向莆铁路东新赣江大桥650 kN浮吊施工设计

龚国锋

(中铁大桥局股份有限公司,武汉 430050)

1 工程概述

向莆铁路是以客运为主兼顾货运的快速铁路干线,东新赣江特大桥作为项目控制性工程之一,桥址位于既有生米公路大桥上游1.5 km处。桥址处通航等级为Ⅱ-3级航道,通航净空10 m,施工水位+16.5 m。

其中主桥39号～42号墩跨间上部结构为(126+196+126) m下承式连续钢桁梁,全长448 m,钢桁梁标准节间长度为14 m,边跨9个节间,中跨14个节间,全桥共计32个节间。桥式布置如图1所示。

图1 主桥立面布置(单位：m)

2 主桥钢梁架设设备比选

主桥钢梁安装吊机原计划采用南京大胜关长江大桥2台700 kN架梁吊机改制而成,改制后的设备除应满足原有性能要求外,还应能同时满足上、下坡(+19°～-19°)和过拱顶的要求。通过方案研究,原来吊机改制难度较大,费用也很高,特别是改制工期满足不了本桥钢梁架设的时间要求。在对架梁方案进一步比选和结合国内现有设备资源的情况下,原天兴洲长江大桥的2艘800 t双体船+1 200 kN桅杆吊通过加高等措施后可以满足本桥钢梁架设的需要。因此决定采用2艘800 t双体船+1 200 kN桅杆吊进行钢梁的架设施工。

3 650 kN浮吊方案简介

原天兴洲长江大桥的1 200 kN浮吊采用万能杆件支架将2艘800 t的甲板驳船连接成双体船结构作为1 200 kN桅杆吊的支承浮体,每艘驳船船长47.0 m,船宽12.0 m,型深3.0 m,设计吃水2.0 m。为最大限度地保持原浮吊结构,减小工程投入,根据设计计算,原船体以上12 m高的万能杆件支架可以全部保留,但须局部加强。为满足本桥吊高(水面以上约55 m)要求,需将原万能杆件支架再接高20 m。由于支架加高较多,船体的纵、横向稳定性减弱,结合本桥钢梁实际最大吊重,本浮吊按最大吊重650 kN进行施工设计。加高后的650 kN浮吊总布置见图2。

图2 650 kN浮吊总布置(单位：mm)

4 650 kN浮吊支承体系设计要点

置于水中的船舶是一个漂浮体系,船舶的内力受船体载重分布和浮力的分布控制。由于本浮吊作业工况变化多。连接支架杆件内力变化幅度大,浮吊的总高度比船的长度和高度均要大。因此650 kN浮吊支承体系的设计重点在于连接支架的分析计算和船舶的纵横向总体稳定计算。

4.1 WD120桅杆吊机介绍

WD120桅杆吊机由吊臂、立柱、斜撑、底盘、锚固系统、主起升机构、回转机构、变幅机构、司机室及电气控制系统等组成。本桥根据实际选用55 m长度的吊臂,最大吊重650 kN。WD120桅杆吊机如图3所示。

图3 WD120桅杆吊机总布置

主钩在臂长55 m时最大吊重为650 kN,原最大起升高度：吊机安装平台以上49 m,平台以下22 m。由于加高后吊机底盘到水面距离约有35 m,导致卷扬机容绳量不够,由于吊重减少(原吊机最大吊重1 200 kN)较多,将原主钩钢丝绳走12改为走6,这样就解决了卷扬机容绳量不足的问题。

4.2 650 kN浮吊设计

4.2.1 设计条件分析

根据650 kN浮吊支承结构体系及作业环境,可知作用于连接支架的外力主要有2类。第一类直接作用于支架上吊机锚固点的支反力；第二类是作用于每个驳船上的波浪力,通过船体发生相对位移而传递给连接支架的荷载。根据《船舶强度结构设计》中波浪附加弯矩计算所述,在一定的装载状态下船舶的质量分布是一定的,船体梁荷载的改变将完全取决于波浪要素以及船舶与波浪的相对位置,而船体弯矩与剪力又是荷载的积分,船体弯矩与剪力的改变完全取决于波浪要素以及船舶和波浪的相对位置。因此本吊机设计条件分析重点在于波浪力的分析、计算。

4.2.2 设计假定

(1)不考虑吊机底盘纵梁对支架一、二之间的相互影响。支架三不参与受力计算。

(2)两驳船当成刚性体,计算忽略了船体由于荷载的作用而产生的变形,在任何荷载作用下,同一个驳船上支架与船体的连接节点始终在同一平面上。

(3)静水中及浮吊受波浪力作用产生内倾、外倾和受扭的工况,水浮力均作为弹性支承考虑,弹性系数

式中n——所加弹性支承数量；

Ca——修正系数,按表1取值；

B——型宽；

Ls——水线长；

γ——水的容重。

表1 修正系数Ca取值

(4)浮吊在部分脱空状态下,将一侧船体加固定约束,另一侧船体悬臂,将浮吊自重、吊重及改变后的水浮力当成外荷载进行计算。

4.2.3 连接支架强度计算

图4 650 kN浮吊三维受力分析模型

650 kN浮吊连接支架三维受力计算分析时,计算工况较多,在此不再赘述,具体计算方法可参见文献[3]中相关内容。

4.2.4 整体稳定性计算

根据WD120桅杆吊机厂家提供的船用吊重曲线和驳船的安全,650 kN浮吊在任何工况下,必须满足以下条件：①船的纵、横向倾角不能大于1.5°；②船底到水面的距离不小于0.5 m,船甲板面到水面的距离不小于0.5 m。

(1)浮吊纵向稳定性计算

通过对浮吊在吊重和非吊重(主要是抵抗台风)工况下的比较,浮吊在吊重工况下较为不利。驳船纵向稳定性计算见图5。

图5 浮吊纵向稳定性计算(单位：mm)

设驳船底板中心点为坐标原点,浮吊系统在工作状态下自重及重心坐标计算如表1所示。

表1 浮吊在吊重状态下系统纵向重心坐标及倾覆弯矩统计

设在竖向荷载作用下浮船的均匀吃水深度为h,则由水的浮力计算公式F浮=ρgV排

可知：9.8×2×47×12×h=G=1262.3×9.8

根据上式可求出：h=1.12 m

对应的水线长度：ls=43.1 m

船舶吃水体积：V=1 262.3 m3

倾角：φ=0.69°

(2)浮吊横向稳定性计算

驳船横向稳定性计算见图6。

图6 浮吊横向稳定性计算(单位：mm)

设驳船底板中心点为坐标原点,浮吊系统在工作状态下自重及重心坐标计算如表2所示。

同理可计算得到

倾角：φ=1.33°

表2 浮吊在吊重状态下系统横向重心坐标及倾覆弯矩统计

由上述计算可以看出：驳船纵桥向在最不利吊重情况下的倾角均为0.69°,驳船横向在最不利的吊重的情况下的倾角为1.33°,其角度均小于1.5°，能满足桅杆吊的起吊要求；同时驳船的吃水深度均不会出现船体脱空和超过船体高度的情况,故驳船的倾覆性也满足要求。

5 结语

由于本桥桥型较为特殊,梁上架梁吊机应能同时满足上、下坡(+19°～-19°)和过拱顶的要求。吊机设计难度较大,费用也很高。赣江里也没有能满足60 m吊高、42 m吊距的大型吊机。采用连接支架将驳船连接成一体作为大吨位浮吊的受力基础,连接支架是浮吊的安全纽带,在结构设计中如何考虑波浪力的作用和浮吊的整体稳定性关系到浮吊的安全。目前东新赣江大桥钢梁已全部按计划工期安全架设完成,650 kN浮吊在使用过程中,通过监测监控,各项力学性能均满足设计要求,现在已经安全拆除。在内河中进行桥梁施工或其他施工作业时,如果没有合适的大型浮吊,可采用在驳船上安装其他固定大型吊机组成临时大吨位浮吊的方案,本桥可为类似的结构设计提供参考。

[1] 程国平.船舶强度与结构设计[M].北京：人民交通出版社,1998．

[2] 盛振邦,杨尚荣,陈学深.船舶静力学[M].上海：上海交通大学出版社,1992.

[3] 叶绍其,赵 鹏.1200 kN浮吊支承结构设计[C]∥中铁大桥局集团2005年技术交流大会论文集,武汉：武汉出版社,2005.

[4] 中华人民共和国建设部.GB50009—2001 建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2006．

[5] 中华人民共和国建设部.GB50017—2003 钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社,2003.

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[8] 陈学深,邵世明,陈国权,陈言中. 双体船稳性衡准中的横摇角公式[J].上海交通大学学报,1997,31(2):30-33.

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