深中通道多功能懸臂門架結構設計與應用

宋恩榮 周 鵬 董奇峰

1中交二航局第二工程有限公司 重慶 400000 2中交第二航務工程局有限公司 武漢 430040

3長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室 武漢 430040

4交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心 武漢 430040

5 中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司 武漢 430040

0 引言

懸索橋因其跨越能力強、受力性能好、外形美觀等特點被廣泛應用，在橋梁工程中占據不可動搖的地位[1,2]。懸索橋一般由橋塔、錨碇、索鞍、纜載起重機系統等主要部分組成，其中，錨碇開挖、索鞍吊裝、纜載起重機安裝均需配備專用臨時結構進行施工。

虎門二橋坭洲水道橋東錨碇基礎深處位置施工采用塔吊、履帶起重機吊斗綜合開挖取土作業[3]，主索鞍吊裝采用塔頂門架系統進行施工作業[4]，大沙水道橋纜載起重機安裝則采用塔頂塔式起重機進行吊裝拼接。普利特大橋索鞍吊裝采用塔式起重機進行施工作業，纜載起重機采用安裝平臺、跑車及起吊系統進行吊裝[5]。潤揚大橋施工中錨碇開挖和索鞍吊裝各有專用門架進行相應作業[6]，澧水特大橋則考慮將索鞍吊裝門架及纜索吊塔架進行一體化設計[7]。

在一般懸索橋施工中，錨碇開挖、索鞍吊裝和纜載起重機安裝均需配備專門設備進行對應的施工作業，設備功能單一且所需種類較多。因此，研發一款集錨碇開挖、吊裝主散索鞍、安裝纜載起重機功能于一體的多功能門架對施工裝備，實現一機多用、作業功能多元化技術的推進有著重要意義。

1 工程概況

深中通道東接機荷高速跨越珠江口，西至中山馬鞍島，與中開、東部外環高速對接，實現在深圳、中山及廣州南沙登陸，為國家“十三五”重大工程項目[8]。該項目全長約24.03 km，跨海段長22.39 km，采用100 km/h設計速度、雙向八車道高速公路技術標準，為集橋、島、隧、地下互通為一體的系統集群工程。深中通道伶仃洋大橋為580 m+1 666 m+580 m 的3跨全漂浮體系，索塔為門形結構，錨碇基礎為八字形地下連續墻+內襯的結構。深中通道伶仃洋大橋臨時結構裝置的工況有：

1）錨碇基礎開挖量大 東錨碇基礎為世界首個海中錨碇，地連墻直徑為2×65 m，厚度為1.5 m，嵌入中風化花崗巖層5 m。錨碇基礎頂標高為+3.0 m，底標高為-39.0 m，開挖深度為42 m，開挖總方量達23萬方。

2）塔高索鞍重 深中通道伶仃洋大橋塔高270 m，橋面高達91 m，其主索鞍總質量為130 t（含吊具），散索鞍總質量為170 t（含吊具）。

3）纜載起重機安裝困難 伶仃洋大橋主孔跨經達1 666 m，為海中跨鋼箱梁懸索橋，最大索夾尺寸為4 210 mm×138.5 mm，纜載起重機行走機構長，安裝困難。

深中通道伶仃洋大橋施工對錨碇基礎開挖、索鞍吊裝、纜載起重機安裝相應的配套臨時結構的結構載重能力、使用壽命有極高要求，故設計合理的臨時結構成為該項目成功施工的關鍵。

2 多功能懸臂門架總體設計方案

2.1 功能需求分析

1）錨碇基礎開挖 錨碇基礎前期采用挖掘機配合自卸車開挖，當開挖深度大于挖掘機的臂長時，可采用履帶吊配合渣斗進行開挖，也可采取懸臂門架配合渣斗開挖。

2）主散索鞍安裝 主索鞍常規起重設備無法安裝，考慮使用懸臂門架吊裝。散索鞍位于錨體上方，安裝高度為48 m，若采用履帶起重機吊裝需選用1 000 t以上履帶起重機，經濟性較差，且地基承載力也無法滿足要求，需地基處理，同主索鞍一并考慮懸臂門架吊裝。

3）纜載起重機安裝 主纜最低點為伶仃洋航道，該航道過往船舶眾多，據智慧海事統計，每日過往船舶數量達700艘次以上，單臺纜載起重機安裝周期約5 d，無法實現封航，所以選擇最高點安裝，由于最高點高度為270 m，考慮使用懸臂門架吊裝安裝。

上述3種傳統施工方式各有優缺點，其對比情況如表1所示。基于對傳統錨碇基礎開挖、纜載起重機安裝和主散索鞍安裝施工方式的優缺點分析，綜合考慮設計一款可適用于上述3種施工工況的多功能懸臂門架。該門架采用裝配式拼裝，可在不同施工階段通過不同組裝形式實現施工裝備的一機多用，達到節約成本、提高功效的作用。

表1 傳統施工工藝優缺點對比情況

2.2 門架的應用方法與施工流程

1）在錨碇基礎開挖中的應用

錨碇基礎開挖使用的懸臂門架，在門架頂安裝軌道及移動起重機，利用起重機的卷揚機吊裝渣斗配合自卸車出渣。自卸車直接開到門架下方，渣斗從基坑下方裝滿渣土后吊裝至基坑上方，直接卸在自卸車內。考慮總的出土量以及門架出土速度，擬定加工4臺出土門架，每個基坑布置2臺出土門架，渣斗與自卸車配套，擬采用20方的自卸車，加工18方的渣斗配套使用。在使用中應充分考慮自卸車進出的方向、渣斗的長寬方向以及懸臂門架門柱與渣斗的間距；在選擇卷揚機型號和渣斗開關門方式時，應充分考慮出渣量。

2）在主散索鞍安裝中的應用

①主索鞍安裝 深中通道伶仃洋大橋主索鞍為2件，上下游各1件，為減輕吊裝運輸質量，將鞍體一分為二吊至塔頂后用高強螺栓拼接。擬采用懸臂門架吊裝，在門架頂安裝滑板基礎，采用連續千斤頂配合鋼絞線提升，提升到位后采用滑板配合手拉葫蘆移動。由于主索鞍上下游各一件，故需在塔頂上下游各安裝1套懸臂門架。

②散索鞍安裝 深中通道伶仃洋大橋散索鞍為2件，上下游各1件，由于散索鞍無法分隔，采用整體吊裝。擬采用懸臂門架吊裝，在門架頂安裝滑板基礎，采用連續千斤頂配合鋼絞線提升，提升到位后采用滑板配合手拉葫蘆移動。由于散索鞍上下游各一件，故需在錨體上下游各安裝1套懸臂門架。

3）在纜載起重機安裝中的應用

深中通道伶仃洋大橋鋼箱梁擬采用2臺最大起重能力為1 000 t的纜載起重機安裝，在中跨、邊跨各布置1臺。在塔頂上下游各布置1套懸臂門架，兩端對稱懸臂，采用2套懸臂門架分別吊裝行走機構，共同抬吊鋼桁架。由于纜載起重機行走機構安裝需要蕩移，所以懸臂門架頂采用2套卷揚機系統進行布置。

綜上所述，結合3種使用工況，共需設計加工4套多功能懸臂門架，使用順序為：①2套多功能懸臂門架用于錨碇基礎開挖，然后用于塔頂安裝主索鞍，最后在塔頂安裝纜載起重機；②2套多功能懸臂門架用于錨碇基礎開挖，然后用于錨體安裝散索鞍。

3 多功能懸臂門架結構設計

3.1 設計方案

結合應用方法和使用流程，提出裝配式可拆卸可周轉設計理念，對多功能懸臂門架結構進行設計，塔下和塔上門架結構設計形式如圖1和圖2所示。其中，圖1所示懸臂門架結構適用于錨碇基礎開挖使用，主要包括主梁、支腿、支撐桿、橫梁、斜撐桿等構成。當需要周轉至塔上其他功能使用時，只需增加主梁長度，同時添加支撐桿、起重梁，即可滿足在索鞍安裝和纜載起重機安裝中的臨時結構構形（見圖2），多功能懸臂門架塔下結構尺寸（長×寬×高）為21 600 mm×8 807 mm×12 000 mm，多功能懸臂門架塔上結構尺寸（長×寬×高）為39 500 mm×8 807 mm×12 000 mm。

圖1 多功能懸臂塔下門架結構

圖2 多功能懸臂塔上門架結構

3.2 結構計算

1）設計計算工況

綜合考慮多功能懸臂門架在使用過程中所涉及的工況和載荷，塔下門架分為2種工況進行計算，塔上門架分為4種工況進行計算，具體設計計算工況見表2。其中，臺風期不進行作業，為工程空窗期。

表2 門架設計計算工況

2）門架結構仿真計算

根據多功能懸臂門架的特點，在MIDAS/Civil環境下建立模型并進行有限元仿真計算，塔下門架結構如圖3所示，塔上門架結構如圖4所示。

圖3 多功能懸臂塔下門架結構

圖4 多功能懸臂塔上門架結構

多功能懸臂門架模型各結構件均選取與實際設計材質、尺寸相同的參數(材料為Q235，彈性模量為2.1×105MPa，密度ρ＝7.85×103，泊松比μ＝0.3)，按照實際工況對其施加邊界條件和載荷并進行仿真計算，分析對應工況下的結構受力是否滿足規范設計要求。在載荷計算中，自重載荷包括塔下結構自重G1、塔上結構自重G2，按結構實際質量計算，g＝9.8 m/s2；渣斗及渣土質量G3取值500 000 N；主索鞍質量G4取值1 350 000 N；散索鞍質量G5取值1 700 000 N；纜載起重機質量G6取值510 000 N；風載荷計算公式可表示為

式中：FH為作用于主梁單位長度上的風載荷；ρ為空氣密度，取1.25 kN/m3；Vg為靜陣風風速，設計基本風速塔下取值20.7 m/s，塔上取30.1 m/s，設計臺風風速塔下取值44.7 m/s，塔上取64.8 m/s；CH為主梁阻力系數，取1.3；H為主梁投影高度。

另外，吊裝荷載按最不利位置施加，風荷載考慮順主梁方向和垂直主梁方向施加，考慮正常工作工況以及臺風工況，其中臺風工況需臨時對結構作加強處理。取最不利計算結果，支腿底部考慮為固結，材料自重由軟件計入。

通過仿真計算得到各工況計算結果如表3所示。其中，塔下結構最大應力為134.6 MPa，出現在錨碇開挖工況中；最大位移為47.6mm，出現在空窗期；仿真結果如圖5、圖6所示，均在設計參考范圍以內。塔上結構最大應力為156.2 MPa，出現在空窗期；最大位移為38.5mm，同樣出現在空窗期；仿真結果如圖7、圖8所示，均在設計參考范圍以內。仿真計算結果表明，多功能懸臂門架結構強度、剛度均合格，且安全可靠。

圖5 塔下最大應力仿真結果

圖6 塔下最大位移仿真結果

圖7 塔上最大應力仿真結果

圖8 塔上最大位移仿真結果

表3 門架仿真計算結果

3.3 門架應用情況

截止到2021年7月，多功能懸臂門架已經在錨碇基礎開挖中成功應用并改裝完成，如圖9所示。4臺出土門架與1臺伸縮臂挖機的組合式出土效率超過2 000 m3/d，監測得到的結構最大應力為79.6 MPa，遠小于設計值。在后續上部結構施工中，該懸臂門架還將在索鞍和纜載起重機安裝中進行改裝應用。

圖9 多功能懸臂門架在錨碇基礎開挖的應用

4 結論

本文針對深中通道伶仃洋大橋施工所面臨的錨碇基礎開挖量大、塔高索鞍重、纜載起重機安裝困難等問題，基于裝配式可拆卸可周轉的標準化設計理念，系統地闡述了多功能懸臂門架的周轉應用流程，設計了多功能懸臂門架結構，并通過有限元仿真計算對結構進行校核。經仿真計算和實踐證明，該懸臂門架結構強度、剛度均在設計規范以內，且在深中通道伶仃洋大橋實際工程應用中取得了良好的使用效果，實現了一機多用、臨時結構周轉化的技術實踐，為施工結構作業功能多元化的設計方式提供了新的思路，對類似工程施工臨時裝備的設計和應用有重要的參考和借鑒意義。