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

（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， 以確保結構的穩定性。根據現場實際環境條件及工期要求，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的受力及最大高度狀態重力產生的豎向力，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[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，均滿足穩定性要求。

圖6 塔吊基礎結構屈曲模態圖

（4）支點反力

從塔吊基礎節點反力圖（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。