大型斜拉橋施工過程中吊架的優(yōu)化分析★

周俊波 向?qū)W建 時(shí)國松 董 軍

(1.北京交通大學(xué)海濱學(xué)院，河北 黃驊 061199； 2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088； 3.北京建筑大學(xué)土木學(xué)院，北京 100044)

·橋梁·隧道·

大型斜拉橋施工過程中吊架的優(yōu)化分析★

周俊波1向?qū)W建2時(shí)國松1董 軍3

(1.北京交通大學(xué)海濱學(xué)院，河北 黃驊 061199； 2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088； 3.北京建筑大學(xué)土木學(xué)院，北京 100044)

依托在建的北盤江特大橋現(xiàn)場施工工程背景，針對施工中所用到的吊架，基于結(jié)構(gòu)力學(xué)原理建立了桁架模型，并通過結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，對結(jié)構(gòu)的形式進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，提出了一種較為優(yōu)化的吊架模型，算例分析表明，所優(yōu)化的吊架在實(shí)際工程中是可行的。

斜拉橋，施工，吊架設(shè)計(jì)，優(yōu)化分析

0 引言

望謨至安龍高速公路第四合同段北盤江特大橋位于望謨縣與冊享縣交界橫跨北盤江，大橋全長為817.5 m，合同工期36個(gè)月。橋梁為整體式(不分幅)，主橋橋?qū)?4.1 m，全橋孔跨布置為(3×30+150+328+150+3×30)m預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁+預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋(主橋)+預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁。兩個(gè)索塔為折H型索塔，4號主塔總高度為190.4 m，5號主塔總高度為187.9 m。主橋?yàn)樯蠘?gòu)主梁為邊主梁斷面形式，每個(gè)節(jié)段主梁均為2.5 m高，梁頂全寬24.1 m，邊肋為帶底板翼緣截面，邊肋實(shí)體截面寬度分別為3.05 m，3.8 m，4.35 m，頂板厚度0.32 m，主梁頂設(shè)雙向2%橫坡。主梁與主塔連接處在主梁懸澆過程中臨時(shí)固結(jié)，合橋合龍后拆除固結(jié)。0號節(jié)段長17 m，1號～10號節(jié)段長7 m，11號～22號節(jié)段長5.5 m，每個(gè)主塔需要90根斜拉索，兩個(gè)主塔共計(jì)180根斜拉索。塔吊吊起1號～5號塊的斜拉索，剩余的6號～22號塊的斜拉索都需要吊架起吊。

1 原有吊架的工作原理及不足

通過對現(xiàn)場吊架的觀察以及與工人、技術(shù)員、主管之間的交流使我對吊架有了很深的認(rèn)識(shí)。由于該工程所使用的塔吊只能起吊4 t以下的重物，而吊車(31.7 t)和4 t以上的斜拉索塔吊無法完成。因此需要一種起吊能力強(qiáng)的、便于拆裝的、簡單操作的提升裝置——吊架。

1.1 原有吊架的結(jié)構(gòu)形式及工作機(jī)理

原有吊架主桁架系統(tǒng)主要采用工字鋼32號，20號，10號，連接采用焊接；提升系統(tǒng)：采用4臺(tái)液壓連續(xù)提升千斤頂和兩臺(tái)智能油泵；移動(dòng)系統(tǒng)：滑道采用工字鋼卡在鋼軌上。設(shè)計(jì)比較笨重，桁架總重31.826 t。原有桁架和滑道設(shè)計(jì)如圖1，圖2所示。

上述吊架的工作機(jī)理大致為：1)固定吊架軌道，并在軌道上涂抹黃油(潤滑油)；2)用穿心式液壓千斤頂、JL32精軋螺紋鋼筋、螺母等把吊架移動(dòng)到合適位置；3)主桁架上部前后左右對稱分布4臺(tái)液壓連續(xù)提升千斤頂；4)每臺(tái)提升千斤頂通過3根鋼絞線與吊車相連；5)4臺(tái)提升千斤頂同時(shí)提升，使吊車保持水平；6)將吊車提升到與橋面水平時(shí)吊架后移，緩慢放下吊車。

1.2 原有吊架的結(jié)構(gòu)存在的不足

1)吊架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量大；2)連接全部采用焊接，拆裝不便；3)滑道設(shè)計(jì)不合理，黃油易脫落；4)表面未做任何處理，桁架已經(jīng)銹蝕；5)上部沒有明顯的操作平臺(tái)及防護(hù)措施。

2 吊架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與優(yōu)化

2.1 吊架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

吊架設(shè)計(jì)基本原則應(yīng)是結(jié)構(gòu)簡單、受力明確、不易變形、操作簡單、便于拆裝、循環(huán)利用、自重輕。

針對原有吊架存在的不足進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化：1)吊架采用菱形結(jié)構(gòu)，材料用16Mn鋼，強(qiáng)度高質(zhì)量輕；2)主桁架采用螺栓連接附屬部分采用銷子連接，拆裝方便；3)滑道設(shè)計(jì)是并排的鋼軌(兩端翹起)放在帶槽的滑道里，滑道平整且涂滿黃油；4)吊架表面涂上油漆防止銹蝕；5)吊架安裝扶梯和護(hù)欄，并涂寫警示標(biāo)語。

考慮主橋的結(jié)構(gòu)參數(shù)，主橋?yàn)樯蠘?gòu)主梁為邊主梁斷面形式，每個(gè)節(jié)段主梁均為2.5 m高，梁頂全寬24.1 m，邊肋為帶底板翼緣截面，邊肋實(shí)體截面寬度分別為3.05 m，3.8 m，4.35 m，頂板厚度0.32 m，主梁頂設(shè)雙向2%橫坡。主梁與主塔連接處在主梁懸澆過程中臨時(shí)固結(jié)，合橋合龍后拆除固結(jié)。綜合該橋的施工現(xiàn)狀，依據(jù)規(guī)范，考慮設(shè)計(jì)荷載為：吊車重量取50 t(實(shí)際31.7 t)；風(fēng)荷載取600 Pa。荷載組合為吊車自重+沖擊附加系數(shù)+風(fēng)荷載(行走穩(wěn)定)，荷載參數(shù)中，超載系數(shù)取1.01；吊架滑動(dòng)時(shí)沖擊系數(shù)取1.1；16Mn鋼容許軸向應(yīng)力取1.2[σ]=240 MPa；A3鋼容許彎曲應(yīng)力取1.3[σ]=188.5 MPa；其他鋼材容許應(yīng)力W按JTJ 025—86公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范表1.2.5規(guī)定值取用。

考慮到荷載的傳遞為重物→鋼絞線→提升系統(tǒng)→主桁架，可選取相關(guān)的材料，吊架主桁架和前后橫梁采用16Mn鋼,銷子采用45號鋼,縱梁使用貝雷架、托梁、分配梁等采用組合型鋼(A3),吊帶采用 32 mm精軋螺紋鋼。

參考規(guī)范給定的技術(shù)指標(biāo)，吊架與最大提升重物質(zhì)量比0.36(規(guī)范0.3～0.5);自錨安全系數(shù)1.6;抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)2.7;主桁最大撓度17 mm(規(guī)范≤20 mm)。

吊架主要由主桁架系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、移動(dòng)系統(tǒng)三部分組成。主桁架由2片菱形桁架構(gòu)成,是吊架的主要承重結(jié)構(gòu)，連接方式采用螺栓連接。桁架和橫梁采用銷子連接，其余附屬部分采用焊接或螺栓連接。為了更好地滿足施工要求，特地設(shè)計(jì)出兩套提升系統(tǒng)。第一套提升系統(tǒng)采用4臺(tái)液壓連續(xù)提升千斤頂和4臺(tái)智能油泵，優(yōu)點(diǎn)：提升能力強(qiáng)、穩(wěn)定；缺點(diǎn)：速度慢。設(shè)備如圖3所示。

第二套提升系統(tǒng)采用一臺(tái)大型卷揚(yáng)機(jī)，優(yōu)點(diǎn)：提升速度快；缺點(diǎn)：提升能力有限。設(shè)備如圖4所示。

移動(dòng)系統(tǒng)針對兩套提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)出相應(yīng)兩套系統(tǒng)。第一套移動(dòng)系統(tǒng)與第一套提升系統(tǒng)配套，適用于提升重大機(jī)械(吊車，重31.7 t)。采用主桁架底部安裝滑道，使主桁架和提升系統(tǒng)在滑道上平穩(wěn)移動(dòng)?；廊鐖D5所示。

第二套移動(dòng)系統(tǒng)與第二套提升系統(tǒng)配套，適用于提升中長度斜拉索。采用主桁架頂部安裝軌道，使上部的提升系統(tǒng)卷揚(yáng)機(jī)平穩(wěn)移動(dòng)。軌道如圖6所示。

吊架組裝工序有兩種，第一種工序：滑道安裝、錨固→主桁架安裝→前后橫梁安裝→后錨安裝→配重安裝→第一套提升系統(tǒng)安裝→調(diào)試。第二種工序：主桁架安裝→前后橫梁安裝→配重安裝→后錨安裝→軌道安裝→第二套提升系統(tǒng)安裝→調(diào)試(配重：采用1.6 m×1.6 m×1.0 m的鋼筋混凝土塊6個(gè))。

在吊架組裝完畢后,初次使用前對其進(jìn)行荷載試驗(yàn),以檢驗(yàn)吊架的承載能力和了解吊架的施工撓度。 試驗(yàn)可采用：1)采用吊裝不同重量的斜拉索或成捆的鋼筋進(jìn)行施加；2)加載采用超載預(yù)壓，超載系數(shù)1.1，偏載系數(shù)1.1；3)分級加載：0%，30%，60%，100%，120%，50%，0%。撓度觀測：在主桁架、前后橫梁等處布設(shè)測點(diǎn),做好標(biāo)記；在加載和卸載的過程中及時(shí)觀測并做記錄；在加載、提升過程中應(yīng)注意檢查吊架各個(gè)部位，如發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)馬上停止加載,進(jìn)行處理；根據(jù)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出吊架施工撓度。

根據(jù)吊架荷載試驗(yàn)得出：主桁架平均撓度為16.7 mm。符合設(shè)計(jì)撓度(17 mm)。

2.2 基于結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的方案優(yōu)化

優(yōu)化方案是將菱形掛籃與原有吊架重新組合、取長補(bǔ)短，使吊架適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、循環(huán)利用。優(yōu)化后的方案主桁架成菱形，吊架總重量18 t。吊架設(shè)計(jì)提升最大重量50 t，平均分配給4個(gè)液壓連續(xù)提升千斤頂，每個(gè)千斤頂所受荷載12.5 t，該荷載可視為集中荷載。

2.3 算例分析

吊架與最大提升重物質(zhì)量比，原有吊架：總重31.826 t；優(yōu)化吊架：18.000 t。

設(shè)計(jì)最大提升重物重50 t，技術(shù)指標(biāo)規(guī)范：吊架與最大提升重物質(zhì)量比0.3～0.5。

原有吊架與最大提升重物質(zhì)量比為31.826/50=0.64。

優(yōu)化吊架與最大提升重物質(zhì)量比為18/50=0.36。

由此可見優(yōu)化吊架設(shè)計(jì)自重更輕、更合理、更科學(xué)。

吊架拆裝成本分析，原有吊架：結(jié)構(gòu)復(fù)雜且全部采用焊接，拆卸需要3名電焊工工作2 d，組裝需要5名電焊工工作2 d。優(yōu)化吊架：結(jié)構(gòu)簡單且主要采用螺栓連接或銷子連接，拆卸需要3名普通工工作1 d，組裝需要3名普通工工作1 d。假設(shè)電焊工人工資200元/d，普通工人工資150元/d。則吊架拆卸組裝成本：原有吊架3 200元，優(yōu)化吊架900元。由此可見優(yōu)化吊架結(jié)構(gòu)簡單、便于拆裝、拆裝成本低。

吊架適應(yīng)性強(qiáng)。提升速度：提升系統(tǒng)中的卷揚(yáng)機(jī)采用JK/JM-25 t卷揚(yáng)機(jī)，常用規(guī)格有9 m/min，12 m/min，16 m/min等速度；液壓連續(xù)提升千斤頂可實(shí)現(xiàn)提升速度0 m/h～25 m/h，系統(tǒng)控制采用PLC，提升與下降同步精度±10 mm。以上為常規(guī)配置，可根據(jù)用戶的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)、修改、制造。下部塔墩高：4號墩63.5 m，5號墩61 m；提升時(shí)間：卷揚(yáng)機(jī)(第二套提升系統(tǒng))3 min～7 min，液壓連續(xù)提升千斤頂(第一套提升系統(tǒng))3 h～5 h；提升質(zhì)量范圍：塔吊0 t～4 t，卷揚(yáng)機(jī)4 t～25 t，千斤頂25 t～50 t。現(xiàn)場施工時(shí)根據(jù)具體情況選擇合適的提升系統(tǒng)。

3 結(jié)語

本文結(jié)合在建貴州省北盤江特大橋斜拉橋的設(shè)計(jì)與施工，對于原有吊架的設(shè)計(jì)進(jìn)行全方位分析。根據(jù)吊架設(shè)計(jì)原則及規(guī)范對于原有吊架優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要得出以下結(jié)論：吊架優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)簡單、受力明確、方便拆裝、循環(huán)使用率高、起吊能力強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)。

[1] 趙青山.菱形掛籃的研制及應(yīng)用[J].施工技術(shù)，1994(3):21-26.

[2] 蔣太安.斜拉組合式掛籃的研制[J].橋梁建設(shè),1996(4):23-26.

[3] 平復(fù)強(qiáng),楊世福.滑動(dòng)斜拉式掛籃的設(shè)計(jì)與施工[J].橋梁建設(shè),1989(4):10-20.

[4] 王武勤.PC橋梁懸臂灌注施工掛籃的發(fā)展[J].橋梁建設(shè),1997(4):38-42.

[5] 林元培.斜拉橋[M].北京:人民交通出版社,2001.

Optimized analysis on the suspension bracket in the process of the large cable-stayed bridge★

Zhou Junbo1Xiang Xuejian2Shi Guosong1Dong Jun3

(1.HaibinCollege,BeijingJiaotongUniversity,Huanghua061199,China;
2.ResearchInstituteofHighway,MinistryofCommunication,Beijing100088,China;
3.BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,Beijing100044,China)

This paper takes Beipanjiang bridge as example, which is now under construction. The paper, according to the suspension bracket used in the construction, builds a truss model based on structural mechanics principle and revises the design of its structure forms on the basis of structural mechanics analysis and builds a kind of more optimized suspension bracket model. Analysis of examples shows that the optimized suspension bracket is feasible in practical engineering.

cable-stayed bridge， construction， design of suspension bracket， optimization analysis

2015-04-06★：交通運(yùn)輸部西部交通科技建設(shè)項(xiàng)目；北京交通大學(xué)海濱學(xué)院應(yīng)用技術(shù)型大學(xué)土木工程專業(yè)培養(yǎng)模式改革探討校級重點(diǎn)科研項(xiàng)目；北京交通大學(xué)海濱學(xué)院力學(xué)系列課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目

周俊波(1989- )，男，在讀本科生； 向?qū)W建(1970- )，男，高級工程師； 時(shí)國松(1981- )，男，碩士，講師； 董 軍(1967- )，男，博士后，教授

1009-6825(2015)17-0146-03

U448.27

A