澧水特大橋主索鞍吊裝門架及纜索吊塔架一體化設計及施工

龔 毅

（湖南省高速公路管理局，湖南 長沙410000）

1 工程概況

澧水特大橋為張家界至花垣高速公路上的一座特大型橋梁，地處張家界永定區與湘西自治州永順縣的交界處，橫跨澧水河峽谷，谷頂寬約420m，谷底寬約50m，谷頂與谷底高差達280m 左右。該橋總體布置如圖1所示。

圖1 澧水特大橋總體布置圖（單位：cm）

澧水特大橋主橋采用單跨簡支鋼桁架懸索橋，主纜跨徑為（200+856+190）m。

2 主索鞍吊裝門架及纜索吊塔架一體化設計

2.1 設計思路

澧水特大橋主索鞍鞍體的制作和吊裝分塊進行，吊至塔頂后采用高強螺栓連接，其最大吊裝重量為48.3t，安裝高度超過120m，故采取在索塔塔柱頂面設置吊裝門架的方式進行吊裝；鋼桁梁采用纜索吊機安裝，纜索吊承重繩線形根據大橋主纜矢跨比確定，需在索塔頂設置纜索吊承重繩支撐塔架。

澧水特大橋的索塔塔柱頂結構尺寸為：5.5m×8.8m，施工空間非常狹小，為確保結構安全的同時方便施工，施工時將主索鞍吊裝門架和后期鋼桁梁纜索吊裝系統支撐塔架一并綜合考慮，進行一體化設計。

2.2 主索鞍吊裝門架及纜索吊塔架設計

2.2.1 主索鞍吊裝門架[1-2]

主索鞍吊裝門架考慮單次最大吊裝重量48.3t，設計為門式桁架結構，上弦桿、立柱、斜撐采用HW400×400型鋼，下弦桿和腹桿采用[28型鋼。門架設計起吊高度為8.15m，計算跨徑為4.85m，上弦桿長18.7m，前端懸臂長8.6m，后端懸壁長3.5m，立柱間距為3.3m，通過立柱底座固定在索塔塔柱頂面上，具體構造如圖2所示。

圖2 主索鞍吊裝門架構造圖（單位：mm）

2.2.2 纜索吊塔架

塔架采取塔上矮塔的方案，為獨立的空間體系，每個塔架采用4 根HW400×400 的型鋼作為立柱，橫桿采用HW400×400 的型鋼，斜撐采用[28 的槽鋼組成的空間格構體系，支撐在主塔塔頂和側面上，塔架總高為12m（含纜索吊系統索鞍）。

纜索吊塔架的具體構造如圖3所示。

2.2.3 一體化設計

由于澧水特大橋的索塔塔柱頂面空間有限，纜索吊塔架安裝時，主索鞍吊裝門架尚不能拆除。吊裝門架和支撐塔架在位置上沖突，安裝時間上不能錯開，單獨設計顯然不能滿足現場施工需要。因此，設計時考慮纜索吊塔架和主索鞍吊裝門架一體化，有效解決兩構件的位置沖突問題，便于施工的同時又減少了材料的用量，且增加了塔架的整體穩定性。

主索鞍吊裝門架及纜索吊塔架一體化結構形式如圖4所示。

2.3 結構計算

2.3.1 主索鞍吊裝門架計算

主索鞍吊裝門架采用Midas 程序計算[3]。立柱、斜桿、腹桿采用梁單元進行模擬，計算模型如圖5 所示。材料選用Q235，參數的取值如下：彈性模量E=2.1×105MPa，密度ρ=7.85×103kg/m3，泊松比μ=0.3[4]。

圖5 門架有限元模型圖

門架吊裝主索鞍及起吊系統總量（考慮沖擊系數）按照80t考慮。按照集中力施加，考慮到起吊系統的移動，共計算8個工況，從右到左依次為工況1～工況8（見圖6）。

圖6 門架荷載工況示意圖

通過計算得出各工況的應力值（見表1）。其中工況1為最不利工況，桿件受到的最大應力值為88.9 MPa，工況1應力如圖7所示。

表1 主索鞍門架計算結果匯總表

根據《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》（JTJ 025—1986）[3]，Q235鋼材容許應力為140MPa。從表1 可以看出，主索鞍吊裝門架應力滿足要求，結構安全可靠。

2.3.2 纜索吊塔架計算

塔架計算采用Midas程序。立柱、斜桿、腹桿采用梁單元進行模擬，計算模型如圖8所示。材料選用Q235，參數的取值如下：彈性模量E=2.1×105MPa，密度ρ=7.85×103kg/m3，泊松比μ=0.3。

圖8 塔架有限元模型圖

模型中施加的荷載為結構自重及纜索傳遞給索鞍的力，最大水平力H＝50.3t，最大豎向力V＝339.6t，按照集中力施加（如圖9所示）。

圖9 塔架加載示意圖

塔架各桿件的應力如圖10 所示。圖中壓應力為負，拉應力為正。根據《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》（JTJ 025—1986），Q235 鋼材容許應力為140MPa。從圖10可以看出，門架應力滿足要求。

圖10 塔架應力圖

3 主索鞍吊裝門架及纜索吊塔架施工

主索鞍吊裝門架和纜索吊塔架均采用塔吊從下往上依次安裝。為減少塔頂焊接量，可根據吊裝設備參數，考慮在加工場區進行門架片體焊接施工，在塔頂完成組裝焊接。

結合現場實際施工進度情況，主索鞍吊裝時，僅需完成門架部分桿件安裝，如圖11所示。

纜索吊系統安裝時，在主索鞍吊裝門架的基礎上安裝纜索吊塔架部分桿件，并在連接處栓接或焊接牢固，如圖12所示。

4 結語

本文以澧水特大橋施工為例，介紹了在索塔頂狹小空間內同時考慮兩大吊裝門架系統的設計及施工，并采用Midas Civil軟件對結構受力情況進行建模復核驗算，確保結構安全的同時方便了施工、節約了材料、縮短了工期，取得了較好的經濟效果，可供同類型橋梁工程技術人員參考。

[1] 喻勝剛，沈良成，牛亞洲.潤揚大橋懸索橋索鞍吊裝施工技術[J].橋梁建設，2004（4）：21-24.

[2] 蔣劍虹.自錨式懸索橋主索鞍分塊及吊裝施工技術[J].鐵道建筑技術，2009（10）：10-13.

[3] 葛俊穎. 橋梁工程軟件Midas Civil 使用指南[M]. 北京：人民交通出版社，2013.

[4] JTJ 025—1986，公路橋涵鋼結構及木結構設計規范[S].