斜拉桥桥面吊机方案设计及验算

斜拉桥桥面吊机方案设计及验算

陈炼坤

广东佛盈汇建工程管理有限公司    广东  佛山   528000

摘要：目前，在大跨度钢桥施工中，钢梁节段的组装及预拼装通常是在工厂内完成，然后通过浮吊等运输设备将梁节段运至桥位，通过桥面吊机进行拼装。所以桥面吊机是大型跨江、跨河钢桥架设的关键设备。随着钢桥的建造跨度、宽度越来越大，钢梁节段的重量、体积也越来越大，经常需要对大吨位钢梁节段实施起吊。为了增强起吊能力和抗倾覆性，桥面吊机通常都会增大体积和增加配重。但是大体积和大配重也增加了对在建钢桥的压力，使在建钢桥不稳定并且可能变形。因此，设计一款自重小并且抗倾覆性好的桥面吊机是十分必要的。

关键词：斜拉桥  桥面吊机  方案  设计   验算

一、桥面吊机方案简介

同济路西延工程（禅港东路至季华北路）位于佛山市禅城区南庄镇与张槎街道，起点为禅港东路与科润路的平交口处（起点桩号K0+000），向东与地铁四号线共线约250m，依次跨绿岛湖、罗格围大堤、地铁四号线、东平水道、佛山大堤、东平路后与季华北路相交（终点桩号K1+540），总长1.54km，设置主线高架桥 1 座，总长 892.0m。主桥（第三联）为独塔斜拉桥，墩、塔、梁固结，跨径组成为（200+68+46）=314m。主梁边跨68+46=114m为预应力混凝土箱梁，预应力混凝土箱梁伸过桥塔11m，通过钢混结合段与主跨钢箱梁连接。斜拉索间距混凝土箱梁侧为6m，钢箱梁侧为12m，边、中跨侧均为双索面。主塔采用“合手”型变截面塔柱。钢箱梁中心处高度为3.5m，节段标准长度12m。钢箱梁顶板厚18mm，底板厚14mm，中腹板厚14mm，边腹板厚30mm；钢箱梁顶、底板采用U肋闭合加劲，顶板U肋厚度8mm、底板U肋厚度6mm。桥面顶板为正交异性板，不同板厚相接时保证板件上缘齐平；底板不同板厚相接时保证板件上缘齐平，为保证结构的抗疲劳性能，U肋与顶板采用开坡口单面焊接，焊接熔透深度不小于80%U肋板厚，每一U型加劲肋两侧应同时施焊。钢箱梁横向设隔板，横隔板间距3.0m。

钢箱梁采用分节段工厂制造（节段最大重量为234.5t），驳船运输至桥位，现场采用桥面吊机吊装、焊接成桥。桥面吊机的前后支撑点应安置在边纵腹板与中纵腹板处，桥面吊机设计时应特别注意与之匹配。

二、结构概述

本项目需桥面吊机吊装施工的钢梁梁段总共为12片，梁段类型为B型，节段编号1～12，梁段均为标准梁段，长度12m，单件吊装节段重量为234.5t。

  同济大桥最低通航水位到桥面的高度约为24m，钢梁高度为3.5m，船体高度按0.5m计算，因此桥面吊机吊装钢梁的起升高度至少为：24m-3.5m-0.5m=20m。

钢梁架设拟采用桥面吊机。目前有卷扬机式桥面吊机和液压提升顶式桥面吊机，二种桥面吊机的特点如下：

卷扬机式桥面吊机：启动及停止有冲击，易抖动；制动器易磨损，需经常更换，保养；多台设备同步控制差；单根钢丝绳损坏更换复杂；

液压提升顶式桥面吊机：受力可以实时监控（显示油压）；多台设备联机计算机可以同步控制；单根钢绞线损坏可更换，安全系数大；停机时锚片为机械固定，安全有保障。

本桥的桥面吊机拟选用自有的2台150吨桥面吊机，提升油缸额定起升荷载为350t。

图1 提升结构图

三、计算工况选取

表1-1 计算工况列表

四、设计方法：

采用极限状态法进行设计，说明如下：当以整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，则此特定状态称为该功能的极限状态，按此状态进行设计的方法称极限状态设计法。

设计过程中，荷载采用标准值乘以分项系数得到荷载的代表值，施加到结构后，得到结构的反力与结构设计强度进行比较，得到可靠与否的结论。

五、桥面吊机主要材料及性能指标：

 1、钢材

桥面吊机杆件结构钢材等级为Q355，容重为78.5kN/ m3，弹性模量，剪切模量，线膨胀系数，泊松比。

表1钢材的强度设计值(MPa)

2、钢绞线

提升钢绞线，容重为78.5kN/ m3，弹性模量，线膨胀系数，泊松比。

表2钢绞线的强度设计值(MPa)

3、连接销轴

连接销轴材料40Cr，抗剪强度设计值280MPa，抗弯强度设计值490MPa。

六、结构总体计算

（一）计算荷载与组合

（1）计算荷载

①结构自重恒荷载dead

桥面吊机自重约82.3吨（包含提升设备和泵站重量）。

尾部配重重量约20吨。

②活荷载live

单台吊机设计起重量234.5t÷2=117.25t。

风荷载wind

施工时，考虑顺桥向和横桥向六级风荷载对结构强度、刚度、稳定性进行校核，实际施工中，六级风以上停止施工，八级风以上进行结构临时连接加固。具体的风荷载计算如下：

—基本风压，六级风0.12kN/m²，八级风0.27kN/m²进行计算；

—z高度处的风压高度变化系数，20m高度处取1.63(A类)；

—风荷载体形系数，取2.2；

—z高度处的风振系数，取1.5。

由以上参数得：

20m高度处：

六级风：

八级风：

吊机主结构：

横桥向（x向）正面迎风面积约为：

顺桥向（y向）正面迎风面积约为：

风荷载（六级）：

风荷载（八级）：

被吊桥体结构：

横桥向（x向）正面迎风面积约为：

顺桥向（y向）正面迎风面积约为：

故风荷载：

（2）荷载组合

表3 荷载组合工况表

其中：

—第i个永久作用的分项系数，施工阶段为移动荷载，考虑动载系数1.2、冲击系数1.1，取值为1.35；

—重力作用的标准值；

—起控制作用可变荷载的分项系数，如钢绞线预紧力等，分项系数取1.4；

—起控制作用可变荷载的标准值；

—除起控制作用可变荷载的其他可变荷载的组合值系数，取0.75；

—在作用组合中除起控制作用可变荷载的其他可变荷载，风荷载外的其他可变荷载的分项系数，取=1.4，但风荷载的分项系数取=1.1；

—除起控制作用可变荷载的其他可变荷载的标准值。基本组合用于校核结构强度。

（二）、计算结果与小结

（1）工况1：空载行走

图2-4 计算模型

①支座反力

表2-3 支座反力表（单位：kN）

②整体结构变形

图2-5 结构变形图

表2-5  结构变形表（单位：mm）

③结构应力比

图2-6 结构杆件应力图

表2-6 结构杆件最大应力比

（2）工况2：提升B1梁段

①计算模型

图2-7 计算模型

②支座反力

表2-7 支座反力表（单位：kN）

③整体结构变形

图2-8 结构变形图

表2-8 结构变形表（单位：mm）

④结构应力比

图2-9 结构杆件应力图

表2-9 结构杆件最大应力比

（3）工况3：提升B2梁段

计算模型

图2-10 计算模型

支座反力

表2-10 支座反力表（单位：kN）

整体结构变形

图2-11 结构变形图

表2-12 结构变形表（单位：mm）

结构应力比

图2-12 结构杆件应力图

表2.5.3.3 结构杆件最大应力比

（4）工况4：提升B3~B12梁段

计算模型

图2-13 计算模型

支座反力

表2-14 支座反力表（单位：kN）

整体结构变形

图2-14 结构变形图

表2-15 结构变形表（单位：mm）

结构应力比

图2-15  结构杆件应力图

表2-16  结构杆件最大应力比

（三）、整体计算计算结果总结

（1）反力统计

表2-17 工况支撑点反力（单位：kN）

（2）位移统计

表2-18  吊机变形（单位：mm）

（3） 应力统计

表2-19  吊机主要杆件最大应力比

（四）、抗倾覆计算

行走状态下需要在尾部增加配重20t，行走状态抗倾覆计算数据如下：

（1）行走状态纵桥向抗倾覆计算

行走状态纵桥向抗倾覆为：

（2）行走状态横桥向抗倾覆计算

行走状态横桥向抗倾覆为：

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七、局部计算

（一）、钢绞线验算

表3-7 钢绞线性能表

单个350t提升油缸最大提升力为234.5t÷2=117.25t，配置11根钢绞线，单根钢绞线承载107kN。

根据《重型结构和设备整体提升技计值如下：术规范》（GB51162-2016）中6.2.5规定，钢绞线抗拉强度设

单根直径17.8mm钢绞线拉力设计值为930×190=176700N=176kN。

提升单根钢绞线：107kN×1.25=134kN<176kN（试验荷载分项系数取1.25）。

根据《重型结构和设备整体提升技术规范》（GB51162-2016）中7.1.2规定：各吊点提升能力（指定吊点液压提升油缸额定荷载）不应小于对应吊点荷载标准值的1.25倍。总体提升能力（所有液压提升油缸总额定荷载）不应小于总提升荷载标准值的1.25倍。

提升节段钢梁结构总重约234.5t，提升布置2台350t设备。

（350t×2）/234.5t=2.9>1.25

钢绞线受力和提升设备均满足相关规范安全系数要求。

（二）、吊具与桥面连接钢丝绳验算

钢丝绳公称直径32mm（选用GB8918-2006表11中6×37S+IWR），最小破断拉力645kN，抗拉强度1770MPa。

梁段提升布置2台提升设备，单台提升设备吊具与钢箱梁4组吊耳连接，一个梁段提升共设置8根钢丝绳连接。

单根钢丝绳最大拉力为234.5t÷2÷4÷4=8t=74kN。

根据《重型结构和设备整体提升技术规范》（GB51162-2016）中6.2.5规定，钢丝绳抗拉强度设计值如下：

图3-38  钢丝绳抗拉强度图（mm）

单根直径32mm钢丝绳拉力设计值为645kN×1000÷1770×885=322500N=322.5kN。

提升单根钢丝绳：74kN×1.25=92.5kN<322.5kN（试验荷载分项系数取1.25）。

钢丝绳受力满足相关规范安全系数要求。

（三）、 吊点计算

梁段提升和桥面吊机后锚固使用的是同一个吊耳。梁段提升时单个吊耳拉力为：2345kN÷2÷4=294kN，桥面吊机后锚固时单个吊耳拉力为466kN。

根据设计提供图纸中吊耳销轴孔直径140mm，耳板厚度20mm，加强圆环厚16mm，材料Q345qD。销轴直径139mm，材料40Cr。吊耳结构如下：

图3-39  吊耳示意图

参考《钢结构设计标准》（GB50017-2017）中11.6详细计算如下：

（1）耳板孔净截面处的抗拉强度

（2）耳板端部截面抗拉（劈开）强度：

（3）耳板抗剪强度：

（4）销轴承压强度：

（5）销轴抗剪强度：

（6）销轴的抗弯强度：

（7）计算截面同时受弯受剪时组合强度应按下式验算：

吊耳结构和销轴均满足相关规范要求。

（四）、后锚杆

图3-40  后锚杆示意图

后锚杆最大拉力466 kN×1.3×1.2=727kN（考虑荷载分项系数1.3和动载系数1.2）。

后锚杆直径150mm，材料为40Cr，抗剪强度设计值280MPa，抗弯强度设计值490MPa。

(1)、抗拉强度

(2)、抗压强度

(3)、抗剪强度

结构受力满足相关规范要求。

（五）、锚头结构焊缝强度验算

图3-41  锚头示意图

    满足要求。

从上述结果可知，塔顶吊架立柱稳定性满足规范要求。

结束语：根据以上计算结果，塔顶吊架的强度、刚度和稳定性均满足施工需要及规范要求，结构安全可靠；各连接件强度均满足规范要求。通过工程实践，本工程采用的桥面吊机的强度、刚度和稳定性均满足施工需要，结构安全可靠。

参考文献：

（1）《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)

（2）《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）

（3）《公路桥涵施工技术规范》(JTG T F50-2011)

（4）《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63-2007)

（5）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)

（6）《钢结构设计规范》（GB 50017-2017）

（7）《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB10091-2017 J461-2017）

（8）《桥梁用结构钢》（GB/T714-2015）

（9）《碳素结构钢》 (GB/T 700-2006)

（10）《公路桥梁抗风设计规范》（JTGT D60-01-2004）；

（11）《装配式公路钢桥使用手册》。

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