向莆鐵路東新贛江大橋650 kN浮吊施工設計

龔國鋒

(中鐵大橋局股份有限公司,武漢 430050)

1 工程概述

向莆鐵路是以客運為主兼顧貨運的快速鐵路干線,東新贛江特大橋作為項目控制性工程之一,橋址位于既有生米公路大橋上游1.5 km處。橋址處通航等級為Ⅱ-3級航道,通航凈空10 m,施工水位+16.5 m。

其中主橋39號～42號墩跨間上部結構為(126+196+126) m下承式連續鋼桁梁,全長448 m,鋼桁梁標準節間長度為14 m,邊跨9個節間,中跨14個節間,全橋共計32個節間。橋式布置如圖1所示。

圖1 主橋立面布置(單位：m)

2 主橋鋼梁架設設備比選

主橋鋼梁安裝吊機原計劃采用南京大勝關長江大橋2臺700 kN架梁吊機改制而成,改制后的設備除應滿足原有性能要求外,還應能同時滿足上、下坡(+19°～-19°)和過拱頂的要求。通過方案研究,原來吊機改制難度較大,費用也很高,特別是改制工期滿足不了本橋鋼梁架設的時間要求。在對架梁方案進一步比選和結合國內現有設備資源的情況下,原天興洲長江大橋的2艘800 t雙體船+1 200 kN桅桿吊通過加高等措施后可以滿足本橋鋼梁架設的需要。因此決定采用2艘800 t雙體船+1 200 kN桅桿吊進行鋼梁的架設施工。

3 650 kN浮吊方案簡介

原天興洲長江大橋的1 200 kN浮吊采用萬能桿件支架將2艘800 t的甲板駁船連接成雙體船結構作為1 200 kN桅桿吊的支承浮體,每艘駁船船長47.0 m,船寬12.0 m,型深3.0 m,設計吃水2.0 m。為最大限度地保持原浮吊結構,減小工程投入,根據設計計算,原船體以上12 m高的萬能桿件支架可以全部保留,但須局部加強。為滿足本橋吊高(水面以上約55 m)要求,需將原萬能桿件支架再接高20 m。由于支架加高較多,船體的縱、橫向穩定性減弱,結合本橋鋼梁實際最大吊重,本浮吊按最大吊重650 kN進行施工設計。加高后的650 kN浮吊總布置見圖2。

圖2 650 kN浮吊總布置(單位：mm)

4 650 kN浮吊支承體系設計要點

置于水中的船舶是一個漂浮體系,船舶的內力受船體載重分布和浮力的分布控制。由于本浮吊作業工況變化多。連接支架桿件內力變化幅度大,浮吊的總高度比船的長度和高度均要大。因此650 kN浮吊支承體系的設計重點在于連接支架的分析計算和船舶的縱橫向總體穩定計算。

4.1 WD120桅桿吊機介紹

WD120桅桿吊機由吊臂、立柱、斜撐、底盤、錨固系統、主起升機構、回轉機構、變幅機構、司機室及電氣控制系統等組成。本橋根據實際選用55 m長度的吊臂,最大吊重650 kN。WD120桅桿吊機如圖3所示。

圖3 WD120桅桿吊機總布置

主鉤在臂長55 m時最大吊重為650 kN,原最大起升高度：吊機安裝平臺以上49 m,平臺以下22 m。由于加高后吊機底盤到水面距離約有35 m,導致卷揚機容繩量不夠,由于吊重減少(原吊機最大吊重1 200 kN)較多,將原主鉤鋼絲繩走12改為走6,這樣就解決了卷揚機容繩量不足的問題。

4.2 650 kN浮吊設計

4.2.1 設計條件分析

根據650 kN浮吊支承結構體系及作業環境,可知作用于連接支架的外力主要有2類。第一類直接作用于支架上吊機錨固點的支反力；第二類是作用于每個駁船上的波浪力,通過船體發生相對位移而傳遞給連接支架的荷載。根據《船舶強度結構設計》中波浪附加彎矩計算所述,在一定的裝載狀態下船舶的質量分布是一定的,船體梁荷載的改變將完全取決于波浪要素以及船舶與波浪的相對位置,而船體彎矩與剪力又是荷載的積分,船體彎矩與剪力的改變完全取決于波浪要素以及船舶和波浪的相對位置。因此本吊機設計條件分析重點在于波浪力的分析、計算。

4.2.2 設計假定

(1)不考慮吊機底盤縱梁對支架一、二之間的相互影響。支架三不參與受力計算。

(2)兩駁船當成剛性體,計算忽略了船體由于荷載的作用而產生的變形,在任何荷載作用下,同一個駁船上支架與船體的連接節點始終在同一平面上。

(3)靜水中及浮吊受波浪力作用產生內傾、外傾和受扭的工況,水浮力均作為彈性支承考慮,彈性系數

式中n——所加彈性支承數量；

Ca——修正系數,按表1取值；

B——型寬；

Ls——水線長；

γ——水的容重。

表1 修正系數Ca取值

(4)浮吊在部分脫空狀態下,將一側船體加固定約束,另一側船體懸臂,將浮吊自重、吊重及改變后的水浮力當成外荷載進行計算。

4.2.3 連接支架強度計算

圖4 650 kN浮吊三維受力分析模型

650 kN浮吊連接支架三維受力計算分析時,計算工況較多,在此不再贅述,具體計算方法可參見文獻[3]中相關內容。

4.2.4 整體穩定性計算

根據WD120桅桿吊機廠家提供的船用吊重曲線和駁船的安全,650 kN浮吊在任何工況下,必須滿足以下條件：①船的縱、橫向傾角不能大于1.5°；②船底到水面的距離不小于0.5 m,船甲板面到水面的距離不小于0.5 m。

(1)浮吊縱向穩定性計算

通過對浮吊在吊重和非吊重(主要是抵抗臺風)工況下的比較,浮吊在吊重工況下較為不利。駁船縱向穩定性計算見圖5。

圖5 浮吊縱向穩定性計算(單位：mm)

設駁船底板中心點為坐標原點,浮吊系統在工作狀態下自重及重心坐標計算如表1所示。

表1 浮吊在吊重狀態下系統縱向重心坐標及傾覆彎矩統計

設在豎向荷載作用下浮船的均勻吃水深度為h,則由水的浮力計算公式F浮=ρgV排

可知：9.8×2×47×12×h=G=1262.3×9.8

根據上式可求出：h=1.12 m

對應的水線長度：ls=43.1 m

船舶吃水體積：V=1 262.3 m3

傾角：φ=0.69°

(2)浮吊橫向穩定性計算

駁船橫向穩定性計算見圖6。

圖6 浮吊橫向穩定性計算(單位：mm)

設駁船底板中心點為坐標原點,浮吊系統在工作狀態下自重及重心坐標計算如表2所示。

同理可計算得到

傾角：φ=1.33°

表2 浮吊在吊重狀態下系統橫向重心坐標及傾覆彎矩統計

由上述計算可以看出：駁船縱橋向在最不利吊重情況下的傾角均為0.69°,駁船橫向在最不利的吊重的情況下的傾角為1.33°,其角度均小于1.5°，能滿足桅桿吊的起吊要求；同時駁船的吃水深度均不會出現船體脫空和超過船體高度的情況,故駁船的傾覆性也滿足要求。

5 結語

由于本橋橋型較為特殊,梁上架梁吊機應能同時滿足上、下坡(+19°～-19°)和過拱頂的要求。吊機設計難度較大,費用也很高。贛江里也沒有能滿足60 m吊高、42 m吊距的大型吊機。采用連接支架將駁船連接成一體作為大噸位浮吊的受力基礎,連接支架是浮吊的安全紐帶,在結構設計中如何考慮波浪力的作用和浮吊的整體穩定性關系到浮吊的安全。目前東新贛江大橋鋼梁已全部按計劃工期安全架設完成,650 kN浮吊在使用過程中,通過監測監控,各項力學性能均滿足設計要求,現在已經安全拆除。在內河中進行橋梁施工或其他施工作業時,如果沒有合適的大型浮吊,可采用在駁船上安裝其他固定大型吊機組成臨時大噸位浮吊的方案,本橋可為類似的結構設計提供參考。

[1] 程國平.船舶強度與結構設計[M].北京：人民交通出版社,1998．

[2] 盛振邦,楊尚榮,陳學深.船舶靜力學[M].上海：上海交通大學出版社,1992.

[3] 葉紹其,趙 鵬.1200 kN浮吊支承結構設計[C]∥中鐵大橋局集團2005年技術交流大會論文集,武漢：武漢出版社,2005.

[4] 中華人民共和國建設部.GB50009—2001 建筑結構荷載規范[S].北京：中國建筑工業出版社,2006．

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[6] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T3811—2008 起重機設計規范[S].北京：化學工業出版社,2008.

[7] 劉 俊.200T門式浮吊的設計與應用[J].建筑機械,1999(7):41 44.

[8] 陳學深,邵世明,陳國權,陳言中. 雙體船穩性衡準中的橫搖角公式[J].上海交通大學學報,1997,31(2):30-33.

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