駱龍炳，許 可

(南京市公共工程建設(shè)中心,江蘇 南京 210000)

0 引言

塔頂門(mén)架是懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工的關(guān)鍵大臨結(jié)構(gòu),廣泛應(yīng)用于南京四橋、虎門(mén)二橋等大跨徑懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工。國(guó)內(nèi)懸索橋塔頂門(mén)架的主要功能是主索鞍吊裝,聶東等[1]對(duì)山區(qū)超高索塔主索鞍安裝進(jìn)行了研究;童俊豪等[2]對(duì)虎門(mén)二橋主索鞍安裝進(jìn)行了研究。石虎強(qiáng)等[3]對(duì)懸索橋塔頂門(mén)架標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。非對(duì)稱(chēng)多用途塔頂門(mén)架在大跨徑懸索橋施工中應(yīng)用的案例不多,主塔N字鋼結(jié)構(gòu)的安裝在國(guó)內(nèi)同類(lèi)型項(xiàng)目中應(yīng)用尚屬首次。隨著交通建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展,大跨徑懸索橋的外觀設(shè)計(jì)也將不斷創(chuàng)新,非對(duì)稱(chēng)多用途塔頂門(mén)架將會(huì)在更多項(xiàng)目中得到應(yīng)用。

1 工程概況

南京仙新路長(zhǎng)江大橋主橋采用主跨1 760 m鋼箱梁懸索橋,主纜的跨度布置為(580+1 760+580)m。主塔采用H型混凝土塔,高度為270.585 m。主塔上橫梁采用N字造型鋼外包混凝土組合結(jié)構(gòu),N字鋼結(jié)構(gòu)總高60 m,鋼結(jié)構(gòu)N字造型將整個(gè)主塔混凝土上橫梁包裹在內(nèi)。為了便于制造及安裝,整個(gè)N字外包鋼結(jié)構(gòu)劃分為8個(gè)節(jié)段,單節(jié)段結(jié)構(gòu)自重不超過(guò)100 t,節(jié)段之間采用對(duì)接焊接連接。塔柱截面設(shè)計(jì)為五邊形截面,塔頂面積狹小,塔頂門(mén)架4根立柱無(wú)法全部支承在塔柱頂面,門(mén)架為非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。主索鞍縱向分兩塊制造,單件吊裝重量約85 t,吊至塔頂后用高強(qiáng)螺栓拼接。格柵長(zhǎng)度13.29 m,高度3.43 m,橫向?qū)挾?.2 m,質(zhì)量約51 t。

2 北主塔塔頂門(mén)架設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目北主塔塔頂門(mén)架的主要功能為N字鋼結(jié)構(gòu)安裝和主索鞍安裝,同時(shí)為主纜架設(shè)、纜載吊機(jī)安裝等施工提供吊裝系統(tǒng)及支撐系統(tǒng)。上部結(jié)構(gòu)施工和北主塔塔頂N字鋼結(jié)構(gòu)安裝分別由兩個(gè)不同的施工單位實(shí)施,為保障工程進(jìn)度,先進(jìn)行主索鞍安裝、貓道架設(shè)和主纜架設(shè),再進(jìn)行塔頂N字鋼結(jié)構(gòu)安裝。兩家施工單位都需要通過(guò)塔頂門(mén)架完成相應(yīng)的施工內(nèi)容,但施工工況不盡相同,特別是N字鋼結(jié)構(gòu)安裝風(fēng)險(xiǎn)很大,因此,塔頂門(mén)架需要進(jìn)行系統(tǒng)性設(shè)計(jì)。

2.1 北主塔塔頂門(mén)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

北主塔上下游塔肢各設(shè)有1套塔頂門(mén)架,門(mén)架采用桁架結(jié)構(gòu),各構(gòu)件之間采用栓、焊結(jié)合的方式連接。北塔塔頂門(mén)架考慮在中跨側(cè)進(jìn)行主索鞍起重吊裝及纜載吊機(jī)起重吊裝,門(mén)架設(shè)計(jì)成雙鷹嘴結(jié)構(gòu),中跨側(cè)懸挑17 m,邊跨側(cè)懸挑13.8 m,門(mén)架總長(zhǎng)38.77 m,高9.7 m,門(mén)架豎桿順橋向間距8.0 m,橫橋向間距6.1 m(見(jiàn)圖1)。考慮到本項(xiàng)目塔頂門(mén)架為非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)且存在N字鋼結(jié)構(gòu)吊裝這一特殊工況,故設(shè)計(jì)塔頂門(mén)架時(shí)對(duì)塔頂門(mén)架立柱構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng),立柱采用HW400型鋼貼板2 cm,且采用Q355B材質(zhì);門(mén)架斜桿及上平桿采用HW400型鋼貼板1.2 cm加強(qiáng),平聯(lián)及斜撐采用雙拼[32a,柱腳支撐牛腿采用2HW400×400型鋼。除門(mén)架立柱外,其余桿件采用Q235B材質(zhì)。

由于塔頂門(mén)架4根立柱無(wú)法全部支承在塔頂,故門(mén)架2根短立柱支承在塔頂、2根長(zhǎng)立柱支承在塔側(cè)面牛腿上。門(mén)架立柱設(shè)計(jì)有4個(gè)預(yù)埋件(如圖2所示),埋件1和埋件2布置在塔頂,采用預(yù)埋柱腳螺栓的結(jié)構(gòu)形式,分別有6根φ56 mm柱腳螺栓;埋件3和埋件4布置在塔側(cè)面,分別采用30 mm厚錨板和30根φ28 mm錨筋(如圖3所示)。短立柱柱腳位置設(shè)置剛性箱型底座與埋件1和埋件2栓接;設(shè)置牛腿與埋件3和埋件4栓接,長(zhǎng)立柱支承在牛腿上并與牛腿焊接。

門(mén)架結(jié)構(gòu)主桁架吊裝格柵及主索鞍在邊跨側(cè),吊裝時(shí)需安裝主桁架中跨側(cè)桁架片聯(lián)系,塔頂及邊跨側(cè)聯(lián)系(圖1中虛線(xiàn)范圍的橫梁)暫時(shí)不安裝。格柵及主索鞍吊裝完畢后,繼續(xù)安裝所有頂層橫向連接,用以貓道架設(shè)及主纜索股牽引。貓道架設(shè)、主纜架設(shè)等工作完成后,需要對(duì)原有塔頂門(mén)架進(jìn)行改造,在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了部分聯(lián)系桿件(雙拼[32a),并加裝N字鋼結(jié)構(gòu)起吊系統(tǒng),用以吊裝N字鋼結(jié)構(gòu)。N字鋼結(jié)構(gòu)吊裝結(jié)束后,需安裝桁架片斜桿橫向連接桿件用以吊裝纜載吊機(jī)。

2.2 起吊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

塔頂門(mén)架起吊系統(tǒng)由起吊平移小車(chē)、15 t卷?yè)P(yáng)機(jī)、80 t滑車(chē)組、牽引鋼絞線(xiàn)、電動(dòng)葫蘆等組成,上、下游塔柱均采用獨(dú)立的起吊系統(tǒng),各布置2臺(tái)15 t卷?yè)P(yáng)機(jī)在門(mén)架頂面的平移小車(chē)上,卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩穿過(guò)定滑輪走6線(xiàn)連接動(dòng)滑輪,2臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)由一個(gè)控制系統(tǒng)控制。在塔頂門(mén)架頂設(shè)置軌道,平移小車(chē)在軌道上行走。

N字鋼結(jié)構(gòu)起吊系統(tǒng)單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在現(xiàn)有上下游塔頂門(mén)架頂面安裝縱橫向分配梁構(gòu)成天車(chē)系統(tǒng),該結(jié)構(gòu)由2套“200型貝雷梁”組成,2套貝雷梁通過(guò)立面支撐架連接成整體;單套貝雷梁由2組貝雷梁構(gòu)成,2組貝雷梁通過(guò)立面支撐架和水平支撐連接;單組貝雷梁為4排貝雷片。貝雷梁通過(guò)分配梁底座支承在上下游塔頂門(mén)架頂面。貝雷梁底座由縱橫梁組成,縱梁采用雙拼HM488×300型鋼,長(zhǎng)4.9 m;橫梁采用雙拼HM588×300型鋼,長(zhǎng)7.4 m。在貝雷梁支點(diǎn)位置設(shè)置加強(qiáng)豎桿(見(jiàn)圖4,圖5)。采用4臺(tái)10 t卷?yè)P(yáng)機(jī)提供重起動(dòng)力,卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩穿過(guò)定滑輪走10線(xiàn)連接動(dòng)滑輪,吊裝系統(tǒng)分配梁采用Ⅰ25a型鋼,并鋪設(shè)軌道供卷?yè)P(yáng)機(jī)進(jìn)行東西方向移動(dòng)。裝有N字鋼結(jié)構(gòu)起吊系統(tǒng)的北主塔塔頂門(mén)架側(cè)面圖見(jiàn)圖5。

2.3 門(mén)架結(jié)構(gòu)仿真驗(yàn)算

2.3.1 常規(guī)工況

采用midas有限元分析軟件對(duì)常規(guī)工況施工進(jìn)行計(jì)算分析,門(mén)架各桿件均采用梁?jiǎn)卧M,邊界條件為:門(mén)架在底部錨固位置固接,運(yùn)行小車(chē)與門(mén)架軌道之間采用鉸接即釋放相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

常規(guī)工況分別為:工況1:格柵板吊裝工況,吊裝荷載按520 kN計(jì)算。工況2:主索鞍吊裝工況,吊裝荷載按950 kN計(jì)算。工況3:主索鞍上下承板吊裝工況,吊裝荷載按630 kN計(jì)算。工況4:邊跨單側(cè)提升主纜索股工況。工況5:兩側(cè)提升主纜索股工況。工況6:纜載吊機(jī)行走總成吊裝工況,吊裝荷載按405 kN計(jì)算。工況7:纜載吊機(jī)提升負(fù)重節(jié)段吊裝工況,吊裝荷載按329 kN計(jì)算。工況8:極限風(fēng)速工況。在不同工況荷載作用下,塔頂門(mén)架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表1,表2。驗(yàn)算結(jié)果表明:塔頂門(mén)架的強(qiáng)度、剛度、整體穩(wěn)定性均滿(mǎn)足要求,限于篇幅原因省略結(jié)構(gòu)剛度和整體穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果。

表1 塔頂門(mén)架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果(長(zhǎng)短立柱) MPa

表2 塔頂門(mén)架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果(除長(zhǎng)短立柱外的桿件)

2.3.2 N字鋼結(jié)構(gòu)吊裝工況

采用midas軟件對(duì)N字鋼結(jié)構(gòu)吊裝進(jìn)行計(jì)算分析,門(mén)架各桿件均采用梁?jiǎn)卧M,吊裝荷載以節(jié)點(diǎn)荷載的形式加到頂部虛擬HN900×300型鋼上(以模擬10 t卷?yè)P(yáng)機(jī)),所受風(fēng)荷載以點(diǎn)荷載形式加載到結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)位置,分配梁和200型貝雷梁之間、200型貝雷梁和承重梁之間均采用彈性連接,門(mén)架底部采用固定約束。

鋼結(jié)構(gòu)N形塊自上而下劃分為A,C,B三個(gè)部分,A部分由A1塊和A2塊組成,單塊重72 t;B部分由B1塊和B2塊組成,單塊重90 t;C部分由C1-1塊、C1-2塊、C2-1塊和C2-2塊組成,單塊重51.2 t(見(jiàn)圖6)。由于N字鋼結(jié)構(gòu)分塊后剛度減弱,吊裝N字鋼結(jié)構(gòu)各塊體時(shí)需對(duì)塊體進(jìn)行加固,并配置相應(yīng)工裝。N字鋼結(jié)構(gòu)B1塊和B2塊在內(nèi)側(cè)焊接鋼支撐后整體吊裝,其他塊段單獨(dú)吊裝。

根據(jù)N字鋼結(jié)構(gòu)吊裝方案,考慮以下5種工況進(jìn)行計(jì)算分析:工況1:N字鋼結(jié)構(gòu)B塊段整體吊裝,最大荷載單重為280 t,由2套貝雷梁4臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)進(jìn)行吊裝,通過(guò)N字鋼結(jié)構(gòu)起吊系統(tǒng)整體抬吊提升至下橫梁頂面,由布置在邊跨直線(xiàn)段的拖拽系統(tǒng)將B塊段蕩移牽引至下橫梁頂面,單套貝雷梁的2臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)松鉤。工況2:由2套貝雷梁4臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)進(jìn)行吊裝,起吊系統(tǒng)走行至上橫梁正上方,連接吊具與B塊段吊耳,抬吊將B塊段垂直起吊至設(shè)計(jì)高程。工況3:由單套貝雷梁2臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)分別吊裝C1-1塊、C1-2塊,最大荷載單重均為99.4 t。工況4:由單套貝雷梁2臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)分別吊裝C2-1塊、C2-2塊,最大荷載單重均為99.4 t。工況5:由2套貝雷梁4臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)分別將A1塊、A2塊提升至上橫梁頂面,最大荷載單重為165 t。在不同工況荷載作用下,塔頂門(mén)架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表3;N字鋼結(jié)構(gòu)起吊系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 塔頂門(mén)架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果

表4 N字鋼結(jié)構(gòu)起吊系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果

3 門(mén)架安裝及改造

3.1 門(mén)架安裝

1)測(cè)量準(zhǔn)備。根據(jù)施工圖對(duì)塔頂門(mén)架和主索鞍各結(jié)構(gòu)部位設(shè)計(jì)坐標(biāo)與高程進(jìn)行復(fù)核,補(bǔ)充加密施工所需要的各種測(cè)量控制點(diǎn),建立滿(mǎn)足施工要求的平面和立面施工測(cè)量控制網(wǎng)。重點(diǎn)針對(duì)塔頂門(mén)架埋件,以埋件1作為原點(diǎn)建立局部坐標(biāo)系,待繞塔平臺(tái)施工完畢后,對(duì)其四個(gè)埋件相對(duì)位置進(jìn)行復(fù)測(cè),將復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)與原設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,對(duì)于埋件偏差較大的部分及時(shí)采取補(bǔ)救措施。

2)預(yù)埋件施工。數(shù)值模擬結(jié)果顯示,在主索鞍吊裝工況下,長(zhǎng)立柱最大反力值達(dá)2 488.4 kN,若牛腿安裝偏心超過(guò)1 cm,則會(huì)對(duì)牛腿額外產(chǎn)生至少24.9 kN·m的彎矩,因此需精確控制牛腿埋件精度以保證牛腿及長(zhǎng)立柱安裝精度控制在±1 cm以?xún)?nèi)。利用全站儀測(cè)量柱腳螺栓標(biāo)高、螺桿間距、垂直度和塔柱外側(cè)面牛腿預(yù)埋件標(biāo)高、平面位置?？紤]到單個(gè)牛腿埋件涉及2組共計(jì)60個(gè)預(yù)埋錨筋的安裝,為確保各預(yù)埋錨筋相對(duì)預(yù)埋定位準(zhǔn)確,通過(guò)設(shè)置預(yù)埋定位鋼板,將各錨筋依次穿過(guò)該定位鋼板,以控制各錨筋相對(duì)位置滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。牛腿安裝預(yù)留有一定的調(diào)整量,選用外錨貼板作為與牛腿焊接的最終構(gòu)件,在施工過(guò)程中額外爭(zhēng)取了±6 mm的平面調(diào)整量及±5 mm的豎直方向調(diào)整量,以確保長(zhǎng)立柱和牛腿在最后安裝時(shí)能夠抵消施工作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的水平和高程方向的誤差。經(jīng)最后安裝前復(fù)測(cè)結(jié)果顯示,北塔4個(gè)牛腿中心點(diǎn)較設(shè)計(jì)位置平面位置最大偏差為+5 mm(偏向大里程側(cè)),高程方向最大偏差+1 mm(偏向塔頂側(cè)),滿(mǎn)足門(mén)架安裝精度要求。

3)門(mén)架安裝。將北主塔塔頂門(mén)架劃分成38個(gè)塊體,主要為主桁架、平移小車(chē)、連接桁架、頂部橫聯(lián)等構(gòu)件,通過(guò)塔吊進(jìn)行安裝。門(mén)架安裝按照:主桁塊體(或桿件)→連接桁架(或桿件)→頂部橫聯(lián)→軌道梁→平移小車(chē)的順序進(jìn)行。門(mén)架主體結(jié)構(gòu)拼裝完成后在門(mén)架承重主梁頂部安裝平移小車(chē)軌道,軌道采用[36a槽鋼和3 mm不銹鋼板分段制作,[36a槽鋼與承重主梁采用連續(xù)貼角焊縫連接,3 mm不銹鋼板與[36a槽鋼點(diǎn)焊連接。

3.2 門(mén)架改造

在原有塔頂門(mén)架的頂面加裝N字鋼結(jié)構(gòu)起吊系統(tǒng)。起吊系統(tǒng)各構(gòu)件主要采用兩臺(tái)MC320A-K16型塔吊安裝,起吊系統(tǒng)構(gòu)件安裝順序?yàn)?移位器→承重梁→分配梁(貝雷梁下方)→貝雷梁→卷?yè)P(yáng)機(jī)和墊梁→定滑輪和其承重梁→動(dòng)滑輪和鋼絲繩。

1)塔頂門(mén)架貝雷梁安裝:單套貝雷梁長(zhǎng)33.5 m,既有上下游貓道內(nèi)側(cè)護(hù)欄距離約為23.5 m,考慮到塔吊的起重能力和貓道對(duì)于貝雷梁吊裝施工的影響,門(mén)架貝雷梁部分吊裝采用分片吊裝方式,單套貝雷梁吊裝步驟如下:a.雙機(jī)抬吊2排8列貝雷梁結(jié)構(gòu)(長(zhǎng)度為24.5 m),2排貝雷梁之間通過(guò)豎向花架和水平花架連接固定,最大吊重7.8 t,共計(jì)吊裝4次;吊裝4排2列貝雷梁,共計(jì)吊裝2次;吊裝4排1列貝雷梁,共計(jì)吊裝2次。b.單次吊裝完成后焊接臨時(shí)支腿進(jìn)行臨時(shí)固定。c.吊裝過(guò)程需要與貓道保持安全距離,并按照塔頂門(mén)架內(nèi)側(cè)凈距為21.2 m控制貝雷梁邊緣的位置,斜向進(jìn)行吊裝(見(jiàn)圖7)。吊裝過(guò)程中,貝雷梁最大位移2.19 mm,滿(mǎn)足自身強(qiáng)度要求。

2)動(dòng)力系統(tǒng)安裝:10 t卷?yè)P(yáng)機(jī)單重5.5 t,底座重3.5 t,底座底部焊接HM488×300型鋼。首先吊裝底座+墊梁,定位后與貝雷梁使用卡梁進(jìn)行固定,再將卷?yè)P(yáng)機(jī)與底座進(jìn)行焊接固定。

3)門(mén)吊移位裝置:根據(jù)N字鋼結(jié)構(gòu)各塊段吊裝施工的需要,門(mén)架系統(tǒng)需要在吊裝過(guò)程中完成移位,為保證吊裝過(guò)程中位移的穩(wěn)定,采用4 mm不銹鋼板+精軋螺紋鋼對(duì)拉的方式進(jìn)行移位,兩板結(jié)合面處涂抹黃油保證滑動(dòng)平順性,移位完成后對(duì)拉精軋螺紋鋼固定門(mén)架位置,對(duì)拉裝置采用2套80 t穿心千斤頂和φ32 mm精軋螺紋鋼。

4 主要構(gòu)件安裝質(zhì)量檢驗(yàn)

主索鞍安裝質(zhì)量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,關(guān)鍵指標(biāo)測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 主索鞍安裝質(zhì)量測(cè)量結(jié)果

N字鋼結(jié)構(gòu)無(wú)異常變形,高程滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,面板及面板加勁肋節(jié)段偏位小于10 mm。

5 結(jié)語(yǔ)

南京仙新路長(zhǎng)江大橋北主塔高度高,N字鋼結(jié)構(gòu)、主索鞍安裝難度大,因此,塔頂門(mén)架的設(shè)計(jì)與安裝是保障工程建設(shè)的關(guān)鍵。工程實(shí)踐表明:

1)為滿(mǎn)足特殊和多種工況施工,塔頂門(mén)架必須進(jìn)行系統(tǒng)性設(shè)計(jì),其中門(mén)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本項(xiàng)目對(duì)塔頂門(mén)架立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng),設(shè)置2 cm厚通長(zhǎng)型鋼貼板,且提高了鋼材標(biāo)號(hào)。

2)塔頂門(mén)架結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果得到實(shí)際驗(yàn)證,門(mén)架在實(shí)際使用中安全可靠,能滿(mǎn)足施工需求。

3)塔頂門(mén)架為非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)且門(mén)架長(zhǎng)立柱設(shè)置在塔柱側(cè)面,需要重點(diǎn)控制長(zhǎng)立柱柱腳牛腿預(yù)埋精度,減小立柱對(duì)牛腿結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的偏心荷載。

4)根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果,在原有塔頂門(mén)架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了部分聯(lián)系桿件并對(duì)N字鋼起吊系統(tǒng)進(jìn)行了局部加強(qiáng),在貝雷梁支點(diǎn)位置設(shè)置了加強(qiáng)弦桿,提高了抗剪能力;在2套貝雷梁之間設(shè)置了立面支撐,提高了N字鋼結(jié)構(gòu)起吊系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。