城市快速路互通小半径曲线钢箱梁吊装施工技术

张伟元

（中铁十六局集团第三工程有限公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

由于钢箱梁具有较高的强度、较轻的自重，同时对钢材消耗量有良好的控制，并且具有耐久性方面的优势，因此逐步发展成为城市立交桥建设中主梁形式的首选方案[1-2]。

城市跨越式工程施工不可避免会遇到各种复杂工况，其中临近220 kV高压线的小半径曲线钢箱梁吊装施工是常见的难点问题。本文依托苏州G312-G524节点工程ES匝道桥第九联钢箱梁吊装工程，通过理论研究和对施工现场的实地考察，提出了使用BIM技术模拟现场各施工工况的方案，并对该方案进行了详细的探讨，最终解决了施工难题，保证了施工安全。

1 工程概况

G312-G524节点工程项目位于苏州市相城区，其中G524主线桥西侧有1条220 kV高压电力架空线（楼陆4X61线）通过，该高压线最低点离地高度为41.3 m～53.1 m。220 kV高压电线由北向南依次跨越NW匝道、SW匝道、G312老桥、ES匝道、NE匝道、WS匝道共6处。其中高压线离ES匝道第九联桥面高差较小，施工过程中存在安全风险，尤其是ES第九联钢箱梁吊装施工安全风险较大，部分梁端半径较小，最小曲线半径为90 m，单跨跨度较大，最大跨度为55.85 m。ES匝道桥是连接G312高架与G524高架东转南方向的匝道，其中第九联全长127.5 m，分为8个节段，采用支架分段吊装法施工。

2 施工前期方案选择及应用

2.1 方案选择

G312-G524节点工程ES匝道部分钢箱梁节段在吊装施工过程中与高压线空间距离较近，为确保施工安全，需对不同工况下吊装施工进行模拟，并对与高压线的空间关系进行测算明确。使用常用的CAD等平面工具无法进行施工过程模拟，也无法直观测算净空。

为了实现实际的工况模拟和净空的精准测量，本方案利用BIM技术的虚拟建造功能将现场与设计数据在计算机中进行建模，并根据设备选型直接将吊装过程进行模拟。相较于CAD，基于BIM所设计的三维模型更能直观地表现工程实际状况，尤其针对复杂情况下的吊装梁施工，三维模型更能有效地指导施工[3]。

2.2 BIM应用具体流程

1）对设计图纸进行处理，提取原地形标高、平面道路、匝道线、桩号等基础数据。

2）利用Revit和Dynamo生成对应的模型，包括施工场地原地面模型、太阳路道路模型、G312既有高架模型、ES匝道第九联钢箱梁模型、260 t履带吊参数化模型等。

3）利用Navisworks软件将各类模型整合，还原一个数字化的施工模型。

4）利用每节块钢箱梁的吊点在三维模型中模拟显现，将参数填入履带吊参数化模型中，将履带吊与钢箱梁按吊装要求进行组合，再通过吊臂的工作半径、场地标高、现场限制因素等确定履带吊的最佳吊装站位，即可模拟出实际吊装过程。

5）通过以上模型建立和吊装模拟，通过软件的测量与标识功能对履带吊吊臂顶与高压线距离进行净空测算，判断施工方案的安全性和合理性。

2.3 三维模型构建

1）ES匝道第九联施工BIM模型。通过提取设计图纸中的数据，利用BIM建立G312-G524节点工程ES匝道第九联施工BIM模型，见图1。

图1 G312-G524节点工程ES匝道第九联施工BIM模型

2）履带吊模型。根据已确定的履带吊设备性能参数，即吊臂长42 m，工作幅度（回转半径）22 m～18 m，利用Revit进行参数化精准建模，建立履带吊模型。

3）履带吊站位模型。为精准控制本次吊装作业，实现箱梁吊装一次到位，确保施工安全、稳定、可靠，在确定履带吊性能参数后，利用BIM模型，通过箱梁节段的固定吊点和现场具体制约情况，反算履带吊停车范围并最终确定最合适停车的空间坐标。

2.4 BIM技术应用成果

G312-G524节点工程ES匝道第九联钢箱梁施工通过BIM技术的建模和施工模拟，得出以下成果：①220 kV高压线三维模型，即在220 kV高压线安全影响范围内所有构筑物的三维模型及主要吊装施工过程的动态模拟；②模拟现场吊装施工过程的动画演示；③吊装过程中履带吊吊臂顶点与高压线之间的空间距离关系；④以4#-3梁为例，得到了吊装施工过程中主要控制要素，包括钢箱梁吊点位置、现场存梁位置、履带吊作业站位位置、履带吊吊臂抬升角度范围及履带吊吊臂旋转范围等，详见表1。

表1 4#-3吊装施工过程控制要素

以第九联4#-3梁为例，通过BIM技术确定最佳吊点位置后，吊起4#-3梁距高压线直线距离15.08 m后，吊车开始旋转至梁安装位置，吊车吊臂水平夹角从63.1°增至64°，在安装过程中，吊车吊臂距高压线直线距离为12.30 m。通过BIM技术可以清晰地在计算机上还原钢箱梁桥的吊装过程，并得到吊车吊臂顶点与高压线的实时距离，提高此类工程的安全性和可靠性。

3 小半径曲线钢梁制造工艺及注意事项

3.1 制造工艺

在小半径钢梁曲线制造之前，需要合理分解结构，按照规定的尺寸采购钢板材料，以此减少材料的损耗。此外，板单元下料前应当使用数控切割机，在没有大型数控铣边机的情况下，钢板开破口可以采用经过改进的半自动切割机（见图2），其操作简单便捷、节约成本，值得推广。在钢梁总拼时，如果钢箱梁长度≤100 m可以采用长线预拼法，先制作出整个钢箱梁的胎架，并在胎架上设置预拱度与横向边坡，尽力保证箱梁的总体线形。大量实践证明，该工艺适用于不同城市快速路护筒或公路立交匝道曲面线半径≤100 m的小半径钢箱梁施工，还可以适用于机场、码头及车站等小半径曲线钢箱梁的施工。

图2 经过改进的半自动切割机示意图

小半径曲线钢梁制造流程如下：①对钢箱梁纵向和横向进行分段和分块；②钢板下料、开曲线坡口、再焊接成块；③将钢箱梁块吊装至胎架上进行全桥预拼装，正确调整线形和尺寸，焊接底板与腹板、顶板和横隔板之间的焊缝应饱满，以上焊缝经过无损检测之后，将钢箱梁送入砂房喷砂和除锈，再涂装，然后存入梁场。小半径曲线钢梁制造流程如图3所示。

图3 小半径曲线钢梁制造流程图

3.2 注意事项

1）张拉预制底座。张拉预制底座应牢固、无缺陷，并综合考虑排水情况，防止因排水不畅造成地基下沉。

2）模板。保证模板结构合理，拆卸方便，综合考虑模板周转率和适应性，小箱梁外膜应使用高强度腹膜竹胶合模板，模板表面应光滑、无变形，接缝不漏浆。内膜使用木模，内膜定位准确无误，不得出现错位、上浮或者涨模等现象。

3）钢筋。如果在施工组织设计中未能明确说明钢筋直径≥12 mm时，钢筋接头应采用焊接方式；如果钢筋直径〉12 mm，应采用绑扎方式。钢筋加工严格按照设计要求执行。

4）预应力钢材。施工过程中，钢绞线截断使用切断机或者砂轮锯，切忌使用电弧。

5）钢波纹管。钢波纹管使用成品镀锌钢波纹管制作而成，波纹管厚度应≥0.3 mm。

6）箱梁混凝土。①水泥。使用品质优良的525#，625#硅酸盐水泥或者普通硅酸盐水泥，同一座小箱梁使用同一种类型的水泥，禁止使用变质或者复合水泥。②粗骨料。使用坚硬的碎石、连续级配的粗骨料，采用锤击式破碎生产方式，直径≤2 cm。③细骨料。使用级配好、质地好且干净的河沙作为细骨料，无盐碱、黏土及云母等有害物质。④水。水中不得有影响水泥正常凝结的有害杂质，水的pH值应在4～8.5，并且不得使用酸盐含量〉2 700 mg/L的水。⑤减水剂。应使用经过相关部门鉴定并具有合格证明的减水剂，减水剂中不得有氯化钙。

7）预制箱梁、湿接缝钢筋的拼装与制作。预制箱梁、湿接缝钢筋的拼装与制作均应在施工现场绑扎或者焊接，位置、间距应严格按照施工组织设计要求进行；箱梁预应力孔道的波纹管应具备一定的强度，安装位置准确无误；钢筋和模板之间使用垫块，保证混凝土层的保护厚度满足要求。

8）钢绞线张拉。使用质量可靠的钢绞线，张拉千斤顶在使用之前应进行认真仔细校对。清洗张拉前锚具；钢绞线张拉严格按照设计要求进行；钢绞线张拉不宜超张拉，实测的伸长值与理论的伸长值之间的差值应≤6%；待混凝土强度值达到设计要求的90%时，方可进行张拉。

9）小箱梁拱度观测。预制箱梁张拉完成后，委派专业人员观测1 d，3 d，7 d，30 d，60 d，90 d的拱值，并做好记录；如果正负差异〉20%，立即停止施工，待查明原因后采取针对性的措施，在监理工程师同意的情况下方可施工。

10）预应力孔道灌浆、封锚。张拉完成后及时进行灌浆；压降前，先清洗和湿润孔道，如有积水，使用排风机吹干；水泥浆由经过准确称量的525#普通硅酸盐水泥或者硅酸盐水泥、水组成，抗压强度≥40 MPa。水泥强度达到40 MPa时方可吊装箱梁。

11）小箱梁存放。小箱梁存放场地应平整夯实；主梁按照编号顺序存放，且不宜超过2层，层与层之间垫木块；主梁存放日期严格按照施工组织设计执行。

12）箱梁吊装准备。认真检查箱梁预埋件位置、尺寸是否符合设计要求；凿除处理层和混凝土表面的水泥砂浆；安装永久性支座。

13）箱梁吊装。主梁使用捆绑式吊装，如果使用其他吊装方式，应仔细验算主梁受力，并将吊装方案报经监理工程师。

14）箱梁现浇湿接缝施工。混凝土浇筑应严格按照施工组织合计要求进行，箱梁预制、浇筑和横向湿接缝时间应≤90 d。

15）横膈梁施工。保证顶板和底板最外层钢筋焊接质量，保证焊缝长度应满足施工组织设计要求；如果需要调整伸缩缝预留槽尺寸，应综合考虑边跨横梁。

16）工作孔施工。工作孔受力钢筋应当使用焊接方式，焊缝长度满足《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T 3650—2020）。

17）调平层施工。①凿除桥面板、混凝土表面的松弱层；②采用2%横坡，对不符合2%横坡平面上的混凝土进行凿除；③经过凿毛处理的混凝土，应使用洁净的水冲洗干净；④其他未尽事宜严格按照《公路桥涵施工技术规范》执行，如果施工组织设计文件中有特殊要求，应遵照执行。

4 施工中拟采用的安全措施

通过BIM技术对本次工程吊装的实时模拟，基本解决了临近220 kV高压线的小半径曲线钢箱梁吊装的难题，但在施工过程中仍需要采取必要的安全措施。

4.1 高压线安全影响范围内施工安全防护措施

可从机械、人员和BIM技术3个层面进行分析。

1）履带吊大臂顶端设置高压电力设备非接触预警系统，吊机吊索缠绕厚3 mm塑料绝缘皮，吊车车体有效接地。

2）现场高压下施工人员需要做好绝缘防护措施，包括绝缘手套、绝缘胶鞋、高压绝缘垫等绝缘装备，严禁施工时无防护设施；现场其他施工人员包括起重设备操作人员及指挥人员等必须持证上岗，无操作合格证的禁止入场，其中起重设备顶部必须采取绝缘措施，并且起重设备的工作半径与架空线路边线保持安全距离，最小安全距离≥6 m，吊装作业过程中必须有专人指挥[4]。

3）通过BIM建模的成果及准确定位的坐标在现场实际放样可确定履带吊的最佳站位，然后通过数字化的操作屏控制抬臂角度。在各梁吊装过程中，针对吊装过程中直线距离较近的节段吊装，为消除人为操作产生的误差（旋转角度过大）对高压线的影响，可以增加刚性卡控装置，刚性卡控装置可以接在护栏扶手上，也可埋设在地面，以本工程5#-3梁吊装为例，采用BIM技术可得到其模型及其坐标，见表2，图4。

图4 5#-3刚性卡控装置模型

表2 5#-3刚性卡控装置设置坐标 m

4.2 交通安全防护措施

1）道路管制。施工前与交通管理部门取得联系，获得许可；准备好夜间施工的照明设施、夜间警示灯等。

2）交通疏导。加强对施工车辆的管理，遵守交通规则，在施工区域两侧、设交通安全防护员，保证道路行车安全及畅通。

3）在钢箱梁四周设置临边防护栏杆、安装定形式网片、设置挡脚板，防止钢箱梁后续施工时桥面上材料、工具掉落到临近的道路上[5]。

5 施工工艺及经济性分析

由于钢箱梁为分块制作而成，在底板单元的划分过程中充分考虑了原材料的尺寸、焊缝及车间和施工现场的起重能力等诸多因素。因此，每一块钢箱梁的订货尺寸都有利于控制下料后尾料的剩余量，减少和降低材料成本。

在对小半径曲线钢梁的顶、底板下料过程中，如果需要使用大型数控铣边机，其采购、运输和安装等成本比较高，对于总重量〈1 000 t的小半径钢梁来说成本摊销难度较大。所以，还需要使用经过改进的半自动火焰切割机开坡口，使其可以适应钢板梁的曲线形状，钢板经过切割、使用砂轮机打磨之后，焊缝坡口质量完全满足设计要求。该设备具有操作简单、投入成本低且坡口质量与数控铣边机相当等特点，相比之下，使用半自动火焰切割机开破口更具经济性、可行性。

由于钢箱梁总拼长度略短，大约为70 m，需要使用到的胎架数量较少，可同时在3联钢箱梁总拼装中周转使用，且钢梁会随着平曲线使其结构底板标高十分复杂，难以保证小半径曲线钢梁线形。因此，在厂房内完成全段钢梁整体预拼，可以充分保证小半径曲线钢梁的整体线形，有助于钢梁在后续施工中的准确定位。

6 结语

本文以苏州G312-G524节点工程ES匝道桥第九联钢箱梁吊装工程为实例，以设计图纸等技术资料作为参考，建立复杂立交互通桥梁的BIM模型，并利用已有参数确定吊车吊装最佳位置，最后模拟出实际吊装过程。相较于传统的CAD等工具，本文采用的BIM技术实现了“未造先建”。本方法提高了复杂环境下吊梁施工可靠性和安全性，同时提升了工程效益，取得了较好的应用效果。