自升降塔架在桥梁吊装工程中的运用

陈翔，黄书海

（贵州桥梁建设集团有限责任公司，贵州 贵阳 550001）

1 吊装施工

1.1 工程概况

贵州省贵阳市人民大道（南段）第一合同段筑城广场大桥（以下简称筑城广场大桥），地处贵阳市市中心南明区繁华地段，该桥上跨贵阳市南明河，桥梁四周被已有高大建筑物群包围，施工场地十分狭窄。大桥结构为：双层小半径曲线钢桁架主梁+抛物线轻型斜跨拱。桥梁主体受力结构为钢桁架主梁，桥拱为装饰结构。

其中，桥拱部分分为小拱与大拱，小拱和大拱计算跨径分别为90m 和162m（见图1），计算矢高分别为60m 和70m，拱圈结构为钢箱拱，采用2～2.5m 变高菱形截面（下宽上窄）。拱圈由若干节段构成，每段设计长度为7～9m（下长上短）。

图1 筑成广场大桥立面（投影面）示意图

1.2 自升降塔架吊装工艺概述

以筑城广场大桥为例，筑城广场大桥钢桁架主梁由于起吊高度均在15m以内，故采用常规吊车即可解决吊装问题，但当主桁架施工完成后，在拱圈安装施工过程中，即面临施工场地狭窄、吊装吨位大、吊装高度高等难题，主要表现为：①施工场地四周均被已有高大建筑物群包围，除已施工完成的主体梁式桥面（华伦体系桁架梁）外，几乎没有任何施工作业场地；②在大桥拱圈安装过程中，每个拱圈的计算矢高和起吊重量均较大，以大拱为例，大拱计算矢高70m（即使在已有双层桥面顶面起吊，起吊高度也达到60m），整个拱圈自重499t，因此传统吊车、缆索吊等吊装方式已不能解决本工程拱圈吊装问题[1]。

为了解决上述问题，施工单位自行设计了一种自升降塔架系统，利用主体梁式桥顶面作为施工平台，将自升降塔架作为吊装系统主体，在配合拱圈体外铰后，通过拱圈竖转工艺完成了拱圈的吊装合龙，其吊装流程如下：

（1）利用主体梁式桥面作为自升降塔架施工平台。主体梁式桥完成后，在梁式桥面进行塔架基础施工，通过塔架自升降功能完成塔架主体结构安装及吊装系统安装。

（2）将拱圈适当拆分，在桥面设置台架平台，并在拱圈拱脚位置设置体外铰，同时，在桥面设置胎架，将拆分后的拱圈放置于胎架，配合自升降爬架系统，形成半拱圈竖转体系，一方面解决了拱圈垂直提升问题，另一方面也解决了拱圈水平移动问题。

（3）将拆分的拱圈吊装到位后，进行最后的合龙。按上述步骤将各个拆分拱圈起吊到位后，最后开始吊装合龙段，将拆分的拱圈进行合龙，重新连接成整体，从而使拱圈整体吊装到位。

2 自升降爬架设计参数及设计原理

自升降爬架在整个起吊过程中起到了十分关键的作用，以下通过重点介绍自升降爬架各个重要参数及设计原理，说明自升降爬架在吊装工程中的运用机理。

2.1 自升降爬架设计参数

自升降爬架主要由4 部分组成：①塔架立柱节段（包括顶节段、标准段、底节段）；②外套架系统；③液压爬升系统；④临时锁扣系统。

2.1.1 塔架立柱节段

立柱断面中对中尺寸为2m×2m，其中，顶节段高度2.5m（自重2.3t），标准节段高度3m（自重1.6t），底节段高度0.5m （自重0.3t）。所有节段均由直径为219mm（壁厚12mm）、102mm（壁厚6mm）、89mm（壁厚6mm）Q345b锰钢钢管配合法兰盘制作而成，见图2。

图2 自升降爬架立柱节段示意（单位：mm）

2.1.2 外套架系统

外套架系统是自升降爬架的辅助系统，其目的在于实现爬架的自升降功能。同时，为方便运输，该框架设计为4 部分（总长度8.3m，可拆分为0.4m、2m、2m、3.9m）。

外套架与立柱节段保持平行，四周与立柱节段保持400mm（中对中），为方便完成套架在立柱节段的上下移动及受力体系转换，立柱与套架设置临时锁扣。同时，套架顶设置5t 电动葫芦，方便自提升（下放）、安装（拆除）立柱节段。

2.1.3 液压爬升系统

主要是提供外套架自爬升及自下降动力，每一组立柱（包括外套架）由4个5t千斤顶组成。完整的一套提升系统由4个立柱组成。

2.1.4 临时锁扣系统

为实现爬架自升降功能，塔架立柱节段与外套架设置临时锁扣点，通过临时锁扣点的临时锁扣与解锁（配冲钉螺栓），实现外套架与立柱节段受力体系相互转换，在配合液压爬升系统吊装后，从而达到自提升（下降）标准节、自安装（拆除）标准节的目的[2]。

2.2 自升降爬架设计原理简述

2.2.1 立柱平面布置

根据吊装起吊点实际情况，确定立柱安装平面位置，从而确定吊装作业范围。为保证自提升爬架吊装过程稳定，立柱个数通常以4个为一组，且使吊装点尽量靠近平面布置形心位置。以筑城广场大桥为例，为了实现拱圈顺利竖转，四个立柱（一组）中对中距离（按拱轴线方向）纵向6m，横向9.6m；两组间中对中距离17m，与拱轴线平行布置，吊点布置靠近平面布置形心位置。

2.2.2 节段安装

在地面完成底节段与初始标准节段安装。利用外套架系统、临时锁扣系统与液压爬升系统，进行受力体系轮换，实现节段安装（见图3），拆除过程按上述过程逆操作即可。

图3 自升降爬架节段安装示意

2.2.3 平台顶吊装点设置

施工中，需要解决吊装过程中的构件水平位移问题，因此平台顶的吊点可根据立柱布置，设置多组，以满足构件水平位移过程中，吊点换钩操作。以筑成广场大桥为例，立柱顶面每组设置两组吊点，即A类吊点与B类吊点，以此解决构件在起吊过程中，因水平位移产生的换钩操作问题。

2.3 自升降爬架建模验算

根据起吊设计，利用Midas 建模，通过模拟验算，并结合现场实际情况（考虑拱座拱铰共同受力），取最不利荷载情况（大拱起吊，139t，安全系数1.2），得到自升降爬架最大弯应力241MPa （安全允许应力345MPa，完全满足安全施工需要），最大偏位9.2cm（安全允许范围20cm，完全满足安全施工需要）。

3 自升降爬架实际运用中需注意的问题

以筑成广场大桥拱圈吊装为例，利用自升降爬架，结合拱外铰，将拱圈分别提升到位，从而实现拱圈的安装，现以大拱吊装为例，说明实际运用中需注意的问题：

3.1 吊装前的注意事项

3.1.1 立柱偏位及水平偏差检测

在立柱节段基础安装完成后，通过仪器设备检测其顶面高程、水平高差、立柱偏位等，符合要求后，方可进行下道工序，尽量保证立柱顶面间相对高差最小。

3.1.2 起吊系统走线

在已安装完成的爬架系统上安装起吊与牵引钢丝绳，使之形成完整的起吊系统。

3.1.3 半拱地面焊接

在拱圈台架上完成起吊拱圈的焊接工作，连接起吊拱圈的牵引、起吊钢丝绳安装，使拱圈处于待起吊状态。

3.1.4 吊点转换点设置

为了克服起吊过程产生的巨大水平分力，不仅需在爬架顶设置多组起吊点（A 类、B 类），而且在待起吊的构件上也要设置对应的多组起吊点，以筑成广场大桥为例，拱圈设置5个吊点转换点A1、A2、A3、B1、B2，以和爬架顶吊点A 类、B 类吊点对应，通过吊点转换减小起吊竖直夹角（控制在5°以内），使水平分力控制在起吊总重的7%内，保证安全起吊。

3.1.5 起吊系统的调试与试吊

虽然自升降爬架可安全起吊60m高度，139t重的物体（安全系数1.2），但由于实际施工过程中，可能存在加工与安装的误差，故还需要对安装完成的爬架进行试吊。试吊过程如实记录爬架立柱的偏位和塔顶水平数据，通过对数据进行对比，要求必须符合相关规范要求（倾斜度小于6‰）[3]。

3.2 合龙段的吊装注意事项

以筑成广场大桥拱圈吊装为例，拱圈拆分成三段：左半拱、右半拱、合龙段。以大拱为例，当左半拱和右半拱分别起吊到位后（考虑预拱度），需利用提升爬架作为临时支撑吊点，使左、右半拱临时固结于提升爬架上，在复核拱圈高程和线性无误后，起吊合龙段就位，进行焊接。需要注意的是，必须先形成完整拱圈后，再进行拱脚铰接处固定，以保证爬架及拱圈的稳定性。

4 自升降爬架施工要点

（1）确定自升降爬架作业面。自升降爬架需在起吊位置有足够的作业面，为自升降爬架提供安装、运输的空间，如主桁架梁未完成，则不能采用此工艺。

（2）自升降爬架的配套设施需提前完成。使用自升降爬架提升施工时，还需提前将其他辅助设施准备到位，以便施工顺利进行，本工程中，拱铰、换勾吊点、滑轮、钢丝绳走线、牵引、吊装体系等辅助设施均需提前做好准备。

（3）自升降爬架自提升过程中，顶面水平十分重要。自升降爬架使用时，要尽量保持顶面水平，使受力始终处于可控状态，故在每节段安装完成时，均要检测立柱段顶水平偏差，使之保持在允许范围内，如水平偏差超过规范允许范围，必须先查明原因，整改完成无误后方可进行后续节段安装。本工程中，拱圈提升过程的水平偏差为2～3cm（允许偏差5cm），塔柱偏位为9～15cm（允许偏差16cm）。

（4）因自升降爬架属于高空作业，需根据需要增设附属防护措施。因实际使用情况千差万别，故自升降爬架需根据实际情况适当增加安全防护设施，以最大程度保证施工人员作业环境安全。

（5）自升降爬架使用前，需进行技术交底。自升降爬架涉及较多的临时锁扣与解锁工序，需施工人员熟悉操作流程并认真按操作流程完成每步操作，使用前，必须对操作人员做好详细且有效的技术交底，以确保自升降爬架整体安全性能。

（6）自升降爬架使用的标准构件较多，使用前，需提前做好计划，确定立柱段数量并运输至指定地点。

（7）标准节及各附属构件加工精度要保证。综上所述，升降爬架需使用较多的标准节及附属构件，每一个构件间相互配合，相互作用，一个构件的加工精度不够，会导致整个系统不能正常运行，甚至出现严重的安全事故。因此，该系统使用前，需对每个标准节及附属构件进行严格检查，除了材质必须保证外，构件及附属构件的尺寸、角度、几何形状等指标均应满足设计要求（一般要求误差控制在±2mm）。在使用过程中，还应不定期测量各构件的变形情况，如发现隐患，及时停止施工，更换相应构件。

5 结语

综上所述，自提升爬架能在施工场地狭窄的情况下解决大吨位构件起吊安装问题，随着施工技术的不断发展，大型构件吊装施工将普遍出现在基础设施建设中，而自提升爬架无疑将成为另一种解决大型构件吊装的重要技术。