黄冈公铁两用长江大桥塔吊非标准附墙设计与计算

黄冈公铁两用长江大桥塔吊非标准附墙设计与计算

摘要本文结合建设中的武冈城际铁路黄冈公铁两用长江大桥，以3#主塔墩下游侧mc480塔吊第一次附墙设计施工为例，介绍了在h型索塔结构异形、截面变化大的情况下，塔吊非标准附墙的设计与计算方法。

关键词公铁两用长江大桥；h型索塔；塔吊；非标准附墙；设计与计算

中图分类号 u445.556 文献标识码 a 文章编号 1673-9671-（2013）012-0056-03

1 工程概况

黄冈公铁两用长江大桥位于长江黄州河段上端三江口附近、唐家渡综合码头上游约240m位置，上距阳逻长江大桥约37km，下距鄂黄长江大桥约17km。主桥全长1215m，桥跨布置为

（81+243+567+243+81）m斜拉桥。

主塔结构设计为h型结构，由（下、中、上）塔柱及上、下横梁组成，塔柱为钢筋混凝土结构，上、下横梁为预应力混凝土结构，塔高（塔座以上顶面）为190.5m。塔柱顺桥向方向，下塔柱内侧面坡率6.65：34，外侧面坡率4.15：34，中上塔柱内外侧面坡率均为6：153.5；横桥向方向，下塔柱侧面坡率1.25：34，中上塔柱侧面坡率2.25：153.5。

图1主塔下游侧mc480塔吊平面布置图图2塔吊附墙布置方案图

根据主塔结构型式及施工吊重要求，选用波坦mc480，mc200a两台塔吊，其中mc480塔吊布置边跨下游侧，距离纵桥向塔柱中心线22.4m，横向塔柱中心线13.8m，中心向塔外侧偏转12°；mc200a 塔吊布置在上游边跨侧，距离纵桥向塔柱中心线22m，横向塔柱中心线13.2m，中心向塔外侧偏转16°。其中mc480采用55m吊臂长度。

mc480塔吊共附墙4次，第一次附墙标高+59.531m（至塔座高度47.531m），第二次附墙标高+94.211m（至第一次附墙高度34.68m），第三次附墙标高+128.891m（至第二次附墙高度34.68m），第四次附墙标高+157.791m（至第三次附墙高度28.9m）。

2 mc480塔吊第一次附墙方案设计

因塔柱纵横桥向外侧面均倾斜，塔柱截面是变化的，需设计非标准附墙。

根据塔吊厂家提供的附墙受力参数，mc480塔吊附墙最大受力情况为塔吊中心位置受力45t，为了方便计算，将附墙杆件用midas 建模后，分18个方向分别进行加载计算，每根杆件及附墙点反力取最大值进行设计计算，加载示意图如下。

图3 塔吊附墙荷载加载示意图

塔吊附墙采用midas整体建模计算，附墙杆件截面根据实际设计使用型钢截面进行取值，附墙框结构为塔吊厂家提供的标准件，其强度和刚度都很大在计算时不对其进行设计计算，且附墙框与塔吊立柱紧贴，其自重对附墙杆件的受力影响极小，为了整体建模需要，

将附墙框截面取用很大强度和刚度都很大的截面（取用实心200×200mm方钢截面）。模型支撑情况为：附墙杆件与塔柱混凝土连接处采用dx、dy、dz约束的刚性连接，附墙框四个支点位置设置竖向支撑，附墙杆件与附墙框连接处释放梁端约束采用铰接形式。

图4 附墙杆件布置方案一图5 布置方案一计算模型

塔吊附墙框中心处高程对应的塔柱截面宽度较窄，如果直接在塔柱上预埋爬锥钢板焊接附墙杆（见图4/5），r2、r3杆件之间的夹角较小，而r1、r4杆件接近平行，这样附墙框的中心荷载方向变化时，4根杆件出现的最大轴压力分别为fr1max=16.7t，

fr2max=98.9t，fr3max=89.4t，fr4max=22.8t。其中r2、r4杆件的轴力过大，存在的问题是杆件强度和稳定性满足不了要求，而且附墙框也受不了如此大的作用力。要减小附墙杆件的轴力，应使杆件夹角适当增大，而塔柱截面宽度较窄，考虑设置挑梁，使附墙杆件的受力均匀合理。

图6 附墙杆件布置方案二图7 布置方案二计算模型

设置挑梁后（见图6/7），杆件r2与r3之间的夹角有明显增大，5根附墙杆件出现的最大轴压力分别为fr1max=22.7t，

fr2max=39.5t，fr3max=40.7t，fr4max=17.1t，fr5max=69.9t。可见r2、r3杆件轴压力明显减小，附墙框所受作用力明显减小，各杆件受力比较合理。挑梁用爬锥与塔柱连接，其一端悬挑，在重力作用下会产生挠度，对附墙杆件的受压稳定不利，为减小挠度，悬挑段设置拉杆。

图8 挑梁布置三维图图9 拉杆三维示意图

3 mc480塔吊第一次附墙受力计算

需要对以下内容进行受力计算：①附墙杆件的强度计算；②附墙杆件整体稳定性计算；③附墙杆件的局部稳定性验算；③附墙杆件的疲劳验算；④挑梁的强度计算；⑤挑梁的整体稳定性计算；⑥挑梁的局部稳定性计算；⑦挑梁的疲劳验算；⑧连接焊缝的计算；⑨爬锥预埋的计算；⑩预埋钢板的强度刚度计算。

利用midas计算18种工况下附墙杆件和挑梁的受力情况，对附墙杆件和挑梁取最不利荷载进行计算。附墙杆件和挑梁在自重作用下会产生弯矩，计算整体稳定性时，要分别计算弯矩作用平面内稳定性和弯矩作用平面外稳定性。根据现场材料，附墙杆件采用2i22a 型钢，为格构式压弯构件，根据《钢结构设计规范》，弯矩绕实轴作用的格构式压弯构件，其弯矩作用平面内和平面外稳定性计算均与实腹式构件相同，但在计算弯矩作用平面外稳定时，长细比应采用换算长细比。

弯矩作用平面内的稳定性计算公式：

弯矩作用平面外的稳定性计算公式：

其中，hm488×300挑梁除自重产生的弯矩外，附墙杆件对其作用力也会产生弯矩，挑梁在两个主平面内存在弯矩，根据《钢结构设计规范》，弯矩作用在两个主平面的双轴对称实腹式工字形（含h 型）和箱型（闭口）截面的压弯构件，其稳定性应按下列公式计算：附墙杆件缀板的布置需满足局部稳定性要求。挑梁采用hm488×

300型钢，局部稳定性不用验算。

塔吊附墙为直接承受动力荷载作用的结构，且杆件应力变化循环次数较多，保守计算需进行疲劳验算。

根据midas模型查出的内力对连接处进行连接焊缝验算。

单个受力螺栓设计抗剪100kn，抗拉150kn，计算时，只需计算结果小于设计值就可。单个埋件的抗拔力根据《建筑施工计算手册》，按锚板锚固锥体破坏计算。

预埋板受到螺栓与加焊板的作用力，利用midas fea建立预埋板的实体模型，爬锥开孔处孔壁网格约束平动自由度，垫片处网格约束法向自由度；焊缝处网格按最不利工况轴力换算成焊缝面压力施加荷载。

图10 预埋钢板

图11 预埋钢板范梅塞斯应力图

图12 预埋钢板变形图

最大范梅塞斯应力207.8mpa，但仅限于极个别网格，不足0.1%的网格范梅塞斯应力超过170mpa，预埋钢板的强度满足要求；最大变形

预埋钢板刚度满足要求。

参考文献

[1]《黄冈公铁两用长江大桥主塔、斜拉索施工图》中铁大桥勘测设计院有限公司.

[2]《钢结构设计规范》（gb 50017-2003）.