中央索面鋼箱梁整體式橋面吊機研究

李拔周

中交武漢港灣工程設計研究院有限公司

1 引言

中央索面鋼箱梁斜拉橋采用分離式橋面吊機施工，難以保證鋼箱梁的匹配精度，同時會在施工期間增加鋼箱梁的附加應力。

圖1 斜拉橋總體布置圖

2 工程概況

南京第五長江大橋為縱向鉆石型索塔中央雙索面三塔組合梁斜拉橋，橋跨布置為80+218+600+600+218+80=1 796 m，總體布置見圖1。索塔采用鋼-混凝土組合索塔，索塔基礎采用鉆孔灌注樁基礎，主梁采用含粗骨料UHPC為橋面板的流線型扁平整體箱型組合梁，采用鋼絞線斜拉索。中塔處設置縱向雙排豎向剛性支座，并設置支座約束縱向位移及橫向位移；邊塔索塔處設置縱向雙排豎向支座，并設置橫向抗風支座；輔助墩設置剛性豎向支座和縱向抗震耗能裝置及橫向抗風支座；過渡墩設置剛性豎向支座和橫向抗風支座。

主梁采用扁平流線型整體箱形鋼混組合梁，兩側路肩區(qū)為底部開放的懸臂結構，主梁標準寬度35.6 m，梁高3.6 m(組合梁中心線處)，斜拉索在鋼箱梁上橫橋向間距為4.58 m～4.84 m，鋼箱梁標準節(jié)段長度14.6 m，重424.7 t，其標準橫斷見圖2。

圖2 鋼箱梁橫斷面圖

該工程的主要特點為：

(1)鋼箱梁結構尺寸和自重均較大，鋼箱梁寬35.6 m，重量424.7 t。

(2)主梁為中央索面，斜拉索間距僅4.58 m～4.84 m，為整體式橋面吊機提供的空間較小。

(3)0#塊長度空間僅12.925 m，作為橋面吊機安裝的空間。

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(4)斜拉索為鋼絞線形式，安裝相對平行鋼絲斜拉索復雜。

根據(jù)橋梁施工工藝安排，橋面吊機需從1#節(jié)段開始采用橋面吊機施工，此時0#節(jié)段距塔柱的凈距較小，僅有12.925 m。標準節(jié)段橋面吊機支、錨點距離為16.425 m。本項目在空間上對橋面吊機要求較高，給橋面吊機的設計和安裝帶來了一些限制[1]。

3 橋面吊機總體研究

根據(jù)施工需要，橋面吊機需滿足以下要求：

(1)滿足1#節(jié)段及標準節(jié)段吊裝的需要。

(2)橋面吊機形式上必須采用整體式結構。

(3)能夠輔助進行斜拉索的掛設。

(4)滿足合攏段抬吊的空間要求。

國內目前尚無類似的工程案例，橋面吊機設計尚無類似的成功經驗可參考。

根據(jù)鋼箱梁結構上支錨點的分布，若將橋面吊機整體結構放置在兩索面之外，主體結構則可以不受主塔的限制，有足夠空間可以滿足1#節(jié)段吊裝。但存在的問題是主體結構之間的所有聯(lián)系桿件將受斜拉索的阻擋，橋面吊機前移過程將會非常繁瑣，施工效率會大幅降低。若將橋面吊機整體結構放置在兩索面之間，主體結構雖然在1#節(jié)段吊空間存在問題，但后續(xù)節(jié)段施工操作則相對簡單，因此將主體結構設置在兩索之間，橋面吊機總體布置見圖3。

1.后錨固分配梁 2.承重桁架 3.提升機構 4.吊具 5.前支點分配梁圖3 橋面吊機總體布置圖

橋面吊機由承重架、前支點裝置、后錨固裝置、起升機構、行走機構、吊具及安全保護裝置等組成。橋面吊機總體結構采用2組菱形承重桁架結構，將2片菱形承重桁架放置在兩索之間，桁架之間距離為3.2 m，2片桁架間通過連桿連接為整體。承重桁架前端設置前支點分配梁，滿足支點橫向間距5.6 m的要求，后端通過設置錨固分配梁，滿足錨點橫向間距5.6 m的要求。

吊裝首節(jié)段鋼箱梁時，前支點和后錨點之間的間距為16.425 m，0#節(jié)段長度僅12.925 m，則標準段的承重桁架與主塔存在干涉。因此，在吊裝首節(jié)段時將主桁后部局部加寬以避開主塔，錨固點橫向間距6.8 m，前支點和后錨點之間的間距調整為16.4 m(邊塔)和16.8 m(中塔)，接近標準段施工的支錨間距(見圖4)。在相應部位設置接口，待首節(jié)段鋼箱梁吊裝完成并將橋面吊機移出足夠空間后，將主桁尾部進行替換，使后續(xù)節(jié)段吊裝時前支點和后錨點之間的間距滿足16.425 m的要求，且主桁全設置在兩主桁之間。

圖4 首節(jié)段吊裝狀態(tài)圖

承重桁架底部設置前支點分配梁和后錨固分配梁，分別與主梁上的前支點和后錨點對應，將起吊荷載傳至主梁上。前支點分配梁和后錨固分配梁長度超過了斜拉索的橫向間距，為避開斜拉索的阻擋，分配梁在過索時先采用油缸橫移，再通過旋轉將梁調整為順橋向狀態(tài)(見圖5)。

圖5 分配梁過索狀態(tài)圖

承重桁架橫向間距3.2 m，吊點的橫向間距為5.6 m，通過在承重桁架上設置分配梁，使提升系統(tǒng)滿足鋼箱梁吊點要求。通過將吊具扁擔梁設計為變截面，并將斜拉桿與扁擔梁的連接錨頭前移，避開斜拉索的干擾，同時保證能夠順利實現(xiàn)鋼箱梁角度的調整。

為了輔助進行斜拉索的掛設作業(yè)，在橋面吊機承重桁架前端設置了電動葫蘆，用于對斜拉索鋼絞線的牽引。通過對承重主桁架結構進行優(yōu)化，確保在施工合攏段時兩側橋面吊機能實現(xiàn)抬吊而不出現(xiàn)干涉(見圖6)。

圖6 合攏段施工狀態(tài)

4 整體計算分析

1#節(jié)段吊裝是橋面吊機施工相對危險的工況，主要的計算工況見表1[3-4]。

表1 計算工況

采用有限元軟件Ansys進行橋面吊機主體結構的計算分析，1#節(jié)段吊裝狀態(tài)主體結構最大應力為224.4 MPa，最大豎向變形為-71.3 mm；標準節(jié)段吊裝狀態(tài)主體結構最大應力為175.2 MPa，最大豎向變形為-54.5 mm。從上述計算可看出，吊裝首節(jié)段時相對標準節(jié)段更加危險。

1#節(jié)段吊裝完成后，橋面吊機行走時前后支錨點間距相對較小，此時尾部行走小車受力最大。1#節(jié)段行走時行走小車反力438 kN，此反力為行走小車設計的控制工況。

橋面吊機位于兩索之間，橫向寬度相對較小，因此側向穩(wěn)定性需進行分析驗證，計算模型見圖7。起吊初時，在工作風速13.8 m/s作用下，鋼箱梁剛剛脫離船面，控制兩邊吊點載荷相差50 t，即F吊1=275.69 t，F(xiàn)吊2=225.69 t，橋面吊機自重G橋=142.6 t，F(xiàn)風=16.8 kN。

圖7 起升平臺受力簡圖

風載荷、F吊1位傾覆力矩，橋面吊機自重、F吊2位抗傾覆力矩，橋面吊機的抗傾覆比為3.59>2，因此橋面吊機在吊裝過程中的側向穩(wěn)定性滿足要求。

橋面吊機主體材質為Q345，橋面吊機主體結構的整體強度、剛度能滿足規(guī)范和使用要求[5-6]。

5 結語

中央索面整體式橋面吊機為國內首次開發(fā)，橋面吊機結構放置在兩索面之間，避免了主體結構前移與斜拉索的干涉，極大地提高了橋面吊機的施工效率。承重結構尾部設置接口，可在不重新組裝的情況下進行尾部更換，快速實現(xiàn)支錨點間距調整要求。通過設置平動和轉動裝置，使前支點和后錨點分配梁在行走時方便地避開與斜拉索的干涉，操作簡便，降低了工人的勞動強度，提高了施工效率。新型吊具不僅避開了斜拉索的干擾，同時能夠順利實現(xiàn)鋼箱梁角度的調整。設置電動葫蘆輔助進行斜拉索掛設，拓展了橋面吊機的功能。該橋面吊機的成功應用，填補了國內該型橋面吊機的空白，提高了鋼箱梁節(jié)段的匹配精度，為國內類似橋梁的施工提供了更多的選擇。