斜拉橋橋面吊機(jī)方案設(shè)計(jì)及驗(yàn)算

斜拉橋橋面吊機(jī)方案設(shè)計(jì)及驗(yàn)算

Summary：目前，在大跨度鋼橋施工中，鋼梁節(jié)段的組裝及預(yù)拼裝通常是在工廠內(nèi)完成，然后通過(guò)浮吊等運(yùn)輸設(shè)備將梁節(jié)段運(yùn)至橋位，通過(guò)橋面吊機(jī)進(jìn)行拼裝。所以橋面吊機(jī)是大型跨江、跨河鋼橋架設(shè)的關(guān)鍵設(shè)備。隨著鋼橋的建造跨度、寬度越來(lái)越大，鋼梁節(jié)段的重量、體積也越來(lái)越大，經(jīng)常需要對(duì)大噸位鋼梁節(jié)段實(shí)施起吊。為了增強(qiáng)起吊能力和抗傾覆性，橋面吊機(jī)通常都會(huì)增大體積和增加配重。但是大體積和大配重也增加了對(duì)在建鋼橋的壓力，使在建鋼橋不穩(wěn)定并且可能變形。因此，設(shè)計(jì)一款自重小并且抗傾覆性好的橋面吊機(jī)是十分必要的。Keys：斜拉橋

橋面吊機(jī)

方案

設(shè)計(jì)

驗(yàn)算一、橋面吊機(jī)方案簡(jiǎn)介同濟(jì)路西延工程（禪港東路至季華北路）位于佛山市禪城區(qū)南莊鎮(zhèn)與張槎街道，起點(diǎn)為禪港東路與科潤(rùn)路的平交口處（起點(diǎn)樁號(hào)K0+000），向東與地鐵四號(hào)線共線約250m，依次跨綠島湖、羅格圍大堤、地鐵四號(hào)線、東平水道、佛山大堤、東平路后與季華北路相交（終點(diǎn)樁號(hào)K1+540），總長(zhǎng)1.54km，設(shè)置主線高架橋1座，總長(zhǎng)892.0m。主橋（第三聯(lián)）為獨(dú)塔斜拉橋，墩、塔、梁固結(jié)，跨徑組成為（200+68+46）=314m。主梁邊跨68+46=114m為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁伸過(guò)橋塔11m，通過(guò)鋼混結(jié)合段與主跨鋼箱梁連接。斜拉索間距混凝土箱梁側(cè)為6m，鋼箱梁側(cè)為12m，邊、中跨側(cè)均為雙索面。主塔采用“合手”型變截面塔柱。鋼箱梁中心處高度為3.5m，節(jié)段標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度12m。鋼箱梁頂板厚18mm，底板厚14mm，中腹板厚14mm，邊腹板厚30mm；鋼箱梁頂、底板采用U肋閉合加勁，頂板U肋厚度8mm、底板U肋厚度6mm。橋面頂板為正交異性板，不同板厚相接時(shí)保證板件上緣齊平；底板不同板厚相接時(shí)保證板件上緣齊平，為保證結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，U肋與頂板采用開(kāi)坡口單面焊接，焊接熔透深度不小于80%U肋板厚，每一U型加勁肋兩側(cè)應(yīng)同時(shí)施焊。鋼箱梁橫向設(shè)隔板，橫隔板間距3.0m。鋼箱梁采用分節(jié)段工廠制造（節(jié)段最大重量為234.5t），駁船運(yùn)輸至橋位，現(xiàn)場(chǎng)采用橋面吊機(jī)吊裝、焊接成橋。橋面吊機(jī)的前后支撐點(diǎn)應(yīng)安置在邊縱腹板與中縱腹板處，橋面吊機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意與之匹配。二、結(jié)構(gòu)概述本項(xiàng)目需橋面吊機(jī)吊裝施工的鋼梁梁段總共為12片，梁段類型為B型，節(jié)段編號(hào)1～12，梁段均為標(biāo)準(zhǔn)梁段，長(zhǎng)度12m，單件吊裝節(jié)段重量為234.5t。

同濟(jì)大橋最低通航水位到橋面的高度約為24m，鋼梁高度為3.5m，船體高度按0.5m計(jì)算，因此橋面吊機(jī)吊裝鋼梁的起升高度至少為：24m-3.5m-0.5m=20m。鋼梁架設(shè)擬采用橋面吊機(jī)。目前有卷?yè)P(yáng)機(jī)式橋面吊機(jī)和液壓提升頂式橋面吊機(jī)，二種橋面吊機(jī)的特點(diǎn)如下：卷?yè)P(yáng)機(jī)式橋面吊機(jī)：?jiǎn)?dòng)及停止有沖擊，易抖動(dòng)；制動(dòng)器易磨損，需經(jīng)常更換，保養(yǎng)；多臺(tái)設(shè)備同步控制差；單根鋼絲繩損壞更換復(fù)雜；液壓提升頂式橋面吊機(jī)：受力可以實(shí)時(shí)監(jiān)控（顯示油壓）；多臺(tái)設(shè)備聯(lián)機(jī)計(jì)算機(jī)可以同步控制；單根鋼絞線損壞可更換，安全系數(shù)大；停機(jī)時(shí)錨片為機(jī)械固定，安全有保障。本橋的橋面吊機(jī)擬選用自有的2臺(tái)150噸橋面吊機(jī)，提升油缸額定起升荷載為350t。圖1提升結(jié)構(gòu)圖三、計(jì)算工況選取表1-1計(jì)算工況列表序號(hào)施工工況工況說(shuō)明1空載行走工況橋面吊機(jī)不提升梁段行走到提升位置2提升B1梁段工況橋面吊機(jī)提升梁段后錨固距離前支點(diǎn)15.5米提升點(diǎn)距離前支點(diǎn)12.6米3提升B2梁段工況橋面吊機(jī)提升梁段后錨固距離前支點(diǎn)15米提升點(diǎn)距離前支點(diǎn)9.9米4提升B3~B12梁段工況橋面吊機(jī)提升梁段后錨固距離前支點(diǎn)15米提升點(diǎn)距離前支點(diǎn)12.9米四、設(shè)計(jì)方法：采用極限狀態(tài)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，說(shuō)明如下：當(dāng)以整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過(guò)某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求，則此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)，按此狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法稱極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。設(shè)計(jì)過(guò)程中，荷載采用標(biāo)準(zhǔn)值乘以分項(xiàng)系數(shù)得到荷載的代表值，施加到結(jié)構(gòu)后，得到結(jié)構(gòu)的反力與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度進(jìn)行比較，得到可靠與否的結(jié)論。五、橋面吊機(jī)主要材料及性能指標(biāo)：

1、鋼材橋面吊機(jī)桿件結(jié)構(gòu)鋼材等級(jí)為Q355，容重為78.5kN/m3，彈性模量，剪切模量，線膨脹系數(shù)，泊松比。表1鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(MPa)鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值屈服強(qiáng)度f(wàn)y抗拉強(qiáng)度f(wàn)u牌號(hào)厚度(mm)抗拉、抗壓和抗彎f抗剪fv端面承壓(刨平頂緊)fceQ355≤16305175400355450~63016~4029517034540~6329016533563~8028016032580~1002701553152、鋼絞線提升鋼絞線，容重為78.5kN/m3，彈性模量，線膨脹系數(shù)，泊松比。表2鋼絞線的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(MPa)種類極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值鋼絞線157011103901720122018601320196013903、連接銷軸連接銷軸材料40Cr，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值280MPa，抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值490MPa。六、結(jié)構(gòu)總體計(jì)算（一）計(jì)算荷載與組合（1）計(jì)算荷載①結(jié)構(gòu)自重恒荷載dead橋面吊機(jī)自重約82.3噸（包含提升設(shè)備和泵站重量）。尾部配重重量約20噸。②活荷載live單臺(tái)吊機(jī)設(shè)計(jì)起重量234.5t÷2=117.25t。風(fēng)荷載wind施工時(shí)，考慮順橋向和橫橋向六級(jí)風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性進(jìn)行校核，實(shí)際施工中，六級(jí)風(fēng)以上停止施工，八級(jí)風(fēng)以上進(jìn)行結(jié)構(gòu)臨時(shí)連接加固。具體的風(fēng)荷載計(jì)算如下：—基本風(fēng)壓，六級(jí)風(fēng)0.12kN/m2，八級(jí)風(fēng)0.27kN/m2進(jìn)行計(jì)算；—z高度處的風(fēng)壓高度變化系數(shù)，20m高度處取1.63(A類)；—風(fēng)荷載體形系數(shù)，取2.2；—z高度處的風(fēng)振系數(shù)，取1.5。由以上參數(shù)得：20m高度處：六級(jí)風(fēng)：八級(jí)風(fēng)：吊機(jī)主結(jié)構(gòu)：橫橋向（x向）正面迎風(fēng)面積約為：順橋向（y向）正面迎風(fēng)面積約為：風(fēng)荷載（六級(jí)）：風(fēng)荷載（八級(jí)）：被吊橋體結(jié)構(gòu)：橫橋向（x向）正面迎風(fēng)面積約為：順橋向（y向）正面迎風(fēng)面積約為：故風(fēng)荷載：（2）荷載組合表3荷載組合工況表計(jì)算目的計(jì)算內(nèi)容組合工況規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)組合：控制變形設(shè)備選型支座反力結(jié)構(gòu)位移《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》基本組合：結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核結(jié)構(gòu)應(yīng)力《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》其中：—第i個(gè)永久作用的分項(xiàng)系數(shù)，施工階段為移動(dòng)荷載，考慮動(dòng)載系數(shù)1.2、沖擊系數(shù)1.1，取值為1.35；—重力作用的標(biāo)準(zhǔn)值；—起控制作用可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)，如鋼絞線預(yù)緊力等，分項(xiàng)系數(shù)取1.4；—起控制作用可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)值；—除起控制作用可變荷載的其他可變荷載的組合值系數(shù)，取0.75；—在作用組合中除起控制作用可變荷載的其他可變荷載，風(fēng)荷載外的其他可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)，取=1.4，但風(fēng)荷載的分項(xiàng)系數(shù)取=1.1；—除起控制作用可變荷載的其他可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)值。基本組合用于校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。（二）、計(jì)算結(jié)果與小結(jié)（1）工況1：空載行走圖2-4計(jì)算模型①支座反力表2-3支座反力表（單位：kN）支點(diǎn)編號(hào)荷載組合Fz前支點(diǎn)1Dead+live469前支點(diǎn)2Dead+live469后錨點(diǎn)1Dead+live45后錨點(diǎn)2Dead+live45②整體結(jié)構(gòu)變形圖2-5結(jié)構(gòu)變形圖表2-5

結(jié)構(gòu)變形表（單位：mm）位置荷載工況最大豎向變形吊點(diǎn)Dead+live7.0柱頂Dead+live1.5后錨點(diǎn)Dead+live1.4③結(jié)構(gòu)應(yīng)力比圖2-6結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力圖表2-6結(jié)構(gòu)桿件最大應(yīng)力比位置截面組合應(yīng)力/MPa提升梁箱600x400x400x12x301.35dead+1.4live34后壓桿箱500x500x400x14x1451斜撐箱400x400x400x12x1243立柱矩400x400x12x1247后拉桿箱300x300x300x20x568（2）工況2：提升B1梁段①計(jì)算模型圖2-7計(jì)算模型②支座反力表2-7支座反力表（單位：kN）支點(diǎn)編號(hào)荷載組合Fz前支點(diǎn)1Dead+live1531前支點(diǎn)2Dead+live1531后錨點(diǎn)1Dead+live-436后錨點(diǎn)2Dead+live-436③整體結(jié)構(gòu)變形圖2-8結(jié)構(gòu)變形圖表2-8結(jié)構(gòu)變形表（單位：mm）位置荷載工況最大豎向變形吊點(diǎn)Dead+live30.6柱頂Dead+live9.3后錨點(diǎn)Dead+live4.1④結(jié)構(gòu)應(yīng)力比圖2-9結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力圖表2-9結(jié)構(gòu)桿件最大應(yīng)力比位置截面組合應(yīng)力/MPa提升梁箱600x400x400x12x301.35dead+1.4live163后壓桿箱500x500x400x14x14144斜撐箱400x400x400x12x1299立柱矩400x400x12x12116后拉桿箱300x300x300x20x5169（3）工況3：提升B2梁段計(jì)算模型圖2-10計(jì)算模型支座反力表2-10支座反力表（單位：kN）支點(diǎn)編號(hào)荷載組合Fz前支點(diǎn)1Dead+live1417前支點(diǎn)2Dead+live1417后錨點(diǎn)1Dead+live-319后錨點(diǎn)2Dead+live-319整體結(jié)構(gòu)變形圖2-11結(jié)構(gòu)變形圖表2-12結(jié)構(gòu)變形表（單位：mm）位置荷載工況最大豎向變形吊點(diǎn)Dead+live25.2柱頂Dead+live5.1后錨點(diǎn)Dead+live2.2結(jié)構(gòu)應(yīng)力比圖2-12結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力圖表2.5.3.3結(jié)構(gòu)桿件最大應(yīng)力比位置截面組合應(yīng)力/MPa提升梁箱600x400x400x12x301.35dead+1.4live175后壓桿箱500x500x400x14x14144斜撐箱400x400x400x12x1299立柱矩400x400x12x12116后拉桿箱300x300x300x20x5169（4）工況4：提升B3~B12梁段計(jì)算模型圖2-13計(jì)算模型支座反力表2-14支座反力表（單位：kN）支點(diǎn)編號(hào)荷載組合Fz前支點(diǎn)1Dead+live1561前支點(diǎn)2Dead+live1561后錨點(diǎn)1Dead+live-466后錨點(diǎn)2Dead+live-466整體結(jié)構(gòu)變形圖2-14結(jié)構(gòu)變形圖表2-15結(jié)構(gòu)變形表（單位：mm）位置荷載工況最大豎向變形吊點(diǎn)Dead+live30.9柱頂Dead+live9.3后錨點(diǎn)Dead+live4.1結(jié)構(gòu)應(yīng)力比圖2-15

結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力圖表2-16

結(jié)構(gòu)桿件最大應(yīng)力比位置截面組合應(yīng)力/MPa提升梁箱600x400x400x12x301.35dead+1.4live161后壓桿箱500x500x400x14x14144斜撐箱400x400x400x12x1299立柱矩400x400x12x12116后拉桿箱300x300x300x20x5169（三）、整體計(jì)算計(jì)算結(jié)果總結(jié)（1）反力統(tǒng)計(jì)表2-17工況支撐點(diǎn)反力（單位：kN）工況前支點(diǎn)編號(hào)荷載組合Fz后錨點(diǎn)編號(hào)荷載組合Fz11Dead+live4691Dead+live452Dead+live4692Dead+live4521Dead+live15311Dead+live-4362Dead+live15312Dead+live-43621Dead+live14171Dead+live-3192Dead+live14172Dead+live-31921Dead+live15611Dead+live-4662Dead+live15612Dead+live-466（2）位移統(tǒng)計(jì)表2-18

吊機(jī)變形（單位：mm）工況位置荷載工況最大豎向變形1吊點(diǎn)Dead+live7.0柱頂Dead+live1.5后錨點(diǎn)Dead+live1.42吊點(diǎn)Dead+live30.6柱頂Dead+live9.3后錨點(diǎn)Dead+live4.13吊點(diǎn)Dead+live25.2柱頂Dead+live5.1后錨點(diǎn)Dead+live2.24吊點(diǎn)Dead+live30.9柱頂Dead+live9.3后錨點(diǎn)Dead+live4.1（3）應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表2-19

吊機(jī)主要桿件最大應(yīng)力比位置截面應(yīng)力（MPa）設(shè)計(jì)值（MPa）應(yīng)力比工況1：后拉桿箱300×300×20×5682950.23工況2：后拉桿箱300×300×20×51692950.57工況3：提升梁箱600×400×12×301752950.59工況4：后拉桿箱300×300×20×51692950.57（四）、抗傾覆計(jì)算行走狀態(tài)下需要在尾部增加配重20t，行走狀態(tài)抗傾覆計(jì)算數(shù)據(jù)如下：（1）行走狀態(tài)縱橋向抗傾覆計(jì)算行走狀態(tài)縱橋向抗傾覆為：（2）行走狀態(tài)橫橋向抗傾覆計(jì)算行走狀態(tài)橫橋向抗傾覆為：1

七、局部計(jì)算（一）、鋼絞線驗(yàn)算表3-7鋼絞線性能表公稱直徑(mm)公稱截面面積（mm2）理論重量(kg/m)抗拉強(qiáng)度（MPa）破斷力（kN）17.81901.61860350單個(gè)350t提升油缸最大提升力為234.5t÷2=117.25t，配置11根鋼絞線，單根鋼絞線承載107kN。根據(jù)《重型結(jié)構(gòu)和設(shè)備整體提升技計(jì)值如下：術(shù)規(guī)范》（GB51162-2016）中6.2.5規(guī)定，鋼絞線抗拉強(qiáng)度設(shè)單根直徑17.8mm鋼絞線拉力設(shè)計(jì)值為930×190=176700N=176kN。提升單根鋼絞線：107kN×1.25=134kN<176kN（試驗(yàn)荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.25）。根據(jù)《重型結(jié)構(gòu)和設(shè)備整體提升技術(shù)規(guī)范》（GB51162-2016）中7.1.2規(guī)定：各吊點(diǎn)提升能力（指定吊點(diǎn)液壓提升油缸額定荷載）不應(yīng)小于對(duì)應(yīng)吊點(diǎn)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的1.25倍?？傮w提升能力（所有液壓提升油缸總額定荷載）不應(yīng)小于總提升荷載標(biāo)準(zhǔn)值的1.25倍。提升節(jié)段鋼梁結(jié)構(gòu)總重約234.5t，提升布置2臺(tái)350t設(shè)備。（350t×2）/234.5t=2.9>1.25鋼絞線受力和提升設(shè)備均滿足相關(guān)規(guī)范安全系數(shù)要求。（二）、吊具與橋面連接鋼絲繩驗(yàn)算鋼絲繩公稱直徑32mm（選用GB8918-2006表11中6×37S+IWR），最小破斷拉力645kN，抗拉強(qiáng)度1770MPa。梁段提升布置2臺(tái)提升設(shè)備，單臺(tái)提升設(shè)備吊具與鋼箱梁4組吊耳連接，一個(gè)梁段提升共設(shè)置8根鋼絲繩連接。單根鋼絲繩最大拉力為234.5t÷2÷4÷4=8t=74kN。根據(jù)《重型結(jié)構(gòu)和設(shè)備整體提升技術(shù)規(guī)范》（GB51162-2016）中6.2.5規(guī)定，鋼絲繩抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值如下：圖3-38

鋼絲繩抗拉強(qiáng)度圖（mm）單根直徑32mm鋼絲繩拉力設(shè)計(jì)值為645kN×1000÷1770×885=322500N=322.5kN。提升單根鋼絲繩：74kN×1.25=92.5kN<322.5kN（試驗(yàn)荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.25）。鋼絲繩受力滿足相關(guān)規(guī)范安全系數(shù)要求。（三）、吊點(diǎn)計(jì)算梁段提升和橋面吊機(jī)后錨固使用的是同一個(gè)吊耳。梁段提升時(shí)單個(gè)吊耳拉力為：2345kN÷2÷4=294kN，橋面吊機(jī)后錨固時(shí)單個(gè)吊耳拉力為466kN。根據(jù)設(shè)計(jì)提供圖紙中吊耳銷軸孔直徑140mm，耳板厚度20mm，加強(qiáng)圓環(huán)厚16mm，材料Q345qD。銷軸直徑139mm，材料40Cr。吊耳結(jié)構(gòu)如下：

圖3-39

吊耳示意圖參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）中11.6詳細(xì)計(jì)算如下：（1）耳板孔凈截面處的抗拉強(qiáng)度（2）耳板端部截面抗拉（劈開(kāi)）強(qiáng)度：（3）耳板抗剪強(qiáng)度：（4）銷軸承壓強(qiáng)度：（5）銷軸抗剪強(qiáng)度：（6）銷軸的抗彎強(qiáng)度：（7）計(jì)算截面同時(shí)受彎