深中通道“天一号”一体式吊具研制与应用.pdf

世界桥梁 2023年第51卷第S1期（总第224期）World Bridges#Vol.51,No.S1#2023（Totally No.22420DOI：10.20052/j.issn.1671-7767.2023.SI.004深中通道天一号#一体式吊具研制与应用李 勇李 勇1，肖 颉，肖 颉2,张伟平】，李成全张伟平】，李成全2,覃勇刚覃勇刚2（1.中铁大桥局集团第四工程有限公司深中通道项目部，广东中山528451；2.中铁大桥局集团 有限公司设计分公司，湖北 武汉430050）摘 要摘 要：深中通道S07标段水域主线非通航孔桥共有293片预制箱梁，均采用工厂一体化预制、大节段整体吊装的施工方案,箱梁最大吊重3 080 t最高吊高63.4 m&浮吊采用“天一号”运架一体船；吊具吊梁方式为上吊下托，采用1个吊梁扁担、2个 托梁设计,可适应多种箱梁架设&利用MIDAS Civil软件建立有限元模型，分析吊具结构吊装过程中力学性能，对吊具关键杆 件吊装过程应力和倾角进行监测。计算和监测结果表明：在不同工况下，吊具各杆件强度及连接强度均满足要求，吊具最大 竖向变形（179 mm小于容许变形（206.2 mm）,刚度满足使用要求；托梁A在110 m钢梁及60 m标准宽混凝土梁架设工况、托梁B在60 m变宽混凝土梁架设工况下最大组合应力和剪应力均满足使用要求；吊具关键杆件的应力和倾角监测数据均在 设计范围内，结构安全&关键词关键词：跨海桥梁；预制箱梁；整孔架设；一体式吊具；吊梁扁担；托梁；有限元法；监测中图分类号中图分类号：U448.21；U445.46；U445.3 文献标志码:文献标志码:A 文章编号：文章编号：1671-7767（2023）Sl-0020-061概述概述深中通道S07标段水域主线泄洪区和浅滩区非 通航桥共有293片预制箱梁，均采用工厂一体化预 制、大节段整体吊装的施工方案。浅滩区非通航孔 桥为跨径布置（46）X60 m连续箱梁，其中60 m 混凝土梁共155片（变宽14片），采用单箱双室截 面，梁高3.5 m,梁宽2024 m,最大吊重3 080 t；60 m钢梁共28片，采用变宽单箱三室截面，梁高 3.5 m,梁宽 20.09 36.18 m,最大吊重 1 300 to 泄洪区非通航孔桥均为110 m跨连续钢箱梁，共 110片，采用分幅等截面船形钢箱梁，标准梁宽 20 m,标准梁高4 m,最大吊重1 780 t&伶仃洋大 桥泄洪区非通航孔桥有4片110 m钢梁高程达到+64.9 m,在+1.5 m的高潮位时，最高吊高63.4 m。预制箱梁标准横截面如图1所示&该桥110 m钢梁、60 m钢梁和60 m混凝土梁 均通过（天一号”运架一体船（以下简称“天一号）及一体式吊具进行运输和起吊，基于“天一号”自 身提升高度限制，最高箱梁架设时需同时满足潮 位+1.5 m和吊具桁高5.5 m两个条件,既有（天一号”吊具高7.5 m（1.5+5.5）m,吊高不满 足要求&且深中通道最重箱梁为梁长60 m、梁宽24 m的变宽混凝土梁，吊重为3 080 t,加上吊具 自重后起吊重量已达“天一号”吊重极限。针对箱 梁架设施工中吊高和吊重较大的问题，同时避免 租用大型浮吊产生较高施工费用，需研制高适应 度的施工一体式吊具以满足施工需求。收稿日期：收稿日期：2022-08-22作者简作者简介：李 勇（1984），男，高级工程师，2007年毕业于石家庄铁道学院土木工程专业，工学学士（E-mail：）&通信作者：通信作者：张伟平（1995）,男，助理工程师（E-）。研究方向：复杂海域条件下大跨度钢箱梁快速化和装配化施工关 键技术。深中通道“天一号”一体式吊具研制与应用 李 勇，肖 颉，张伟平，李成全,覃勇刚212 天一号天一号一体式吊具设计一体式吊具设计2.1浮吊布置“天一号”运架一体船（见图2）主要用于浅水区 域大型箱梁架设，可以满足深中通道水域主线全部 梁体的架设工作工。该船能适用于港区或遮蔽水域（在此水域内船舶在波浪作用下无显著的运动）以及 风力不大于蒲氏2级所定义的海况2-。船舶工作风 速不大于20 m/s,吊梁作业时船舶横、纵倾角容许 值分别为1.248 9、0.770 6,运梁作业时船舶横、纵 倾角容许值分别为3.528 6、2.558 6。起吊重量可 达3 600 t,最大起升高度为63 m（梁顶距水面）,吊 点中心与起重架立柱中心线的水平距离（吊距）16 m,卷扬机起升速度为00.766 m/min,机构级 别为M4,起重机总功率为1 350 kW3-&2.2吊具系统吊具系统由吊梁扁担、托梁A、托梁B、伸缩图图2“天一号”运架一体船“天一号”运架一体船Fig.2 Crane Tianyi with dual functions of transportation and erection梁提升卷扬机、吊索提升卷扬机、纵坡架梁辅件、夹 持装置等部件组成&Q690高强钢质轻强度高，在多 座钢梁桥中成功应用5心,因此采用Q690高强钢进 行吊具结构的设计，吊具系统自重降低至550 t（其 中托梁A自重80 t）,可起吊箱梁极限重量达到 3 050 t,满足标准混凝土梁吊重要求&考虑自重大 于2 850 t的混凝土梁（9片）片数较少,对此采取端 横隔板和部分翼缘板现场浇筑2种减重措施,通过 在24 m变宽梁箱内设置吊点,减小托梁跨径,设计 出自重更轻的托梁B,自重46 t,可起吊箱梁极限重 量达到3 084 t,满足变宽混凝土梁吊重要求。“天一 号”吊具布置如图3所示&吊具系统主要技术参数 如表1所示&表表1吊具系统主要技术参数吊具系统主要技术参数Tabl61 Maint6chnicalparam6t6rsofspr6ad6rsof Cran6Tianyi梁型吊重/t吊点纵向 间距/m吊点横向 间 距/m托梁 吊具110 m钢梁1 7805010.5+10.25托梁A60 m标准宽混凝土梁2 860507+7托梁A60 m变宽混凝土梁%3 080503.5+3.5托梁B60m 钢梁%1 300504.666+4.666吊带2.2.1 吊 梁 扁 担新制吊梁扁担桁高5.5 m、桁宽6.8 m（见图3）。吊梁扁担为矩形截面箱式桁架结构,重量约355 t&其中上、下弦杆,上、下吊点横梁,吊点竖杆、斜杆和梁端斜杆等翼板及腹板材料为Q690,上、下 部腹杆平联,下部腹杆斜撑杆,隔板,加强板等材料 为Q355C,吊点轴套为ZG310-570铸钢&上弦杆和 下弦杆由箱形梁组成；侧腹杆由箱形梁、H型钢等梁、吊索提升系统、链轮驱动机构、吊索、均衡梁、托 组成，上、下部腹杆平联由H型钢组成，上吊点横梁,14,14,14,14吊梁扁担/均衡梁Qi50（a）立面（b）平面.预制_箱梁一50吊索图图3 天一号”吊具布置天一号”吊具布置Fig.3 Configuration of spreader and assistant members of Crane TianyiH预制箱梁22世界桥梁 2O23,51(S1)为变截面箱形梁，下吊点横梁为变截面箱形梁；隔板 之间加设T形加劲肋，顶、底板和腹板不同板厚对 接时厚度的变化都在箱外侧进行，保持箱内侧平顺&2.2.2 托梁吊梁方式为上吊下托，采用1个吊梁扁担、2个 托梁设计，以适应多种箱梁架设&110=钢梁与 60=标准宽混凝土梁采用托梁A,托梁A单根重 39.5 t；60=变宽混凝土梁单独设置托梁B,托梁B 单根重22.9 t&托梁均采用Q690高强钢&托梁 A、B结构如图3（c）（e）所示&3吊具结构计算吊具结构计算将吊具系统分成吊梁扁担和托梁两部分，采用 MIDAS Civil软件分别建立有限元模型进行分 析9-。吊梁扁担和托梁主要杆件材料采用Q690 钢，其弹性模量%=2.06 X 105 MPa，泊松比=0.28。吊具在吊装系统作业时，受深中通道各种类 型预制箱梁安装要求和“天一号”极限性能参数的严 格限制1011-,需充分考虑各种荷载工况&采用许用 应力法进行计算，组合应力、剪应力最大值应小于材 料的许用应力，-。在弯矩和剪力均较大截面需补 充计算折算应力，折算应力应小于1.1,-。屈强比#s/#b0.7的高强度钢材许用应力由式=（0.5#s+0.3cib）/（#s为材料的屈服强度；#b为材料 的抗拉强度；（为安全系数，运输工况取1.33,吊装 工况取1.5）确定&3.1 吊 梁扁 担吊梁扁担各构件均采用梁单元模拟，2组上吊 点横梁分别采用弹性连接，使每组内横梁竖向反力 相等（见图4）。计算时考虑以下6个工况：工况1 3分别为110=钢梁、60=标准宽混凝土梁、60=变宽混凝土梁3种梁型的运输作业，工况46分别 为3种梁型的起吊作业&由于60=钢梁重量（含配 重）小于110=钢梁，不再单独计算&图图4吊梁扁担计算模型吊梁扁担计算模型Fig.4 Calculation model of spreader不同工况下吊梁扁担各杆件应力最值如表2所 示，表中应力比取最大组合应力/#和折算应力/1.1,-绝对值的较大值&由表2可知：吊梁扁担最 大应力比0.914出现在工况5下的梁端斜杆，结构 应力满足要求&依据起重机设计规范3-,对吊梁 扁担上横梁吊耳连接以及均衡梁支承局部受力进行 计算，各项指标满足要求&表表2不同工况下吊梁扁担各杆件应力最值不同工况下吊梁扁担各杆件应力最值 Table 2 Maximum stresses in members of spreader undervar)ousload)ngcondt)ons杆件名称最大组合 应力/MPa最大剪 应力/MPa折算 应力/MPa许用 应力/MPa应力比控制 工况上弦杆343373970.864工况5下弦杆 320223970.806工况6梁端斜杆363173970.914工况$吊点竖杆295233970.743工况6下吊点横梁3411703970.8$9工况4上吊点横梁12871313663970.838工况6上吊点横梁224$1733873970.886工况6整体变形要求不超过容许值：/-=L/250=206.2=*为吊梁扁担长度（51 550=）。吊梁 扁担在工况6（“天一号”起吊60=变宽混凝土梁）下，吊具产生最大竖向变形）=ax=179=,满足许 用静刚度要求&3.2 托梁3.2.1 托梁A托梁A用于110=钢梁及60=标准宽混凝土 梁架设，分别对应工况A和工况B两种工况&（1）工况A计算&托梁A两支点受力计算模 型如图$所示。在计算模型中荷载组合时考虑作业 系数、起升系数&通过计算可知：钢箱梁吊装时，托 梁A最大组合应力319 MPaV#-=397 MPa,满足 要求;剪应力90 MPaV,-/槡槡3=229 MPa,满足要求&单位：kNO寸1图图5托梁托梁A两支点受力计算模型两支点受力计算模型Fig.5 Force calculation model of two supporting points of joist A（2）工况B计算&混凝土梁运输、吊装过程中托 梁A三支点受力，工况不同，三支点刚度设置不同,三支点反力也不相同&混凝土梁运输时，三支点刚度 均设置为1 000 kN/=，三支点反力分别为6 173,666,6 921 kN；混凝土梁吊装时，两边支点刚度设置 为300 kN/=、中支点刚度设置为1 000 kN/=，三 支点反力分别为4 528,5 037,4 735 kN。托梁A三 支点不同刚度受力计算模型如图6所示&荷载组合 时考虑作业系数、起升系数,0-。通过计算可知：混 凝土梁运输时，托梁A最大组合应力224 MPa#深中通道“天一号”一体式吊具研制与应用 李 勇，肖 颉，张伟平，李成全,覃勇刚23#-=397 MPa,剪应力93 MPaV#-/槡T=229 MPa,满足要求&混凝土梁吊装时，托梁A最大组合应 力 317 MPaV#-=397 MPa,剪应力 93 MPa V#-/槡3=229 MPa,满足要求&00CMLQ 寸OLQLQCO寸1一单位：kN图图6托梁托梁A三支点不同刚度受力计算模型三支点不同刚度受力计算模型 Fig.6 Calculation model with three supporting poin7sofjois7A wihdiferen7s7ifnes3.2.2 托梁B托梁B用于60 m变宽混凝土梁架设&混凝土 梁运输时，三支点刚度均设置为1 000 FN/mm,三 支点反力分别为3 746,7 331,4 179 FN；混凝土梁 吊装时，两边支点刚度设置为1 000 FN/mm,中支 点刚度设置为300 FN/m叫三支点反力分别为 4 911,5 000,5 343 FN&托梁B三支点不同刚度受 力计算模型如图7所示&荷载组合时考虑作业系 数、起升系数&通过计算可知：混凝土梁运输时,托梁B最大组合应力188 MPaV#-=397 MPa,剪 应力64 MPaV#-/V3=229 MPa,满足要求&混 凝土梁吊装时，托梁B最大组合应力240 MPaV#-=397 MPa,剪应力 68 MPa V#-/槡3=229 MPa,满足要求&单位：kN2OO LOco寸OQ.LO1一图图7托梁托梁B三支点不同刚度受力计算模型三支点不同刚度受力计算模型Fig.7 Calculation model with three supporting points of joist B with diferent stifne s4吊具安装及箱梁架设吊具安装及箱梁架设4.1 吊具安装“天一号)一体式吊具主要构件的安装步骤为：(1)安装吊索&在吊梁扁担的下横梁，按照不同 梁型预留吊索孔，通过吊车将吊索吊入吊索孔内，吊 索上端的锚杯螺母悬挂于下横梁上放置的均衡梁&(2)安装托梁&在运架一体船甲板设置伸缩 梁，伸缩梁端部设有托梁挂钩，伸缩梁推移出去后,通过吊车将托梁吊装至伸缩梁挂钩位置，回收伸缩 梁，托梁同步回收至甲板外弦&(3)吊装托梁&托梁通过甲板上的伸缩梁装 置，悬挂于甲板外弦，使用时伸缩梁运行将托梁推移 至吊具卷扬机钢丝绳下放，卷扬机下放钢丝绳与托 梁上吊耳连接，启动卷扬机，可进行托梁上下吊装&(4)安装纵坡架梁辅件&纵坡架梁辅件主要为 钢丝绳和钩头，“天一号”在码头取梁完成后，将钩头 挂于箱梁梁端的加劲位置，通过导链在钢丝绳另一 端进行收紧，收紧后将调整块塞入支座和钢丝绳锚 杯中间进行限位，箱梁架设纵向调坡时可以防止箱 梁纵向滑移&考虑箱梁预制偏差、吊具结构制造偏差，当(天 一号”进行吊装作业发生较大纵、横摇时会导致吊具 出现应力超标、扭转面外局部失稳等不利状况&为 避免上述情况发生，要求:变宽混凝土箱梁预制偏 差2%,60 m变宽钢梁分幅宽度%27 m；吊具自 重550 t,混凝土箱梁预制自重3 080 t；吊梁 扁担桁高5.5 m；预制箱梁自重重心偏差 5 cm,否则需进行配重；吊具上吊点为三点均匀 受力状态；(吊具吊索、下托梁需拆装方便&42 箱梁架设(1)取梁&“天一号”绞锚进入港池取梁，到达 位置后，下放吊具至距离梁面一定高度，启动托梁伸 缩装置，将托梁推伸至吊点位置&吊具卷扬机下放 钢丝绳与托梁端头吊耳连接，启动卷扬机将托梁与 伸缩装置脱开，收回伸缩臂，起吊托梁至距离梁底一 定高度，安装主吊索、纵坡架梁装置&绞锚调整吊具 位置，起升吊具,使箱梁完全支承于吊具的兜底托梁 上&放松卷扬机钢丝绳一定长度，待船舶稳定后，继 续起升吊具适当高度&(天一号”绞锚退出港池，下 放吊具，箱梁落于船舶甲板上的垫梁&观察驾驶舱 内起重机重量显示器，起重量减少500 t左右时，停 止下放，保证垫梁仅受500 t的荷载，启动垫梁上的 液压夹持装置，将箱梁两侧夹紧,防止滑动&(2)运梁&“天一号”载梁航行至架设墩位，抛 锚就位&(3)架梁&“天一号”放松夹持装置，起升吊具 至一定高度&船舶绞锚至设计位置，下放吊具，调整 纵向坡度，完成落梁&解除纵坡装置，继续下放吊 具，卷扬机钢丝绳收紧，拆除主吊索，下放托梁&甲 板上伸缩装置推伸到位,将托梁挂于伸缩装置，解除 与卷扬机钢丝绳连接，回收伸缩臂，托梁回收至甲板 两侧1213-。“天一号”绞锚退出架设墩位，吊具下放 至甲板面，通过扁担夹持辅件落于垫梁上，完成取 梁、运梁、架梁工作14-&24世界桥梁 2O23,51(S1)5吊具系统监测吊具系统监测为了解吊具使用情况，对吊具关键杆件应力和 吊装过程倾角进行监测&结合现场实际特点，应力 和倾角监测数据采集分应力传感器、倾角监测传感 器和采集传输模块3部分。根据对吊具结构的复核计算，测点布置在吊具 两端、吊点及跨中的位置（见图8）。立面图图8测点布置测点布置Fig.8 Layout of measurement points限于篇幅，以1号应力监测点数据为例进行分 析&1号测点位于吊具下横梁，记录吊具起吊110=钢梁过程中应力变化值，结果如图9所示&由图9 可知110=钢梁起吊后，1号测点压应力监测值最 大为220 MPa，小于有限元模型计算值341 MPa,有 限元模型计算安全系数取1.5倍，折算后应力值与 监测值接近,结构满足要求&50_Ip 50-5-100-玄-150-200-I-250 I-1-1-1-1-1-1-1-18:24 9:36 10:48 12:00 13:12 14:24 15:36 16:48 18:00 时间图图9 1号测点应力监测结果号测点应力监测结果Fig.9 Monitored stresses at measurement point 16 结 语结 语深中通道S07标段泄洪区和浅滩区箱梁共计 293片，分别为110=钢梁、60=钢梁和60=混凝 土梁，其中最高吊高钢箱梁高63.4=,最大吊重混 凝土梁重3 080 to吊具按1个吊梁扁担、2个托梁 的装备配置，可以适应不同长度和宽度的梁型吊装，极大地提高了施工效率，降低了安全风险；吊具采用 Q690高强钢，降低了吊具系统自重，提高了总吊重 能力；吊具桁高仅5.5=,充分利用了“天一号”架梁 吊装边界和桥位伶仃洋水域潮汐，顺利解决了深中 通道预制箱梁大型化、工厂化、装配化、标准化的吊 装施工问题&2022年10月采用(天一号一体式吊 具成功完成了最大吊重3 080 t变宽混凝土梁整孔架 设,2023年1月完成全部深中通道水域箱梁架设&参考文献参考文献(References):金秀男，朴 泷，陈 黎，等.港珠澳大桥江海直达船航 道桥钢箱梁安装方案研究世界桥梁，2021,49(6)：21-273(JIN Xiu-nan,PIAO Long,CHEN Li,et al.Study of Installation Sche=es for Sea-River Ship Channel Bridge of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge,-.World 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non-navigation channel bridge of main line of contract SO7 of Shenzhen-Zhongshan LinF,which were manufactured into individual large segments for erection,with a maximum segment weight and hoisting height reaching 3 080 t and 63.4 m,respectively.The Crane Tianyi,which features its dual functions of transportation and erection was employed,which was capable of hoisting box girders of multiple types.During erection,each girder segment supported by two joists on the Crane was lifted and erected by the spreader of the Crane.A finite element model was built up using MIDAS Civil to analyze the mechanical performance of the structure in the hoisting process,the stresses and inclinations of the Fey members of the Crane were moniored.Thecalculaionand monioringresulsdemons6ra6e6ha6underdiferen6loadingcondiions 6hes6reng6hsof6hemembersof6heCraneandconnecions6reng6h me66herequiremen6s 6he maximum vertical deformation of the spreader(179 mm)was less than the allowable deformation(206.2 mm),meetingtheservicerequirements.ThemaximumstresscombinationsandshearstressesofjoistA(inthe erection of the 110 m-long steel girders and the typical 60 m-wide concrete girders)and joist B(in the erection of the 60 m varying-width concrete girder)were within the required range.The monitored stresses and inclinations of the Fey members of the Crane are all within the design range,indicating that the Crane was safe.Key words:sea-crossing bridge*precast box girder*full-span erection*crane with dualfuntionsoftransportationanderetion*spreader*joist*finiteelementmethod*monitoring（编辑：赵兴雅）