■樂立區(qū)
(1.福建省交通科研院有限公司, 福州 350005; 2.福建省智能交通信息工程有限公司, 福州 350005)
塔吊作為一種常用的物料提升常用機(jī)械,因其方便和高效等特點,已被廣泛應(yīng)用于建筑和橋梁等工程施工中[1-3]。 平潭海峽公鐵兩用大橋B0~B58 主跨剛構(gòu)及引橋公路連續(xù)梁采用掛籃懸灌施工,利用塔機(jī)運輸物資材料。 引橋公路梁為每孔64 m 或40 m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,公路梁頂面距離承臺頂面距離最大為56 m,采用XGTT125(6015-10)型塔機(jī)。但是,由于B26~B30 承臺橫橋向尺寸過小,無法在承臺上布置塔吊,故通過在承臺上搭設(shè)鋼管型鋼支架,塔吊設(shè)置在該支架上,塔吊基礎(chǔ)支架底部通過預(yù)埋件與承臺連接,通過精軋螺紋鋼筋拉桿與墩身連接,鋼管樁間、縱橫梁間設(shè)置斜撐;在承臺頂面支架周邊施工混凝土基礎(chǔ), 以確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。根據(jù)現(xiàn)場實際環(huán)境條件及工期要求,塔吊按7 級及以下風(fēng)力正常工作、14 級風(fēng)抗臺進(jìn)行設(shè)計檢算。 塔機(jī)基礎(chǔ)安裝在承臺或基礎(chǔ)支架上,塔身穿過公路梁翼緣板,通過附著與墩身連接。 施工中,塔吊最大高度(附著)為70 m,最大幅度40,最大吊重2 t。
根據(jù)方案對比, 決定將塔機(jī)布置在承臺上,線路前進(jìn)方向的左側(cè),為避開公路梁腹板位置,部分墩位的塔機(jī)底部伸出承臺范圍,為此設(shè)計型鋼基礎(chǔ)支架用以支撐塔機(jī)(圖1)。 塔機(jī)基礎(chǔ)支架底部通過預(yù)埋件與承臺連接,通過精軋螺紋鋼筋拉桿與墩身連接,并鋼管樁間、縱橫梁間設(shè)置斜撐。 為進(jìn)一步保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,本設(shè)計方案擬在承臺頂面支架周邊施工混凝土基礎(chǔ), 基礎(chǔ)尺寸為11.0 m×2.144 m×1.0 m,具體見圖1。
圖1 塔機(jī)布置圖
1.2.1 數(shù)值建模及材料參數(shù)取值
本研究通過Midas Civil 有限元軟件[4],對平潭海峽公鐵兩用大橋引橋塔吊基礎(chǔ)建立數(shù)值計算建模,并針對不同工況進(jìn)行數(shù)值計算,從而對支架結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變和屈曲等展開研究。 塔吊基礎(chǔ)支架結(jié)構(gòu)見圖2,Midas Civil 有限元模型見圖3,計算主要材料參數(shù)取值見表1。
圖2 塔吊基礎(chǔ)支架結(jié)構(gòu)圖
圖3 塔吊基礎(chǔ)計算模型圖
表1 主要材料參數(shù)
1.2.2 荷載取值及工況
(1)荷載種類及取值
塔機(jī)基礎(chǔ)支架按最大獨立固定高度為45 m,最大附著高度70 m 計算。 塔機(jī)基礎(chǔ)上的荷載主要包括結(jié)構(gòu)自重,起重力矩,風(fēng)荷載產(chǎn)生的水平力、彎矩及扭矩,其取值大小如表2 所示[5]。 此外,塔機(jī)在最大附著高度下, 塔機(jī)基礎(chǔ)所受豎向力P 取1500 kN。
表2 塔基荷載類型及取值表
(2)荷載工況
塔吊在有附著情況下, 除重力產(chǎn)生的豎向力外,其他力基本由附著及塔身自身結(jié)構(gòu)承擔(dān),所以在塔吊基礎(chǔ)計算時主要考慮最大獨立固定狀態(tài)的受力及最大高度狀態(tài)重力產(chǎn)生的豎向力,具體荷載工況見表3。
表3 荷載工況
(3)荷載組合
根據(jù)荷載分析結(jié)果可知,塔吊基礎(chǔ)的極限承載力狀態(tài)[6-7],需要根據(jù)荷載效應(yīng)的基本組合進(jìn)行荷載(效應(yīng))組合計算,因此在基本組合下的結(jié)構(gòu)荷載分項系數(shù)見表4。
表4 荷載組合
1.2.3 計算結(jié)果分析
利用Midas Civil 數(shù)值計算分析,可以確定各個工況下支架結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形及穩(wěn)定性。 通過對工況1~工況7 進(jìn)行計算,由計算結(jié)果對比可知,工況3 中桿件結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形量最大, 對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起控制性作用,現(xiàn)僅對工況3 計算結(jié)果進(jìn)行如下分析。
(1)結(jié)構(gòu)應(yīng)力
圖4 為塔吊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力圖,由結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖顯示,鋼管立柱頂部出現(xiàn)了最大應(yīng)力134.392 MPa,小于材料抗力設(shè)計值215 MPa,滿足設(shè)計要求。
圖4 塔吊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖
(2)結(jié)構(gòu)的變形
從塔吊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的變形圖(圖5)可知,結(jié)構(gòu)縱向變形最大為1.405 mm,橫向變形最大為0.998 mm,豎向變形最大為3.86 mm,滿足設(shè)計要求。
圖5 塔吊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)變形圖
(3)屈曲分析
從塔吊基礎(chǔ)屈曲模態(tài)圖(圖6)可知,結(jié)構(gòu)一階、二階和三階臨界荷載系數(shù)分別為176.9、271.6 和3231,均滿足穩(wěn)定性要求。
圖6 塔吊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)屈曲模態(tài)圖
(4)支點反力
從塔吊基礎(chǔ)節(jié)點反力圖(圖7)可知,橫梁端部橫橋、沿橋及豎向支反力分別為399、147 及65 kN。鋼管樁支撐底部橫橋、 沿橋及豎向支反力分別為270、90 及848 kN。
圖7 塔吊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)節(jié)點反力圖
塔吊基礎(chǔ)預(yù)埋件包括:立柱預(yù)埋件及斜拉預(yù)埋件。 立柱預(yù)埋件采用∠50 mm×50 mm×5 mm 角鋼,預(yù)埋件長600 mm,沿圓周均勻布置8 根。 預(yù)埋件安裝時,預(yù)埋件的底部需設(shè)置鋼墊板,鋼墊板的尺寸取120 mm×120 mm×12 mm,鋼墊板的安裝,需經(jīng)測量嚴(yán)格確定位置。 為提高預(yù)埋鋼墊板與砼的結(jié)合力,在鋼墊板加工時,在其底部均勻焊接10 道等距的錨固鋼筋,鋼筋焊接時需確保焊縫飽滿。 預(yù)埋鋼墊板安裝過程中,需整體調(diào)平。 同時,鋼板安裝時,中部需割孔,便于砼施工過程中對鋼板下部進(jìn)行充分振搗。斜撐預(yù)埋件采用強(qiáng)度較高的φ16 精軋螺紋鋼,預(yù)埋件長200 mm,沿圓周均勻布置8 根,預(yù)埋件大樣見圖2。此外,在立柱預(yù)埋件及斜拉預(yù)埋件頂部焊接厚度20 mm 的圓形鋼板,其直徑有立柱及斜拉桿件尺寸確定。
鋼管型鋼支架分為上下兩層: 上層為承重型鋼,由縱梁(3-H500×200)、橫梁(2-H500×200)和斜撐(4-H500×200)構(gòu)成;下層為鋼管支架,其中立柱采用Φ600×10 鋼管,連接和斜撐均采用Φ300×6 鋼管構(gòu)成。 上下層之間采用焊接連接。 下層鋼管與預(yù)埋件連接安裝前, 需先清除預(yù)埋鋼板上部混凝土,露出鋼板面,并清理干凈,然后根據(jù)測量、放線,將加工完畢的承重鋼支架安裝至預(yù)定位置。
(1)塔吊基礎(chǔ)施工過程中,需嚴(yán)格控制構(gòu)件焊接的質(zhì)量,確保焊接工藝、焊縫的長度、焊條的質(zhì)量、焊腳的高度等均滿足設(shè)計要求;同時,需加強(qiáng)現(xiàn)場檢測與監(jiān)測,對所有的焊縫均需鑿除焊渣,檢測焊縫的飽滿度,以及焊縫與焊腳尺寸是否達(dá)標(biāo);(2)預(yù)埋鋼墊板、精軋螺紋鋼的錨固及螺栓擰固均需使用扭矩扳手進(jìn)行,并按初、復(fù)、終擰的三級操作流程進(jìn)行施工控制, 確保施擰過程各點的均勻受力;(3)預(yù)埋鋼墊板的安裝需提前鑿除該部分混凝土, 因預(yù)埋鋼板局部沉降時需采用加墊鋼板找平, 并焊接牢固,確保整體調(diào)整至同一水平面,然后采用鋼筋進(jìn)行限位, 從而確保后續(xù)橋梁施工過程中無沉降、 無位移;其次,鋼管型鋼基礎(chǔ)支架安裝過程中,支架頂面也需調(diào)至水平面,從而確保支架基礎(chǔ)能夠正常工作。
結(jié)合平潭海峽公鐵兩用大橋引橋承臺橫向尺寸過小, 無法在承臺上布置塔機(jī)的實際工程問題,提出了鋼管型鋼支架塔基設(shè)計方案,并采用有限元數(shù)值計算方法,對最危險工況的鋼管型鋼支架結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形、屈曲和支點反力等多個方面進(jìn)行系統(tǒng)計算分析。 計算結(jié)果表明:在平潭海峽公鐵兩用大橋引橋上采用鋼管型鋼支架塔基方案,能夠滿足設(shè)計和相關(guān)規(guī)范的要求,方案可行。 在實際工程建設(shè)中,本研究提出的鋼管型鋼支架塔基施工方法和質(zhì)量控制措施,起到了良好的效果,為類似橋梁塔基設(shè)計與施工積累了寶貴的技術(shù)和施工經(jīng)驗,可作為以后類似工程參照。