平潭海峽公鐵兩用大橋引橋鋼管型鋼支架塔基設計與施工

■樂立區(qū)

（1.福建省交通科研院有限公司， 福州 350005； 2.福建省智能交通信息工程有限公司， 福州 350005）

塔吊作為一種常用的物料提升常用機械，因其方便和高效等特點，已被廣泛應用于建筑和橋梁等工程施工中[1-3]。 平潭海峽公鐵兩用大橋B0～B58 主跨剛構及引橋公路連續(xù)梁采用掛籃懸灌施工，利用塔機運輸物資材料。 引橋公路梁為每孔64 m 或40 m 預應力混凝土連續(xù)梁，公路梁頂面距離承臺頂面距離最大為56 m，采用XGTT125（6015-10）型塔機。但是，由于B26～B30 承臺橫橋向尺寸過小，無法在承臺上布置塔吊，故通過在承臺上搭設鋼管型鋼支架，塔吊設置在該支架上，塔吊基礎支架底部通過預埋件與承臺連接，通過精軋螺紋鋼筋拉桿與墩身連接，鋼管樁間、縱橫梁間設置斜撐；在承臺頂面支架周邊施工混凝土基礎， 以確保結構的穩(wěn)定性。根據現場實際環(huán)境條件及工期要求，塔吊按7 級及以下風力正常工作、14 級風抗臺進行設計檢算。 塔機基礎安裝在承臺或基礎支架上，塔身穿過公路梁翼緣板，通過附著與墩身連接。 施工中，塔吊最大高度（附著）為70 m，最大幅度40，最大吊重2 t。

1 塔機基礎設計思路

1.1 塔吊型號、布置位置選擇

根據方案對比， 決定將塔機布置在承臺上，線路前進方向的左側，為避開公路梁腹板位置，部分墩位的塔機底部伸出承臺范圍，為此設計型鋼基礎支架用以支撐塔機（圖1）。 塔機基礎支架底部通過預埋件與承臺連接，通過精軋螺紋鋼筋拉桿與墩身連接，并鋼管樁間、縱橫梁間設置斜撐。 為進一步保證結構的穩(wěn)定性，本設計方案擬在承臺頂面支架周邊施工混凝土基礎， 基礎尺寸為11.0 m×2.144 m×1.0 m，具體見圖1。

圖1 塔機布置圖

1.2 塔吊基礎設計計算

1.2.1 數值建模及材料參數取值

本研究通過Midas Civil 有限元軟件[4]，對平潭海峽公鐵兩用大橋引橋塔吊基礎建立數值計算建模，并針對不同工況進行數值計算，從而對支架結構應力、應變和屈曲等展開研究。 塔吊基礎支架結構見圖2，Midas Civil 有限元模型見圖3，計算主要材料參數取值見表1。

圖2 塔吊基礎支架結構圖

圖3 塔吊基礎計算模型圖

表1 主要材料參數

1.2.2 荷載取值及工況

（1）荷載種類及取值

塔機基礎支架按最大獨立固定高度為45 m，最大附著高度70 m 計算。 塔機基礎上的荷載主要包括結構自重，起重力矩，風荷載產生的水平力、彎矩及扭矩，其取值大小如表2 所示[5]。 此外，塔機在最大附著高度下， 塔機基礎所受豎向力P 取1500 kN。

表2 塔基荷載類型及取值表

（2）荷載工況

塔吊在有附著情況下， 除重力產生的豎向力外，其他力基本由附著及塔身自身結構承擔，所以在塔吊基礎計算時主要考慮最大獨立固定狀態(tài)的受力及最大高度狀態(tài)重力產生的豎向力，具體荷載工況見表3。

表3 荷載工況

（3）荷載組合

根據荷載分析結果可知，塔吊基礎的極限承載力狀態(tài)[6-7]，需要根據荷載效應的基本組合進行荷載（效應）組合計算，因此在基本組合下的結構荷載分項系數見表4。

表4 荷載組合

1.2.3 計算結果分析

利用Midas Civil 數值計算分析，可以確定各個工況下支架結構內力、變形及穩(wěn)定性。 通過對工況1～工況7 進行計算，由計算結果對比可知，工況3 中桿件結構應力及變形量最大， 對結構穩(wěn)定性起控制性作用，現僅對工況3 計算結果進行如下分析。

（1）結構應力

圖4 為塔吊基礎結構最大應力圖，由結構應力圖顯示，鋼管立柱頂部出現了最大應力134.392 MPa，小于材料抗力設計值215 MPa，滿足設計要求。

圖4 塔吊基礎結構應力圖

（2）結構的變形

從塔吊基礎結構的變形圖（圖5）可知，結構縱向變形最大為1.405 mm，橫向變形最大為0.998 mm，豎向變形最大為3.86 mm，滿足設計要求。

圖5 塔吊基礎結構變形圖

（3）屈曲分析

從塔吊基礎屈曲模態(tài)圖（圖6）可知，結構一階、二階和三階臨界荷載系數分別為176.9、271.6 和3231，均滿足穩(wěn)定性要求。

圖6 塔吊基礎結構屈曲模態(tài)圖

（4）支點反力

從塔吊基礎節(jié)點反力圖（圖7）可知，橫梁端部橫橋、沿橋及豎向支反力分別為399、147 及65 kN。鋼管樁支撐底部橫橋、 沿橋及豎向支反力分別為270、90 及848 kN。

圖7 塔吊基礎結構節(jié)點反力圖

2 塔吊基礎施工

2.1 預埋件加工與安裝

塔吊基礎預埋件包括：立柱預埋件及斜拉預埋件。 立柱預埋件采用∠50 mm×50 mm×5 mm 角鋼，預埋件長600 mm，沿圓周均勻布置8 根。 預埋件安裝時，預埋件的底部需設置鋼墊板，鋼墊板的尺寸取120 mm×120 mm×12 mm，鋼墊板的安裝，需經測量嚴格確定位置。 為提高預埋鋼墊板與砼的結合力，在鋼墊板加工時，在其底部均勻焊接10 道等距的錨固鋼筋，鋼筋焊接時需確保焊縫飽滿。 預埋鋼墊板安裝過程中，需整體調平。 同時，鋼板安裝時，中部需割孔，便于砼施工過程中對鋼板下部進行充分振搗。斜撐預埋件采用強度較高的φ16 精軋螺紋鋼，預埋件長200 mm，沿圓周均勻布置8 根，預埋件大樣見圖2。此外，在立柱預埋件及斜拉預埋件頂部焊接厚度20 mm 的圓形鋼板，其直徑有立柱及斜拉桿件尺寸確定。

2.2 鋼管型鋼支架施工

鋼管型鋼支架分為上下兩層： 上層為承重型鋼，由縱梁（3-H500×200）、橫梁（2-H500×200）和斜撐（4-H500×200）構成；下層為鋼管支架，其中立柱采用Φ600×10 鋼管，連接和斜撐均采用Φ300×6 鋼管構成。 上下層之間采用焊接連接。 下層鋼管與預埋件連接安裝前， 需先清除預埋鋼板上部混凝土，露出鋼板面，并清理干凈，然后根據測量、放線，將加工完畢的承重鋼支架安裝至預定位置。

3 質量控制措施

（1）塔吊基礎施工過程中，需嚴格控制構件焊接的質量，確保焊接工藝、焊縫的長度、焊條的質量、焊腳的高度等均滿足設計要求；同時，需加強現場檢測與監(jiān)測，對所有的焊縫均需鑿除焊渣，檢測焊縫的飽滿度，以及焊縫與焊腳尺寸是否達標；（2）預埋鋼墊板、精軋螺紋鋼的錨固及螺栓擰固均需使用扭矩扳手進行，并按初、復、終擰的三級操作流程進行施工控制， 確保施擰過程各點的均勻受力；（3）預埋鋼墊板的安裝需提前鑿除該部分混凝土， 因預埋鋼板局部沉降時需采用加墊鋼板找平， 并焊接牢固，確保整體調整至同一水平面，然后采用鋼筋進行限位， 從而確保后續(xù)橋梁施工過程中無沉降、 無位移；其次，鋼管型鋼基礎支架安裝過程中，支架頂面也需調至水平面，從而確保支架基礎能夠正常工作。

4 結語

結合平潭海峽公鐵兩用大橋引橋承臺橫向尺寸過小， 無法在承臺上布置塔機的實際工程問題，提出了鋼管型鋼支架塔基設計方案，并采用有限元數值計算方法，對最危險工況的鋼管型鋼支架結構應力、變形、屈曲和支點反力等多個方面進行系統(tǒng)計算分析。 計算結果表明：在平潭海峽公鐵兩用大橋引橋上采用鋼管型鋼支架塔基方案，能夠滿足設計和相關規(guī)范的要求，方案可行。 在實際工程建設中，本研究提出的鋼管型鋼支架塔基施工方法和質量控制措施，起到了良好的效果，為類似橋梁塔基設計與施工積累了寶貴的技術和施工經驗，可作為以后類似工程參照。