跨海大橋吊具計算與分析

林華彬

（浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310000）

吊裝技術(shù)是解決大型跨海橋梁快速建設(shè)的重要手段。吊具是實現(xiàn)吊裝的重要工具。本文以某跨海大橋吊裝為背景，對大噸位吊具開展計算分析工作，分析結(jié)構(gòu)受力情況和給出計算方法，可作為類似工程參考。

1 工程概況

正在施工的某大型跨海大橋，橋梁標(biāo)準(zhǔn)寬度37m，中通航孔跨徑為2×150m，其余跨徑均為90m，海中橋上部結(jié)構(gòu)采用全封閉鋼箱梁。單節(jié)鋼箱梁最大重量20000kN，含吊裝時臨時吊耳及調(diào)位牛腿等總重約23000kN。

本次吊裝吊具分為上部索具、中部索具、連接索具、下部吊具、吊排，它們之間連接采用鉸接，吊具結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 吊具結(jié)構(gòu)

2 參數(shù)取值與計算方法

吊具自重（包括索具）：G=550kN，吊裝作業(yè)時橋面上附屬物重量：G附屬=66kN，吊裝重量G吊=23000kN，G平衡梁=500kN。作業(yè)系數(shù)φ1=1.05，起升系數(shù)φ2=1.1，荷載不均衡系數(shù)K1=1.1，動載系數(shù)K2=1.2[1-3]。

吊索采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計算。將整體分解為：縱梁、橫梁、吊排、索具，四大部分，分別單獨計算分析過程：①先整體分析，按照結(jié)構(gòu)力學(xué)計算方法，分析各索具內(nèi)力值，受力示意圖見圖2；②建立各部位有限元模型，施加邊界條件約束和荷載值。縱梁：采用外部靜定的桿系模型，兩端施加軸向荷載和自重。橫梁：采用簡支梁桿系模型，兩端施加軸向荷載和自重。吊排：采用單梁模型，中間吊點xyz 平動方向固定，兩端施加豎向吊裝荷載[5]。文章主要針對具有代表性的中部吊具、縱梁、銷軸展開計算分析工作。

圖2 中部索具受力分析

3 中部索具計算

中部索具鋼絲繩直徑φ=168mm，連接索具重量為：G下部索具=220kN，中部桁架、橫梁、爬梯重量為：G中部=1338kN，連接索具拉力：

中部桁架架、橫梁和中部索具鉸點處垂直拉力：

中部索具與水平面夾角α=59.2°，與中部橫梁夾角：β=67.5°，與中部桁架梁夾角γ=67.1°，中部索具所受拉力：F2=F1/sin（α）=11962kN，中部桁架梁所受壓力為：F4=F2×cos（γ）=4654kN。

安全校核：本次計算吊索抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1960MPa，公稱直徑為168mmm。根據(jù)文獻(xiàn)[2]第3.2.25 條破斷力計算：

連接索具對折使用，單根索力實際值為11962/2=5981kN，實際安全系數(shù)n=19693/5981=3.29>最小安全系數(shù)3，滿足要求。

4 縱梁計算

縱梁通過鉸接與吊索和橫梁連接，縱梁主要承受軸力作用。縱梁端點設(shè)置約束連接，并通過主從連接與主體結(jié)構(gòu)相連接，兩端施加軸向荷載。計算成果見圖3~圖5。

圖3 縱梁軸力（最大軸力為1400kN）

圖4 縱梁組合應(yīng)力（最大組合應(yīng)力為155.6MPa）

圖5 縱梁豎向變形量（最大為10.3mm）

結(jié)果分析：最大組合應(yīng)力安全系數(shù)為1.89＞1.48，最大撓度10.3mm

5 吊排和連接索索具之間的連接銷軸計算

銷軸是連接部位的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖6所示。繩套給銷軸施加的載荷為均布載荷F繩索=9889kN，q均布=19778kN/m。計算結(jié)果見圖7~圖11。

圖6 銷軸結(jié)構(gòu)

圖7 彎矩（單位：kN·m）

圖8 剪力（單位：kN）

圖9 彎曲應(yīng)力（單位：kPa）

圖10 剪應(yīng)力（單位：kPa）

圖11 支反力（單位：kN）

按照第四強(qiáng)度理論，綜合應(yīng)力為：

6 結(jié)論

本文針對某跨海大橋大型吊具，開展了結(jié)構(gòu)靜力分析和計算，建立了有限元模型，分析了結(jié)構(gòu)受力情況，為工程下一步工作奠定基礎(chǔ)，為類似工程提供借鑒。