萬噸米級塔式起重機附墻預(yù)埋件方案比選及工藝研究*

付 甦,鄧松濤,徐安祺,黃鳳達,王文龍

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司,湖北 武漢 430040;2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室,湖北 武漢 430040;3.交通運輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心,湖北 武漢 430040)

0 引言

塔式起重機作為最常見的施工設(shè)備,通過附著桿及預(yù)埋件與混凝土結(jié)構(gòu)協(xié)同工作[1]。隨著我國工程建設(shè)能力的提升,橋梁建設(shè)中的新結(jié)構(gòu)、新工藝不斷涌現(xiàn),對塔式起重機的起重能力有了更高要求[2],世界首座萬噸米級的塔式起重機應(yīng)運而生。隨著起吊能力的提升,塔式起重機附墻預(yù)埋件的荷載也是呈幾何倍數(shù)增長,傳統(tǒng)的預(yù)埋件形式已不能很好地適應(yīng)塔式起重機的工作要求。由此,對萬噸米級的塔式起重機附墻預(yù)埋件設(shè)計展開了方案比選及其工藝研究。

1 工程概況及難點

新建巢湖—馬鞍山高速鐵路全線位于安徽省境內(nèi),馬鞍山公鐵兩用長江大橋作為過江通道,是其控制性工程。主橋為巢馬鐵路、預(yù)留鐵路及城市快速路多通道結(jié)合的(112+392+2×1 120+392+112)m三塔鋼桁梁公鐵兩用斜拉橋,跨江段總長9.799km,是世界最大跨度三塔斜拉橋。

Z5號塔為三塔斜拉橋的邊主塔,高306m,橫橋向為A形,縱橋向為I形,中下塔柱為混凝土塔,上塔柱為鋼塔。鋼塔柱采取分節(jié)起吊,針對鋼塔起吊設(shè)計了世界首座萬噸米級塔式起重機,其平面布置如圖1 所示。

圖1 塔式起重機附墻平面布置

塔式起重機附墻預(yù)埋件設(shè)計難點為:①荷載大 鋼塔單節(jié)吊重最大達400t,導(dǎo)致預(yù)埋件的荷載也是普通塔式起重機預(yù)埋件的數(shù)倍;②安裝角度受限 由于塔式起重機與塔柱的相對角度較小,導(dǎo)致部分預(yù)埋件剪力過大;③附著空間有限 塔肢尺寸小,不可通過明顯增大預(yù)埋件尺寸來提高預(yù)埋件的承載力。

2 預(yù)埋件比選設(shè)計

該塔式起重機共設(shè)置4道附墻,選取1個具有代表性的預(yù)埋件進行比選設(shè)計,該預(yù)埋件的反力設(shè)計值分別為:V=5 107kN,N=4 726kN,M=2 656kN·m。

2.1 錨筋式預(yù)埋件

在傳統(tǒng)工程建設(shè)中[3-4],預(yù)埋件多采用錨板與錨筋焊接組成,整體埋入主體結(jié)構(gòu),如圖2所示。按錨筋式預(yù)埋件進行設(shè)計,取直徑d=36mm的HRB400鋼筋進行埋設(shè),錨板采用30mm厚鋼板,暫取沿剪力作用方向最外層錨筋中心線間的間距為 2 000mm, 按GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(2015年版)中第9.7.2節(jié)對預(yù)埋件進行計算。

圖2 錨筋式預(yù)埋件

(1)

As≥87 979mm2,A′s≥35 290mm2

根據(jù)計算結(jié)果,至少需87根錨筋。故選用90根錨筋,按受剪方向布設(shè)10根錨筋,每根錨筋間距≥6d(d為錨筋直徑),共設(shè)置9層錨筋,每層間距≥3d。 故錨板尺寸至少為2 200mm×1 100mm,尺寸過大存在安裝困難問題。

2.2 爬錐式預(yù)埋件

爬錐式預(yù)埋件由錨板、爬錐、高強螺栓、高強螺桿、錨件板等構(gòu)件組成[5-7]。相較于錨筋式預(yù)埋件,其受力由爬錐式預(yù)埋件系統(tǒng)綜合承受,由爬錐將剪力傳遞至混凝土結(jié)構(gòu),高強螺桿受拉、受剪的同時將拉力傳遞至錨件板,使預(yù)埋件形成有效的機械連接。該形式預(yù)埋件具有可拆裝、可重復(fù)使用、施工質(zhì)量高等特點。

圖3 爬錐式預(yù)埋件

每個螺栓所承受的剪力為:

Nv=V/n=146kN

高強螺栓實際受力工況驗算根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》驗算:

以混凝土破壞為標準驗算單個錨件板的抗拔力F是否滿足要求,根據(jù)《建筑施工計算手冊》,混凝土按椎體破壞計算預(yù)埋件的錨固強度。破壞椎體母線與水平面夾角一般按45°計算,錨固深度h為400mm,錨件板邊長為100mm,F按下式進行計算:

506kN>304kN

同樣,通過驗算爬錐周圍的混凝土局部承壓來確保剪力能有效傳遞給混凝土結(jié)構(gòu),根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》計算局部受壓承載力如下式:

135βcβlfcAln=570kN>146kN

2.3 盒子式預(yù)埋件

盒子式預(yù)埋件常用于牛腿與主體結(jié)構(gòu)的連接[8],但常規(guī)盒子式預(yù)埋件僅能承受豎向剪力,且承載力有限,因此對盒子式預(yù)埋件進行了改良設(shè)計。由3塊水平向的鋼板承受剪力,由精軋螺紋鋼筋承受拉力,通過板材焊接組成鋼箱承受彎矩,受力更為明確,承載力也有了明顯提高,如圖4所示。

圖4 盒子式預(yù)埋件

單根精軋螺紋鋼筋的極限抗拉承載力設(shè)計值為:

N1=619kN

埋件采用16根φ32精軋螺紋鋼筋對拉,承載力設(shè)計值為16N1=9 904kN>4 726kN。

盒子抗剪強度為:

盒子抗彎強度為:

腹板邊緣的折算應(yīng)力為:

可看出,盒子式預(yù)埋件承載力具有較大富余量,能很好地適應(yīng)大荷載的設(shè)計要求。但是,該類埋件需預(yù)先將鋼盒埋入設(shè)計位置,同時為精軋螺紋鋼筋預(yù)留張拉孔道。在預(yù)埋鋼盒時,存在與橋塔主筋沖突的情況,需打斷鋼筋,再對打斷處做補強處理,保證橋塔結(jié)構(gòu)不被削弱。待橋塔澆筑完成后,將側(cè)板與水平板裝配就位,通過焊接形成完整鋼箱,隨后張拉精軋螺紋鋼筋。該預(yù)埋件工藝較復(fù)雜,且需進行高空焊接,有一定操作難度。

2.4 銷棒式預(yù)埋件

結(jié)合爬錐式預(yù)埋件高強螺栓受拉及盒子式預(yù)埋件受力分離的思路,創(chuàng)新性地設(shè)計了銷棒式預(yù)埋件[9-10]。該預(yù)埋件以鋼銷棒承受剪力,由高強螺栓承受拉力與彎矩,受力機理明確,且有效避免了對橋塔鋼筋的干擾。

如圖5所示,10.9級高強螺桿的抗拉強度設(shè)計值為500MPa,M48高強螺桿有效直徑按43.31mm考慮,單根最大拉力設(shè)計值為:

圖5 銷棒式預(yù)埋件

N=736kN

選用材料為40Cr、直徑為100mm的鋼棒作為抗剪結(jié)構(gòu),鋼銷棒抗剪強度設(shè)計值為245MPa,單根鋼銷棒設(shè)計值為:

V=1 443kN

高強螺栓的承載力計算如下式:

按GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》中第11.4.5節(jié),鋼銷棒的剪力設(shè)計值需乘以不均勻系數(shù)1.43,最大剪力為5 107×1.43=7 303kN,預(yù)埋件剪力設(shè)計值:7 303<6V=8 658kN。該預(yù)埋件承載力符合設(shè)計要求,且該預(yù)埋件方便施工,后期易拆除,很好地滿足了大荷載預(yù)埋件的設(shè)計要求。

3 預(yù)埋件方案比選

通過對比設(shè)計了4種結(jié)構(gòu)形式的附墻預(yù)埋件,可看出,就同一荷載情況下不同類型預(yù)埋件的特點。為了更加直觀系統(tǒng)地分析4種預(yù)埋件,將其進行了對比分析,如表1所示。

表1 預(yù)埋件結(jié)構(gòu)形式對比

通過綜合對比,4類附墻預(yù)埋件的受力特點、優(yōu)劣及適用范圍都有了一個清晰的界定。結(jié)合萬噸米級塔式起重機附墻埋件的設(shè)計要求,銷棒式預(yù)埋件設(shè)計更合理。

4 預(yù)埋件施工工藝

銷棒式預(yù)埋件是為滿足萬噸米級塔式起重機附墻預(yù)埋件以抗剪為主的設(shè)計要求,基于抗剪、抗拉彎分離的設(shè)計思路,創(chuàng)新性地設(shè)計的預(yù)埋件結(jié)構(gòu)。為保證預(yù)埋件施工階段達到設(shè)計要求,對其施工工藝進行了相關(guān)要求。

4.1 施工流程

在橋塔施工時,預(yù)埋φ60×3.5,φ114×6.5無縫鋼管作為塔端預(yù)埋件鋼銷棒及高強螺桿的預(yù)留孔(保持水平)。預(yù)埋件設(shè)置定位板定位,定位板開孔穿鋼管,為嚴格控制鋼管的安裝精度,鋼管靠近內(nèi)腔側(cè),現(xiàn)場需設(shè)置角鋼將定位板與鋼管連接起來,定位板與橋塔鋼筋焊接牢固便可精準定位鋼管。塔柱混凝土澆筑前預(yù)埋鋼管用透明膠帶封堵,防止水泥漿堵塞管口。

混凝土澆筑時,需特別注意預(yù)留孔四周和孔口混凝土的振搗質(zhì)量。為保證局部混凝土的抗壓強度,布設(shè)鋼筋網(wǎng)片進行補強。待澆筑完成后,對預(yù)留孔進行測量,將實際測量結(jié)果用于預(yù)埋件座板開孔,確保預(yù)埋件與預(yù)留孔匹配。

安裝預(yù)埋件結(jié)構(gòu)時,將鋼銷棒穿過座板后穿入預(yù)留孔,高強螺桿穿過預(yù)留孔在塔壁內(nèi)側(cè)固定。高強螺桿需進行預(yù)拉,預(yù)拉力需大于單根螺桿承受的最大拉力設(shè)計值,保證預(yù)埋件不會在受載后松動。為防止螺栓處局部應(yīng)力過大,加設(shè)墊板將力擴散。

預(yù)埋件安裝完成后,需采用灌漿料對鋼銷棒預(yù)留孔間隙進行壓漿處理,灌漿料強度等級為M50。在灌漿料強度未達到設(shè)計要求時,為保證預(yù)埋件底部漿體處于不受力狀態(tài),附著桿暫時不與耳板連接。

4.2 塔式起重機防風(fēng)措施

為保證預(yù)埋件在出現(xiàn)罕見大風(fēng)工況下的結(jié)構(gòu)安全,需采取以下措施:①當(dāng)出現(xiàn)10級大風(fēng)時,需加設(shè)附著裝置或加設(shè)1組纜風(fēng)繩;②當(dāng)出現(xiàn)11級大風(fēng)時,應(yīng)最大限度降低塔式起重機高度,并保證塔式起重機前后臂自由轉(zhuǎn)動,加設(shè)附著裝置或加設(shè)2組纜風(fēng)繩;③當(dāng)出現(xiàn)12級以上大風(fēng)時,為減小塔式起重機懸臂段風(fēng)荷載力臂,需將塔式起重機的外套架降至最上面一道附著裝置以上,并采取增設(shè)附著或纜風(fēng)繩措施。

5 結(jié)語

1)錨筋式預(yù)埋件結(jié)構(gòu)簡單,造價低廉,適用于小荷載預(yù)埋件,當(dāng)剪力<500kN時優(yōu)選;爬錐式預(yù)埋件安裝精度高,可拆卸,可周轉(zhuǎn)使用,適用于較大荷載預(yù)埋件,當(dāng)剪力在500～1 500kN時優(yōu)選;盒子式預(yù)埋件整體性好,結(jié)構(gòu)具有多變性,適用于大荷載預(yù)埋件,當(dāng)剪力在5 000kN以上時優(yōu)選;銷棒式預(yù)埋件施工便捷,受力明確,適用于大荷載預(yù)埋件,當(dāng)剪力在1 500～5 000kN時優(yōu)選。

2)銷棒式預(yù)埋件的有效工作必須依托預(yù)埋件在每個工藝流程上的精準施工,預(yù)留孔與預(yù)埋件精準匹配是保證該設(shè)計可實施的基本要求,高強螺桿的預(yù)拉保證了預(yù)埋件的正常工作,鋼銷棒預(yù)留孔的壓漿處理保證了鋼銷棒有效傳遞剪力。

3)通過對萬噸米級塔式起重機的代表性預(yù)埋件進行設(shè)計,系統(tǒng)性地介紹了錨筋式、爬錐式、盒子式及銷棒式4種形式預(yù)埋件的設(shè)計計算方法,對其安全使用的條件進行了闡述,可為各類結(jié)構(gòu)的預(yù)埋件設(shè)計提供參考。