大型斜拉桥施工过程中吊架的优化分析★

周俊波 向学建 时国松 董 军

(1.北京交通大学海滨学院，河北 黄骅 061199； 2.交通运输部公路科学研究院，北京 100088； 3.北京建筑大学土木学院，北京 100044)

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大型斜拉桥施工过程中吊架的优化分析★

周俊波1向学建2时国松1董 军3

(1.北京交通大学海滨学院，河北 黄骅 061199； 2.交通运输部公路科学研究院，北京 100088； 3.北京建筑大学土木学院，北京 100044)

依托在建的北盘江特大桥现场施工工程背景，针对施工中所用到的吊架，基于结构力学原理建立了桁架模型，并通过结构力学分析，对结构的形式进行了改进设计，提出了一种较为优化的吊架模型，算例分析表明，所优化的吊架在实际工程中是可行的。

斜拉桥，施工，吊架设计，优化分析

0 引言

望谟至安龙高速公路第四合同段北盘江特大桥位于望谟县与册享县交界横跨北盘江，大桥全长为817.5 m，合同工期36个月。桥梁为整体式(不分幅)，主桥桥宽24.1 m，全桥孔跨布置为(3×30+150+328+150+3×30)m预应力混凝土现浇箱梁+预应力混凝土斜拉桥(主桥)+预应力混凝土现浇箱梁。两个索塔为折H型索塔，4号主塔总高度为190.4 m，5号主塔总高度为187.9 m。主桥为上构主梁为边主梁断面形式，每个节段主梁均为2.5 m高，梁顶全宽24.1 m，边肋为带底板翼缘截面，边肋实体截面宽度分别为3.05 m，3.8 m，4.35 m，顶板厚度0.32 m，主梁顶设双向2%横坡。主梁与主塔连接处在主梁悬浇过程中临时固结，合桥合龙后拆除固结。0号节段长17 m，1号～10号节段长7 m，11号～22号节段长5.5 m，每个主塔需要90根斜拉索，两个主塔共计180根斜拉索。塔吊吊起1号～5号块的斜拉索，剩余的6号～22号块的斜拉索都需要吊架起吊。

1 原有吊架的工作原理及不足

通过对现场吊架的观察以及与工人、技术员、主管之间的交流使我对吊架有了很深的认识。由于该工程所使用的塔吊只能起吊4 t以下的重物，而吊车(31.7 t)和4 t以上的斜拉索塔吊无法完成。因此需要一种起吊能力强的、便于拆装的、简单操作的提升装置——吊架。

1.1 原有吊架的结构形式及工作机理

原有吊架主桁架系统主要采用工字钢32号，20号，10号，连接采用焊接；提升系统：采用4台液压连续提升千斤顶和两台智能油泵；移动系统：滑道采用工字钢卡在钢轨上。设计比较笨重，桁架总重31.826 t。原有桁架和滑道设计如图1，图2所示。

上述吊架的工作机理大致为：1)固定吊架轨道，并在轨道上涂抹黄油(润滑油)；2)用穿心式液压千斤顶、JL32精轧螺纹钢筋、螺母等把吊架移动到合适位置；3)主桁架上部前后左右对称分布4台液压连续提升千斤顶；4)每台提升千斤顶通过3根钢绞线与吊车相连；5)4台提升千斤顶同时提升，使吊车保持水平；6)将吊车提升到与桥面水平时吊架后移，缓慢放下吊车。

1.2 原有吊架的结构存在的不足

1)吊架结构复杂，质量大；2)连接全部采用焊接，拆装不便；3)滑道设计不合理，黄油易脱落；4)表面未做任何处理，桁架已经锈蚀；5)上部没有明显的操作平台及防护措施。

2 吊架结构的改进与优化

2.1 吊架结构的改进设计

吊架设计基本原则应是结构简单、受力明确、不易变形、操作简单、便于拆装、循环利用、自重轻。

针对原有吊架存在的不足进行改进和优化：1)吊架采用菱形结构，材料用16Mn钢，强度高质量轻；2)主桁架采用螺栓连接附属部分采用销子连接，拆装方便；3)滑道设计是并排的钢轨(两端翘起)放在带槽的滑道里，滑道平整且涂满黄油；4)吊架表面涂上油漆防止锈蚀；5)吊架安装扶梯和护栏，并涂写警示标语。

考虑主桥的结构参数，主桥为上构主梁为边主梁断面形式，每个节段主梁均为2.5 m高，梁顶全宽24.1 m，边肋为带底板翼缘截面，边肋实体截面宽度分别为3.05 m，3.8 m，4.35 m，顶板厚度0.32 m，主梁顶设双向2%横坡。主梁与主塔连接处在主梁悬浇过程中临时固结，合桥合龙后拆除固结。综合该桥的施工现状，依据规范，考虑设计荷载为：吊车重量取50 t(实际31.7 t)；风荷载取600 Pa。荷载组合为吊车自重+冲击附加系数+风荷载(行走稳定)，荷载参数中，超载系数取1.01；吊架滑动时冲击系数取1.1；16Mn钢容许轴向应力取1.2[σ]=240 MPa；A3钢容许弯曲应力取1.3[σ]=188.5 MPa；其他钢材容许应力W按JTJ 025—86公路桥梁钢结构及木结构设计规范表1.2.5规定值取用。

考虑到荷载的传递为重物→钢绞线→提升系统→主桁架，可选取相关的材料，吊架主桁架和前后横梁采用16Mn钢,销子采用45号钢,纵梁使用贝雷架、托梁、分配梁等采用组合型钢(A3),吊带采用 32 mm精轧螺纹钢。

参考规范给定的技术指标，吊架与最大提升重物质量比0.36(规范0.3～0.5);自锚安全系数1.6;抗倾覆稳定系数2.7;主桁最大挠度17 mm(规范≤20 mm)。

吊架主要由主桁架系统、提升系统、移动系统三部分组成。主桁架由2片菱形桁架构成,是吊架的主要承重结构，连接方式采用螺栓连接。桁架和横梁采用销子连接，其余附属部分采用焊接或螺栓连接。为了更好地满足施工要求，特地设计出两套提升系统。第一套提升系统采用4台液压连续提升千斤顶和4台智能油泵，优点：提升能力强、稳定；缺点：速度慢。设备如图3所示。

第二套提升系统采用一台大型卷扬机，优点：提升速度快；缺点：提升能力有限。设备如图4所示。

移动系统针对两套提升系统设计出相应两套系统。第一套移动系统与第一套提升系统配套，适用于提升重大机械(吊车，重31.7 t)。采用主桁架底部安装滑道，使主桁架和提升系统在滑道上平稳移动。滑道如图5所示。

第二套移动系统与第二套提升系统配套，适用于提升中长度斜拉索。采用主桁架顶部安装轨道，使上部的提升系统卷扬机平稳移动。轨道如图6所示。

吊架组装工序有两种，第一种工序：滑道安装、锚固→主桁架安装→前后横梁安装→后锚安装→配重安装→第一套提升系统安装→调试。第二种工序：主桁架安装→前后横梁安装→配重安装→后锚安装→轨道安装→第二套提升系统安装→调试(配重：采用1.6 m×1.6 m×1.0 m的钢筋混凝土块6个)。

在吊架组装完毕后,初次使用前对其进行荷载试验,以检验吊架的承载能力和了解吊架的施工挠度。 试验可采用：1)采用吊装不同重量的斜拉索或成捆的钢筋进行施加；2)加载采用超载预压，超载系数1.1，偏载系数1.1；3)分级加载：0%，30%，60%，100%，120%，50%，0%。挠度观测：在主桁架、前后横梁等处布设测点,做好标记；在加载和卸载的过程中及时观测并做记录；在加载、提升过程中应注意检查吊架各个部位，如发现异常应马上停止加载,进行处理；根据测量数据进行统计分析,得出吊架施工挠度。

根据吊架荷载试验得出：主桁架平均挠度为16.7 mm。符合设计挠度(17 mm)。

2.2 基于结构力学分析的方案优化

优化方案是将菱形挂篮与原有吊架重新组合、取长补短，使吊架适应性强、结构简单、循环利用。优化后的方案主桁架成菱形，吊架总重量18 t。吊架设计提升最大重量50 t，平均分配给4个液压连续提升千斤顶，每个千斤顶所受荷载12.5 t，该荷载可视为集中荷载。

2.3 算例分析

吊架与最大提升重物质量比，原有吊架：总重31.826 t；优化吊架：18.000 t。

设计最大提升重物重50 t，技术指标规范：吊架与最大提升重物质量比0.3～0.5。

原有吊架与最大提升重物质量比为31.826/50=0.64。

优化吊架与最大提升重物质量比为18/50=0.36。

由此可见优化吊架设计自重更轻、更合理、更科学。

吊架拆装成本分析，原有吊架：结构复杂且全部采用焊接，拆卸需要3名电焊工工作2 d，组装需要5名电焊工工作2 d。优化吊架：结构简单且主要采用螺栓连接或销子连接，拆卸需要3名普通工工作1 d，组装需要3名普通工工作1 d。假设电焊工人工资200元/d，普通工人工资150元/d。则吊架拆卸组装成本：原有吊架3 200元，优化吊架900元。由此可见优化吊架结构简单、便于拆装、拆装成本低。

吊架适应性强。提升速度：提升系统中的卷扬机采用JK/JM-25 t卷扬机，常用规格有9 m/min，12 m/min，16 m/min等速度；液压连续提升千斤顶可实现提升速度0 m/h～25 m/h，系统控制采用PLC，提升与下降同步精度±10 mm。以上为常规配置，可根据用户的要求进行设计、修改、制造。下部塔墩高：4号墩63.5 m，5号墩61 m；提升时间：卷扬机(第二套提升系统)3 min～7 min，液压连续提升千斤顶(第一套提升系统)3 h～5 h；提升质量范围：塔吊0 t～4 t，卷扬机4 t～25 t，千斤顶25 t～50 t。现场施工时根据具体情况选择合适的提升系统。

3 结语

本文结合在建贵州省北盘江特大桥斜拉桥的设计与施工，对于原有吊架的设计进行全方位分析。根据吊架设计原则及规范对于原有吊架优化设计，主要得出以下结论：吊架优化方案结构简单、受力明确、方便拆装、循环使用率高、起吊能力强、适应性强。

[1] 赵青山.菱形挂篮的研制及应用[J].施工技术，1994(3):21-26.

[2] 蒋太安.斜拉组合式挂篮的研制[J].桥梁建设,1996(4):23-26.

[3] 平复强,杨世福.滑动斜拉式挂篮的设计与施工[J].桥梁建设,1989(4):10-20.

[4] 王武勤.PC桥梁悬臂灌注施工挂篮的发展[J].桥梁建设,1997(4):38-42.

[5] 林元培.斜拉桥[M].北京:人民交通出版社,2001.

Optimized analysis on the suspension bracket in the process of the large cable-stayed bridge★

Zhou Junbo1Xiang Xuejian2Shi Guosong1Dong Jun3

(1.HaibinCollege,BeijingJiaotongUniversity,Huanghua061199,China;
2.ResearchInstituteofHighway,MinistryofCommunication,Beijing100088,China;
3.BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,Beijing100044,China)

This paper takes Beipanjiang bridge as example, which is now under construction. The paper, according to the suspension bracket used in the construction, builds a truss model based on structural mechanics principle and revises the design of its structure forms on the basis of structural mechanics analysis and builds a kind of more optimized suspension bracket model. Analysis of examples shows that the optimized suspension bracket is feasible in practical engineering.

cable-stayed bridge， construction， design of suspension bracket， optimization analysis

2015-04-06★：交通运输部西部交通科技建设项目；北京交通大学海滨学院应用技术型大学土木工程专业培养模式改革探讨校级重点科研项目；北京交通大学海滨学院力学系列课程教学团队建设项目

周俊波(1989- )，男，在读本科生； 向学建(1970- )，男，高级工程师； 时国松(1981- )，男，硕士，讲师； 董 军(1967- )，男，博士后，教授

1009-6825(2015)17-0146-03

U448.27

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