深海区高墩大跨钢桁梁整体吊装技术

深海区高墩大跨钢桁梁整体吊装技术

黄文君

中铁十一局集团有限公司

摘要：本文介绍了在深海作业区潮汐及风浪条件下高墩、大跨钢桁梁整体吊装施工工艺及关键技术。

关键词：深海区；潮汐；风浪；高墩；大跨；钢桁梁；整体吊装；施工工艺；关键技术

1、前言

新建福州至平潭铁路平潭海峡公铁两用大桥深海区高墩大跨钢桁梁整体吊装施工在国内属于首例，由于受深海区大风、大浪、潮汐及洋流等不良环境影响，海上吊装作业施工难度大。且公铁两用钢桁梁跨度达到88m，钢桁梁结构高度15m，梁底至海面高度达到39.5m，属于高墩、大跨、大吨位钢桁梁吊装施工，施工组织难度大，施工技术含量高，需要进行技术攻关。

本文通过对简支钢桁梁架设施工进行分析总结，验证拟定钢梁架设方案的可行性，确定最优的钢梁架设施工工艺和施工组织安排，为后续钢梁架设提供可靠依据。具体内容主要包括：

①取得钢梁在起落梁阶段及浮吊绞锚前移过程中钢梁姿态的变化参数（竖直方向及平面位置），以便确定钢梁架设过程中姿态调整的控制尺度；

②取得钢梁起吊过程中浮吊姿态发生的变化数据，以便及时调整钢梁吊装角度；

③为海上钢梁架设作业条件收集相关的天气及水文数据，指导确定钢梁架设作业条件。

2、工程简介

2.1工程概述

福州至平潭铁路平潭海峡大桥起于长乐市松下镇，跨越多处水道和岛屿，终于平潭岛，大桥跨海段总长16.322km。采取公路在上层、铁路在下层的公铁合建方式，铁路线路为双线Ⅰ级铁路，设计车速200km/h，公路线路为双向六车道高速公路，梁宽35.5m，设计车速100km/h。

深水高墩区引桥采用跨径80m和88m两种类型简支钢桁双层结合梁桥，其中80m梁共26孔，88m梁共8孔，总长2784m。全桥各区间根据需要设置了不同的纵坡和桥面横坡，在同一区间，公路桥面和铁路桥面纵坡相同。

2.2钢桁梁结构设计

简支钢桁梁主梁为上弦带副桁的钢混组合结构，主桁采用华伦式桁架，横向中心距（桁宽）14m，桁高13.5m，短节间9.6m，其余为9.8m。副桁设横梁和斜撑分别与主桁相应的上下节点连接，主梁横断面呈倒梯形。钢梁为全焊接结构，主结构的钢材材质采用Q370qD。工厂完成整孔钢梁的焊接后，运至桥位处安装。上弦与公路混凝土桥面板结合；下弦横梁与铁路混凝土槽梁结合。

简支钢桁梁效果图

首孔架设钢桁梁为80m跨简支梁，钢梁架设时，钢梁上弦杆全长79.947m，下弦杆全长79.600m，中心预拱度为81.9mm。整孔钢梁重1360t，位于纵坡为12‰直线上。

3、总体方案

钢桁梁架设施工采用3600t浮吊整孔架设施工方案，钢桁梁在钢梁制造厂制造并拼装成整体，验收合格后，利用3600t浮吊整孔吊装至设计墩跨处。钢桁梁初始落梁平面位置误差控制在设计位置1.0m范围以内，通过墩顶三向千斤顶将钢梁调节至设计位置。

根据关键技术攻关要求，本文仅对钢梁初步落梁就位进行分析、总结。

4、施工工艺

4.1吊具检查

（1）吊梁吊具结构

根据钢梁节段重量、吊点间距、3600t浮吊参数等基本信息并结合施工易操作性，吊具结构主要为无接头绳圈索具+纵横向撑杆（或钢丝绳）组成的柔性结构。

80m及88m简支钢桁梁吊点横向间距为14米，不设调节段。吊具结构下层纵向撑杆分三段设计，两端还设有多个吊挂孔，其中80m简支钢桁梁吊点纵向间距为39.2米，88m简支钢桁梁吊点纵向间距为43.2米。

深水高墩区80m、88m简支钢桁梁架设均采用大桥海鸥号（4主钩吊重3600t）浮吊吊装架设，采用3200t吊梁专用吊具进行吊装作业，单孔80m简支钢桁梁重约1360t，吊具自身重量为235t，吊钩以下总重量为1595t。

⑵索具吊装绳长调整

本吊具为四点起吊的柔性结构，四点受力均衡是确保本吊具结构安全的关键，现场吊装时，应确保浮吊四主钩同步起升或下放，四主钩反力误差不超过10%。

各浇铸索具的绳长在出厂前均已做好绳长的标定工作（详见168mm浇铸索具拉伸试验报告，此处不详述），为确保吊装时各吊点处于同一水平面上，吊梁吊具使用前必须检查浇铸索具各位置H值是否满足设计要求，H值偏差应控制在3mm以内，首孔钢梁吊装前各浇铸索具H值的最大偏差为1.2mm（现场量测），各浇铸索具绳长标定后H值的控制尺寸详见下表。

⑶吊具挂钩

吊梁吊具验收合格后，在钢梁到达桥址前提前做好吊具的挂钩工作，浮吊抛锚定位前将吊梁吊具安装至浮吊吊钩上，详见下图。

4.2浮吊抛锚定位

浮吊抛锚定位按拟定方案进行抛锚定位并按架梁状态完成浮吊前移后退路线的演练，浮吊预演结束后，浮吊退至原拟定方案浮吊的初始站位位置，即：浮吊在线路左侧（栈桥侧）完成抛锚定位，两前锚垂直于桥轴线方向穿过栈桥（两墩管桩中间距离为32米）进行抛锚，锚绳长度为500m，两后锚平行于前锚抛锚800m，边锚各抛两根长600m的锚绳，与船体夹角为45°～60°。

4.3钢梁试吊装

（1）试吊装前的检查

钢梁试吊前应进行吊装前的检查，主要检查内容：各限位处的约束解除情况、钢梁起吊过程中是否存在刮碰障碍物及钢梁吊具吊点的连接情况（限位、垂直度及水平度检查）。检查合格后，方可进行钢梁的试吊工作。

（2）钢梁试吊装施工

①钢梁起吊过程观测

为确保钢梁在起吊及提升过程中始终保持水平姿态，在相邻架设墩位处墩顶设置观察点，监测钢梁吊装各阶段的水平度、上下幅度及平面位置摆幅等。钢梁吊钩编号按浮吊与钢梁的相对位置进行编号，左侧为1#和2#主钩，右侧为3#和4#主钩。

②静载试吊装

钢梁起吊后，钢梁起吊离原位置10～20cm处，保持钢梁不动，悬空时间不得少于10分钟，钢梁起吊静止10分钟后，检查钢梁及吊具的安全状态，主要检查内容：钢梁处于悬空状态是否存在不安全因素、钢梁吊耳的焊缝是否有裂纹或变形、检查吊具的水平度及各吊钩的受力情况。

钢梁首次起吊脱空后，调整钢梁水平姿态，此时钢梁前端（1#和3#主钩）比后端（2#和4#主钩）低约20cm，1#和3#主钩受力均为445t，2#和4#主钩受力为380t，吊钩显示约为1650t。吊钩受力经二次微调后，1#主钩为420t，2#主钩为390t，3#主钩为410t，4#主钩为390t，各点高程偏差在20cm以内。

③动载试吊装

静载试吊装操作完成后，钢梁吊具、吊点及相关检查内容均处于正常状态，视为静载试吊装满足要求，随即进入动载试吊装阶段。

动载试吊前，先复核、调整浮吊拔杆的吊装角度（66.4±0.7°）和钢梁的水平度（原则上要求钢梁始终保持水平，后根据现场调试实际情况，钢梁各吊点高差控制在20cm以内）。

钢梁水平度调整后再整体提升钢梁，钢梁整体提升高度为2米左右时停止提升，测量观测钢梁各吊点的水平度及吊钩的受力情况，根据现场实测数据及时调整钢梁的姿态及吊钩受力后，再整体下放钢梁约1.5米高度，再次检查钢梁的姿态及吊钩受力情况。钢梁整体提升及下放操作必须进行四个吊钩的联动，同步提升、下落。动载试吊装主要是为了检验浮吊的起落性能，了解浮吊吊钩联动起落的同步性，为后期钢梁的起升、下落控制尺度提供依据。

◆现场实测情况：钢梁首次整体提升2m高度后，前端（1#和3#主钩）比后端（2#和4#主钩）低约20cm，1#和3#主钩受力比2#和4#主钩受力大40t左右；此时复核浮吊吊装角度为64°（浮吊挂钩起吊前吊装角度为66.4°），通过微调拔杆角度调至66°时，此时1#和3#钩受力较2#和4#钩受力大50t左右，再通过调整钢梁水平度（四点水平高差在10cm以内）及吊钩受力后，整体下放1.6m左右，各主钩水平高差在15cm以内，钢梁起落阶段钢梁水平摆幅约20cm，上下幅度为18cm。

4.4钢梁吊装

钢梁动载试吊装完成后，钢梁四钩联动起升至一定高度（首次提升高度为3.5m左右）后，钢梁及浮吊保持不动，再进行运输船的移位、退场工作。

钢梁起升至一定高度后，再次起升前需监测、调整钢梁的水平度及吊钩受力状况，分次将钢梁提升到指定高度，钢梁提升需分次进行，并不断复核、调整钢梁的水平高差及吊钩的受力状况。

◆现场实测情况：首孔钢梁提升时，分三次整体提升，每次提升高度约8米。第一次提升后钢梁水平高差最大为32cm，1#和3#受力比2#和4#吊钩大46t；第二次提升后钢梁水平高差最大为31cm；第三次提升后钢梁水平高差最大为52cm，吊钩受力最大相差60t；浮吊绞锚前移过程中，水平摆幅为16～26cm，上下幅度约为20cm。

4.5钢梁落梁

浮吊利用两前进锚进行绞锚前移，通过绞动锚绳使浮吊垂直于两墩之间的连线，待钢桁梁位于桥墩正上方时停止移动，通过微调浮吊锚绳或拔杆角度（允许调节角度范围为66.4±0.7°）使钢桁梁落梁垫块正好位于墩顶垫梁落梁区域的正上方，初步落梁时，落梁垫块的落梁位置不得偏移设计位置1.0m以外（按提前画好的落梁区域进行落梁到位）。

◆现场实测情况：钢梁初定位于待架墩顶上方高度1.5m（落梁垫块底部距墩顶垫梁顶部高度）左右时，共进行了4次落梁阶段，每次落梁高度为20～50cm，落梁过程中共进行了6次钢梁姿态的调整（拔杆角度微调和起落勾调整），全程共耗时28分钟。

5、总体效果评价

首孔简支钢桁梁架设实际开工日期为2017年8月16日，初步架设到位时间为2017年8月20日，共5天（不含墩顶布置及端旁爬梯安装时间）。钢梁架设施工时必须保持不少于3天的好天气。正常情况下，浮吊挂钩安装吊具及演练需要1～2天时间（视架梁区域不同），钢梁自外海制定区域到达施工作业区域完成抛锚定位需要0.5～1.0天时间，钢梁自起吊至初步落梁到位大约需要6小时。

（1）施工安全：首孔简支钢桁梁架设施工过程中，始终坚持“安全第一、预防为主、综合治理”的方针，施工过程中未出现安全质量事故，环境保护良好。

（2）架设验收：首孔钢梁因后续相邻墩跨钢梁架设需要移梁等原因，暂未进行精调至设计位置，首孔简支钢桁梁初步落梁就位情况：钢桁梁整体往线路左侧偏移了33cm，钢梁往小里程侧整体偏移了50cm。

（3）梁体拱度：钢梁架设完成（不含混凝土桥面板）后，其跨中的理论拱度为81.9mm，1/4（3/4）跨处理论预拱度为55.7mm。首孔简支钢桁梁架设完成后，落梁垫块两支点高差91.4cm（理论高差为94cm），跨中实际拱度为97mm（较理论跨中拱度81.9mm大15.1mm）。

首孔简支钢桁梁架设拱度

（4）风浪监测及吊船姿态：首孔架设的钢梁位于SR50～SR51#墩，风、浪监测数据分别采用6#变电站平台（位于SR53#墩旁）+20m高程处的风速仪及波浪仪监测数据。数据采集的时间段为2017年8月20号6：30--12：29（即：钢梁从起吊至初步落梁到位），具体情况如下：

①风力情况

从6#变压器平台风速仪监测数据可以发现，在吊装过程最大风速5.2m/s（对应风级3级，微风），对吊装作业影响较小，吊装过程顺利。整个吊装过程中风速监测数据如下图所示。

6#变电站平台风速监测数据

②浪高情况

从6#变压器平台波浪仪监测数据可以发现，在吊装过程最大波高0.29m，（对应周期4.5s），对吊装作业影响较小，吊装过程顺利。整个吊装过程中波浪监测数据如下图所示。

6#变电站平台波浪监测数据

③海鸥号吊船姿态监测

从吊船上安装的航姿传感器所监测数据发现，整个吊装过程中，船舶横摇较小，在±0.2°之间，当钢梁落梁后，船舶横摇±0.5°之间。整个吊装过程中横摇监测数据如下图所示。

吊装过程装船舶横摇

从吊船上安装的航姿传感器所监测数据发现，钢梁起吊时（吊船加载约1600t），船舶俯仰角度变化了1.4°，主要是钢梁重量作用引起了船舶静态仰角的变化。

而在吊装过程中，船舶俯仰角度较小，在±0.2°之间。当钢梁落梁时，船舶俯仰角迅速复位为初始俯仰角。整个吊装过程中俯仰监测数据如下图所示。

吊装过程装船舶俯仰

6、总结

通过首孔简支钢桁梁架设施工，及时对施工过程中出现的问题进行总结、分析并加以改进，并验证拟定的钢梁架设方案的可行性，取得钢梁架设施工各阶段关键数据的控制尺度等参数，同时也为后续钢梁架设及特殊孔跨钢梁架设施工总结经验；通过首孔钢梁架设施工，确定最优的钢梁架设施工工艺和施工组织安排。

（1）浮吊及运输船抛锚定位准确度对后期浮吊通过绞锚移动及浮吊的吊装姿态影响较大，需要严格测量精确定位，并进行吊装施工演练提前发现并解决问题。

（2）吊具为四点起吊的柔性结构，四点受力均衡是确保吊具结构安全的关键。吊具使用前必须进行检验，确保吊装时各吊点处于同一水平面上，且浮吊四主钩同步起升或下放，四主钩反力误差不超过10%。

（3）根据首孔钢梁架设施工实际情况及相关数据分析结果，应严格监控钢梁吊装、起升及下落过程中钢梁姿态的变化，建议钢梁提升过程中每次提升高度不得超过4米，钢梁吊装状态下，各吊点水平度控制在20cm以内为宜。

（4）针对浮吊起吊钢梁后，拔杆角度发生的微小变化，将对后续钢梁吊装角度发生变化的数值进行采集，综合浮吊本身姿态发生的变化情况，计算分析钢梁吊装前进行角度预抬的参数。

（5）海上吊装施工的不利影响因素较多，计算分析难度较大，后期还需要收集更多的实测数据，统计分析海上风浪对浮吊姿态和吊装定位的影响，通过对比分析确定海上吊装施工的最佳时段和吊装工艺参数。

参考文献：

[1]陈帅，王雷等，浮吊船的动载荷计算与安全分析[J]，船海工程，2009.

[2]刘媛媛，张氢等，7500t海上浮吊动力定位系统设计[A]，中国工程机械学报，2018.

[3]刘振辉，谭卫卫等，超大型海洋工程起重系统发展现状[J]，中国海洋平台，2006.

[4]余音，金咸等，船舶在海浪中非线性横摇研究的现状和发展[J]，船舶力学，2002.

[5]刘应中，廖国平等，船舶在波浪上的运动理论[M]，上海交通大学出版社，1987.