大时，停止起重机操作，通过人为拉拽遛绳使构件稳定后再继续操作起重机。7 结束语本文以信阳高新区海营生态智慧城云智大道桥超大质量拱肋钢结构吊装方案为研究对象，通过实际测算、三维建模、CAD 吊装尺寸模拟等方式，主要获得以下几点结论：通过将飞燕式超大质量钢拱桥拱肋钢结构合理分解成19段，通过建模测算出各段拱肋钢结构的尺寸、质量，结合现场实际测算出各段拱肋钢结构吊装高度，提高了吊装施工精准度。各段拱肋钢结构质量均在 20t 以上，吊装施工过程属于重危大工程。起重机选型、吊耳设计、钢丝绳选用、吊装作业地基及支架地基承载力计算等至关重要，通过合理选择及验证，降低了施工安全风险。拱结构吊装工艺中通，过对各段拱肋钢结构吊装模拟、起重机站位布置，极大程度提高了拱肋钢结构吊装施工合理性，为类似桥梁预制桥面板吊装提供了宝贵的施工经验，同时为大型构件吊装提供了的理论基础和实践指导。参考文献1 施洲,苏威风,郭俊丽,等.飞燕式拱桥结构静动力特性分析J.重庆交通大学学报(自然科学版).2013,32(S1):873-878.2 刘强华.大跨度、大重量斜靠式系杆拱桥浮拖法施工技术研究 J.铁道建筑技术.2016(2):5-8.3 中华人民共和国住房和城乡建设部.钢-混凝土组合桥梁设计 规范:GB50917-2013M.北京:中国计划出版社,2013.4 张吴友.钢结构吊装施工技术要点探讨J.企业技术开发.2014,33(28):114-116.5 周莉,孙东利,谢斌等.钢-混组合体系:中承式系杆拱桥的设 计 J.城市道桥与防洪,2012(6):109-113+11.6 晏金洲.高层建筑预制构件吊装施工技术 J.城市住宅,2018,25(8):122-124+128.