220 t汽車吊上混凝土橋面施工作業(yè)計算分析

鄧德員，黃 敏，吳有明

（中建鋼構(gòu)有限公司，廣東 深圳 518040）

220 t汽車吊上混凝土橋面施工作業(yè)計算分析

鄧德員，黃 敏，吳有明

（中建鋼構(gòu)有限公司，廣東 深圳 518040）

混凝土連續(xù)箱梁橋上空異形螺旋體雕塑吊裝需采用220 t汽車吊上橋面作業(yè)，施工荷載較大，需對橋梁結(jié)構(gòu)進行計算復核。通過模擬行走及吊裝狀態(tài)取得相關運行參數(shù)，再經(jīng)多工況下內(nèi)力計算、配筋復核，驗證了方案安全可行。通過采用十字分配梁的形式將單個支腿荷載分配到四個路基箱，路基箱下鋪設砂子，解決了局部荷載過大的問題，可為類似項目提供參考。

汽車吊；橋梁結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)復核

1 工程概況

梅溪湖雕塑工程位于長沙市湘江新區(qū)梅溪湖片區(qū)，為拋物形雙曲面箱型扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，跨越麓云路跨龍王港河橋（見圖1）。雕塑為鋼結(jié)構(gòu)，長約74 m，寬約30 m，高約28 m，構(gòu)件截面為箱形截面，尺寸為4 000 mm×1 000 mm×16 mm。雕塑均在工廠加工制作，運至施工現(xiàn)場采用汽車吊在橋面上進行地面拼接，分段吊裝。麓云路跨龍王港河橋為預應力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，已建成通車橋梁，雕塑施工荷載較大，需仔細復核橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力。

圖1 雕塑布置示意圖

麓云路跨龍王港河橋設計荷載為公路-I級，跨徑布置為21 m+30 m+21 m=72 m，橫斷面組成：5.0 m（人 行道）+3.5 m（非機動車道）+15.5 m（機動車道）+1.5 m（中央分隔帶）+19 m（機動車道）+3.5 m（非機動車道）+5 m（人行道）=53 m。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用等高度預應力混凝土連續(xù)箱梁（見圖2），分幅斜交布置，左幅寬度均為24 m，右幅寬度為27.5 m。左右幅均為單箱三室截面，梁高1.6 m，左幅箱梁兩側(cè)懸臂長度均為3.5 m，右幅箱梁兩側(cè)懸臂長度均為4 m。外側(cè)腹板為斜腹板，斜率為1∶2.5，腹板厚均為45 cm。頂板厚25 cm，底板厚25 cm。兩幅箱梁之間距離為1.5m。

圖2 單個車輪荷載有效分布寬度（單位：m）

2 雕塑安裝方法

經(jīng)現(xiàn)場考察，綜合考慮經(jīng)濟性、施工周期及作業(yè)面等方面的因素，雕塑施工采用“分段吊裝+高空對接”的方式進行安裝。鋼結(jié)構(gòu)吊裝選用中聯(lián)QAY220汽車吊站于橋面上將各節(jié)段吊至設計位置安裝，雕塑分段根據(jù)汽車吊性能進行劃分，共分為9段，最重45 t。施工時先安裝左幅和右幅三個支座上方鋼箱梁節(jié)段，然后從路面兩側(cè)逐漸向中間合攏。施工過程中在雕塑拼裝節(jié)段位置布置格構(gòu)式支撐胎架，通過在胎架頂部設置支撐節(jié)點，將箱梁節(jié)段臨時固定，測量校正后，再完成焊接。

3 橋梁結(jié)構(gòu)復核思路[1-4]

縱橋向：根據(jù)汽車吊行走狀態(tài)的軸荷、吊裝狀態(tài)下支腿反力與支撐胎架反力根據(jù)實際發(fā)生位置進行加載，求出最不利工況下內(nèi)力標準值，與原設計活載內(nèi)力標準值進行比較，若汽車吊作用產(chǎn)生的最不利內(nèi)力標準值小于原設計活載內(nèi)力標準值，則表明縱橋向的承載力是滿足要求的；反之，則需按照施工荷載產(chǎn)生的內(nèi)力進行計算配筋，與實際配筋進行比較，判斷在行走工況及吊裝工況下是否滿足要求。這主要是基于橋梁實際配筋值是在考慮了多種工況、參數(shù)調(diào)整及構(gòu)造要求后配設的，有一定的安全儲備。

橫橋向：根據(jù)規(guī)范規(guī)定，橋面板長邊和短邊之比大于2，按以短邊為跨徑的單向板計算，因此可取1 m板寬進行計算，考慮不同施工荷載的有效分布寬度，得出基本組合內(nèi)力包絡值，按實際配筋進行強度復核。

4 汽車吊荷載計算

采用中聯(lián)QAY220，行駛狀態(tài)自重712 kN，前軸軸荷119 kN，中后軸軸荷117 kN。吊裝時，需配重55 t，各節(jié)段吊裝按汽車吊側(cè)方、后方、側(cè)后方三種工況進行三維模擬及受力分析，通過計算分別取得了回轉(zhuǎn)半徑18 m、吊重30 t及回轉(zhuǎn)半徑10 m、吊重45 t兩種不利情況下的支腿反力（見表1），用于復核橋梁結(jié)構(gòu)承載力。

5 縱橋向復核計算

根據(jù)設計圖紙，采用有限元軟件建立全橋梁單元計算模型，主要考慮的計算參數(shù)有：

設計荷載：公路-I級；橫向折減系數(shù)：四車道，取0.67；沖擊系數(shù)：程序自動計算；偏載系數(shù)：按1.15取值。

由內(nèi)力標準值包絡計算結(jié)果可知，邊跨最大彎矩7 746 kN·m，中跨最大彎矩9 079 kN·m，支點最大剪力2 255 kN。

汽車吊行走狀態(tài)的軸荷或吊裝狀態(tài)的支腿反力與支撐胎架反力不利工況按作用位置進行加載，考慮動力系數(shù)1.2，偏載系數(shù)1.15，得出內(nèi)力標準值計算結(jié)果為：邊跨最大彎矩6 899 kN·m，中跨最大彎矩8 082 kN·m，支點最大剪力1 715 kN。

對比可知，汽車吊作用產(chǎn)生的最不利內(nèi)力標準值小于原設計活載產(chǎn)生內(nèi)力標準值，縱橋向承載力滿足要求。

6 橫橋向復核計算

6.1 材料及配筋信息

混凝土：C50 鋼材：HRB335鋼鉸線：φs15.2。頂?shù)装迕棵装鍖捊孛媾浣睿菏芾瓍^(qū)Φ16@15 cm，7根，2根3-φs15.2鋼絞線；受壓區(qū)Φ16@15 cm，7根。

腹板每米板寬截面配筋：受拉區(qū)Φ16@10 cm，10根；受壓區(qū)Φ16@10 cm，10根。

6.2 荷載信息

（1）結(jié)構(gòu)自重：由程序自動計入。

（2）二期恒載：橋面鋪裝 2.50 kN/m，每側(cè)防撞護欄7.28 kN/m，每側(cè)人行道14.30 kN/m。

（3）汽車吊有效荷載：

a.車輪荷載

中聯(lián)重科QAY220車輪著地寬度 a1=0.2 m，b1=0.3 m。

單個車輪P作用于懸臂板有效分布寬度：a=a1+2H+2c=（0.9+2x）m；單個車輪 P作用于頂板跨中有效分布寬度：a=a1+2H+L/3=2.14 m＜2L/3=3.49 m，取a=3.49 m；單個車輪P作用于支承處有效分布寬度：a=a1+2H+t=0.65 m。

故單輪作用于橋面的荷載有效分布寬度見圖2。

由于單輪的作用于跨中和懸臂有效分布寬度均大于1.65 m，兩輪的作用于跨中和懸臂有效分布寬度均大于4.45 m，存在多輪分布寬度重疊現(xiàn)象，多輪荷載有效分布寬度見圖3。

圖3 多個車輪荷載有效分布寬度（單位：m）

表1 支腿反力表kN

根據(jù)車輪軸荷、作用的位置有有效分布寬度求出每米板寬所受荷載。懸臂端部荷載：P1=20.9 kN；腹板頂部荷載：P2=91.3 kN；頂板跨中荷載：P3=25.5 kN。

b.支腿下路荷載

根據(jù)方案每個支腿下并排緊貼設置4個1.5 m×1.5 m的路基箱，通過十字形轉(zhuǎn)換梁將支腿反力平均分攤到4個路基箱上，轉(zhuǎn)換梁采用HW300×300×10/15制作，轉(zhuǎn)換梁端支點下墊放不小于20 mm厚鋼板，以解決局部支腿荷載過大的問題。

路基箱荷載有效分布寬度：b=b2+2H=3.2 m。

兩個路基箱荷載緊鄰作用于頂板跨中有效分布寬度：a=a2+2H+L/3=4.945 m＞2L/3=3.49 m。

兩個路基箱荷載緊鄰作用于支承處有效分布寬度：a=a2+2H+t=3.45 m。

故路基箱作用于橋面的荷載分布寬度見圖4。

圖4 支腿荷載有效分布寬度（單位：m）

根據(jù)支腿反力及路基箱的位置求出每米板寬所受荷載：30 t吊裝工況最大支腿反力：F=547.9 kN；頂板跨中處荷載：q1=34.6 kN/m；

腹板頂部處荷載：q2=49.6 kN/m；50 t吊裝工況最大支腿反力：F=741.3 kN；頂板跨中處荷載：q3=46.8 kN/m；腹板頂部處荷載：q4=67.1 kN/m。

6.3 承載力復核

橋面板寬為24 m，選取跨中縱向1 m板寬建立橫向框架有限元計算模型，對各工況按1.35恒+0.7×1.4活及1.2恒+1.4活進行荷載組合，得出內(nèi)力包絡結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 彎矩包絡圖

圖6 剪力包絡圖

（1）頂板根部截面

Mj＝-250.3 kN·m，Qj＝-249.1 kN；截面有效高度h0=he-as=411 mm。不考慮受壓鋼筋：

抗彎承載力滿足要求。

1.25 ×0.50×10-3α2ftdbh0=447.0 kN＞Qj=249.1 kN

故不需要進行斜截面抗剪強度檢算。

（2）頂板跨中截面

Mj＝63.4 kN·m，Qj＝-126.1 kN

截面有效高度h0=he-as=211 mm。不考慮受壓鋼筋，x=fsdAs/fcdb=16.8 mm。

抗彎承載力滿足要求。

1.25 ×0.50×10-3α2ftdbh0=447.0 kN＞Qj=128.0 kN

故不需要進行斜截面抗剪強度檢算。

（4）底板截面

端部 Mj=-25.0 kN·m，Qj=23.0 kN

中部 Mj=6.9 kN·m，Qj=14.5 kN

截面配筋與頂板一致，截面厚度也一致，內(nèi)力均小于頂板，可知底板承載力滿足要求。

（5）應力驗算

根據(jù)短期效應組合上下緣應力包絡圖（見圖7、圖8）可知，最大壓應力為4.9 MPa，最大拉應力為1.82 MPa。

抗彎承載力滿足要求。

1.25 ×0.50×10-3α2ftdbh0=229.4 kN＞Qj=126.1 kN

故不需要進行斜截面抗剪強度檢算。

（3）腹板截面

Mj＝-185.4 kN·m Qj＝128.0 kN

截面有效高度h0=he-as=411 mm

不考慮受壓鋼筋，x=fsdAs/fcdb=25.1 mm。

圖7 短效組合下緣應力包絡圖

圖8 短效組合上緣應力包絡圖

按規(guī)范，部分預應力A類構(gòu)件控制應力為：

壓應力，σkc+σpt≤0.5 fck=16.2 MPa

拉應力，σst-σpc≤0.7 ftk=1.885 MPa

由以上計算結(jié)果知，截面正應力均符合部分預應力A類構(gòu)件設計要求。

7 結(jié)語

通過以上計算分析，220 t汽車吊上混凝土橋面行走及吊裝作業(yè)，橋梁的承載力滿足要求，應力在規(guī)范允許范圍內(nèi)，吊裝方案可行。現(xiàn)場實施時，汽車沿規(guī)劃好的路線行走和站位吊裝，支腿荷載通過十字形轉(zhuǎn)換梁傳遞給路基箱，轉(zhuǎn)換梁下墊放了20 mm厚鋼板，路基箱下方均勻鋪設了50 mm厚的砂，保證了荷載有效傳遞與擴散。實施過程中對橋梁進行了密切觀察監(jiān)測，結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)裂縫等異?，F(xiàn)象。

[1]劉世奎.結(jié)構(gòu)力學[M].北京:清華大學出版社,2008.

[2]JTG D60-2004,公路橋涵設計通用規(guī)范[S].

[3]JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范[S].

[4]GB50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].

TU745.2

B

1009-7716（2017）10-0094-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.10.027

2017-06-19

鄧德員（1988-），男，湖南永州人，工程師，從事橋梁建設工作。