钢箱梁大桥吊装安全性参数计算及吊装过程平衡控制措施分析

李添水

（大成工程建设集团有限公司，福建 厦门 361000）

0 引言

钢箱梁具有重量大、长度大等特点。因此，对地基承载力、吊装机械、吊具、过程控制、临时承载机构提出了较高的要求。从风险控制的角度看，在吊装时控制钢梁节段的平衡性是避免风险的关键措施，故本文将结合工程案例，对钢箱梁大桥吊装安全性参数进行计算，并分析吊装过程平衡控制措施。

1 工程概况

某城市道路工程全长为808.64m，红线宽度为40m，设计速度为50km/h，其中包括一座289.25m 长的钢箱梁大桥。该桥梁跨径设计为45m+56m+56m，梁高为2.0~4.3m，主梁采用波形钢模板铜－混组合连续梁，进行2次抛物线变化。

2 钢箱梁大桥吊装安全性参数计算

2.1 钢箱梁分段

根据设计图纸将本项目的钢箱组合梁划分为若干个分段，纵向为15 个箱梁分段，横向为两个箱梁分段，还有一个是箱外横梁分段。表1 为部分箱梁分段的重量、长度、高度及吊装高度明细表。从中可知，该项目钢箱梁具有较大的重量、长度以及吊装高度，导致施工风险偏高。

表1 箱梁左幅分段明细

2.2 吊装安全性参数计算

该项目梁体重量在46.1～91.7t之间，重量≤48.1t的钢箱梁采用单机吊装方案，重量超过48.1t 的钢箱梁采用双机吊装方案。

2.2.1 吊耳竖向剪切力计算

在设计吊耳时，应对其竖向剪切应力进行计算，计算公式为：

式中：σ——许用应力，该项目吊耳材质为Q345qC，许用剪切应力为170N/mm2；

S——吊耳的受剪面积；

M——单个吊耳上载荷质量；

g——重力加速度。

（1）单机模式下的计算结果。在单机吊装模式下，每个钢箱梁上设置4个吊耳，不利情况下由3个吊耳发挥作用，则单个吊耳上的最大载荷质量为m=48.1/3=16t。吊耳底部宽度L=280mm，整体高度为H=280mm，在几何中心设置有圆形中空，其直径D=80mm。该项目中参数S的计算公式为：

式中：S——受剪面积；

W——吊耳的厚度；

L——吊耳底部宽度；

D——圆形中空的直径。

当σ=170N/mm2，W=30mm时，将各个参数代入式（1）和式（2），有σ·S=30mm×(140-40)mm×170N/mm2=5.1×105N。2mg=2×16200kg×9.8N/kg=3.175×105N。显然，符合式（1）的要求，说明在单机吊装模式下吊耳设计规格满足要求。

（2）双机模式下的计算结果。对于重量超过48.1t的钢箱梁，吊耳的设计规格有所变化，L和H分别增加至340mm，中空结构的内径改为100mm，厚度增加至62mm。双机吊装模式下的σ·S=62mm×（130-50）×170N/mm2=8.97×105N。单个吊耳的最大载荷为92.8t/4=23.2t，2mg=2×23200kg×9.8N/kg=45.5×105N。同样满足σ·S>2mg。因此在双机吊装模式下吊耳设计方案满足要求。

2.2.2 钢丝绳选型及安全系数计算

（1）钢丝绳基本规格。吊装时根据载荷的重量选择钢丝绳，具体见表2。

表2 钢丝绳选择分类

（2）钢丝绳安全系数计算。钢箱梁分段可视作刚体结构，吊耳为对称布置，钢丝绳吊起后也为对称分布，钢箱梁水平悬吊，钢丝绳与钢箱梁的夹角为60°。竖直方向上受力平衡，平衡关系的计算公式为：

式中：Ly——单根钢丝绳在垂直方向上的分量；

LF——单根钢丝绳上的拉力记；

θ——钢丝绳与钢箱梁的夹角。

因此，有4Ly=mg，此时LF的计算公式为：

当载荷质量为45t时，将各参数的取值代入（4）式，得到LF=45×0.866×9.8/4=95.5kN。Φ32mm 钢丝绳的最小破断拉力为774.8kN，将钢丝绳的安全系数记为K，则有K=744.8/95.5=8.11。采用相同原理计算其他载荷条件下的钢丝绳安全系数，总体计算结果见表3。可见，钢丝绳的安全系数达到了较高水平。

表3 钢丝绳安全系数计算结果

（3）卸扣选型及安全系数计算。卸扣是吊装系统的重要组件，每一个吊点配置一个卸扣，每次吊装所需的卸扣数量为4 个。当载荷质量≤45t 时，按照最大值45t 计算，单个卸扣的载荷质量为45t/4=11.3t。当载荷质量在45～65t之间时，按照65t计算，单个卸扣的载荷质量为65t/4=16.25t。当载荷质量在65～95t 之间时，按照95t 进行计算，单个卸扣的载荷质量为95t/4=23.75t。卸扣的安全系数为额定载荷/实际载荷，根据技术规范，安全系数不得低于2.0，实际计算结果见表4。3种卸扣的安全系数均大于2.0，满足使用要求。

表4 卸扣安全系数计算结果

3 钢箱梁吊装过程平衡控制策略

3.1 吊装流程

该项目钢箱梁吊装施工流程为：现场施工准备→拼装搭设支架→吊机准备→钢箱梁分段吊装→测量及微调→现场焊接→现场涂装→支架拆除→现场验收[1]。其中与吊装过程平衡控制相关的环节主要包括现场施工准备、支架搭设以及节段吊装。

3.2 吊装前的施工准备

3.2.1 场地准备

（1）场地要求。该项目钢箱梁重量较大，再加上吊装车辆和运输车辆的自重，对场地的承载能力和平整度等提出了较高的要求，良好的场地条件可减少现场吊装的扰动，进而确保吊装的平衡性[2]。施工现场应做到场地坚实平整，梁段运输和吊机开行道路的坡度不得超过1%，其地基承载力不得低于12t/m2。

（2）场地平整和压实。对桥两侧10m 范围内的场地进行平整和压实处理，施工措施如下：对原地面进行开挖，形成100cm 深的基坑，向基坑内填筑砖渣，采用分层填筑与夯实的作业方法，砖渣上部铺设碎石，并碾压密实，表面承载力不低于400kPa[3]。在场地平整过程中，对吊机占位区地基下方采用细沙找平，平整度不超过1cm。

3.2.2 临时支架场地处理

钢箱梁吊装时通过临时支架进行卸载，为确保基础的可靠性，应提前浇筑地面。现场共需要搭设60 个临时支架，单个支架基础的尺寸为5m×5m×0.3m，使用C25 混凝土浇筑。在支架基础四周以土石进行填充，形成压实的斜坡，在斜坡表面设置防雨侵蚀措施[4]。

3.2.3 搭设临时支架

梁段采用分段架设，在设计分段处设置临时支架，支架主体结构为“井”字型布置的4 根Φ325 钢管，整体高度为26m，钢管外侧设计有斜支撑。钢管横桥向间距和顺桥向间距均为3.3m，横梁采用双拼40A 工字钢。支架基础上预埋有4块规格为500mm×500mm×16mm钢板和固定钢板的螺栓，临时支架底部与钢板进行焊接，按照表5验收焊缝质量。

表5 焊缝质量验收内容

3.3 吊装过程平衡控制

3.3.1 正式吊装前的基本要求

在正式进行吊装前1～2d，现场组织试吊一次，在天气晴朗、风力小于3 级的情况下进行试吊，通过试吊确认以下情况：

（1）滑轮是否灵活转动，有无卡滞现象；

（2）检查各处插销是否安装到位；

（3）检查吊机限位是否正常运行；

（4）检查钢丝绳是否存在断股、乱绕现象；

（5）检查吊钩是否存在裂纹和缺陷。

3.3.2 吊装方法

起吊时，必须在钢箱梁两端下部系挂缆绳，由防护人员进行拉拽，一旦钢箱梁出现晃动，由地面人员通过缆绳进行控制，确保吊装的平衡性。对于重量低于48.1t，并且长度不超过20m 的钢箱梁节段，采用单机进行吊装，吊机的起重能力为62t，臂长为39.4m，配重89t，工作半径为9m。当重量超过48.1t，或者节段长度超过20m，单机吊装的安全性和平稳性都难以保障，此时改用双机吊装的方案。主要的吊装控制措施如下。

（1）吊机旋转方法。钢梁吊升时，起重机边升钩边回转，使构件绕原位置旋转，直到竖直，起重机将构件吊离地面后稍微旋转起重臂使构件处于基础正上方，然后将其轻轻放在基础上面[5]。

（2）吊机提升。起吊时先进行试吊，将构件提升至距离地面50cm 处，当设备未出现任何异常时，再慢慢提升至预定高度，整个吊装过程由地面控制人员确保钢丝绳的角度，防止构件在空中晃动和扭转。

（3）钢梁就位。钢梁吊装到位后，通过人工结合小型千斤顶的方式进行适当调节，经过测量定位，确认位置准确后，拧紧螺栓固定，并报请监理验收合格，方可缓慢松钩，完成吊装。

4 结束语

综上所述，钢箱梁大桥跨度较大，可采用分段吊装的作业方式，将钢梁划分为若干节段。作业前必须计算吊耳、钢丝绳、卸扣、地基、支架等重要组件的承载力和安全系数，从理论层面确保吊装方案的可靠性。正式吊装之前，对地面进行硬化夯实处理，利用混凝土浇筑支架基础，搭设、焊接钢梁的临时支架。进入吊装阶段后，由专人利用绳索控制钢梁的平衡性，缓慢起吊、平稳就位。