大型斜拉橋施工過程中吊架的優化分析★

周俊波 向學建 時國松 董 軍

(1.北京交通大學海濱學院，河北 黃驊 061199； 2.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088； 3.北京建筑大學土木學院，北京 100044)

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大型斜拉橋施工過程中吊架的優化分析★

周俊波1向學建2時國松1董 軍3

(1.北京交通大學海濱學院，河北 黃驊 061199； 2.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088； 3.北京建筑大學土木學院，北京 100044)

依托在建的北盤江特大橋現場施工工程背景，針對施工中所用到的吊架，基于結構力學原理建立了桁架模型，并通過結構力學分析，對結構的形式進行了改進設計，提出了一種較為優化的吊架模型，算例分析表明，所優化的吊架在實際工程中是可行的。

斜拉橋，施工，吊架設計，優化分析

0 引言

望謨至安龍高速公路第四合同段北盤江特大橋位于望謨縣與冊享縣交界橫跨北盤江，大橋全長為817.5 m，合同工期36個月。橋梁為整體式(不分幅)，主橋橋寬24.1 m，全橋孔跨布置為(3×30+150+328+150+3×30)m預應力混凝土現澆箱梁+預應力混凝土斜拉橋(主橋)+預應力混凝土現澆箱梁。兩個索塔為折H型索塔，4號主塔總高度為190.4 m，5號主塔總高度為187.9 m。主橋為上構主梁為邊主梁斷面形式，每個節段主梁均為2.5 m高，梁頂全寬24.1 m，邊肋為帶底板翼緣截面，邊肋實體截面寬度分別為3.05 m，3.8 m，4.35 m，頂板厚度0.32 m，主梁頂設雙向2%橫坡。主梁與主塔連接處在主梁懸澆過程中臨時固結，合橋合龍后拆除固結。0號節段長17 m，1號～10號節段長7 m，11號～22號節段長5.5 m，每個主塔需要90根斜拉索，兩個主塔共計180根斜拉索。塔吊吊起1號～5號塊的斜拉索，剩余的6號～22號塊的斜拉索都需要吊架起吊。

1 原有吊架的工作原理及不足

通過對現場吊架的觀察以及與工人、技術員、主管之間的交流使我對吊架有了很深的認識。由于該工程所使用的塔吊只能起吊4 t以下的重物，而吊車(31.7 t)和4 t以上的斜拉索塔吊無法完成。因此需要一種起吊能力強的、便于拆裝的、簡單操作的提升裝置——吊架。

1.1 原有吊架的結構形式及工作機理

原有吊架主桁架系統主要采用工字鋼32號，20號，10號，連接采用焊接；提升系統：采用4臺液壓連續提升千斤頂和兩臺智能油泵；移動系統：滑道采用工字鋼卡在鋼軌上。設計比較笨重，桁架總重31.826 t。原有桁架和滑道設計如圖1，圖2所示。

上述吊架的工作機理大致為：1)固定吊架軌道，并在軌道上涂抹黃油(潤滑油)；2)用穿心式液壓千斤頂、JL32精軋螺紋鋼筋、螺母等把吊架移動到合適位置；3)主桁架上部前后左右對稱分布4臺液壓連續提升千斤頂；4)每臺提升千斤頂通過3根鋼絞線與吊車相連；5)4臺提升千斤頂同時提升，使吊車保持水平；6)將吊車提升到與橋面水平時吊架后移，緩慢放下吊車。

1.2 原有吊架的結構存在的不足

1)吊架結構復雜，質量大；2)連接全部采用焊接，拆裝不便；3)滑道設計不合理，黃油易脫落；4)表面未做任何處理，桁架已經銹蝕；5)上部沒有明顯的操作平臺及防護措施。

2 吊架結構的改進與優化

2.1 吊架結構的改進設計

吊架設計基本原則應是結構簡單、受力明確、不易變形、操作簡單、便于拆裝、循環利用、自重輕。

針對原有吊架存在的不足進行改進和優化：1)吊架采用菱形結構，材料用16Mn鋼，強度高質量輕；2)主桁架采用螺栓連接附屬部分采用銷子連接，拆裝方便；3)滑道設計是并排的鋼軌(兩端翹起)放在帶槽的滑道里，滑道平整且涂滿黃油；4)吊架表面涂上油漆防止銹蝕；5)吊架安裝扶梯和護欄，并涂寫警示標語。

考慮主橋的結構參數，主橋為上構主梁為邊主梁斷面形式，每個節段主梁均為2.5 m高，梁頂全寬24.1 m，邊肋為帶底板翼緣截面，邊肋實體截面寬度分別為3.05 m，3.8 m，4.35 m，頂板厚度0.32 m，主梁頂設雙向2%橫坡。主梁與主塔連接處在主梁懸澆過程中臨時固結，合橋合龍后拆除固結。綜合該橋的施工現狀，依據規范，考慮設計荷載為：吊車重量取50 t(實際31.7 t)；風荷載取600 Pa。荷載組合為吊車自重+沖擊附加系數+風荷載(行走穩定)，荷載參數中，超載系數取1.01；吊架滑動時沖擊系數取1.1；16Mn鋼容許軸向應力取1.2[σ]=240 MPa；A3鋼容許彎曲應力取1.3[σ]=188.5 MPa；其他鋼材容許應力W按JTJ 025—86公路橋梁鋼結構及木結構設計規范表1.2.5規定值取用。

考慮到荷載的傳遞為重物→鋼絞線→提升系統→主桁架，可選取相關的材料，吊架主桁架和前后橫梁采用16Mn鋼,銷子采用45號鋼,縱梁使用貝雷架、托梁、分配梁等采用組合型鋼(A3),吊帶采用 32 mm精軋螺紋鋼。

參考規范給定的技術指標，吊架與最大提升重物質量比0.36(規范0.3～0.5);自錨安全系數1.6;抗傾覆穩定系數2.7;主桁最大撓度17 mm(規范≤20 mm)。

吊架主要由主桁架系統、提升系統、移動系統三部分組成。主桁架由2片菱形桁架構成,是吊架的主要承重結構，連接方式采用螺栓連接。桁架和橫梁采用銷子連接，其余附屬部分采用焊接或螺栓連接。為了更好地滿足施工要求，特地設計出兩套提升系統。第一套提升系統采用4臺液壓連續提升千斤頂和4臺智能油泵，優點：提升能力強、穩定；缺點：速度慢。設備如圖3所示。

第二套提升系統采用一臺大型卷揚機，優點：提升速度快；缺點：提升能力有限。設備如圖4所示。

移動系統針對兩套提升系統設計出相應兩套系統。第一套移動系統與第一套提升系統配套，適用于提升重大機械(吊車，重31.7 t)。采用主桁架底部安裝滑道，使主桁架和提升系統在滑道上平穩移動。滑道如圖5所示。

第二套移動系統與第二套提升系統配套，適用于提升中長度斜拉索。采用主桁架頂部安裝軌道，使上部的提升系統卷揚機平穩移動。軌道如圖6所示。

吊架組裝工序有兩種，第一種工序：滑道安裝、錨固→主桁架安裝→前后橫梁安裝→后錨安裝→配重安裝→第一套提升系統安裝→調試。第二種工序：主桁架安裝→前后橫梁安裝→配重安裝→后錨安裝→軌道安裝→第二套提升系統安裝→調試(配重：采用1.6 m×1.6 m×1.0 m的鋼筋混凝土塊6個)。

在吊架組裝完畢后,初次使用前對其進行荷載試驗,以檢驗吊架的承載能力和了解吊架的施工撓度。 試驗可采用：1)采用吊裝不同重量的斜拉索或成捆的鋼筋進行施加；2)加載采用超載預壓，超載系數1.1，偏載系數1.1；3)分級加載：0%，30%，60%，100%，120%，50%，0%。撓度觀測：在主桁架、前后橫梁等處布設測點,做好標記；在加載和卸載的過程中及時觀測并做記錄；在加載、提升過程中應注意檢查吊架各個部位，如發現異常應馬上停止加載,進行處理；根據測量數據進行統計分析,得出吊架施工撓度。

根據吊架荷載試驗得出：主桁架平均撓度為16.7 mm。符合設計撓度(17 mm)。

2.2 基于結構力學分析的方案優化

優化方案是將菱形掛籃與原有吊架重新組合、取長補短，使吊架適應性強、結構簡單、循環利用。優化后的方案主桁架成菱形，吊架總重量18 t。吊架設計提升最大重量50 t，平均分配給4個液壓連續提升千斤頂，每個千斤頂所受荷載12.5 t，該荷載可視為集中荷載。

2.3 算例分析

吊架與最大提升重物質量比，原有吊架：總重31.826 t；優化吊架：18.000 t。

設計最大提升重物重50 t，技術指標規范：吊架與最大提升重物質量比0.3～0.5。

原有吊架與最大提升重物質量比為31.826/50=0.64。

優化吊架與最大提升重物質量比為18/50=0.36。

由此可見優化吊架設計自重更輕、更合理、更科學。

吊架拆裝成本分析，原有吊架：結構復雜且全部采用焊接，拆卸需要3名電焊工工作2 d，組裝需要5名電焊工工作2 d。優化吊架：結構簡單且主要采用螺栓連接或銷子連接，拆卸需要3名普通工工作1 d，組裝需要3名普通工工作1 d。假設電焊工人工資200元/d，普通工人工資150元/d。則吊架拆卸組裝成本：原有吊架3 200元，優化吊架900元。由此可見優化吊架結構簡單、便于拆裝、拆裝成本低。

吊架適應性強。提升速度：提升系統中的卷揚機采用JK/JM-25 t卷揚機，常用規格有9 m/min，12 m/min，16 m/min等速度；液壓連續提升千斤頂可實現提升速度0 m/h～25 m/h，系統控制采用PLC，提升與下降同步精度±10 mm。以上為常規配置，可根據用戶的要求進行設計、修改、制造。下部塔墩高：4號墩63.5 m，5號墩61 m；提升時間：卷揚機(第二套提升系統)3 min～7 min，液壓連續提升千斤頂(第一套提升系統)3 h～5 h；提升質量范圍：塔吊0 t～4 t，卷揚機4 t～25 t，千斤頂25 t～50 t。現場施工時根據具體情況選擇合適的提升系統。

3 結語

本文結合在建貴州省北盤江特大橋斜拉橋的設計與施工，對于原有吊架的設計進行全方位分析。根據吊架設計原則及規范對于原有吊架優化設計，主要得出以下結論：吊架優化方案結構簡單、受力明確、方便拆裝、循環使用率高、起吊能力強、適應性強。

[1] 趙青山.菱形掛籃的研制及應用[J].施工技術，1994(3):21-26.

[2] 蔣太安.斜拉組合式掛籃的研制[J].橋梁建設,1996(4):23-26.

[3] 平復強,楊世福.滑動斜拉式掛籃的設計與施工[J].橋梁建設,1989(4):10-20.

[4] 王武勤.PC橋梁懸臂灌注施工掛籃的發展[J].橋梁建設,1997(4):38-42.

[5] 林元培.斜拉橋[M].北京:人民交通出版社,2001.

Optimized analysis on the suspension bracket in the process of the large cable-stayed bridge★

Zhou Junbo1Xiang Xuejian2Shi Guosong1Dong Jun3

(1.HaibinCollege,BeijingJiaotongUniversity,Huanghua061199,China;
2.ResearchInstituteofHighway,MinistryofCommunication,Beijing100088,China;
3.BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,Beijing100044,China)

This paper takes Beipanjiang bridge as example, which is now under construction. The paper, according to the suspension bracket used in the construction, builds a truss model based on structural mechanics principle and revises the design of its structure forms on the basis of structural mechanics analysis and builds a kind of more optimized suspension bracket model. Analysis of examples shows that the optimized suspension bracket is feasible in practical engineering.

cable-stayed bridge， construction， design of suspension bracket， optimization analysis

2015-04-06★：交通運輸部西部交通科技建設項目；北京交通大學海濱學院應用技術型大學土木工程專業培養模式改革探討校級重點科研項目；北京交通大學海濱學院力學系列課程教學團隊建設項目

周俊波(1989- )，男，在讀本科生； 向學建(1970- )，男，高級工程師； 時國松(1981- )，男，碩士，講師； 董 軍(1967- )，男，博士后，教授

1009-6825(2015)17-0146-03

U448.27

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