龔國(guó)鋒

(中鐵大橋局股份有限公司,武漢 430050)

1 工程概述

向莆鐵路是以客運(yùn)為主兼顧貨運(yùn)的快速鐵路干線(xiàn),東新贛江特大橋作為項(xiàng)目控制性工程之一,橋址位于既有生米公路大橋上游1.5 km處。橋址處通航等級(jí)為Ⅱ-3級(jí)航道,通航凈空10 m,施工水位+16.5 m。

其中主橋39號(hào)～42號(hào)墩跨間上部結(jié)構(gòu)為(126+196+126) m下承式連續(xù)鋼桁梁,全長(zhǎng)448 m,鋼桁梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間長(zhǎng)度為14 m,邊跨9個(gè)節(jié)間,中跨14個(gè)節(jié)間,全橋共計(jì)32個(gè)節(jié)間。橋式布置如圖1所示。

圖1 主橋立面布置(單位：m)

2 主橋鋼梁架設(shè)設(shè)備比選

主橋鋼梁安裝吊機(jī)原計(jì)劃采用南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋2臺(tái)700 kN架梁吊機(jī)改制而成,改制后的設(shè)備除應(yīng)滿(mǎn)足原有性能要求外,還應(yīng)能同時(shí)滿(mǎn)足上、下坡(+19°～-19°)和過(guò)拱頂?shù)囊?。通過(guò)方案研究,原來(lái)吊機(jī)改制難度較大,費(fèi)用也很高,特別是改制工期滿(mǎn)足不了本橋鋼梁架設(shè)的時(shí)間要求。在對(duì)架梁方案進(jìn)一步比選和結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)有設(shè)備資源的情況下,原天興洲長(zhǎng)江大橋的2艘800 t雙體船+1 200 kN桅桿吊通過(guò)加高等措施后可以滿(mǎn)足本橋鋼梁架設(shè)的需要。因此決定采用2艘800 t雙體船+1 200 kN桅桿吊進(jìn)行鋼梁的架設(shè)施工。

3 650 kN浮吊方案簡(jiǎn)介

原天興洲長(zhǎng)江大橋的1 200 kN浮吊采用萬(wàn)能桿件支架將2艘800 t的甲板駁船連接成雙體船結(jié)構(gòu)作為1 200 kN桅桿吊的支承浮體,每艘駁船船長(zhǎng)47.0 m,船寬12.0 m,型深3.0 m,設(shè)計(jì)吃水2.0 m。為最大限度地保持原浮吊結(jié)構(gòu),減小工程投入,根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算,原船體以上12 m高的萬(wàn)能桿件支架可以全部保留,但須局部加強(qiáng)。為滿(mǎn)足本橋吊高(水面以上約55 m)要求,需將原萬(wàn)能桿件支架再接高20 m。由于支架加高較多,船體的縱、橫向穩(wěn)定性減弱,結(jié)合本橋鋼梁實(shí)際最大吊重,本浮吊按最大吊重650 kN進(jìn)行施工設(shè)計(jì)。加高后的650 kN浮吊總布置見(jiàn)圖2。

圖2 650 kN浮吊總布置(單位：mm)

4 650 kN浮吊支承體系設(shè)計(jì)要點(diǎn)

置于水中的船舶是一個(gè)漂浮體系,船舶的內(nèi)力受船體載重分布和浮力的分布控制。由于本浮吊作業(yè)工況變化多。連接支架桿件內(nèi)力變化幅度大,浮吊的總高度比船的長(zhǎng)度和高度均要大。因此650 kN浮吊支承體系的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于連接支架的分析計(jì)算和船舶的縱橫向總體穩(wěn)定計(jì)算。

4.1 WD120桅桿吊機(jī)介紹

WD120桅桿吊機(jī)由吊臂、立柱、斜撐、底盤(pán)、錨固系統(tǒng)、主起升機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、司機(jī)室及電氣控制系統(tǒng)等組成。本橋根據(jù)實(shí)際選用55 m長(zhǎng)度的吊臂,最大吊重650 kN。WD120桅桿吊機(jī)如圖3所示。

圖3 WD120桅桿吊機(jī)總布置

主鉤在臂長(zhǎng)55 m時(shí)最大吊重為650 kN,原最大起升高度：吊機(jī)安裝平臺(tái)以上49 m,平臺(tái)以下22 m。由于加高后吊機(jī)底盤(pán)到水面距離約有35 m,導(dǎo)致卷?yè)P(yáng)機(jī)容繩量不夠,由于吊重減少(原吊機(jī)最大吊重1 200 kN)較多,將原主鉤鋼絲繩走12改為走6,這樣就解決了卷?yè)P(yáng)機(jī)容繩量不足的問(wèn)題。

4.2 650 kN浮吊設(shè)計(jì)

4.2.1 設(shè)計(jì)條件分析

根據(jù)650 kN浮吊支承結(jié)構(gòu)體系及作業(yè)環(huán)境,可知作用于連接支架的外力主要有2類(lèi)。第一類(lèi)直接作用于支架上吊機(jī)錨固點(diǎn)的支反力；第二類(lèi)是作用于每個(gè)駁船上的波浪力,通過(guò)船體發(fā)生相對(duì)位移而傳遞給連接支架的荷載。根據(jù)《船舶強(qiáng)度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》中波浪附加彎矩計(jì)算所述,在一定的裝載狀態(tài)下船舶的質(zhì)量分布是一定的,船體梁荷載的改變將完全取決于波浪要素以及船舶與波浪的相對(duì)位置,而船體彎矩與剪力又是荷載的積分,船體彎矩與剪力的改變完全取決于波浪要素以及船舶和波浪的相對(duì)位置。因此本吊機(jī)設(shè)計(jì)條件分析重點(diǎn)在于波浪力的分析、計(jì)算。

4.2.2 設(shè)計(jì)假定

(1)不考慮吊機(jī)底盤(pán)縱梁對(duì)支架一、二之間的相互影響。支架三不參與受力計(jì)算。

(2)兩駁船當(dāng)成剛性體,計(jì)算忽略了船體由于荷載的作用而產(chǎn)生的變形,在任何荷載作用下,同一個(gè)駁船上支架與船體的連接節(jié)點(diǎn)始終在同一平面上。

(3)靜水中及浮吊受波浪力作用產(chǎn)生內(nèi)傾、外傾和受扭的工況,水浮力均作為彈性支承考慮,彈性系數(shù)

式中n——所加彈性支承數(shù)量；

Ca——修正系數(shù),按表1取值；

B——型寬；

Ls——水線(xiàn)長(zhǎng)；

γ——水的容重。

表1 修正系數(shù)Ca取值

(4)浮吊在部分脫空狀態(tài)下,將一側(cè)船體加固定約束,另一側(cè)船體懸臂,將浮吊自重、吊重及改變后的水浮力當(dāng)成外荷載進(jìn)行計(jì)算。

4.2.3 連接支架強(qiáng)度計(jì)算

圖4 650 kN浮吊三維受力分析模型

650 kN浮吊連接支架三維受力計(jì)算分析時(shí),計(jì)算工況較多,在此不再贅述,具體計(jì)算方法可參見(jiàn)文獻(xiàn)[3]中相關(guān)內(nèi)容。

4.2.4 整體穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)WD120桅桿吊機(jī)廠家提供的船用吊重曲線(xiàn)和駁船的安全,650 kN浮吊在任何工況下,必須滿(mǎn)足以下條件：①船的縱、橫向傾角不能大于1.5°；②船底到水面的距離不小于0.5 m,船甲板面到水面的距離不小于0.5 m。

(1)浮吊縱向穩(wěn)定性計(jì)算

通過(guò)對(duì)浮吊在吊重和非吊重(主要是抵抗臺(tái)風(fēng))工況下的比較,浮吊在吊重工況下較為不利。駁船縱向穩(wěn)定性計(jì)算見(jiàn)圖5。

圖5 浮吊縱向穩(wěn)定性計(jì)算(單位：mm)

設(shè)駁船底板中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),浮吊系統(tǒng)在工作狀態(tài)下自重及重心坐標(biāo)計(jì)算如表1所示。

表1 浮吊在吊重狀態(tài)下系統(tǒng)縱向重心坐標(biāo)及傾覆彎矩統(tǒng)計(jì)

設(shè)在豎向荷載作用下浮船的均勻吃水深度為h,則由水的浮力計(jì)算公式F浮=ρgV排

可知：9.8×2×47×12×h=G=1262.3×9.8

根據(jù)上式可求出：h=1.12 m

對(duì)應(yīng)的水線(xiàn)長(zhǎng)度：ls=43.1 m

船舶吃水體積：V=1 262.3 m3

傾角：φ=0.69°

(2)浮吊橫向穩(wěn)定性計(jì)算

駁船橫向穩(wěn)定性計(jì)算見(jiàn)圖6。

圖6 浮吊橫向穩(wěn)定性計(jì)算(單位：mm)

設(shè)駁船底板中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),浮吊系統(tǒng)在工作狀態(tài)下自重及重心坐標(biāo)計(jì)算如表2所示。

同理可計(jì)算得到

傾角：φ=1.33°

表2 浮吊在吊重狀態(tài)下系統(tǒng)橫向重心坐標(biāo)及傾覆彎矩統(tǒng)計(jì)

由上述計(jì)算可以看出：駁船縱橋向在最不利吊重情況下的傾角均為0.69°,駁船橫向在最不利的吊重的情況下的傾角為1.33°,其角度均小于1.5°，能滿(mǎn)足桅桿吊的起吊要求；同時(shí)駁船的吃水深度均不會(huì)出現(xiàn)船體脫空和超過(guò)船體高度的情況,故駁船的傾覆性也滿(mǎn)足要求。

5 結(jié)語(yǔ)

由于本橋橋型較為特殊,梁上架梁吊機(jī)應(yīng)能同時(shí)滿(mǎn)足上、下坡(+19°～-19°)和過(guò)拱頂?shù)囊?。吊機(jī)設(shè)計(jì)難度較大,費(fèi)用也很高。贛江里也沒(méi)有能滿(mǎn)足60 m吊高、42 m吊距的大型吊機(jī)。采用連接支架將駁船連接成一體作為大噸位浮吊的受力基礎(chǔ),連接支架是浮吊的安全紐帶,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中如何考慮波浪力的作用和浮吊的整體穩(wěn)定性關(guān)系到浮吊的安全。目前東新贛江大橋鋼梁已全部按計(jì)劃工期安全架設(shè)完成,650 kN浮吊在使用過(guò)程中,通過(guò)監(jiān)測(cè)監(jiān)控,各項(xiàng)力學(xué)性能均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,現(xiàn)在已經(jīng)安全拆除。在內(nèi)河中進(jìn)行橋梁施工或其他施工作業(yè)時(shí),如果沒(méi)有合適的大型浮吊,可采用在駁船上安裝其他固定大型吊機(jī)組成臨時(shí)大噸位浮吊的方案,本橋可為類(lèi)似的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

[1] 程國(guó)平.船舶強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社,1998．

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[4] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB50009—2001 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2006．

[5] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB50017—2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社,2003.

[6] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T3811—2008 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

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