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摘要 本文结合建设中的武冈城际铁路黄冈公铁两用长江大桥，以3#主塔墩下游侧MC480塔吊第一次附墙设计施工为例，介绍了在H型索塔结构异形、截面变化大的情况下，塔吊非标准附墙的设计与计算方法。
关键词 公铁两用长江大桥；H型索塔；塔吊；非标准附墙；设计与计算
中图分类号 U445.556 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2013）012-0056-03
1 工程概况
黄冈公铁两用长江大桥位于长江黄州河段上端三江口附近、唐家渡综合码头上游约240m位置，上距阳逻长江大桥约37km，下距鄂黄长江大桥约17km。主桥全长1215m，桥跨布置为（81+243+567+243+81）m斜拉桥。
主塔结构设计为H型结构，由（下、中、上）塔柱及上、下横梁组成，塔柱为钢筋混凝土结构，上、下横梁为预应力混凝土结构，塔高（塔座以上顶面）为190.5m。塔柱顺桥向方向，下塔柱内侧面坡率6.65：34，外侧面坡率4.15：34，中上塔柱内外侧面坡率均为6：153.5；横桥向方向，下塔柱侧面坡率1.25：34，中上塔柱侧面坡率2.25：153.5。
图1主塔下游侧MC480塔吊平面布置图 图2塔吊附墙布置方案图
根据主塔结构型式及施工吊重要求，选用波坦MC480，MC200A两台塔吊，其中MC480塔吊布置边跨下游侧，距离纵桥向塔柱中心线22.4m，横向塔柱中心线13.8m，中心向塔外侧偏转12°；MC200A塔吊布置在上游边跨侧，距离纵桥向塔柱中心线22m，横向塔柱中心线13.2m，中心向塔外侧偏转16°。其中MC480采用55m吊臂长度。
MC480塔吊共附墙4次，第一次附墙标高+59.531m（至塔座高度47.531m），第二次附墙标高+94.211m（至第一次附墙高度34.68m），第三次附墙标高+128.891m（至第二次附墙高度34.68m），第四次附墙标高+157.791m（至第三次附墙高度28.9m）。
2 MC480塔吊第一次附墙方案设计
因塔柱纵横桥向外侧面均倾斜，塔柱截面是变化的，需设计非标准附墙。
根据塔吊厂家提供的附墙受力参数，MC480塔吊附墙最大受力情况为塔吊中心位置受力45t，为了方便计算，将附墙杆件用MIDAS建模后，分18个方向分别进行加载计算，每根杆件及附墙点反力取最大值进行设计计算，加载示意图如下。
图3 塔吊附墙荷载加载示意图
塔吊附墙采用MIDAS整体建模计算，附墙杆件截面根据实际设计使用型钢截面进行取值，附墙框结构为塔吊厂家提供的标准件，其强度和刚度都很大在计算时不对其进行设计计算，且附墙框与塔吊立柱紧贴，其自重对附墙杆件的受力影响极小，为了整体建模需要，将附墙框截面取用很大强度和刚度都很大的截面（取用实心200×200mm方钢截面）。模型支撑情况为：附墙杆件与塔柱混凝土连接处采用Dx、Dy、Dz约束的刚性连接，附墙框四个支点位置设置竖向支撑，附墙杆件与附墙框连接处释放梁端约束采用铰接形式。
图4 附墙杆件布置方案一 图5 布置方案一计算模型
塔吊附墙框中心处高程对应的塔柱截面宽度较窄，如果直接在塔柱上预埋爬锥钢板焊接附墙杆（见图4/5），R2、R3杆件之间的夹角较小，而R1、R4杆件接近平行，这样附墙框的中心荷载方向变化时，4根杆件出现的最大轴压力分别为FR1max=16.7t，FR2max=98.9t，FR3max=89.4t，FR4max=22.8t。其中R2、R4杆件的轴力过大，存在的问题是杆件强度和稳定性满足不了要求，而且附墙框也受不了如此大的作用力。要减小附墙杆件的轴力，应使杆件夹角适当增大，而塔柱截面宽度较窄，考虑设置挑梁，使附墙杆件的受力均匀合理。
图6 附墙杆件布置方案二 图7 布置方案二计算模型
设置挑梁后（见图6/7），杆件R2与R3之间的夹角有明显增大，5根附墙杆件出现的最大轴压力分别为FR1max=22.7t，FR2max=39.5t，FR3max=40.7t，FR4max=17.1t，FR5max=69.9t。可见R2、R3杆件轴压力明显减小，附墙框所受作用力明显减小，各杆件受力比较合理。挑梁用爬锥与塔柱连接，其一端悬挑，在重力作用下会产生挠度，对附墙杆件的受压稳定不利，为减小挠度，悬挑段设置拉杆。
图8 挑梁布置三维图 图9 拉杆三维示意图
3 MC480塔吊第一次附墙受力计算
需要对以下内容进行受力计算：①附墙杆件的强度计算；②附墙杆件整体稳定性计算；③附墙杆件的局部稳定性验算；③附墙杆件的疲劳验算；④挑梁的强度计算；⑤挑梁的整体稳定性计算；⑥挑梁的局部稳定性计算；⑦挑梁的疲劳验算；⑧连接焊缝的计算；⑨爬锥预埋的计算；⑩预埋钢板的强度刚度计算。
利用MIDAS计算18种工况下附墙杆件和挑梁的受力情况，对附墙杆件和挑梁取最不利荷载进行计算。附墙杆件和挑梁在自重作用下会产生弯矩，计算整体稳定性时，要分别计算弯矩作用平面内稳定性和弯矩作用平面外稳定性。根据现场材料，附墙杆件采用2I22a型钢，为格构式压弯构件，根据《钢结构设计规范》，弯矩绕实轴作用的格构式压弯构件，其弯矩作用平面内和平面外稳定性计算均与实腹式构件相同，但在计算弯矩作用平面外稳定时，长细比应采用换算长细比。
弯矩作用平面内的稳定性计算公式：
弯矩作用平面外的稳定性计算公式：
其中，HM488×300挑梁除自重产生的弯矩外，附墙杆件对其作用力也会产生弯矩，挑梁在两个主平面内存在弯矩，根据《钢结构设计规范》，弯矩作用在两个主平面的双轴对称实腹式工字形（含H型）和箱型（闭口）截面的压弯构件，其稳定性应按下列公式计算：
附墻杆件缀板的布置需满足局部稳定性要求。挑梁采用HM488×300型钢，局部稳定性不用验算。
塔吊附墙为直接承受动力荷载作用的结构，且杆件应力变化循环次数较多，保守计算需进行疲劳验算。
根据MIDAS模型查出的内力对连接处进行连接焊缝验算。
单个受力螺栓设计抗剪100KN，抗拉150KN，计算时，只需计算结果小于设计值就可。单个埋件的抗拔力根据《建筑施工计算手册》，按锚板锚固锥体破坏计算。
预埋板受到螺栓与加焊板的作用力，利用Midas FEA建立预埋板的实体模型，爬锥开孔处孔壁网格约束平动自由度，垫片处网格约束法向自由度；焊缝处网格按最不利工况轴力换算成焊缝面压力施加荷载。
图10 预埋钢板
图11 预埋钢板范梅塞斯应力图
图12 预埋钢板变形图
最大范梅塞斯应力207.8Mpa，但仅限于极个别网格，不足0.1%的网格范梅塞斯应力超过170Mpa，预埋钢板的强度满足要求；最大变形
预埋钢板刚度满足要求。
参考文献
[1]《黄冈公铁两用长江大桥主塔、斜拉索施工图》 中铁大桥勘测设计院有限公司.
[2]《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）.
[3]《建筑施工计算手册》（江正荣）中国建筑工业出版社 2007年7月1日.
[4]《Potain MC480 M25吊重说明》马尼托瓦克起重设备（中国）有限公司.
关键词 公铁两用长江大桥；H型索塔；塔吊；非标准附墙；设计与计算
中图分类号 U445.556 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2013）012-0056-03
1 工程概况
黄冈公铁两用长江大桥位于长江黄州河段上端三江口附近、唐家渡综合码头上游约240m位置，上距阳逻长江大桥约37km，下距鄂黄长江大桥约17km。主桥全长1215m，桥跨布置为（81+243+567+243+81）m斜拉桥。
主塔结构设计为H型结构，由（下、中、上）塔柱及上、下横梁组成，塔柱为钢筋混凝土结构，上、下横梁为预应力混凝土结构，塔高（塔座以上顶面）为190.5m。塔柱顺桥向方向，下塔柱内侧面坡率6.65：34，外侧面坡率4.15：34，中上塔柱内外侧面坡率均为6：153.5；横桥向方向，下塔柱侧面坡率1.25：34，中上塔柱侧面坡率2.25：153.5。
图1主塔下游侧MC480塔吊平面布置图 图2塔吊附墙布置方案图
根据主塔结构型式及施工吊重要求，选用波坦MC480，MC200A两台塔吊，其中MC480塔吊布置边跨下游侧，距离纵桥向塔柱中心线22.4m，横向塔柱中心线13.8m，中心向塔外侧偏转12°；MC200A塔吊布置在上游边跨侧，距离纵桥向塔柱中心线22m，横向塔柱中心线13.2m，中心向塔外侧偏转16°。其中MC480采用55m吊臂长度。
MC480塔吊共附墙4次，第一次附墙标高+59.531m（至塔座高度47.531m），第二次附墙标高+94.211m（至第一次附墙高度34.68m），第三次附墙标高+128.891m（至第二次附墙高度34.68m），第四次附墙标高+157.791m（至第三次附墙高度28.9m）。
2 MC480塔吊第一次附墙方案设计
因塔柱纵横桥向外侧面均倾斜，塔柱截面是变化的，需设计非标准附墙。
根据塔吊厂家提供的附墙受力参数，MC480塔吊附墙最大受力情况为塔吊中心位置受力45t，为了方便计算，将附墙杆件用MIDAS建模后，分18个方向分别进行加载计算，每根杆件及附墙点反力取最大值进行设计计算，加载示意图如下。
图3 塔吊附墙荷载加载示意图
塔吊附墙采用MIDAS整体建模计算，附墙杆件截面根据实际设计使用型钢截面进行取值，附墙框结构为塔吊厂家提供的标准件，其强度和刚度都很大在计算时不对其进行设计计算，且附墙框与塔吊立柱紧贴，其自重对附墙杆件的受力影响极小，为了整体建模需要，将附墙框截面取用很大强度和刚度都很大的截面（取用实心200×200mm方钢截面）。模型支撑情况为：附墙杆件与塔柱混凝土连接处采用Dx、Dy、Dz约束的刚性连接，附墙框四个支点位置设置竖向支撑，附墙杆件与附墙框连接处释放梁端约束采用铰接形式。
图4 附墙杆件布置方案一 图5 布置方案一计算模型
塔吊附墙框中心处高程对应的塔柱截面宽度较窄，如果直接在塔柱上预埋爬锥钢板焊接附墙杆（见图4/5），R2、R3杆件之间的夹角较小，而R1、R4杆件接近平行，这样附墙框的中心荷载方向变化时，4根杆件出现的最大轴压力分别为FR1max=16.7t，FR2max=98.9t，FR3max=89.4t，FR4max=22.8t。其中R2、R4杆件的轴力过大，存在的问题是杆件强度和稳定性满足不了要求，而且附墙框也受不了如此大的作用力。要减小附墙杆件的轴力，应使杆件夹角适当增大，而塔柱截面宽度较窄，考虑设置挑梁，使附墙杆件的受力均匀合理。
图6 附墙杆件布置方案二 图7 布置方案二计算模型
设置挑梁后（见图6/7），杆件R2与R3之间的夹角有明显增大，5根附墙杆件出现的最大轴压力分别为FR1max=22.7t，FR2max=39.5t，FR3max=40.7t，FR4max=17.1t，FR5max=69.9t。可见R2、R3杆件轴压力明显减小，附墙框所受作用力明显减小，各杆件受力比较合理。挑梁用爬锥与塔柱连接，其一端悬挑，在重力作用下会产生挠度，对附墙杆件的受压稳定不利，为减小挠度，悬挑段设置拉杆。
图8 挑梁布置三维图 图9 拉杆三维示意图
3 MC480塔吊第一次附墙受力计算
需要对以下内容进行受力计算：①附墙杆件的强度计算；②附墙杆件整体稳定性计算；③附墙杆件的局部稳定性验算；③附墙杆件的疲劳验算；④挑梁的强度计算；⑤挑梁的整体稳定性计算；⑥挑梁的局部稳定性计算；⑦挑梁的疲劳验算；⑧连接焊缝的计算；⑨爬锥预埋的计算；⑩预埋钢板的强度刚度计算。
利用MIDAS计算18种工况下附墙杆件和挑梁的受力情况，对附墙杆件和挑梁取最不利荷载进行计算。附墙杆件和挑梁在自重作用下会产生弯矩，计算整体稳定性时，要分别计算弯矩作用平面内稳定性和弯矩作用平面外稳定性。根据现场材料，附墙杆件采用2I22a型钢，为格构式压弯构件，根据《钢结构设计规范》，弯矩绕实轴作用的格构式压弯构件，其弯矩作用平面内和平面外稳定性计算均与实腹式构件相同，但在计算弯矩作用平面外稳定时，长细比应采用换算长细比。
弯矩作用平面内的稳定性计算公式：
弯矩作用平面外的稳定性计算公式：
其中，HM488×300挑梁除自重产生的弯矩外，附墙杆件对其作用力也会产生弯矩，挑梁在两个主平面内存在弯矩，根据《钢结构设计规范》，弯矩作用在两个主平面的双轴对称实腹式工字形（含H型）和箱型（闭口）截面的压弯构件，其稳定性应按下列公式计算：
附墻杆件缀板的布置需满足局部稳定性要求。挑梁采用HM488×300型钢，局部稳定性不用验算。
塔吊附墙为直接承受动力荷载作用的结构，且杆件应力变化循环次数较多，保守计算需进行疲劳验算。
根据MIDAS模型查出的内力对连接处进行连接焊缝验算。
单个受力螺栓设计抗剪100KN，抗拉150KN，计算时，只需计算结果小于设计值就可。单个埋件的抗拔力根据《建筑施工计算手册》，按锚板锚固锥体破坏计算。
预埋板受到螺栓与加焊板的作用力，利用Midas FEA建立预埋板的实体模型，爬锥开孔处孔壁网格约束平动自由度，垫片处网格约束法向自由度；焊缝处网格按最不利工况轴力换算成焊缝面压力施加荷载。
图10 预埋钢板
图11 预埋钢板范梅塞斯应力图
图12 预埋钢板变形图
最大范梅塞斯应力207.8Mpa，但仅限于极个别网格，不足0.1%的网格范梅塞斯应力超过170Mpa，预埋钢板的强度满足要求；最大变形
预埋钢板刚度满足要求。
参考文献
[1]《黄冈公铁两用长江大桥主塔、斜拉索施工图》 中铁大桥勘测设计院有限公司.
[2]《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）.
[3]《建筑施工计算手册》（江正荣）中国建筑工业出版社 2007年7月1日.
[4]《Potain MC480 M25吊重说明》马尼托瓦克起重设备（中国）有限公司.