斜拉桥主塔防腐涂装防护棚的设计和施工

叶 鑫，刘 渊，邱业亮

(1.中交二航局建筑科技有限公司，武汉 430040；2.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室，武汉 430040；3.汕头市礐石大桥有限公司，汕头 515000)

斜拉桥桥塔常采用钢筋混凝土结构或预应力混凝土结构，其受力复杂，所处环境恶劣，常年经受风吹、日晒和雨淋，加快了混凝土的劣化和钢筋的锈蚀速度，严重影响了桥塔结构的耐久性和美观[1]。由于此类桥梁一般交通流量较大，进行防腐涂装修复不可避免地需要边通车边施工，而高空作业会对下方通行的车辆带来巨大的安全隐患，因此需要进行防护棚的搭设，以避免安全事故的发生。

1 工程概况

1.1 项目概况

礐石大桥主桥为双塔双索面斜拉桥。跨径组合为2×47+100+518+100+2×47=906 m。斜拉桥主梁在主跨和100 m边跨采用钢箱梁，在两边各两孔47 m跨范围内采用预应力混凝土箱梁，主梁为“混合型”结构。斜拉桥塔为钢筋混凝土钻石形结构，塔身全高为142.5 m，底部为高桩承合结构16根2.5 m钻孔灌注柱基础。主桥沿主塔两侧各有20对斜拉索、索面略向内侧，最大通航净高为38 m。横截面按双向六车道布置，全宽为30.35 m。

1.2 防护棚概况

于桥面以上5.5 m处以钢管柱、321贝雷片、双拼工字钢搭设一个安全防护棚，防护范围为30.5 m×21 m。结构形式如下：

1)基础

采用C30混凝土条形基础，设置于防撞护栏外侧，基础顶面预埋1 cm厚钢板；塔柱两侧基础之间纵向进行连接固定。

2)立柱

立柱采用φ426×6 mm钢管柱，底部与基础预埋钢板焊接固定，并采用加筋板进行加强，立柱内侧与防撞护栏固定，外侧斜撑与人行道护栏立柱底部焊接固定。

3)纵向主梁

纵向主分配梁采用双拼工25型钢嵌入钢管立柱里面，并通过连接板进行焊接固定。

4)横向主梁

采用321标准贝雷梁。贝雷梁搭在纵向主梁上，并通过U型扣进行固定；每榀贝雷梁之间在跨中处用[10型钢纵向连接。

5)小纵梁

采用12 m工12型钢均布在贝雷梁上，间距为75 cm，通过M20螺栓及钢板固定在贝雷梁上；其中跨主塔中横梁部分采用6 m的工12型钢对接焊，形成12 m工字钢，并在两侧腹板处焊接连接板。

6)施工平台

平台中间部分铺花纹钢板，两侧铺钢板网[2]。安全护栏采用φ48脚手管，壁厚3.5 mm，间距2 m，满挂安全防护网，防护网高1.2 m。

防护棚立面布置图如图1所示。

2 防护棚设计

2.1 防护棚设计

为保证主塔涂装及塔字施工的安全，在主塔正下方搭设防护棚架[3]。根据《高处作业分级》(GB3608—2008)，H>30 m的可能坠落范围半径为6 m，最小防护长度为：6 m(可能坠落范围半径)+0.75(吊篮宽度)+7.5(主塔宽度)+0.75(吊篮宽度)+6 m(可能坠落范围半径)=21 m。根据现场情况，由于灯柱及原桥面STC混凝土的影响，塔侧三根立柱的间距布置为5.4 m+3.6 m。防护棚架总长11+8.5+11=30.5 m。

2.2 荷载取值

1)防护棚自重：防护棚的主要材料为钢材，7.85×103 kg/m3；

2)花纹钢板：厚度3 mm，按24 kg/m2计算；

3)施工人员荷载：q1=0.15 kN/m2；

4)塔字荷载：塔字采用集中荷载，分布在中间2根纵梁上，单元荷载为0.54 kN/m；

5)其他材料堆载：除吊篮外，其他机械设备禁止放置在防护棚架上，靠近主塔的两榀贝雷梁之间材料设备重量不超过2 t，均布荷载为：q2=0.2 kN/m2；

6)风荷载:参照《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012);

7)偶然荷载：高空坠物

高空坠物集中力按10 kg考虑，坠落高度为132 m，取作用到棚架上的集中力q5=2.54 kN/m2；作用于塔柱两侧跨中3 m×5 m的花纹钢板上。

2.3 荷载组合

1)结构应力计算工况：1.2棚架自重+1.2花纹钢板恒载+1.4塔字荷载+1.4施工人员荷载+1.4材料堆载+1.4高空坠物荷载。

2)横向抗风稳定性分析：静阵风荷载参照《公路桥梁抗风设计规范》。

2.4 受力验算

1)支点反力

荷载组合工况下，支点反力如图2所示。其中，最大支反力为靠近塔柱的立柱，其值为104.7 kN。

2)应力

立柱、纵向主梁、横向主梁和小纵梁在组合工况下的应力见表1，可以看出，计算应力均满足要求。

表1 组合工况防护棚各构件应力

3)刚度验算

结构竖直方向的最大位移为贝雷梁跨中位置，为6.8 mm

4)屈曲稳定性

(1)整体稳定性分析

一阶屈曲模态的荷载安全系数为19.4>4,屈曲稳定性满足要求。

(2)立柱压杆稳定性分析

采用一端固定，另一端自由。根据欧拉公式，细长压杆的临界力为3 186 kN，棚架立柱最大压力为104.6 kN，远小于φ426×6 mm钢管立柱压杆的临界力，压杆稳定性满足要求。

5)侧向抗风稳定性

上部结构自重作用下的弯矩MG为10 464 kN·m，风荷载作用下的弯矩MF为413.82 kN·m，MG/MF=25.3≥2.5，结构抗风稳定性满足要求。

6)高空坠物花纹钢板局部受力分析

由于纵向工字钢布置间距为75 cm，花纹钢板为单向受力板[4]，取1 m进行分析，在高空坠物2.5 kN/m2的荷载及自重荷载作用下，花纹钢板的最大应力为1.9 MPa，变形量非常小,满足规范要求。

3 防护棚施工

3.1 施工准备

1)技术准备

(1)对主塔现场的条件及其相关资料进行调查。

(2)进行防护棚架设计方案交底，并组织进行技术及安全交底。

2)现场准备

(1)制定相关的交通管制措施，划定警戒区和确定施工时间。

(2)安装吊装过程中注意安全防护，防止吊装过程中出现安全事故；安装过程中设立吊装警戒区，禁止非安装施工和管理人员以外的所有人员进入。

(3)配备施工用电、用水的条件及消防器材。

3.2 防护棚安装

1)钢管立柱及混凝土预制块安装。混凝土条形基础设置在材料加工场地预制，施工时不影响交通行车。在加工场地制作2 m×0.7 m×0.5 m以及1 m×0.7 m×0.5 m的C30混凝土预制件共计32个。预制件中预埋4根钢筋和一块0.6 m×0.6 m的钢板。钢管立柱的制作，按照设计图纸将耳板焊接在立柱圆管上。将提前加工好的立柱运至现场，采用随车吊将其焊接在C30混凝土预制块上，采用二级角焊缝，焊脚尺寸为6 mm，立柱与预埋钢板通过1 cm厚加筋板加强。立柱安装需保证其垂直度；立柱安装好后，及时与主桥防撞护栏及外侧人行道护栏立柱焊接固定，防止其倾倒。

2)在钢管立柱顶部架设分配梁。将双拼工25纵向主分配梁采用随车吊吊装安装，双拼工字钢嵌入立柱钢管内，并进行焊接固定。

3)架设贝雷梁、布设小分配梁及菱形花纹钢板；采用全幅间断封闭交通，进行施工。综合考虑棚架横梁受力(尽可能使横梁正负弯矩接近)、钢丝绳受力及钢丝绳等因素，吊点设在距离横梁跨中1/3处。每片横梁设4个吊点吊装。

3.3 防护棚拆除

在主塔涂装及中横梁塔字安装完成后，即进行拆除施工。防护棚的拆除施工，原则上是从塔设标高位置向下进行。拆除前，施工班组应对防护棚进行全面检查，确定无严重变形的情况后，方可进行拆除施工，如遇到强风、雨雪等特殊气候，不得进行防护棚架的拆除施工。实施拆除作业班组进入现场后，先进行检查加固松动部位，清除棚顶垃圾及各种物体，清理时现场有专人看护，防止掉物伤人[5]。其构件吊装拆除时的吊点及吊幅半径布置与安装吊点布置一致。

拆除注意事项：

1)拆除作业按照防护棚安装的反顺序进行。

2)在棚体的拆除过程中，绝不允许分立面拆除或上下两步同时拆除。

3)拆除时要一步一清。所有杆件、扣件在拆除前分离，不允许杆件上附着扣件。

4)所有花纹钢板，应自外向里竖立搬运，防止自里向外翻起后，面上垃圾物件直接从高处坠落伤人。

4 结 论

a.防护棚受力验算结果表明，防护棚架的设计是安全可靠的，其支反力、应力、刚度和稳定性均满足设计和规范要求。

b.主塔防腐施工时，防护棚可以有效拦截高空坠物，避免安全事故的发生，本项目的顺利实施为今后类似的工程项目提供了宝贵经验，具有积极的实践意义。

c.防护棚安装完后不影响桥面正常通行，防护效果非常可靠，外形也比较美观，防护棚所有构件均可在后场加工成型，不占用桥面场地，现场吊装，施工速度快，周期短，安全便捷。

d.随着我国公路建设进入高速发展阶段，大跨径的斜拉桥和悬索桥越来越多，可以展望，在缆索结构的管养和更换中，防护棚也将有着举足轻重的作用。