付 甦,鄧松濤,徐安祺,黃鳳達(dá),王文龍

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司,湖北 武漢 430040;2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430040;3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心,湖北 武漢 430040)

0 引言

塔式起重機(jī)作為最常見的施工設(shè)備,通過附著桿及預(yù)埋件與混凝土結(jié)構(gòu)協(xié)同工作[1]。隨著我國工程建設(shè)能力的提升,橋梁建設(shè)中的新結(jié)構(gòu)、新工藝不斷涌現(xiàn),對塔式起重機(jī)的起重能力有了更高要求[2],世界首座萬噸米級的塔式起重機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。隨著起吊能力的提升,塔式起重機(jī)附墻預(yù)埋件的荷載也是呈幾何倍數(shù)增長,傳統(tǒng)的預(yù)埋件形式已不能很好地適應(yīng)塔式起重機(jī)的工作要求。由此,對萬噸米級的塔式起重機(jī)附墻預(yù)埋件設(shè)計展開了方案比選及其工藝研究。

1 工程概況及難點(diǎn)

新建巢湖—馬鞍山高速鐵路全線位于安徽省境內(nèi),馬鞍山公鐵兩用長江大橋作為過江通道,是其控制性工程。主橋?yàn)槌柴R鐵路、預(yù)留鐵路及城市快速路多通道結(jié)合的(112+392+2×1 120+392+112)m三塔鋼桁梁公鐵兩用斜拉橋,跨江段總長9.799km,是世界最大跨度三塔斜拉橋。

Z5號塔為三塔斜拉橋的邊主塔,高306m,橫橋向?yàn)锳形,縱橋向?yàn)镮形,中下塔柱為混凝土塔,上塔柱為鋼塔。鋼塔柱采取分節(jié)起吊,針對鋼塔起吊設(shè)計了世界首座萬噸米級塔式起重機(jī),其平面布置如圖1 所示。

圖1 塔式起重機(jī)附墻平面布置

塔式起重機(jī)附墻預(yù)埋件設(shè)計難點(diǎn)為:①荷載大 鋼塔單節(jié)吊重最大達(dá)400t,導(dǎo)致預(yù)埋件的荷載也是普通塔式起重機(jī)預(yù)埋件的數(shù)倍;②安裝角度受限 由于塔式起重機(jī)與塔柱的相對角度較小,導(dǎo)致部分預(yù)埋件剪力過大;③附著空間有限 塔肢尺寸小,不可通過明顯增大預(yù)埋件尺寸來提高預(yù)埋件的承載力。

2 預(yù)埋件比選設(shè)計

該塔式起重機(jī)共設(shè)置4道附墻,選取1個具有代表性的預(yù)埋件進(jìn)行比選設(shè)計,該預(yù)埋件的反力設(shè)計值分別為:V=5 107kN,N=4 726kN,M=2 656kN·m。

2.1 錨筋式預(yù)埋件

在傳統(tǒng)工程建設(shè)中[3-4],預(yù)埋件多采用錨板與錨筋焊接組成,整體埋入主體結(jié)構(gòu),如圖2所示。按錨筋式預(yù)埋件進(jìn)行設(shè)計,取直徑d=36mm的HRB400鋼筋進(jìn)行埋設(shè),錨板采用30mm厚鋼板,暫取沿剪力作用方向最外層錨筋中心線間的間距為 2 000mm, 按GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(2015年版)中第9.7.2節(jié)對預(yù)埋件進(jìn)行計算。

圖2 錨筋式預(yù)埋件

(1)

As≥87 979mm2,A′s≥35 290mm2

根據(jù)計算結(jié)果,至少需87根錨筋。故選用90根錨筋,按受剪方向布設(shè)10根錨筋,每根錨筋間距≥6d(d為錨筋直徑),共設(shè)置9層錨筋,每層間距≥3d。 故錨板尺寸至少為2 200mm×1 100mm,尺寸過大存在安裝困難問題。

2.2 爬錐式預(yù)埋件

爬錐式預(yù)埋件由錨板、爬錐、高強(qiáng)螺栓、高強(qiáng)螺桿、錨件板等構(gòu)件組成[5-7]。相較于錨筋式預(yù)埋件,其受力由爬錐式預(yù)埋件系統(tǒng)綜合承受,由爬錐將剪力傳遞至混凝土結(jié)構(gòu),高強(qiáng)螺桿受拉、受剪的同時將拉力傳遞至錨件板,使預(yù)埋件形成有效的機(jī)械連接。該形式預(yù)埋件具有可拆裝、可重復(fù)使用、施工質(zhì)量高等特點(diǎn)。

圖3 爬錐式預(yù)埋件

每個螺栓所承受的剪力為:

Nv=V/n=146kN

高強(qiáng)螺栓實(shí)際受力工況驗(yàn)算根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》驗(yàn)算:

以混凝土破壞為標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)算單個錨件板的抗拔力F是否滿足要求,根據(jù)《建筑施工計算手冊》,混凝土按椎體破壞計算預(yù)埋件的錨固強(qiáng)度。破壞椎體母線與水平面夾角一般按45°計算,錨固深度h為400mm,錨件板邊長為100mm,F按下式進(jìn)行計算:

506kN>304kN

同樣,通過驗(yàn)算爬錐周圍的混凝土局部承壓來確保剪力能有效傳遞給混凝土結(jié)構(gòu),根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》計算局部受壓承載力如下式:

135βcβlfcAln=570kN>146kN

2.3 盒子式預(yù)埋件

盒子式預(yù)埋件常用于牛腿與主體結(jié)構(gòu)的連接[8],但常規(guī)盒子式預(yù)埋件僅能承受豎向剪力,且承載力有限,因此對盒子式預(yù)埋件進(jìn)行了改良設(shè)計。由3塊水平向的鋼板承受剪力,由精軋螺紋鋼筋承受拉力,通過板材焊接組成鋼箱承受彎矩,受力更為明確,承載力也有了明顯提高,如圖4所示。

圖4 盒子式預(yù)埋件

單根精軋螺紋鋼筋的極限抗拉承載力設(shè)計值為:

N1=619kN

埋件采用16根φ32精軋螺紋鋼筋對拉,承載力設(shè)計值為16N1=9 904kN>4 726kN。

盒子抗剪強(qiáng)度為:

盒子抗彎強(qiáng)度為:

腹板邊緣的折算應(yīng)力為:

可看出,盒子式預(yù)埋件承載力具有較大富余量,能很好地適應(yīng)大荷載的設(shè)計要求。但是,該類埋件需預(yù)先將鋼盒埋入設(shè)計位置,同時為精軋螺紋鋼筋預(yù)留張拉孔道。在預(yù)埋鋼盒時,存在與橋塔主筋沖突的情況,需打斷鋼筋,再對打斷處做補(bǔ)強(qiáng)處理,保證橋塔結(jié)構(gòu)不被削弱。待橋塔澆筑完成后,將側(cè)板與水平板裝配就位,通過焊接形成完整鋼箱,隨后張拉精軋螺紋鋼筋。該預(yù)埋件工藝較復(fù)雜,且需進(jìn)行高空焊接,有一定操作難度。

2.4 銷棒式預(yù)埋件

結(jié)合爬錐式預(yù)埋件高強(qiáng)螺栓受拉及盒子式預(yù)埋件受力分離的思路,創(chuàng)新性地設(shè)計了銷棒式預(yù)埋件[9-10]。該預(yù)埋件以鋼銷棒承受剪力,由高強(qiáng)螺栓承受拉力與彎矩,受力機(jī)理明確,且有效避免了對橋塔鋼筋的干擾。

如圖5所示,10.9級高強(qiáng)螺桿的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為500MPa,M48高強(qiáng)螺桿有效直徑按43.31mm考慮,單根最大拉力設(shè)計值為:

圖5 銷棒式預(yù)埋件

N=736kN

選用材料為40Cr、直徑為100mm的鋼棒作為抗剪結(jié)構(gòu),鋼銷棒抗剪強(qiáng)度設(shè)計值為245MPa,單根鋼銷棒設(shè)計值為:

V=1 443kN

高強(qiáng)螺栓的承載力計算如下式:

按GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中第11.4.5節(jié),鋼銷棒的剪力設(shè)計值需乘以不均勻系數(shù)1.43,最大剪力為5 107×1.43=7 303kN,預(yù)埋件剪力設(shè)計值:7 303<6V=8 658kN。該預(yù)埋件承載力符合設(shè)計要求,且該預(yù)埋件方便施工,后期易拆除,很好地滿足了大荷載預(yù)埋件的設(shè)計要求。

3 預(yù)埋件方案比選

通過對比設(shè)計了4種結(jié)構(gòu)形式的附墻預(yù)埋件,可看出,就同一荷載情況下不同類型預(yù)埋件的特點(diǎn)。為了更加直觀系統(tǒng)地分析4種預(yù)埋件,將其進(jìn)行了對比分析,如表1所示。

表1 預(yù)埋件結(jié)構(gòu)形式對比

通過綜合對比,4類附墻預(yù)埋件的受力特點(diǎn)、優(yōu)劣及適用范圍都有了一個清晰的界定。結(jié)合萬噸米級塔式起重機(jī)附墻埋件的設(shè)計要求,銷棒式預(yù)埋件設(shè)計更合理。

4 預(yù)埋件施工工藝

銷棒式預(yù)埋件是為滿足萬噸米級塔式起重機(jī)附墻預(yù)埋件以抗剪為主的設(shè)計要求,基于抗剪、抗拉彎分離的設(shè)計思路,創(chuàng)新性地設(shè)計的預(yù)埋件結(jié)構(gòu)。為保證預(yù)埋件施工階段達(dá)到設(shè)計要求,對其施工工藝進(jìn)行了相關(guān)要求。

4.1 施工流程

在橋塔施工時,預(yù)埋φ60×3.5,φ114×6.5無縫鋼管作為塔端預(yù)埋件鋼銷棒及高強(qiáng)螺桿的預(yù)留孔(保持水平)。預(yù)埋件設(shè)置定位板定位,定位板開孔穿鋼管,為嚴(yán)格控制鋼管的安裝精度,鋼管靠近內(nèi)腔側(cè),現(xiàn)場需設(shè)置角鋼將定位板與鋼管連接起來,定位板與橋塔鋼筋焊接牢固便可精準(zhǔn)定位鋼管。塔柱混凝土澆筑前預(yù)埋鋼管用透明膠帶封堵,防止水泥漿堵塞管口。

混凝土澆筑時,需特別注意預(yù)留孔四周和孔口混凝土的振搗質(zhì)量。為保證局部混凝土的抗壓強(qiáng)度,布設(shè)鋼筋網(wǎng)片進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。待澆筑完成后,對預(yù)留孔進(jìn)行測量,將實(shí)際測量結(jié)果用于預(yù)埋件座板開孔,確保預(yù)埋件與預(yù)留孔匹配。

安裝預(yù)埋件結(jié)構(gòu)時,將鋼銷棒穿過座板后穿入預(yù)留孔,高強(qiáng)螺桿穿過預(yù)留孔在塔壁內(nèi)側(cè)固定。高強(qiáng)螺桿需進(jìn)行預(yù)拉,預(yù)拉力需大于單根螺桿承受的最大拉力設(shè)計值,保證預(yù)埋件不會在受載后松動。為防止螺栓處局部應(yīng)力過大,加設(shè)墊板將力擴(kuò)散。

預(yù)埋件安裝完成后,需采用灌漿料對鋼銷棒預(yù)留孔間隙進(jìn)行壓漿處理,灌漿料強(qiáng)度等級為M50。在灌漿料強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計要求時,為保證預(yù)埋件底部漿體處于不受力狀態(tài),附著桿暫時不與耳板連接。

4.2 塔式起重機(jī)防風(fēng)措施

為保證預(yù)埋件在出現(xiàn)罕見大風(fēng)工況下的結(jié)構(gòu)安全,需采取以下措施:①當(dāng)出現(xiàn)10級大風(fēng)時,需加設(shè)附著裝置或加設(shè)1組纜風(fēng)繩;②當(dāng)出現(xiàn)11級大風(fēng)時,應(yīng)最大限度降低塔式起重機(jī)高度,并保證塔式起重機(jī)前后臂自由轉(zhuǎn)動,加設(shè)附著裝置或加設(shè)2組纜風(fēng)繩;③當(dāng)出現(xiàn)12級以上大風(fēng)時,為減小塔式起重機(jī)懸臂段風(fēng)荷載力臂,需將塔式起重機(jī)的外套架降至最上面一道附著裝置以上,并采取增設(shè)附著或纜風(fēng)繩措施。

5 結(jié)語

1)錨筋式預(yù)埋件結(jié)構(gòu)簡單,造價低廉,適用于小荷載預(yù)埋件,當(dāng)剪力<500kN時優(yōu)選;爬錐式預(yù)埋件安裝精度高,可拆卸,可周轉(zhuǎn)使用,適用于較大荷載預(yù)埋件,當(dāng)剪力在500～1 500kN時優(yōu)選;盒子式預(yù)埋件整體性好,結(jié)構(gòu)具有多變性,適用于大荷載預(yù)埋件,當(dāng)剪力在5 000kN以上時優(yōu)選;銷棒式預(yù)埋件施工便捷,受力明確,適用于大荷載預(yù)埋件,當(dāng)剪力在1 500～5 000kN時優(yōu)選。

2)銷棒式預(yù)埋件的有效工作必須依托預(yù)埋件在每個工藝流程上的精準(zhǔn)施工,預(yù)留孔與預(yù)埋件精準(zhǔn)匹配是保證該設(shè)計可實(shí)施的基本要求,高強(qiáng)螺桿的預(yù)拉保證了預(yù)埋件的正常工作,鋼銷棒預(yù)留孔的壓漿處理保證了鋼銷棒有效傳遞剪力。

3)通過對萬噸米級塔式起重機(jī)的代表性預(yù)埋件進(jìn)行設(shè)計,系統(tǒng)性地介紹了錨筋式、爬錐式、盒子式及銷棒式4種形式預(yù)埋件的設(shè)計計算方法,對其安全使用的條件進(jìn)行了闡述,可為各類結(jié)構(gòu)的預(yù)埋件設(shè)計提供參考。