深中通道多功能懸臂門架結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室 武漢 430040

4交通運輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心 武漢 430040

5 中交公路長大橋建設(shè)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(jù)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(tǒng)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(jié)構(gòu)進行施工。

虎門二橋坭洲水道橋東錨碇基礎(chǔ)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(yè)[3]，主索鞍吊裝采用塔頂門架系統(tǒng)進行施工作業(yè)[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(yè)，纜載起重機采用安裝平臺、跑車及起吊系統(tǒng)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(yè)[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(shè)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(shè)備進行對應的施工作業(yè)，設(shè)備功能單一且所需種類較多。因此，研發(fā)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(xiàn)一機多用、作業(yè)功能多元化技術(shù)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(huán)高速對接，實現(xiàn)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(shè)計速度、雙向八車道高速公路技術(shù)標準，為集橋、島、隧、地下互通為一體的系統(tǒng)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(jié)構(gòu)，錨碇基礎(chǔ)為八字形地下連續(xù)墻+內(nèi)襯的結(jié)構(gòu)。深中通道伶仃洋大橋臨時結(jié)構(gòu)裝置的工況有：

1）錨碇基礎(chǔ)開挖量大 東錨碇基礎(chǔ)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(chǔ)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(zhì)量為130 t（含吊具），散索鞍總質(zhì)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(jīng)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(gòu)長，安裝困難。

深中通道伶仃洋大橋施工對錨碇基礎(chǔ)開挖、索鞍吊裝、纜載起重機安裝相應的配套臨時結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)載重能力、使用壽命有極高要求，故設(shè)計合理的臨時結(jié)構(gòu)成為該項目成功施工的關(guān)鍵。

2 多功能懸臂門架總體設(shè)計方案

2.1 功能需求分析

1）錨碇基礎(chǔ)開挖 錨碇基礎(chǔ)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(guī)起重設(shè)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(jīng)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(jù)智慧海事統(tǒng)計，每日過往船舶數(shù)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(xiàn)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(tǒng)施工方式各有優(yōu)缺點，其對比情況如表1所示。基于對傳統(tǒng)錨碇基礎(chǔ)開挖、纜載起重機安裝和主散索鞍安裝施工方式的優(yōu)缺點分析，綜合考慮設(shè)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(xiàn)施工裝備的一機多用，達到節(jié)約成本、提高功效的作用。

表1 傳統(tǒng)施工工藝優(yōu)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(chǔ)開挖中的應用

錨碇基礎(chǔ)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(nèi)?？紤]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(guān)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(zhì)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(chǔ)，采用連續(xù)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(chǔ)，采用連續(xù)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(gòu)，共同抬吊鋼桁架。由于纜載起重機行走機構(gòu)安裝需要蕩移，所以懸臂門架頂采用2套卷揚機系統(tǒng)進行布置。

綜上所述，結(jié)合3種使用工況，共需設(shè)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(chǔ)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(chǔ)開挖，然后用于錨體安裝散索鞍。

3 多功能懸臂門架結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 設(shè)計方案

結(jié)合應用方法和使用流程，提出裝配式可拆卸可周轉(zhuǎn)設(shè)計理念，對多功能懸臂門架結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，塔下和塔上門架結(jié)構(gòu)設(shè)計形式如圖1和圖2所示。其中，圖1所示懸臂門架結(jié)構(gòu)適用于錨碇基礎(chǔ)開挖使用，主要包括主梁、支腿、支撐桿、橫梁、斜撐桿等構(gòu)成。當需要周轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)構(gòu)形（見圖2），多功能懸臂門架塔下結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

圖2 多功能懸臂塔上門架結(jié)構(gòu)

3.2 結(jié)構(gòu)計算

1）設(shè)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(shè)計計算工況見表2。其中，臺風期不進行作業(yè)，為工程空窗期。

表2 門架設(shè)計計算工況

2）門架結(jié)構(gòu)仿真計算

根據(jù)多功能懸臂門架的特點，在MIDAS/Civil環(huán)境下建立模型并進行有限元仿真計算，塔下門架結(jié)構(gòu)如圖3所示，塔上門架結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 多功能懸臂塔下門架結(jié)構(gòu)

圖4 多功能懸臂塔上門架結(jié)構(gòu)

多功能懸臂門架模型各結(jié)構(gòu)件均選取與實際設(shè)計材質(zhì)、尺寸相同的參數(shù)(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(jié)構(gòu)受力是否滿足規(guī)范設(shè)計要求。在載荷計算中，自重載荷包括塔下結(jié)構(gòu)自重G1、塔上結(jié)構(gòu)自重G2，按結(jié)構(gòu)實際質(zhì)量計算，g＝9.8 m/s2；渣斗及渣土質(zhì)量G3取值500 000 N；主索鞍質(zhì)量G4取值1 350 000 N；散索鞍質(zhì)量G5取值1 700 000 N；纜載起重機質(zhì)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(shè)計基本風速塔下取值20.7 m/s，塔上取30.1 m/s，設(shè)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(shù)，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(jié)構(gòu)作加強處理。取最不利計算結(jié)果，支腿底部考慮為固結(jié)，材料自重由軟件計入。

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

圖5 塔下最大應力仿真結(jié)果

圖6 塔下最大位移仿真結(jié)果

圖7 塔上最大應力仿真結(jié)果

圖8 塔上最大位移仿真結(jié)果

表3 門架仿真計算結(jié)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(jīng)在錨碇基礎(chǔ)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(jiān)測得到的結(jié)構(gòu)最大應力為79.6 MPa，遠小于設(shè)計值。在后續(xù)上部結(jié)構(gòu)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(chǔ)開挖的應用

4 結(jié)論

本文針對深中通道伶仃洋大橋施工所面臨的錨碇基礎(chǔ)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(zhuǎn)的標準化設(shè)計理念，系統(tǒng)地闡述了多功能懸臂門架的周轉(zhuǎn)應用流程，設(shè)計了多功能懸臂門架結(jié)構(gòu)，并通過有限元仿真計算對結(jié)構(gòu)進行校核。經(jīng)仿真計算和實踐證明，該懸臂門架結(jié)構(gòu)強度、剛度均在設(shè)計規(guī)范以內(nèi)，且在深中通道伶仃洋大橋?qū)嶋H工程應用中取得了良好的使用效果，實現(xiàn)了一機多用、臨時結(jié)構(gòu)周轉(zhuǎn)化的技術(shù)實踐，為施工結(jié)構(gòu)作業(yè)功能多元化的設(shè)計方式提供了新的思路，對類似工程施工臨時裝備的設(shè)計和應用有重要的參考和借鑒意義。