外悬挂附着式塔机对桥塔线形影响分析

蔡 俊，王广涛，程相伟，张清相，张 群

（1.济南万天机械设备有限公司，山东 济南 250000；2.福士汽车零部件（济南）有限公司，山东 济南 250000；3.山东中诚机械租赁有限公司，山东 济南 250000）

随着社会的不断进步，城市建设的不断深入发展，各种不同形式的桥梁不断涌现，对起重机械的要求也越来越高；随着桥塔高度不断刷新记录，塔机型号及塔机安装高度也在刷新纪录；随着桥塔施工工艺的不断改进，塔机的安装形式也在不断革新。

本文结合工程实例对塔机外悬挂附着设计进行阐述，并采用Midas 软件就外悬挂附着塔机对桥塔的线形影响进行了研究分析。

1 工程概况

G220 济青高速公路凤凰路黄河大桥项目长3348m，跨黄河大桥主桥为三塔（钢塔）自锚式悬索桥。

为了桥塔安装合拢及挂锁工序，需要在3 个桥塔上分别安装1 台塔机，本文论述的250tm 塔机安装于桥塔，桥塔顶标高+141.1m，桥面标高+60.22m，泥面线标高28.43m。

2 工程难点

根据工序需要，在桥塔双肢未合拢前就需要安装塔机，此时桥塔机装基本完毕，但未安装顶部连接梁（SH 节段），钢箱梁桥面已经安装到位。由于钢箱梁桥面结构原因，不宜设置固定式基础，同时桥塔高度已经超过塔机独立高度，故该处采用了外悬挂基础加附着形式进行安装（图1）。

图1 塔机安装示意图

为保证塔机的安全安装使用，塔机外悬挂结构的设计及附着连接承载力计算成为本次工程的主要问题。该桥塔为钢结构塔柱，外载荷作用下，会对桥塔线形产生影响，桥塔线形对桥塔左右幅的合拢及成桥后桥塔受力会产生很大影响，因此外悬挂结构及附着产生的载荷对桥塔的线形影响成为本工程的新问题。

3 外悬挂附着结构设计方案

3.1 外悬挂结构设计方案

塔机底部外悬挂结构连接位于主塔T2 节段（设计分段）位置处，外悬挂结构采用三角桁架形式，塔机安装在外悬挂支腿上，支腿与钢塔焊接（图2）。支腿采用双拼工字钢形式，单个工字钢截面尺寸为300×588×12×10mm，支腿与钢塔焊接位置处设置10mm 厚的肋板。

图2 总体布置形式

3.2 附着结构设计方案

塔机第一道附着连接位于主塔T9 节段（设计分段）位置处，塔机第二道附着连接位于主塔T13 节段（设计分段）位置处。

附着结构采用抽拉可变长度撑杆，与现有普通撑杆相比，对现场尺寸的容错率更高，安装过程简单方便，施工成本低，外部简洁美观。

第一道附着布置如图3 所示，第二道附着布置如图4 所示。

图3 第一道附着

图4 第二道附着

4 桥塔受力及线形影响分析

通过利用MIDAS fea 建立桥塔模型，底部设置为全部固结，钢塔与塔机连接位置处采用主从刚性连接进行模拟，刚性连接范围根据塔机与主塔连接支座尺寸设置，在外悬挂支腿主节点位置施加最不利节点载荷，在附着节点处施加附着载荷。分别对桥塔在桥塔安装完成、主缆架设完成、吊索张拉完成、成桥共4 个阶段进行验算。

仿真结果给出了各单元节点在考虑塔机外荷载作用下桥塔应力、桥塔各方向位移以及与理论状态的差异。数据量较大，本文仅以桥塔安装完成阶段为例进行部分数据列举。

4.1 桥塔安装完成阶段

桥塔各单元应力及左右幅应力差如表1所示。

表1 桥塔应力 （单位：MPa）

桥塔各节点位移及考虑塔机荷载作用下前后位移差值如表2 所示。

表2 桥塔位移 （单位：mm）

此阶段，桥塔最大应力为10.195MPa，最小应力为-1.673MPa，左右幅桥塔应力最大差值为2.373MPa；桥塔纵向位移与理论状态最大差值为3.620mm，左右幅桥塔最大纵向位移差值为0.126mm，桥塔横向位移与理论状态最大差值为1.107mm，左右幅桥塔最大横向位移差值为2.368mm。

4.2 主缆架设完成阶段

此阶段，桥塔最大应力为66.817MPa，最小应力为-29.653MPa，左右幅桥塔应力最大差值为1.930MPa；桥塔纵向位移与理论状态最大差值为2.654mm，左右幅桥塔最大纵向位移差值为0.125mm，桥塔横向位移与理论状态最大差值为1.092mm，左右幅桥塔最大横向位移差值为1.019mm。

4.3 吊索张拉完成阶段

此阶段，桥塔最大应力为125.424MPa，最小应力为-20.838MPa，左右幅桥塔应力最大差值为2.600MPa；桥塔纵向位移与理论状态最大差值为4.079mm，左右幅桥塔最大纵向位移差值为0.094mm，桥塔横向位移与理论状态最大差值为1.101mm，左右幅桥塔最大横向位移差值为1.063mm。

4.4 成桥阶段

此阶段，桥塔最大应力为93.078MPa，最小应力为22.318MPa，左右幅桥塔应力最大差值为4.264MPa；桥塔纵向位移与理论状态最大差值为4.394mm，左右幅桥塔最大纵向位移差值为0.090mm，桥塔横向位移与理论状态最大差值为1.109mm，左右幅桥塔最大横向位移差值为2.655mm。

5 结论

1）以上计算结果显示，外悬挂结构自身应力及位移满足塔机安全使用要求；在塔机外载荷作用下，桥塔应力满足要求。

2）桥塔最大纵向位移阶段为成桥阶段，纵向位移与理论状态最大差值为4.393mm，最大横向位移阶段为成桥阶段，纵向位移与理论状态最大差值为1.109mm，左右幅桥塔最大纵向位移差为桥塔安装完成阶段，左右幅桥塔最大纵向位移差为0.126mm，左右幅桥塔最大横向位移差阶段为成桥阶段阶段，左右幅桥塔最大横向位移差为2.655mm。

综上，外悬挂附着塔机成桥阶段对桥塔的线形影响相对较大，但偏差均小于5mm，远优于控制目标1/4 000，说明该塔机外悬挂附着模式对桥塔线形影响很小，在施工过程中可不考虑。

6 结语

经过该工程实例的分析，塔机外悬挂附着模式对桥塔的线形的整体影响很小，对该桥塔施工影响可以忽略。但考虑桥塔线形还受钢塔节加工精度，施工工艺方法，温度等条件的影响，为了更好地控制桥塔线形，继续弱化塔机外载荷的影响，在桥塔施工各工序过程中，对塔机施工工艺进行了优化。塔机施工作业完毕，将塔机进行了配平处理，有效降低塔机外载荷，从而达到进一步优化桥塔线形的目的。

该工程实例的成功应用，对桥塔线形的影响分析，只是基于该工程应用的同型号及以下型号塔机，为之后类似工程项目提供借鉴经验。对于更大型号塔机应用案例或者工作工况更为恶劣的案例还需要进一步的理论与实际验证。