贝雷片拼装水上浮式门吊的设计与施工探讨

贝雷片拼装水上浮式门吊的设计与施工探讨
姚青云
【摘要】文章结合厄瓜多尔巴巴奥约河大桥工程实例,介绍一种由浮船、贝雷桁架组装的大型水上浮式门吊起重设备的设计和施工技术要点,为类似桥梁工程提供参考.
【期刊名称】《西部交通科技》
【年(卷),期】2013(000)008
【总页数】10页(P82-90,98)
【关键词】桥梁;贝雷片;浮式门吊;设计;施工;关健技术
【作者】姚青云
【作者单位】广西路桥建设有限公司,广西南宁530001
【正文语种】中文
【中图分类】U445.467
0 引言
国产321桁架俗称贝雷片，沿用了英国贝雷钢桥桁架的习惯称呼。

厄瓜多尔巴巴奥约河大桥使用贝雷片拼装水上门吊安装0#块箱梁，为项目加快施工进度、缩短工期起到了关健作用，本文介绍其设计方法和施工关键要点。

1 工程简况
厄瓜多尔巴巴奥约河大桥全长2185 m，桥宽20.6 m，河水深3～15 m，每隔13
h涨潮1次，潮位高4.4 m。

主桥为3联节段式预制安装预应力连续刚构，桥跨组成为(50 m+75 m×8)+75 m×9+(75 m×8+50 m)。

全桥共计25个“T”26孔，T构编号为12～37号，每个T构由23个节段组成，墩顶块为0号块，长1.8 m，重143 T。

桥跨及T构节段组成如图1、图2所示。

水上门吊由浮船(箱)、钢管锚桩、立柱、横梁、纵梁、走行系统与提升系统(天车)、控制室等部位组成。

门吊采用64只6 m×3 m×2.5 m浮箱组拼成2艘浮船，在
其上用贝雷片拼装8个龙门吊立柱、2根主纵梁、1根主横梁。

主纵梁采用双层3排上下加强形式，主横梁采用双层4排上下加强形式，跨径27 m，设计跨中吊重150 T。

施工中利用定位桩和卷扬机牵引门吊慢速靠近桥墩并用钢管桩固定，同样利用卷扬机牵引运梁驳船进入门吊的两只浮箱船中间，两船之间用贝雷梁联接与固定，将龙门吊吊具移至箱梁位置后起吊安装墩顶0#块箱梁。

如图3所示。

2 水上浮式门吊设计
2.1 设计说明
(1)确定跨径和净高:考虑承台宽度11.4 m、浮箱船宽度之一半的2倍6 m×2、浮
箱与承台安全间距2×1.80 m等距离，确定该门吊跨径27 m;箱梁节段最重为143 T，取跨中设计最大吊重为150 T;墩顶标高-最低水位+箱梁高度=17 m，确定门
架净高为20 m。

(2)计算模式及受力分析:龙门吊立柱、横纵梁为贝雷片组合销结构，截面参数和容
许内力均为已知，笔算按其实际承载与抗力验算较核，MIDAS软件计算按杆件截面建立梁单元组合模型验算构件单元应力与主梁挠度。

(3)结构稳定性的验算:主要检验龙门结构的整体稳定性，确定其最不利情况下的平衡情况(包括惯性力、水流推力、风荷载)，以及其自身的屈曲稳定系数。

以下为主要设计步骤:
(1)贝雷片主梁A强度校核;(2)牵引机设计;(3)天车、大车设计;(4)贝雷片B梁强度校核;(5)立柱(C)设计;(6)浮箱船接头设计;(7)横联(D)、纵联(E)设计;(8)其它细部连接设计;(9)水流推力计算;(10)风荷载计算;(11)钢管桩锚固定位系统验算;(12)MIDAS 整体结构分析验算。

2.2 贝雷片主梁A强度校核
贝雷片力学性能参数如下:
高150 cm，长300 cm;弦杆截面积为25.48 cm2;弦杆惯性矩为396.6 cm4;弦杆截面模量为79.4 cm3;桁架片惯矩为250500 cm4;桁架Wx－x为3570 cm3;桁架片［M］为975 n/m;弦杆ix－x为3.94 cm;自由长度Lp为75 cm;长细比为19;纵向弯曲系数为0.953;弦杆纵向容许受压荷载663 kN;贝雷片单片重270 kg，销子重3 kg。

主梁A结构和受力简图如图4所示。

主梁A结构采用笔算和Midas civil 2006验算，篇幅所限本文不列出笔算过程，软件验算过程和结果见2.13 MIDAS验算一节。

图4 主梁结构和受力简图
2.3 牵引机设计
牵引机用来牵引小车和大车行走，由国内专业起重机械设计公司设计和制造，出具产品说明书和合格证。

2.4 天车、大车设计
主梁A顶面行走天车示意图如图5所示。

图5 天车示意图
纵梁B顶面行走大车示意图如图6所示。

图6 大车示意图
天车、大车由国内专业起重机械设计公司设计和制造，出具产品说明书和合格证。

2.5 贝雷片B梁强度校核
B梁结构和受力简图如图7所示。

图7 B梁结构和受力简图
纵梁B结构采用笔算和Midas civil 2006验算，限于篇幅不列出笔算过程，软件
验算过程和结果见2.13 MIDAS验算一节。

2.6 立柱(C)设计
门架每侧设4根立柱，每柱由3排贝雷片10层拼组而成，每柱从浮箱顶面开始沿柱高呈金字塔形(将荷载均匀传递到浮箱全宽度)，柱高15 m，柱距12 m。

立柱C通过MIDAS建立龙门吊整体模型验算。

2.7 浮箱船拼接设计
单个浮箱尺寸为6 m×3 m×2.5 m，按4列×8只组成尺寸为48 m×12 m×2.5 m 的2艘浮船。

浮箱纵、横接缝在上下两面都采用螺栓和拼接钢板连接，如图8所示。

拼装螺栓
为φ27×45、φ27×75、φ27×90三种，拼接板有板1□32×110×1580 mm、板
2□14×90×1380 mm焊L90×90×10×1380 mm、板3□10×300×380 mm三种。

浮箱的内边接缝拼接用板3，交叉点拼接沿长边用板1、板2、板3，外周边拼接
用板1。

φ27×45螺栓用于板3，φ27×75螺栓用于板1或板1及板3，φ27×90用于板2，栓孔均为φ30。

图8 浮箱连接示意图
2.8 横联(D)、纵联(E)
(1)横联D共5道，其中B梁顶两端各1道为D1、D2，在船头设1道门柱式横联
D3，船尾设1道活动横联D5(在B梁上安装转向吊点，用卷扬机提升、下放)，在船中部设1道固定横联为D4。

如图9所示。

(2)纵联E设4道，在立柱两侧二分之一高度设置，增强立柱的横向稳定性。

横联
D、纵联E在MIDAS龙门吊整体结构模型中验算。

2.9 其它细部连接设计
(1)轨道:在主梁A顶部铺设两列间距50 m、长度130 cm的［］型8号槽钢作为轨道枕梁，其上铺设钢轨;在纵梁B顶部铺设间距50 m，长度300 cm的［］型8号槽钢作为轨道枕梁，其上铺设钢轨。

轨道与枕梁、枕梁与贝雷片间采用螺栓和钢板夹具固定。

图9 水上门吊立面图
(2)柱与浮箱:如图10所示，在浮箱甲板上的立柱位置，按间距35 cm先铺设［］型8号槽钢支垫，然后安装立柱第一层，用40×30×2 cm钢板卡紧贝雷下弦杆，将钢板与浮箱甲板焊连。

图10 立柱与浮箱连接示意图
(3)柱与B梁、纵联E、横联D:在每个立柱顶面，纵梁B两侧各设置三道［］型10号槽钢三角支撑架，三角支撑架与立柱和纵梁间采用螺栓和钢板夹具连接。

纵梁与立柱，纵梁与横联连接处能直接使用桁架螺栓连接的部位先使用桁架螺栓连接，其余采用u型螺栓连接。

(4)A梁与大平车(铰支):A梁与两端底部行走平车采用销连接(铰支，沿A梁方向可以自由较动)，消除A梁与两行走平车间的弯矩作用，A梁只传递竖向荷载到B梁轨道。

2.10 水流推力计算
(1)计算荷载
单个浮箱的尺寸为6 m×3 m×2.5 m，浮箱船尺寸为12 m×48 m×2 m。

箱梁、
门吊、浮箱等合计总重量为:1117 t。

浮箱面积:64×(3×6)=1152 m2
最大吊重时浮箱平均吃水深度T1=1117/1152=0.97 m
空载时浮箱平均吃水深度T2=(1117-150)/1152=0.85 m
(2)最大吊重时浮箱船入水部分受最大水流冲力计算
采用《船舶设计实用手册-舾装分册2007》P115页公式1.3.3.3-1.3.3.5:
浮箱船浸水面积
其中:
最大水流速度:Vw=2.5 m/s，移船速度:Vs=0 m/s，船吃水深度:T(m);
排水体积:▽(m3)，驳船长度:L=48 m，线以下侧投影面积:As=TL(m2)。

(3)空载时浮箱船入水部分受最大水流冲力计算
船浸水面积:
潮流阻力:
形状阻力:
其中:
最大水流速度:Vw=2.5 m/s，移船速度:Vs=0 m/s，驳船吃水深度:T(m);
排水体积:▽(m3)，船长度:L=48 m，水线以下侧投影面积:As=TL(m2)。

2.11 风荷载验算
桥位处距海口约40 km，夜间潮涨潮落时风力常达到6～8级，门吊系统按11级
风力控制设计。

风荷载计算参照中国《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)，风荷载计算公式:
k0——设计风速重现期换算系数，工程处于近海城市，取k0=1;
k1——风载阻力系数，贝雷梁弦杆及斜杆侧面均为矩形断面，且实面积比为0.23，因此查表4.3.7-4取k1=1.8;
η——遮挡系数，查表4.3.7-5取η=0.9;
k3——地形、地理系数，查表4.3.7-5取k3=1;
W——基本风压，分别考虑不吊重承受11级风和吊重承受5级风的情况。

根据国内资料，5级风最大风速为10.7 m/s，11级风最大风速为32.6 m/s。

根据公式(其中γ为空气密度，γ=0.012017e-0.0001 H;g=10 m/s2;H为距水面高度，偏
安全计取水上龙门吊平均高度H=10 m。

计算得:W5=0.0687226 kN/m2，
W11=0.6379211 kN/m2。

5级风力下总风压力为:104 kN。

11级风力下总风压力为:967 kN。

2.12 钢管桩锚固定位系统验算
(1)水上门吊拟用φ60 cm，壁厚为2 cm的20 m长的钢管桩进行定位，钢管桩入土深度≥9 m。

(2)单根钢管桩流体阻力计算
挡水面积按15 m水深计算，钢管投影阻水面积为:
最大水流速v=2.5 m/s
入水部分所受水流冲击力(《桥涵》(上册)691页公式5-1):
ξ——挡水物形状系数，取ξ=0.75(流线形);
γ——水的容重，取10 kN/m3;
A——挡水面积;
g——9.8 m/s2。

R= ξγA=0.75×10×9×2.52/(2×9.8)=21.5 kN
在5级风力，河水最大流速下进行最大吊重安装施工时，水上龙门吊承受总水平力:
在11级风力和河水最大流速空载时，水上龙门吊承受总水平力:
取F11=1600 kN控制定位桩的设计。

(3)每根桩入土深度＞9 m，钢管桩材质为A36，屈服强度σcu=250 MPa，钢管桩截面惯矩和抗弯截面模量如下:
钢管桩分4组布置，每3根钢管顶端用Ⅰ40焊联为1组，每个浮箱船布置2组，如图11:
定位桩采用MIDAS空间梁单元模拟计算，模型工况:60 cm钢管桩长20 m，按高度10 cm分割成200个10 cm的梁单元，入土部分9 m与土体间模拟只受压弹簧连接。

(4)计算结果
计算结果表明，在11级风力和河水最大流速及空载状况，φ60 cm钢管定位桩的组合应力最大为-204.8 MPa，低于A36屈服强度值σcu=250 Mpa，桩顶最大位移为118 mm，满足安全要求。

钢管桩计算模型如图12所示。

图11 水上门吊定位置桩布置图
图12 钢管桩计算模型图
2.13 MIDAS验算
2.1
3.1 材料型号及强度取值
材料型号及强度取值见表1。

表1 材料型号及强度取值表材料名称及型号材质σcu(MPa) ［σ］(MPa) ［τ］(MPa)1.贝雷片3000×1500 mm 16 Mn 351 2101202.贝雷销、连接螺栓 Cr-
Mn-Ti 1300 1105 5853.钢轨 U71 Mn 900 585 4054.［］140轨枕 A36 250 187.5 905.支撑架450×1180 A3 235 172.585
2.1
3.2 A梁独立验算
荷载工况:G×1.1+150 T×1.1+10 T+20 T+W5Y。

其中G是自重，MIDAS自动计算得G=418 T;W5Y是5级横桥向风荷载，在A梁跨中起吊安装0#块。

箱梁和天车重量通过A梁顶的小平车8个轮子分布在钢轨上，每点荷载为24.5 T。

(24.5×8=196 T，与笔算150×1.1+10+20=195 T相同)，计算结果为:
钢轨下的［］14枕梁组合应力最大，σ［］14max=167 MPa，如图13所示。

图13 A梁计算图(一)
A梁贝雷片上弦最大组合应力，σ弦杆=-127.8 MPa。

A梁最大挠度54 mm，如图14所示。

图14 A梁计算图(二)
屈曲稳定验算结果，A梁的屈曲稳定系数为2.9。

2.1
3.3 水上门吊结构整体验算
2.1
3.3.1 工况简介
由笔算知，A梁偏心吊重时B梁剪力最大控制门吊设计，故整体验算仅按偏心吊
重进行验算。

水上门吊整体结构模型如图15所示。

图15 水上门吊整体结构模型图
荷载工况有4种:
荷载工况1:G×1.1+150 T×1.1+10 T+20 T+W5Y，W5Y为5级横桥向风荷载;
荷载工况2:G×1.1+150 T×1.1+10 T+20 T+W5X，W5X为5级顺桥向风荷载;
荷载工况3:G ×1.1+10 T+20 T+W11Y，W11Y为11级横桥向风荷载;
荷载工况4:G×1.1+10 T+20 T+W11X，W11X为11级顺桥向风荷载。

G为结构自重，MIDAS自动计算得G=418 T，G ×1.1=460 T。

结构工况有3种，分别如图16～18所示。

图16 结构工况1示意图
图17 结构工况2示意图
图18 结构工况3示意图
结构工况1:A梁偏心吊重后行走至两立柱中间;
结构工况2:A梁偏心吊重后一侧平车轮行走至一立柱边缘;
结构工况3:A梁偏心吊重后一侧平车轮行走到一立柱上方。

梁段及吊具、天车重量通过A梁顶小平车8个轮分布到钢轨上，每个轮荷载为24.5 T，合计24.5×8=196 T。

Midas风荷载加载:计算出门吊顺桥向和横桥向的结构各部位迎风面积，乘以上述
风压值计算得各部位风压力，除以该部位节点数，按节点荷载加载至模型各个节点。

A梁大平车与B梁的接触设置一定钢度的弹性连接，平车两端采用20 mm钢丝绳牵引移动也模拟弹性连接。

C柱底部与浮箱的连接模拟弹性支承，共设置480个弹性支承节点，每根柱
480/8=60个节点，每个节点的顺桥向和横桥向刚度设置一定刚度约束。

竖向刚度设为24 N/mm，竖向刚度取值决定门吊浮箱船入水深度的计算准确度。

假设上部结构所传递的荷载平均分配到每个C柱底的60个节点，浮箱自重6.5 T/只，每根柱分配8只浮箱，8只浮箱承受水浮力的弹簧刚度为:
每个C柱底的60个节点的平均刚度为:
浮箱自重产生的平均吃水深度为:
用MIDAS计算出门吊在竖直向的位移，相当于因门吊自重和吊重使浮箱产生的入深度值，加上h0即为门吊船总入水深度值。

2.1
3.3.2 工况验算结果
(1)荷载工况1+结构工况1
最大(组合)应力发生在荷载作用力附近的A梁上弦杆——材质编号1的贝雷片的
最大组合应力σ1=+157.7，-180.7 MPa，如图19所示。

图19 编号1贝雷片最大组成应力计算模型图
材质编号3钢轨的最大组合应力σ3=+56.9，-170.5 MPa，如图20所示。

图20 编号3钢轨最大组合应力计算模型图
材质编号4钢枕的最大组合应力σ5=+178.5 MPa，-178.3 MPa，如图21 所示。

图21 编号4钢枕最大组合应力计算模型图
材质编号5支撑架的最大组合应力σ5=+90.7 MPa，-94.2 MPa，如图22 所示。

图22 编号5支撑架最大组合应力计算模型图
门吊位移(沉降)计算结果如图23所示。

最低端位移Δh1=1065 mm=1.065 m，
最高端位移Δh2=246 mm=0.25 m，则:
图23 门吊位移(沉降)计算模型图
(2)各种工况下4种材质构件的最大应力、入水深度计算结果见表2。

以上共12种工况下的门吊屈曲模态稳定系数最小为1.58。

以上各项计算结果表明门吊结构设计符合相关规范要求。

2.14 水上门吊拼装与使用
水上门吊按照如下顺序拼装:浮箱拼接→立柱拼装→立柱间系梁拼装→立柱顶纵梁拼装固定→系梁拼装拼接两艘浮船→横梁走行轨道及平车安装→横梁拼装→端桁架安装→铺设天车轨道→天车安装调试→电控系统安装→调节器试、试运行。

表2 工况计算结果汇总表0.631.445荷载工况1结构工况11 +157.5，-180.7 68.73 +56.9，-170.5 87.74 ±178.5 71.75 +90.7，-94.2 19.1荷载工况2结构工况11 +178.9，-152.7 65.63 +56.3，-169.2 87.74 ±178.5 71.75 +87.6，-91.0 18.51.435 0.63荷载工况3结构工况11 +118.7，-144.8 80.63 +30.3，-68.7 33.24 +48.3，-44.4 13.15 +140，-139.9 13.21.119 0.60荷载工况4结构工况11 +186.7，-176.6 693 +20.5，-62.7 26.14 +170.4，-163.2 11.15
+114.4，-109.6 21.91.024 0.62荷载工况1结构工况21 +163.1，-191.7 74.73 +58.4，-163.8 92.84 +170.8，-178.7 67.15 +91.8，-88.1 131.37 0.67荷载工况2结构工况21 +158，-189.5 71.63 +57.8，-163.3 92.84 +170.8，-167.5 675 +93.5，-163.3 141.36 0.67荷载工况3结构工况21 +120.2，-152.3 76.73 +140.6，-138.5 12.74 +63.7，-58.9 15.65 +30.2，-71.8 34.41.08 0.62荷载工况4结构工况21 +189.4，-176.3 693 +20.4，-66.5 27.44 +175.4，-168.8 12.75 +115.8，-112.4 21.90.99 0.64荷载工况1结构工况31 +180，-171.2 77.63 +46.6，-193.4 13.94 +138，-131.4 84.45 +111.6，-167 77.71.235 0.732荷载工况2结构工况31 +176.2，-170.6 74.53 +45.9，-193.2 77.74
+114.5，-167 77.75 +137.9，-130.1 13.81.228 0.736荷载工况3结构工况31 +140，-155.5 71.43 +30.4，-64.9 21.54 +59.3，-53.0 15.65 +139.7，-140.5
12.31.025 0.65荷载工况4结构工况31 +189.8，-176.2 70.93 +20.5，-71.4 21.54 +174.6，-169.1 12.35 +124.7，-119.6 23.70.9380.67
拼装注意事项:(1)双轨门吊对走行轨道铺设质量要求较严，否则走行小车及龙门主体会产生很大的次应力，引起变形甚至破坏。

因此要求轨道平顺，连接牢固，严格控制轨距、跨距和轨顶标高;(2)注意区别上下弦杆，防止销孔及螺栓孔错位，无法装配。

水上门吊在箱梁运输码头进行拼装，并进行试吊。

然后由两艘拖船拖至桥墩处，用钢管桩锚固于桥墩两侧。

由箱梁运输船运送箱梁到起吊区，水上门吊起吊箱梁、运移、就位。

3 结语
巴巴奥约河大桥水上浮式门吊的设计，对最不利工况和不利因素进行了详细分析，对主要结构和细节予以了较周密设计，采用Midas civil 2006对系统完全模拟验算，从设计方面提供了可靠的安全保障。

其次，它使用项目施工栈桥的贝雷片和下构施工使用的浮箱拼成，有效地重复利用了周转材料，合理而经济。

最重要的意义是，它的投入为上构安装节省了2个月工期，确保了项目的总工期控制。

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