万吨米级塔式起重机附墙预埋件方案比选及工艺研究*

付 甦,邓松涛,徐安祺,黄凤达,王文龙

(1.中交第二航务工程局有限公司,湖北 武汉 430040;2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室,湖北 武汉 430040;3.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心,湖北 武汉 430040)

0 引言

塔式起重机作为最常见的施工设备,通过附着杆及预埋件与混凝土结构协同工作[1]。随着我国工程建设能力的提升,桥梁建设中的新结构、新工艺不断涌现,对塔式起重机的起重能力有了更高要求[2],世界首座万吨米级的塔式起重机应运而生。随着起吊能力的提升,塔式起重机附墙预埋件的荷载也是呈几何倍数增长,传统的预埋件形式已不能很好地适应塔式起重机的工作要求。由此,对万吨米级的塔式起重机附墙预埋件设计展开了方案比选及其工艺研究。

1 工程概况及难点

新建巢湖—马鞍山高速铁路全线位于安徽省境内,马鞍山公铁两用长江大桥作为过江通道,是其控制性工程。主桥为巢马铁路、预留铁路及城市快速路多通道结合的(112+392+2×1 120+392+112)m三塔钢桁梁公铁两用斜拉桥,跨江段总长9.799km,是世界最大跨度三塔斜拉桥。

Z5号塔为三塔斜拉桥的边主塔,高306m,横桥向为A形,纵桥向为I形,中下塔柱为混凝土塔,上塔柱为钢塔。钢塔柱采取分节起吊,针对钢塔起吊设计了世界首座万吨米级塔式起重机,其平面布置如图1 所示。

图1 塔式起重机附墙平面布置

塔式起重机附墙预埋件设计难点为:①荷载大 钢塔单节吊重最大达400t,导致预埋件的荷载也是普通塔式起重机预埋件的数倍;②安装角度受限 由于塔式起重机与塔柱的相对角度较小,导致部分预埋件剪力过大;③附着空间有限 塔肢尺寸小,不可通过明显增大预埋件尺寸来提高预埋件的承载力。

2 预埋件比选设计

该塔式起重机共设置4道附墙,选取1个具有代表性的预埋件进行比选设计,该预埋件的反力设计值分别为:V=5 107kN,N=4 726kN,M=2 656kN·m。

2.1 锚筋式预埋件

在传统工程建设中[3-4],预埋件多采用锚板与锚筋焊接组成,整体埋入主体结构,如图2所示。按锚筋式预埋件进行设计,取直径d=36mm的HRB400钢筋进行埋设,锚板采用30mm厚钢板,暂取沿剪力作用方向最外层锚筋中心线间的间距为 2 000mm, 按GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015年版)中第9.7.2节对预埋件进行计算。

图2 锚筋式预埋件

(1)

As≥87 979mm2,A′s≥35 290mm2

根据计算结果,至少需87根锚筋。故选用90根锚筋,按受剪方向布设10根锚筋,每根锚筋间距≥6d(d为锚筋直径),共设置9层锚筋,每层间距≥3d。 故锚板尺寸至少为2 200mm×1 100mm,尺寸过大存在安装困难问题。

2.2 爬锥式预埋件

爬锥式预埋件由锚板、爬锥、高强螺栓、高强螺杆、锚件板等构件组成[5-7]。相较于锚筋式预埋件,其受力由爬锥式预埋件系统综合承受,由爬锥将剪力传递至混凝土结构,高强螺杆受拉、受剪的同时将拉力传递至锚件板,使预埋件形成有效的机械连接。该形式预埋件具有可拆装、可重复使用、施工质量高等特点。

图3 爬锥式预埋件

每个螺栓所承受的剪力为:

Nv=V/n=146kN

高强螺栓实际受力工况验算根据《钢结构设计手册》验算:

以混凝土破坏为标准验算单个锚件板的抗拔力F是否满足要求,根据《建筑施工计算手册》,混凝土按椎体破坏计算预埋件的锚固强度。破坏椎体母线与水平面夹角一般按45°计算,锚固深度h为400mm,锚件板边长为100mm,F按下式进行计算:

506kN>304kN

同样,通过验算爬锥周围的混凝土局部承压来确保剪力能有效传递给混凝土结构,根据《混凝土结构设计规范》计算局部受压承载力如下式:

135βcβlfcAln=570kN>146kN

2.3 盒子式预埋件

盒子式预埋件常用于牛腿与主体结构的连接[8],但常规盒子式预埋件仅能承受竖向剪力,且承载力有限,因此对盒子式预埋件进行了改良设计。由3块水平向的钢板承受剪力,由精轧螺纹钢筋承受拉力,通过板材焊接组成钢箱承受弯矩,受力更为明确,承载力也有了明显提高,如图4所示。

图4 盒子式预埋件

单根精轧螺纹钢筋的极限抗拉承载力设计值为:

N1=619kN

埋件采用16根φ32精轧螺纹钢筋对拉,承载力设计值为16N1=9 904kN>4 726kN。

盒子抗剪强度为:

盒子抗弯强度为:

腹板边缘的折算应力为:

可看出,盒子式预埋件承载力具有较大富余量,能很好地适应大荷载的设计要求。但是,该类埋件需预先将钢盒埋入设计位置,同时为精轧螺纹钢筋预留张拉孔道。在预埋钢盒时,存在与桥塔主筋冲突的情况,需打断钢筋,再对打断处做补强处理,保证桥塔结构不被削弱。待桥塔浇筑完成后,将侧板与水平板装配就位,通过焊接形成完整钢箱,随后张拉精轧螺纹钢筋。该预埋件工艺较复杂,且需进行高空焊接,有一定操作难度。

2.4 销棒式预埋件

结合爬锥式预埋件高强螺栓受拉及盒子式预埋件受力分离的思路,创新性地设计了销棒式预埋件[9-10]。该预埋件以钢销棒承受剪力,由高强螺栓承受拉力与弯矩,受力机理明确,且有效避免了对桥塔钢筋的干扰。

如图5所示,10.9级高强螺杆的抗拉强度设计值为500MPa,M48高强螺杆有效直径按43.31mm考虑,单根最大拉力设计值为:

图5 销棒式预埋件

N=736kN

选用材料为40Cr、直径为100mm的钢棒作为抗剪结构,钢销棒抗剪强度设计值为245MPa,单根钢销棒设计值为:

V=1 443kN

高强螺栓的承载力计算如下式:

按GB 50017—2017《钢结构设计标准》中第11.4.5节,钢销棒的剪力设计值需乘以不均匀系数1.43,最大剪力为5 107×1.43=7 303kN,预埋件剪力设计值:7 303<6V=8 658kN。该预埋件承载力符合设计要求,且该预埋件方便施工,后期易拆除,很好地满足了大荷载预埋件的设计要求。

3 预埋件方案比选

通过对比设计了4种结构形式的附墙预埋件,可看出,就同一荷载情况下不同类型预埋件的特点。为了更加直观系统地分析4种预埋件,将其进行了对比分析,如表1所示。

表1 预埋件结构形式对比

通过综合对比,4类附墙预埋件的受力特点、优劣及适用范围都有了一个清晰的界定。结合万吨米级塔式起重机附墙埋件的设计要求,销棒式预埋件设计更合理。

4 预埋件施工工艺

销棒式预埋件是为满足万吨米级塔式起重机附墙预埋件以抗剪为主的设计要求,基于抗剪、抗拉弯分离的设计思路,创新性地设计的预埋件结构。为保证预埋件施工阶段达到设计要求,对其施工工艺进行了相关要求。

4.1 施工流程

在桥塔施工时,预埋φ60×3.5,φ114×6.5无缝钢管作为塔端预埋件钢销棒及高强螺杆的预留孔(保持水平)。预埋件设置定位板定位,定位板开孔穿钢管,为严格控制钢管的安装精度,钢管靠近内腔侧,现场需设置角钢将定位板与钢管连接起来,定位板与桥塔钢筋焊接牢固便可精准定位钢管。塔柱混凝土浇筑前预埋钢管用透明胶带封堵,防止水泥浆堵塞管口。

混凝土浇筑时,需特别注意预留孔四周和孔口混凝土的振捣质量。为保证局部混凝土的抗压强度,布设钢筋网片进行补强。待浇筑完成后,对预留孔进行测量,将实际测量结果用于预埋件座板开孔,确保预埋件与预留孔匹配。

安装预埋件结构时,将钢销棒穿过座板后穿入预留孔,高强螺杆穿过预留孔在塔壁内侧固定。高强螺杆需进行预拉,预拉力需大于单根螺杆承受的最大拉力设计值,保证预埋件不会在受载后松动。为防止螺栓处局部应力过大,加设垫板将力扩散。

预埋件安装完成后,需采用灌浆料对钢销棒预留孔间隙进行压浆处理,灌浆料强度等级为M50。在灌浆料强度未达到设计要求时,为保证预埋件底部浆体处于不受力状态,附着杆暂时不与耳板连接。

4.2 塔式起重机防风措施

为保证预埋件在出现罕见大风工况下的结构安全,需采取以下措施:①当出现10级大风时,需加设附着装置或加设1组缆风绳;②当出现11级大风时,应最大限度降低塔式起重机高度,并保证塔式起重机前后臂自由转动,加设附着装置或加设2组缆风绳;③当出现12级以上大风时,为减小塔式起重机悬臂段风荷载力臂,需将塔式起重机的外套架降至最上面一道附着装置以上,并采取增设附着或缆风绳措施。

5 结语

1)锚筋式预埋件结构简单,造价低廉,适用于小荷载预埋件,当剪力<500kN时优选;爬锥式预埋件安装精度高,可拆卸,可周转使用,适用于较大荷载预埋件,当剪力在500～1 500kN时优选;盒子式预埋件整体性好,结构具有多变性,适用于大荷载预埋件,当剪力在5 000kN以上时优选;销棒式预埋件施工便捷,受力明确,适用于大荷载预埋件,当剪力在1 500～5 000kN时优选。

2)销棒式预埋件的有效工作必须依托预埋件在每个工艺流程上的精准施工,预留孔与预埋件精准匹配是保证该设计可实施的基本要求,高强螺杆的预拉保证了预埋件的正常工作,钢销棒预留孔的压浆处理保证了钢销棒有效传递剪力。

3)通过对万吨米级塔式起重机的代表性预埋件进行设计,系统性地介绍了锚筋式、爬锥式、盒子式及销棒式4种形式预埋件的设计计算方法,对其安全使用的条件进行了阐述,可为各类结构的预埋件设计提供参考。