42米大跨度跨河钢结构人行天桥制作和安装施工技术研究

尚宁洲

中国五冶集团有限公司 上海 201900

1 工程概况

本桥梁所跨河道两侧分别为美兰湖景区和诺贝尔科技公园，两个景区没有直接联通，减少了游客及附近居民游玩的乐趣，而新建桥梁可缩短美兰湖、北欧风情街与诺贝尔科技公园的距离，可极大提高游客及居民出行及游玩乐趣。桥梁上跨荻泾河，桥位处规划河口宽 41.7m。河底标高约-1.0m，常水位 2.8m，梁底控制标高 6.2m。桥梁跨径布置为 1-42=42m，桥梁净宽 4.5m。

本桥采用钢结构梁拱组合形式，拱肋同时兼有装饰效果。拱肋在立面上跨中位置处线型向上延伸，距离跨中7.5m 处反弯至桥梁起终点，犹如展翅腾飞的雄鹰；平面在距离跨中 7.5m 位置向外延伸 2.5m，犹如双向钻石平面。拱肋与主梁间采用 10×5cm 的矩形扁钢相连，扁钢间距1.0m。在拱肋截面内间隔0.3m 布置一道纵向加劲肋。

桥梁上部采用钢结构梁拱组合形式，箱梁高 0.8m，顶宽 6.6m，底宽 6.3m，拱肋采用 0.6×0.6 的八边形方钢结构，主梁与钢桥面板纵桥向间距 1.0m 设置一道隔板。拱肋与主梁间采用 10×5cm 的矩形扁钢相连，扁钢间距 1.0m。在拱肋截面内间隔 0.3m 布置一道纵向加劲肋。下部结构桥台采用轻型埋置式桥台，台帽宽 1.6m，高 2.0m，背墙厚0.6m；台身下设 1.5m厚承台，单个承台接 3 根直径为 0.8m的钻孔灌注桩基础。

2 工程施工难点

（1）本桥位置上下游均有桥梁，轮船浮吊受上下游桥梁跨底标高限制不能通过，因此在河面采取轮船浮吊的方式是不可行的。

（2）本桥梁横跨荻泾，规划河道内设置皮划艇赛道，国际标准皮划艇赛道单条赛道宽 9m，净空 3m。为在桥梁跨中预留 2 条皮划艇赛道，跨中不设立墩，因此无法采取河每边吊装一跨（24m）的方式吊装。

（3）本桥一端的北欧风情商业街已建成投入使用，没有可以让大型吊车吊装的工作面，因此只能在公园这侧拼装和吊装。

（4）本桥长度42m，受运输条件限制，只能采取工厂分块制作、现场拼装，现场拼装需要设计制作胎架，既要考虑胎架的地基承载力，也要考虑胎架的精度，以确保桥梁跨度的弧度造型。

（5）本桥梁重约200t，选用最大起吊能力为800t的吊车整体吊装，吊车自重1200t，因此临河吊装场地地基必须经过处理，以确保整个吊装过程的安全。

（6）吊耳设置及其加固。桥梁吊装设置8个吊耳，每个吊耳受力按大于28t，考虑安全因素，在吊设置吊点腹板两侧需要加固确保安全。

3 桥梁制作方案

（1）桥梁分段方案。考虑到桥梁的大件运输的路线、方法与安全措施需要经相关管线管理部门审批同意，结合本项目的区域位置及重要性，审批程序麻烦，通过可能性也小。加上本项目42m跨人行桥，采用梁-拱组合钢结构桥梁，由箱梁、拱肋及吊杆组成。在场外钢结构加工厂分段制作完成，分段运输至施工现场，梁-拱现场拼焊成一个整体后，再整体吊装就位。箱梁分成11块加工（纵向分段、横向不分段）、拱肋分成6段加工。

（2）桥梁现场拼装场地的地基处理。钢结构桥梁在现场分块拼装成一个整体。拼装场地对于场地平整度及地基承载力也有一定要求，浅层填土结构松散，含水量较高，拼装工作区域范围采用16t压路机碾压分层碾压，低洼处用级配混凝土渣块分层回填、碾压密实，密实系数不小于0.97，经碾压后拼装区域地面承载力不小于70kPa。然后铺设5.5m×1.5m×0.14m路基箱，路基箱铺设好再按照图1尺寸，拼装区域浇筑10cm的混凝土，确保拼装场地不受下雨影响。

图1 拼装场地平面图

（3）桥梁拼装胎架制作。桥梁现场拼装需要在胎架上进行，在路基箱（5.5m×1.5m×0.14m）上安装HW200×200×8×12型钢立柱，立柱间距4m,高度1.5m～2.2m，立柱十字支撑与路基箱可靠焊接，见图1所示。钢梁立面线型中需计入钢梁预拱度（按结构自重标准值+1/2 人群荷载频遇值挠度 考虑），跨中预拱度设置为30mm。在调解支撑点高度与控制拼装焊接施工中考虑，桥底调节的支撑面设置钢板搁承受重量，防止桥底板的损伤，详见图1。

（4）桥梁拼装胎架验算。采用3D3S Design 2022.0软件对型钢立柱的承载力进行计算，经计算满足使用要求，计算过程略。

（5）桥梁拼装。在工厂进行预拼装，经监理、总包单位检查合格后方可运输出厂。桥梁在现场拼装按照中间往两侧的方向进行拼接，每块拼装完成后先进行平整度检查，拼接缝隙宽度及水平度检查，桥梁垂直与水平中心线的距离与设计图纸尺寸误差进行对照，经监理初验合格后进行点焊连接，以此类推，拼接好全部桥梁。联合监理、设计、总包单位对桥梁拼接质量、尺寸进行全方位检查，检查合格后方可进行焊缝满焊工作，焊缝满焊也是从中间往两端进行施焊。现场使用半自动实芯焊丝二氧化碳气体保护焊(GMAW)为主要焊接方法，焊条电弧(SMAW)、药芯焊丝二氧化碳气体保护焊(FCAW-G)为辅助焊接方法。焊接材料的化学成分、力学性能应与母材相匹配。焊缝金属的性能必须满足设计规定值。对于两种不同等级的钢材相焊时，焊材按低等级的钢材进行选用。

（6）吊耳设置。桥梁吊装采用800t吊车处设置8个吊耳，考虑受力角度不大于30度，每个吊耳受力按大于28t（192/8/0.86=27.9t）考虑。桥梁箱梁腹板下厚16mm，考虑安全因素，采用在吊设置吊点腹板两侧焊接钢板（800×500×20），防止拉力撕裂箱梁板[1]。

（7）桥梁拼装质量安全保证措施。1）定位焊焊缝所采用焊接材料及焊接工艺要求应与正式焊缝的要求相同。2）拼装胎架的地基承载力必须满足设计要求，并做好排水措施。避免因下雨导致地基不均匀沉降，引起胎架变形，从而导致桥梁变形。3）现场拼装时采取的脚手架操作平台及围护结构应绘制平面图、立面图、剖面图，以及拉结支撑及必要的细部节点图，编制专项方案经批准后方可实施。4）派驻质量检查人员和监理在加工厂监督制作质量，原材料进入加工厂必须经驻厂质量员和监理验收方可使用，构件出厂前须经过驻厂质量员和监理检验合格并见证焊缝探伤合格后出厂。5）拼装前对工人必须提前做好技术交底，质量控制的关键节点、关键尺寸务必让工人掌握，并加强过程控制，上道工序未经验收合格，不得进入下一道工序施工。6）现场焊缝满焊后，按设计要求进行焊缝探伤检验，不合格的焊缝必须清除并重新焊接。7）拼装完成后建设单位、设计单位、监理单位、施工单位、检测单位共同验收合格后方可进行吊装。

4 桥梁吊装方案

（1）吊装机械的选择。本项目桥梁吊装最重的桥梁结构重量为192t。根据现场实际情况，选用徐工800t履带吊拼装成型一次性吊装到位。由于受场地条件限制，需要选用两种工况来先后吊装。1）吊车面向制作场地从制作胎架上吊起桥梁时受场地限制，吊车后面不能加超起配重，因此选择后配重=0时，主杆选用72m主臂，在回转半径为15m的时候可以吊306t，可以满足履带悬吊重物允许负荷额度工作的要求。在此工况下，吊车把桥梁从制作场地制作胎架上缓缓吊起，旋转至吊车主臂面向桥墩方位，然后增加超起配重，进入下一个工况来吊装[2]。2）800t履带吊车超起SHB工况，后配重=430，超起半径22m，800t履带吊主杆选用72m主臂，在回转半径为47.15m的时候可以吊225t，可以满足吊装桥梁到桥墩工作的要求，可参见徐工XGC 型800t-12000tm 履带起重机额定起重量手册。

（2）吊装场地地基处理及验算。1）吊装场地的地基处理。800t吊车对地基承载力要求很高，原状地基承载力不满足要求，需要进行加固处理：挖除表层杂填土（约1.5m厚），至第 ②层褐黄～灰黄色粉质粘土层，然后采用级配混凝土碎块分层回填，每层回填厚度约0.5m，用16t压路机分层碾压密实，密实系数不小于0.97，确保地基承载力≥150kPa，通过土工试验检测；表面平整度误差不得大于1%。地基处理区域浇筑50mm厚混凝土散水，吊装场地周围做好排水沟，确保下雨时雨水能够及时排走，吊装区域地基不受雨水浸泡降低地基承载力或引起不均匀沉降。2）路基箱承载力验算。由吊车厂家提供800t履带吊专配重型路基箱，规格为6m×2.3m×0.25m，单块路基箱平均承载力为139.67t（厂家提供）。采用3D3S Design 2022.0软件对重型路基箱的承载力进行计算，经计算满足使用要求。3）地基承载力验算。根据《岩土工程勘察报告》，场地平整后标高为4.10m(吴淞高程)，第②层褐黄～灰黄色粉质粘土层层位稳定，埋深适中，土质良好，中压缩性，具有一定的抗压和抗剪强度，其承载力设计值为 80KPa。①：对②粉质粘土层的承载力验算。对地面总压力计算：800t履带吊自重+吊具吊索重量+桥梁重量= 1183t+2.3t+190t（含吊具）=1375.3t。1.5m厚级配混凝土块的应力扩散角按30度考虑，②粉质粘土层受力面积为240m2，土层压力=1375.3÷240=5.73t/m2，大于②粉质粘土层地基土承载力特征值8t/m2，满足要求。②：对③层淤泥质粉质粘土层的验算。根据地勘报告，第③层淤泥质粉质粘土层，为软弱下卧层。按履带起重机基础b=4.0m计；基础底面至第③层淤泥质粉质粘土层深度h1=4.1m～0.95m=3.15m。h1/b=3.15/4=0.79；根据上海市《地基基础设计标准》（DGJ08-11-2018）5.2.4条，可不计下卧层影响。下卧层满足要求。4）稳定验算。吊装场地邻近荻泾河7～9m，距离小河沟1m，需对河道边坡稳定性进行验算，软件采用同济启明星边坡稳定分析软件SLOPE1.0列软件。按吊装区域距河道最小距离1m，地基最大反力150kPa进行复核，边坡稳定安全满足要求。

（3）800t履带吊现场拼装。800t履带吊采取散件运输入场，现场拼装成整体后投入使用，拼装场地布置见图2。

图2 拼装场地施工平面布置图

800t吊车单件最大重量44t，最大宽度3.4m，最大长度13m，采用最大载重量55t的带鹅颈低平板车。

吊车组装需要的大型机械：单件最大重量44t，采用1台200t汽车吊进行吊运。

800t吊车组装由厂家及设备租赁单位负责完成，组装顺序严格按说明书实施。组装完成后，进行大型机械设备验收，验收合格后可投入使用。

（4）模拟吊装受力分析。采用BIM、3D3S模型下受力分析计算等软件进行虚拟预拼装及吊装，实现三维模拟安装及受力分析，验证设计受力及吊耳设置是否合理。通过模拟分析，现场吊装时受力及吊耳设置能够满足安全吊装的要求。

（5）桥梁吊装。1）800tSHB工况，超起不加配重工况，15m半径吊起桥梁，将桥梁从制作胎架上缓缓吊起，向左缓缓旋转，直至吊车基本垂直与河流方向。桥梁直到主臂朝向两个桥墩连接线中点方向。2）用80t汽车吊给800t履带吊加超起配重430t，超起配重完成后，800t履带吊提升桥梁再缓缓爬臂直到把钢结构桥梁放到桥墩上，详见图3。

图3 超起吊装示意图

（6）桥梁吊装防结构变形措施。钢结构桥梁吊装防止在吊装过程中钢结构变形，在系杆两侧水平焊接C10槽钢加固。C10槽钢与系杆点焊加固，在吊装就位稳定后拆除。

（7）支座安装就位及桥梁安装后的调整方法。1）支座安装。①支座中心线定位，桥墩混凝土浇筑预留好洞，螺栓预留洞尺寸安装，（按照支座加工厂提供螺栓间预留洞）②支座定位固定加固、二次灌浆、养护、安装支座，支座顶板预先焊接在箱梁底部，桥梁吊装落位调整位置后，再把上支座与支座顶板焊接。2）桥梁定位。①在混凝土桥敦上放出中心线，每个桥墩两侧固定2个5t葫芦，备用2个10t千斤顶。②吊装桥梁，用留绳调整桥梁使桥梁中线与桥墩中线一致慢慢落下桥梁，当桥墩与桥梁受力观察吊装吊重表，吊车受力减轻10t左右，再用葫芦和千斤顶精确调整桥梁位置，调整好后吊车慢慢减力直到吊车不受力。

（8）桥梁吊装安全措施：1）吊装的吊索索具的连接方式严格按方案中要求执行，本工程为影响较大的工程，计算时安全系数取8倍及以上。2）桥墩上施工平台搭设：用10#槽钢制作L型支架用膨胀螺栓与在桥墩固定，支架间距不大与2m。在L型支架上铺设木跳板，并铺设安全绳。3）现场钢拱桥整体吊装施工跨越狄泾河河道（不通航）应与有关部门联系与批准。加强吊装期间现场河道区域的施工管理方案措施的落实、加强现场动态管理与监督。非作业人员不得进入施工现场与吊装区域河道。4）严格检查吊索具、吊耳等重要材料、部位，执行吊装令制度，确保满足吊装安全要求。整桥拼装完成并经验收合格后方可吊装。5）桥梁吊装过程中，桥梁两端系好安全缆风绳，随着吊车转动也引导桥梁慢慢从平行河流方向改为垂直河流方向，转向过程中应平稳，不得用力猛拽桥梁晃动引起吊车晃动等不安全行为。

5 吊装过程中监测监控措施

（1）监测项目。吊车场地路基沉降。

（2）监测点布置。1）沉降监测基准点设路基箱体表面。在基准点位置预埋钢板，拆模后焊接“L”型φ12圆钢，顶部磨圆。2）监测点应稳固、明显，施工中应注意对监测点的保护。

（3）监测设备。1）沉降监测采用水准仪观测，水平位移（垂直度）监测采用经纬仪观测或线锤和卷尺/钢板尺量测。2）监测设备应满足三等变形测量的精度要求，具有良好的稳定性和可靠性。3）监测设备应经过校准或标定，且校核记录和标定资料齐全，并应在规定的校准有效期内。

（4）监测方法。变形监测应满足下列要求：1）在较短的时间内完成。2）采用相同的观测路线和观测方法。3）使用同一仪器和设备。4）观测人员相对固定。5）记录相关的环境因素，包括工况、温度、降水等。6）采用统一基准处理数据。

（5）监测频率。在路基箱铺设、履带吊过程中及吊装前后进行监测，监测频率如下：1）铺设完成初始值、履带吊空车完成后监测一次。2）试吊完成后监测一次。3）吊装完成后监测一次。4）吊装过程中实时监测，每5分钟监测一次。5）监测数据累计变化量较大或速率加快时，应提高监测频率。

6 结束语

本项目通过对跨河钢结构天桥的制作方案、吊装方案的比选，结合现场不能采取浮吊和运输条件受限制的客观情况，采取了工厂分块加工，现场拼装城整体，利用大吨位吊车整体吊装的施工方式，成功的解决项目施工难题，同时对吊装场地进行地基处理并对地基承载力、路基箱承载力、地基承载力、河道边坡稳定性、现场拼装场地地基承载力进行了验算，满足安全要求，保证了整个施工过程的安全。即保证了工期，也降低了成本，对同类项目也具有一定的借鉴作用。