摘要：本文主要介绍广乐高速公路深水河大桥5号墩塔吊基础的设计、计算及施工过程。由于周边地形的影响，采取了特殊的悬挑式塔吊基础，并对该基础设计方案的制定、设计计算过程及悬挑钢架的施工等进行了详细的说明，为同类工程提供有益的参考和借鉴。
关键词：高墩；悬挑式塔吊基础；设计；施工
1 前言
随着高速公路的大发展，越来越多的公路穿越崇山峻岭，难免有许多高墩位于陡峭的山坡之上。如何解决高墩施工中的垂直运输问题，逐渐成为桥梁工作者们关注的焦点之一。笔者结合实际工程，对此作出了尝试，希望为同类工程提供有益的参考和借鉴。
2 工程背景
广乐高速公路为京珠高速的复线，穿越粤北著名的大瑶山。其中的深水河大桥为主跨120m的三跨连续刚构桥，跨越深谷，其右线5号主墩高87m，处于65º的陡坡上，承台尺寸12.4×12.2×4.0m，墩身为8.0m×8.5m壁厚0.6m的空心墩，桥面宽度16.75m，承台顶距离深沟底部35.0m。其地形情况详见图1和图2所示。
图1 深水河大桥5号墩地形平面图
图2 深水河大桥5号墩实际地形图
由于地形的原因，高墩施工塔吊的设置位置受到了很大的限制。桥墩的C侧被高山占据，若要在此设置塔吊，势必会导致大量山体开挖，极易造成山体垮塌。为防止垮塌则需增加巨额的防护费用。若设置于桥墩D、B侧，则塔吊将和连续刚构处于同一轴线上，导致连续刚构无法施工。因此塔吊设置最适宜的位置在桥墩的A侧。但桥墩A侧面临深谷，此方向承台尺寸又不足以设置塔吊基础，而如果将塔吊基础置于承台底部山坡上，则同样会面临大量山体被挖，且会造成桩基外露，给基础带来较大的山体侧压力，影响基础的结构安全。
3.悬挑式塔吊基础设计
在上述情形下，笔者结合实际地形及工程经验，提出了为塔吊设置悬挑式基础的设计方案。该方案将塔吊设置于悬挑式三角钢架上，三角钢架与承台内的预埋件进行焊接连接，最终将塔吊荷载传递到承台。
为满足上部挂篮的吊装的需要，该工程选用了中联TC6015型塔吊，塔机高度103.5m。塔吊基础采用悬挑式三角钢架与承台预埋件相连接。悬挑式基础的设计方案见图3~4。
a）侧面图 b）平面图
图3 悬挑式塔吊基础（悬挑钢架）设计图
图4 悬挑式塔吊基础预埋件布置图（立面）
悬挑钢架主要由主要受力杆、连接杆及预埋件组成。其中主要受力杆分为：水平杆、斜杆及短撑杆。水平杆及斜杆为400×408×21×21的双拼H型钢，材质为Q345。短撑杆为20b双槽钢，材质为Q345。连接杆由水平向斜杆和短杆组成，均为400×408×21×21的H型钢，材质为Q235。预埋件由钢板和钢筋焊接而成，预埋在承台混凝土内，位置如图3和4所示。
4.悬挑式塔吊基础钢架受力检算
受力检算总体思路为：根据塔吊设计说明书中提供的各项参数，分别按工作状态和非工作状态两种情况考虑，并选取其中较为不利的荷载，对钢架主要受力构件：水平杆、斜杆和短撑杆进行检算。
4.1 塔吊设计参数
根据塔吊设计说明书，塔吊在工作状态和非工作状态两种工况下，支腿上支脚上存在压力F2，拉力F3。相应地，可得到塔吊支腿处的各项反力，如表1及图5所示。
表1 塔吊设计参数及支反力
工作状态F2（↓）F3（↑）水平力（kN）垂直力（kN）扭矩（kN.m）
工作工况1400kN1100kN31.1760.7385
非工作工况1650kN1270kN116.9680.30
图5 悬挑钢架结构受力示意图
4.2 悬挑钢架杆件检算
根据上述塔吊设计参数，对悬挑钢架的检算分为工作状态检算和非工作状态检算。检算采用容许应力法，使用MIDAS软件进行计算。首先根据悬挑钢架设计方案建立基本模型，然后分别对两种工况进行检算。
4.2.1 工作状态检算
工作状态时悬挑钢架计算模型如图6所示，应力计算结果如图7所示，变形计算结果如图8所示。
图6 悬挑钢架工作状态计算模型（单位：kN
图7 悬挑钢架工作状态应力计算结果（单位：kPa）
由图7，工作状态时最大应力仅97.2MPa，小于Q235及Q345钢材的较小容许应力140MPa，强度满足要求。
图8 悬挑钢架工作状态变形计算结果（单位：m）
由图8，工作状态时最大竖向变形仅1mm，小于容许值1500/400=3.8mm，刚度满足要求。
4.2.2 非工作状态检算
非工作状态计算模型如图9所示，应力计算结果如图10所示，变形计算结果如图11所示。
图9 悬挑钢架非工作状态计算模型（单位：kN）.png)
图10 悬挑钢架非工作状态应力计算结果（单位：kPa）
由图10，非工作状态时最大应力仅107.2MPa，小于Q235及Q345钢材的较小容许应力140MPa，强度满足要求。
图11 悬挑钢架非工作状态变形计算结果（单位：m）.png)
由图11，非工作状态时最大竖向变形仅1.2mm，小于容许值3.8mm，刚度满足要求。
综上，悬挑钢架杆件安全。
4.3 钢架与基础的连接及预埋件检算
限于篇幅，仅列出反力较大处的计算结果，其余各处计算与此相同（计算结果均通过）。
水平杆承受的反力计算结果如图12所示。
a）工作状态
b）非工作状态
图12 悬挑钢架水平杆反力计算结果（单位：kN）
工作状态时1根水平杆处的竖向反力共146kN，非工作状态时共158kN。取后者计算。
4.3.1 钢架与基础的连接检算
钢架与基础的连接采用焊接。现场施工焊接形式为连续焊接。
根据图纸设计，两根水平杆与基础连接处的焊缝总长度不小于750×2=1500mm，焊高不小于10mm，则焊缝应力为
即使考虑焊缝的应力不均匀性，取应力不均匀系数0.7，焊缝应力也仅有21.5MPa，远小于Q345B焊接强度容许值120MPa，故连接安全。
4.3.2 预埋件检算
单个预埋件承受竖向反力316/2=158kN。该拉力由15根Ф25的HRB335钢筋与混凝土的粘结力承受。每根钢筋长度为650mm。变形钢筋与混凝土的粘结强度约为1.38MPa，15根钢筋的总粘结力不小于15×650×3.14×25×1.38/1000=1056.2kN，远大于158kN，故预埋件安全。
5.悬挑式钢架施工过程简述
钢架各部位在钢构件厂内放大样准确切割下料，用小型平板车分批运至施工现场，采用一台16吨吊车逐件吊装，现场焊接成型，焊接完成后，每条焊缝经过超声波检测合格后投入使用。
6.悬挑钢架基础与钢筋混凝土基础的经济比较
采用混凝土基础需钢筋2.1t，混凝土50m3（5m×5m×2m），需2.1T×4800元/t+50m3×390m3/元=29580元。
一个悬挑钢架需要钢材7411kg钢材，按5000元/t计算（含安装费），花费37055元，残值7.4t×2000元/t=14800元。考虑安全因素需要在钢架下方增加支撑，需要φ1.5m桩基处3m，3m×2000元/m=5400元，20工字钢12m，计0.37t，花费1295元。合计29550元。
悬挑钢架的成本与混凝土基础成本基本持平。
7.结论
根据上述计算及比较，悬挑式塔吊基础安全可靠，费用合理，且能有效满足地形及施工中的各项要求。本工程从2012年3月15日开始，到2013年5月10日年结束，施工期间塔吊运转顺利，没有出现任何安全及使用问题，反映出该设计的合理性。该塔吊基础的设计可为同类工程提供有益的参考和借鉴。
参考文献：
[1] GB50017-2003 钢结构设计规范.[S]
[2] JGJ81-2002 钢结构焊接技术规程.[S]
[3] 钢结构设计手册（第三版）
[4] 预埋件设计手册
作者简介：
孟雪俊，1980年 男 工程师 主要从事桥梁工程施工及管理工作。
论文作者:孟雪俊
论文发表刊物:《基层建设》2015年7期
论文发表时间:2016/8/26
标签：塔吊论文; 钢架论文; 状态论文; 基础论文; 工作论文; 预埋件论文; 应力论文; 《基层建设》2015年7期论文;