大跨径悬索桥非对称多用途塔顶门架设计与安装.pdf

：大跨径悬索桥非对称多用途塔顶门架设计与安装收稿日期：作者简介：骆龙炳（），男，工程师，从事桥隧建设管理工作骆龙炳，许可（南京市公共工程建设中心，江苏 南京 ）摘要：针对南京仙新路大桥主桥跨径大，主塔高及其 字钢结构及主索鞍安装难度大的问题，对北主塔塔顶门架进行了系统性设计，并对塔顶门架进行了数值模拟分析，结果表明，字钢结构、主索鞍等构件安装质量满足要求。关键词：悬索桥；非对称；塔顶门架；字钢结构中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言塔顶门架是悬索桥上部结构施工的关键大临结构，广泛应用于南京四桥、虎门二桥等大跨径悬索桥上部结构施工。国内悬索桥塔顶门架的主要功能是主索鞍吊装，聂东等 对山区超高索塔主索鞍安装进行了研究；童俊豪等 对虎门二桥主索鞍安装进行了研究。石虎强等 对悬索桥塔顶门架标准化设计进行了研究。非对称多用途塔顶门架在大跨径悬索桥施工中应用的案例不多，主塔 字钢结构的安装在国内同类型项目中应用尚属首次。随着交通建设高质量发展，大跨径悬索桥的外观设计也将不断创新，非对称多用途塔顶门架将会在更多项目中得到应用。工程概况南京仙新路长江大桥主桥采用主跨 钢箱梁悬索桥，主缆的跨度布置为（）。主塔采用 型混凝土塔，高度为 。主塔上横梁采用 字造型钢外包混凝土组合结构，字钢结构总高 ，钢结构 字造型将整个主塔混凝土上横梁包裹在内。为了便于制造及安装，整个 字外包钢结构划分为个节段，单节段结构自重不超过 ，节段之间采用对接焊接连接。塔柱截面设计为五边形截面，塔顶面积狭小，塔顶门架 根立柱无法全部支承在塔柱顶面，门架为非对称结构。主索鞍纵向分两块制造，单件吊装重量约 ，吊至塔顶后用高强螺栓拼接。格栅长度 ，高度 ，横向宽度 ，质量约 。北主塔塔顶门架设计本项目北主塔塔顶门架的主要功能为 字钢结构安装和主索鞍安装，同时为主缆架设、缆载吊机安装等施工提供吊装系统及支撑系统。上部结构施工和北主塔塔顶字钢结构安装分别由两个不同的施工单位实施，为保障工程进度，先进行主索鞍安装、猫道架设和主缆架设，再进行塔顶 字钢结构安装。两家施工单位都需要通过塔顶门架完成相应的施工内容，但施工工况不尽相同，特别是 字钢结构安装风险很大，因此，塔顶门架需要进行系统性设计。北主塔塔顶门架结构设计北主塔上下游塔肢各设有 套塔顶门架，门架采用桁架结构，各构件之间采用栓、焊结合的方式连接。北塔塔顶门架考虑在中跨侧进行主索鞍起重吊装及缆载吊机起重吊装，门架设计成双鹰嘴结构，中跨侧悬挑 ，边跨侧悬挑 ，门架总长 ，高 ，门架竖杆顺桥向间距 ，横桥向间距 （见图 ）。考虑到本项目塔顶门架为非对称结构且存在 字钢结构吊装这一特殊工况，故设计塔顶门架时对塔顶门架立柱构件进行加强，立柱采用 型钢贴板 ，且采用 材质；门架斜杆及上平杆采用 型钢贴板 加强，平联及斜撑采用双拼 ，柱脚支撑牛腿采用 型钢。除门架立柱外，其余 杆件 采 用 材质。?由于塔顶门架 根立柱无法全部支承在塔顶，故门架 根短立柱支承在塔顶、根长立柱支承在塔侧面牛腿上。门架立柱设计有 个预埋件（如图 所示），埋件 和埋件 布置在塔顶，采用预埋柱脚螺栓的结构形式，分别有 根 柱脚螺栓；埋件 和埋件 布置在塔侧面，分别采用 厚锚板和 根 锚筋（如图所示）。短立柱柱脚位置设置刚性箱型底座与埋件 和埋件 栓接；设置牛腿与埋件 和埋件 栓接，长立柱支承在牛腿上并与牛腿焊接。第 卷 第 期年 月 山西建筑?门架结构主桁架吊装格栅及主索鞍在边跨侧，吊装时需安装主桁架中跨侧桁架片联系，塔顶及边跨侧联系（图中虚线范围的横梁）暂时不安装。格栅及主索鞍吊装完毕后，继续安装所有顶层横向连接，用以猫道架设及主缆索股牵引。猫道架设、主缆架设等工作完成后，需要对原有塔顶门架进行改造，在原有结构的基础上增加了部分联系杆件（双拼 ），并加装 字钢结构起吊系统，用以吊装 字钢结构。字钢结构吊装结束后，需安装桁架片斜杆横向连接杆件用以吊装缆载吊机。起吊系统设计塔顶门架起吊系统由起吊平移小车、卷扬机、滑车组、牵引钢绞线、电动葫芦等组成，上、下游塔柱均采用独立的起吊系统，各布置 台 卷扬机在门架顶面的平移小车上，卷扬机钢丝绳穿过定滑轮走 线连接动滑轮，台卷扬机由一个控制系统控制。在塔顶门架顶设置轨道，平移小车在轨道上行走。字钢结构起吊系统单独进行设计。在现有上下游塔顶门架顶面安装纵横向分配梁构成天车系统，该结构由 套“型贝雷梁”组成，套贝雷梁通过立面支撑架连接成整体；单套贝雷梁由 组贝雷梁构成，组贝雷梁通过立面支撑架和水平支撑连接；单组贝雷梁为 排贝雷片。贝雷梁通过分配梁底座支承在上下游塔顶门架顶面。贝雷梁底座由纵横梁组成，纵梁采用双拼 型钢，长 ；横梁采用双拼 型钢，长 。在贝雷梁支点位置设置加强竖杆（见图 ，图 ）。采用 台 卷扬机提供重起动力，卷扬机钢丝绳穿过定滑轮走 线连接动滑轮，吊装系统分配梁采用 型钢，并铺设轨道供卷扬机进行东西方向移动。装有 字钢结构起吊系统的北主塔塔顶门架侧面图见图 。?门架结构仿真验算 常规工况采用 有限元分析软件对常规工况施工进行计算分析，门架各杆件均采用梁单元模拟，边界条件为：门架在底部锚固位置固接，运行小车与门架轨道之间采用铰接即释放相应转动自由度。常规工况分别为：工况 ：格栅板吊装工况，吊装荷载按 计算。工况：主索鞍吊装工况，吊装荷载按 计算。工况 ：主索鞍上下承板吊装工况，吊装荷载按 计算。工况：边跨单侧提升主缆索股工况。工况 ：两侧提升主缆索股工况。工况 ：缆载吊机行走总成吊装工况，吊装荷载按 计算。工况 ：缆载吊机提升负重节段吊装工况，吊装荷载按 计算。工况 ：极限风速工况。在不同工况荷载作用下，塔顶门架结构验算结果见表 ，表 。验算结果表明：塔顶门架的强度、刚度、整体稳定性均满足要求，限于篇幅原因省略结构刚度和整体稳定性验算结果。表 塔顶门架结构验算结果（长短立柱）验算项目组合应力剪应力工况 工况 工况 工况 工况 工况 工况 工况 容许值 验算结果满足满足第 卷 第 期年 月骆龙炳，等：大跨径悬索桥非对称多用途塔顶门架设计与安装表 塔顶门架结构验算结果（除长短立柱外的杆件）验算项目组合应力 剪应力 最大横向位移 （绝对值）最大位移发生的位置工况 主桁承重架端头工况 主桁承重架端头工况 主桁承重架端头工况 主桁承重架端头工况 主桁承重架端头工况 主桁承重架端头工况 主桁承重架端头工况 主桁承重架端头容许值 验算结果满足满足满足注：塔顶门架长短立柱选用 钢材，塔顶门架（不含 字钢结构起吊系统）除长短立柱外的其他杆件选用 钢材。字钢结构吊装工况采用 软件对 字钢结构吊装进行计算分析，门架各杆件均采用梁单元模拟，吊装荷载以节点荷载的形式加到顶部虚拟 型钢上（以模拟 卷扬机），所受风荷载以点荷载形式加载到结构对应位置，分配梁和 型贝雷梁之间、型贝雷梁和承重梁之间均采用弹性连接，门架底部采用固定约束。钢结构 形块自上而下划分为 ，三个部分，部分由 块和 块组成，单块重 ；部分由 块和 块组成，单块重 ；部分由 块、块、块和 块组成，单块重 （见图 ）。由于 字钢结构分块后刚度减弱，吊装 字钢结构各块体时需对块体进行加固，并配置相应工装。字钢结构 块和 块在内侧焊接钢支撑后整体吊装，其他块段单独吊装。?根据 字钢结构吊装方案，考虑以下 种工况进行计算分析：工况 ：字钢结构 块段整体吊装，最大荷载单重为 ，由套贝雷梁台卷扬机进行吊装，通过字钢结构起吊系统整体抬吊提升至下横梁顶面，由布置在边跨直线段的拖拽系统将 块段荡移牵引至下横梁顶面，单套贝雷梁的 台卷扬机松钩。工况 ：由 套贝雷梁 台卷扬机进行吊装，起吊系统走行至上横梁正上方，连接吊具与 块段吊耳，抬吊将 块段垂直起吊至设计高程。工况 ：由单套贝雷梁 台卷扬机分别吊装 块、块，最大荷载单重均为 。工况 ：由单套贝雷梁 台卷扬机分别吊装 块、块，最大荷载单重均为 。工况 ：由 套贝雷梁 台卷扬机分别将 块、块提升至上横梁顶面，最大荷载单重为 。在不同工况荷载作用下，塔顶门架结构验算结果见表 ；字钢结构起吊系统关键结构验算结果见表 。表 塔顶门架结构验算结果验算项目长短立柱（钢材）最大组合应力 最大剪应力 位置除长短立柱外的杆件（钢材）最大组合应力 最大剪应力 位置工况 立柱 斜撑工况 立柱 斜撑工况 立柱 斜撑工况 立柱 斜撑工况 立柱 斜撑容许值 表 字钢结构起吊系统关键结构验算结果验算项目 型贝雷梁最大组合应力 最大竖向位移 承重梁（）最大组合应力 最大剪应力 工况 工况 工况 工况 工况 容许值 注：型贝雷梁采用 钢材；承重梁 为贝雷梁底座横梁，采用 钢材，具体位置见图。门架安装及改造 门架安装）测量准备。根据施工图对塔顶门架和主索鞍各结构部位设计坐标与高程进行复核，补充加密施工所需要的各种测量控制点，建立满足施工要求的平面和立面施工测量控制网。重点针对塔顶门架埋件，以埋件 作为原点建立局部坐标系，待绕塔平台施工完毕后，对其四个埋件相对位置进行复测，将复测数据与原设计数据进行对比，对于埋件偏差较大的部分及时采取补救措施。）预埋件施工。数值模拟结果显示，在主索鞍吊装工况下，长立柱最大反力值达 ，若牛腿安装偏心超过 ，则会对牛腿额外产生至少 的弯矩，因此需精确控制牛腿埋件精度以保证牛腿及长立柱安装精度控制在 以内。利用全站仪测量柱脚螺栓标高、螺杆间距、垂直度和塔柱外侧面牛腿预埋件标高、平面位置。考虑到单个牛腿埋件涉及 组共计 个预埋锚筋的安装，为确保各预埋锚筋相对预埋定位准确，通过设置预埋定位钢板，将各锚筋依次穿过该定位钢板，以控制各锚筋相对位置满足设计要求。牛腿安装预留有一定的调整量，选用外锚贴板作为与牛腿焊接的最终构第 卷 第 期年 月山西建筑 件，在施工过程中额外争取了 的平面调整量及 的竖直方向调整量，以确保长立柱和牛腿在最后安装时能够抵消施工作业时产生的水平和高程方向的误差。经最后安装前复测结果显示，北塔 个牛腿中心点较设计位置平面位置最大偏差为 （偏向大里程侧），高程方向最大偏差 （偏向塔顶侧），满足门架安装精度要求。）门架安装。将北主塔塔顶门架划分成 个块体，主要为主桁架、平移小车、连接桁架、顶部横联等构件，通过塔吊进行安装。门架安装按照：主桁块体（或杆件）连接桁架（或杆件）顶部横联轨道梁平移小车的顺序进行。门架主体结构拼装完成后在门架承重主梁顶部安装平移小车轨道，轨道采用 槽钢和 不锈钢板分段制作，槽钢与承重主梁采用连续贴角焊缝连接，不锈钢板与 槽钢点焊连接。门架改造在原有塔顶门架的顶面加装 字钢结构起吊系统。起吊系统各构件主要采用两台 型塔吊安装，起吊系统构件安装顺序为：移位器承重梁分配梁（贝雷梁下方）贝雷梁卷扬机和垫梁定滑轮和其承重梁动滑轮和钢丝绳。）塔顶门架贝雷梁安装：单套贝雷梁长 ，既有上下游猫道内侧护栏距离约为 ，考虑到塔吊的起重能力和猫道对于贝雷梁吊装施工的影响，门架贝雷梁部分吊装采用分片吊装方式，单套贝雷梁吊装步骤如下：双机抬吊 排 列贝雷梁结构（长度为 ），排贝雷梁之间通过竖向花架和水平花架连接固定，最大吊重 ，共计吊装 次；吊装 排 列贝雷梁，共计吊装 次；吊装 排 列贝雷梁，共计吊装 次。单次吊装完成后焊接临时支腿进行临时固定。吊装过程需要与猫道保持安全距离，并按照塔顶门架内侧净距为 控制贝雷梁边缘的位置，斜向进行吊装（见图 ）。吊装过程中，贝雷梁最大位移 ，满足自身强度要求。?）动力系统安装：卷扬机单重 ，底座重 ，底座底部焊接 型钢。首先吊装底座 垫梁，定位后与贝雷梁使用卡梁进行固定，再将卷扬机与底座进行焊接固定。）门吊移位装置：根据 字钢结构各块段吊装施工的需要，门架系统需要在吊装过程中完成移位，为保证吊装过程中位移的稳定，采用 不锈钢板 精轧螺纹钢对拉的方式进行移位，两板结合面处涂抹黄油保证滑动平顺性，移位完成后对拉精轧螺纹钢固定门架位置，对拉装置采用 套 穿心千斤顶和 精轧螺纹钢。主要构件安装质量检验主索鞍安装质量满足设计要求，关键指标测量结果见表 。表 主索鞍安装质量测量结果检查项目上游主索鞍实际值 下游主索鞍实际值 规定值或允许偏差 纵向偏差满足设计要求横向偏差 高程 ，四角高程字钢结构无异常变形，高程满足设计要求，面板及面板加劲肋节段偏位小于 。结语南京仙新路长江大桥北主塔高度高，字钢结构、主索鞍安装难度大，因此，塔顶门架的设计与安装是保障工程建设的关键。工程实践表明：）为满足特殊和多种工况施工，塔顶门架必须进行系统性设计，其中门架结构设计至关重要。本项目对塔顶门架立柱结构进行加强，设置 厚通长型钢贴板，且提高了钢材标号。）塔顶门架结构模拟结果得到实际验证，门架在实际使用中安全可靠，能满足施工需求。）塔顶门架为非对称结构且门架长立柱设置在塔柱侧面，需要重点控制长立柱柱脚牛腿预埋精度，减小立柱对牛腿结构产生的偏心荷载。）根据数值模拟分析结果，在原有塔顶门架结构的基础上增加了部分联系杆件并对 字钢起吊系统进行了局部加强，在贝雷梁支点位置设置了加强弦杆，提高了抗剪能力；在 套贝雷梁之间设置了立面支撑，提高了 字钢结构起吊系统的整体稳定性。参考文献：聂东，陶龙，李清培，等 山区超高索塔主索鞍吊装施工关键技术 公路交通技术，（）：童俊豪，朱超，代希华 虎门二桥坭洲水道桥主索鞍吊装施工技术 桥梁建设，（）：石虎强，延雷，周彬 大跨径悬索桥上部结构安装工程门架结构标准化设计研究与应用 公路，（）：（下转第 页）第 卷 第 期年 月骆龙炳，等：大跨径悬索桥非对称多用途塔顶门架设计与安装 陈玉东 地方政府投资工程项目管理模式研究 中国招标，（）：宋福亭，彭丽佳 住建系统政府投资工程项目安全与效益内部审计研究 中国内部审计，（）：张玲，邓丹，靳建楠，等 政府投资工程项目后评价研究浅谈 住宅与房地产，（）：（，）：，：；櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 （上接第 页），（，）：，：；櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 （上接第 页）（，）：，（），：；第 卷 第 期年 月山西建筑