深中通道多功能悬臂门架结构设计与应用

宋恩荣 周 鹏 董奇峰

1中交二航局第二工程有限公司 重庆 400000 2中交第二航务工程局有限公司 武汉 430040

3长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室 武汉 430040

4交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心 武汉 430040

5 中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司 武汉 430040

0 引言

悬索桥因其跨越能力强、受力性能好、外形美观等特点被广泛应用，在桥梁工程中占据不可动摇的地位[1,2]。悬索桥一般由桥塔、锚碇、索鞍、缆载起重机系统等主要部分组成，其中，锚碇开挖、索鞍吊装、缆载起重机安装均需配备专用临时结构进行施工。

虎门二桥坭洲水道桥东锚碇基础深处位置施工采用塔吊、履带起重机吊斗综合开挖取土作业[3]，主索鞍吊装采用塔顶门架系统进行施工作业[4]，大沙水道桥缆载起重机安装则采用塔顶塔式起重机进行吊装拼接。普利特大桥索鞍吊装采用塔式起重机进行施工作业，缆载起重机采用安装平台、跑车及起吊系统进行吊装[5]。润扬大桥施工中锚碇开挖和索鞍吊装各有专用门架进行相应作业[6]，澧水特大桥则考虑将索鞍吊装门架及缆索吊塔架进行一体化设计[7]。

在一般悬索桥施工中，锚碇开挖、索鞍吊装和缆载起重机安装均需配备专门设备进行对应的施工作业，设备功能单一且所需种类较多。因此，研发一款集锚碇开挖、吊装主散索鞍、安装缆载起重机功能于一体的多功能门架对施工装备，实现一机多用、作业功能多元化技术的推进有着重要意义。

1 工程概况

深中通道东接机荷高速跨越珠江口，西至中山马鞍岛，与中开、东部外环高速对接，实现在深圳、中山及广州南沙登陆，为国家“十三五”重大工程项目[8]。该项目全长约24.03 km，跨海段长22.39 km，采用100 km/h设计速度、双向八车道高速公路技术标准，为集桥、岛、隧、地下互通为一体的系统集群工程。深中通道伶仃洋大桥为580 m+1 666 m+580 m 的3跨全漂浮体系，索塔为门形结构，锚碇基础为八字形地下连续墙+内衬的结构。深中通道伶仃洋大桥临时结构装置的工况有：

1）锚碇基础开挖量大 东锚碇基础为世界首个海中锚碇，地连墙直径为2×65 m，厚度为1.5 m，嵌入中风化花岗岩层5 m。锚碇基础顶标高为+3.0 m，底标高为-39.0 m，开挖深度为42 m，开挖总方量达23万方。

2）塔高索鞍重 深中通道伶仃洋大桥塔高270 m，桥面高达91 m，其主索鞍总质量为130 t（含吊具），散索鞍总质量为170 t（含吊具）。

3）缆载起重机安装困难 伶仃洋大桥主孔跨经达1 666 m，为海中跨钢箱梁悬索桥，最大索夹尺寸为4 210 mm×138.5 mm，缆载起重机行走机构长，安装困难。

深中通道伶仃洋大桥施工对锚碇基础开挖、索鞍吊装、缆载起重机安装相应的配套临时结构的结构载重能力、使用寿命有极高要求，故设计合理的临时结构成为该项目成功施工的关键。

2 多功能悬臂门架总体设计方案

2.1 功能需求分析

1）锚碇基础开挖 锚碇基础前期采用挖掘机配合自卸车开挖，当开挖深度大于挖掘机的臂长时，可采用履带吊配合渣斗进行开挖，也可采取悬臂门架配合渣斗开挖。

2）主散索鞍安装 主索鞍常规起重设备无法安装，考虑使用悬臂门架吊装。散索鞍位于锚体上方，安装高度为48 m，若采用履带起重机吊装需选用1 000 t以上履带起重机，经济性较差，且地基承载力也无法满足要求，需地基处理，同主索鞍一并考虑悬臂门架吊装。

3）缆载起重机安装 主缆最低点为伶仃洋航道，该航道过往船舶众多，据智慧海事统计，每日过往船舶数量达700艘次以上，单台缆载起重机安装周期约5 d，无法实现封航，所以选择最高点安装，由于最高点高度为270 m，考虑使用悬臂门架吊装安装。

上述3种传统施工方式各有优缺点，其对比情况如表1所示。基于对传统锚碇基础开挖、缆载起重机安装和主散索鞍安装施工方式的优缺点分析，综合考虑设计一款可适用于上述3种施工工况的多功能悬臂门架。该门架采用装配式拼装，可在不同施工阶段通过不同组装形式实现施工装备的一机多用，达到节约成本、提高功效的作用。

表1 传统施工工艺优缺点对比情况

2.2 门架的应用方法与施工流程

1）在锚碇基础开挖中的应用

锚碇基础开挖使用的悬臂门架，在门架顶安装轨道及移动起重机，利用起重机的卷扬机吊装渣斗配合自卸车出渣。自卸车直接开到门架下方，渣斗从基坑下方装满渣土后吊装至基坑上方，直接卸在自卸车内。考虑总的出土量以及门架出土速度，拟定加工4台出土门架，每个基坑布置2台出土门架，渣斗与自卸车配套，拟采用20方的自卸车，加工18方的渣斗配套使用。在使用中应充分考虑自卸车进出的方向、渣斗的长宽方向以及悬臂门架门柱与渣斗的间距；在选择卷扬机型号和渣斗开关门方式时，应充分考虑出渣量。

2）在主散索鞍安装中的应用

①主索鞍安装 深中通道伶仃洋大桥主索鞍为2件，上下游各1件，为减轻吊装运输质量，将鞍体一分为二吊至塔顶后用高强螺栓拼接。拟采用悬臂门架吊装，在门架顶安装滑板基础，采用连续千斤顶配合钢绞线提升，提升到位后采用滑板配合手拉葫芦移动。由于主索鞍上下游各一件，故需在塔顶上下游各安装1套悬臂门架。

②散索鞍安装 深中通道伶仃洋大桥散索鞍为2件，上下游各1件，由于散索鞍无法分隔，采用整体吊装。拟采用悬臂门架吊装，在门架顶安装滑板基础，采用连续千斤顶配合钢绞线提升，提升到位后采用滑板配合手拉葫芦移动。由于散索鞍上下游各一件，故需在锚体上下游各安装1套悬臂门架。

3）在缆载起重机安装中的应用

深中通道伶仃洋大桥钢箱梁拟采用2台最大起重能力为1 000 t的缆载起重机安装，在中跨、边跨各布置1台。在塔顶上下游各布置1套悬臂门架，两端对称悬臂，采用2套悬臂门架分别吊装行走机构，共同抬吊钢桁架。由于缆载起重机行走机构安装需要荡移，所以悬臂门架顶采用2套卷扬机系统进行布置。

综上所述，结合3种使用工况，共需设计加工4套多功能悬臂门架，使用顺序为：①2套多功能悬臂门架用于锚碇基础开挖，然后用于塔顶安装主索鞍，最后在塔顶安装缆载起重机；②2套多功能悬臂门架用于锚碇基础开挖，然后用于锚体安装散索鞍。

3 多功能悬臂门架结构设计

3.1 设计方案

结合应用方法和使用流程，提出装配式可拆卸可周转设计理念，对多功能悬臂门架结构进行设计，塔下和塔上门架结构设计形式如图1和图2所示。其中，图1所示悬臂门架结构适用于锚碇基础开挖使用，主要包括主梁、支腿、支撑杆、横梁、斜撑杆等构成。当需要周转至塔上其他功能使用时，只需增加主梁长度，同时添加支撑杆、起重梁，即可满足在索鞍安装和缆载起重机安装中的临时结构构形（见图2），多功能悬臂门架塔下结构尺寸（长×宽×高）为21 600 mm×8 807 mm×12 000 mm，多功能悬臂门架塔上结构尺寸（长×宽×高）为39 500 mm×8 807 mm×12 000 mm。

图1 多功能悬臂塔下门架结构

图2 多功能悬臂塔上门架结构

3.2 结构计算

1）设计计算工况

综合考虑多功能悬臂门架在使用过程中所涉及的工况和载荷，塔下门架分为2种工况进行计算，塔上门架分为4种工况进行计算，具体设计计算工况见表2。其中，台风期不进行作业，为工程空窗期。

表2 门架设计计算工况

2）门架结构仿真计算

根据多功能悬臂门架的特点，在MIDAS/Civil环境下建立模型并进行有限元仿真计算，塔下门架结构如图3所示，塔上门架结构如图4所示。

图3 多功能悬臂塔下门架结构

图4 多功能悬臂塔上门架结构

多功能悬臂门架模型各结构件均选取与实际设计材质、尺寸相同的参数(材料为Q235，弹性模量为2.1×105MPa，密度ρ＝7.85×103，泊松比μ＝0.3)，按照实际工况对其施加边界条件和载荷并进行仿真计算，分析对应工况下的结构受力是否满足规范设计要求。在载荷计算中，自重载荷包括塔下结构自重G1、塔上结构自重G2，按结构实际质量计算，g＝9.8 m/s2；渣斗及渣土质量G3取值500 000 N；主索鞍质量G4取值1 350 000 N；散索鞍质量G5取值1 700 000 N；缆载起重机质量G6取值510 000 N；风载荷计算公式可表示为

式中：FH为作用于主梁单位长度上的风载荷；ρ为空气密度，取1.25 kN/m3；Vg为静阵风风速，设计基本风速塔下取值20.7 m/s，塔上取30.1 m/s，设计台风风速塔下取值44.7 m/s，塔上取64.8 m/s；CH为主梁阻力系数，取1.3；H为主梁投影高度。

另外，吊装荷载按最不利位置施加，风荷载考虑顺主梁方向和垂直主梁方向施加，考虑正常工作工况以及台风工况，其中台风工况需临时对结构作加强处理。取最不利计算结果，支腿底部考虑为固结，材料自重由软件计入。

通过仿真计算得到各工况计算结果如表3所示。其中，塔下结构最大应力为134.6 MPa，出现在锚碇开挖工况中；最大位移为47.6mm，出现在空窗期；仿真结果如图5、图6所示，均在设计参考范围以内。塔上结构最大应力为156.2 MPa，出现在空窗期；最大位移为38.5mm，同样出现在空窗期；仿真结果如图7、图8所示，均在设计参考范围以内。仿真计算结果表明，多功能悬臂门架结构强度、刚度均合格，且安全可靠。

图5 塔下最大应力仿真结果

图6 塔下最大位移仿真结果

图7 塔上最大应力仿真结果

图8 塔上最大位移仿真结果

表3 门架仿真计算结果

3.3 门架应用情况

截止到2021年7月，多功能悬臂门架已经在锚碇基础开挖中成功应用并改装完成，如图9所示。4台出土门架与1台伸缩臂挖机的组合式出土效率超过2 000 m3/d，监测得到的结构最大应力为79.6 MPa，远小于设计值。在后续上部结构施工中，该悬臂门架还将在索鞍和缆载起重机安装中进行改装应用。

图9 多功能悬臂门架在锚碇基础开挖的应用

4 结论

本文针对深中通道伶仃洋大桥施工所面临的锚碇基础开挖量大、塔高索鞍重、缆载起重机安装困难等问题，基于装配式可拆卸可周转的标准化设计理念，系统地阐述了多功能悬臂门架的周转应用流程，设计了多功能悬臂门架结构，并通过有限元仿真计算对结构进行校核。经仿真计算和实践证明，该悬臂门架结构强度、刚度均在设计规范以内，且在深中通道伶仃洋大桥实际工程应用中取得了良好的使用效果，实现了一机多用、临时结构周转化的技术实践，为施工结构作业功能多元化的设计方式提供了新的思路，对类似工程施工临时装备的设计和应用有重要的参考和借鉴意义。