山區大跨徑懸索橋加勁梁旋轉就位方法及設備研究

陳輔一， 毛科強， 曹淑龍， 李胡濤

(長安大學公路學院，陜西 西安 710064)

山區大跨徑懸索橋加勁梁旋轉就位方法及設備研究

陳輔一， 毛科強， 曹淑龍， 李胡濤

(長安大學公路學院，陜西 西安 710064)

懸索橋因跨越能力強、施工技術成熟、抗震性能好等優點成為修建山區大跨徑橋梁時經常采用的橋型，但因山區地形環境復雜，地勢陡峭險峻，限制了懸索橋的新建和推廣。為實現大跨橋梁施工全過程的橋上作業，提高工程在惡劣地形條件下施工的安全性，云南省普立大橋采用新型的加勁梁旋轉就位設備和方法，提高了工程施工的安全保障與可靠性，并有效的節省了工期。對普立大橋加勁梁吊裝技術和設備及吊裝程序等進行了詳細的研究，為大跨徑橋梁的施工提供參考。

懸索橋；加勁梁；吊裝；纜索吊機；旋轉吊具

懸索橋因其跨越能力強、傳力明確、造型優美，施工技術較為成熟，成為修建大跨徑橋梁時的首選橋型。隨著我國經濟的快速發展，越來越多的高速公路和跨海連島工程得以修建，在山谷深溝、急流江河、浪高海域和繁忙航道之上建造大跨徑懸索橋的項目逐漸增多，但在上述工況下進行加勁梁吊裝工作，成為懸索橋建設的一大瓶頸。為此，研究和設計方便可行、快速高效的加勁梁吊裝設備和方法，對建設和發展懸索橋具有非常重要的意義。

1 工程概況

普立大橋位于云南省宣威市，跨越普立大溝深切峽谷，橋梁全長1 040 m，主橋為628 m單跨簡支的鋼箱加勁梁懸索橋，主纜邊跨為166 m，橋面全寬28.5 m，橋面至普立大溝谷底最大深度為388 m。兩岸分別采用隧道式錨碇和重力式錨碇錨固，索塔為直塔柱門式框架結構，群樁基礎。該項工程是普宣高速公路控制性工程之一。

在綜合考慮了節段拼裝的技術難度、運輸及場地存放及纜索吊承重和起吊能力等因素后，全橋鋼箱梁共劃分53個梁段，其中標準梁段51個，特殊梁段2個。標準梁段長度為12 m，特殊梁段長6.6 m，梁段最大節段重量約為146 t。

普立大橋鋼箱加勁梁架設有以下的技術難點：

(1)橋梁跨越普立大溝，地形復雜，深切溝谷兩側谷坡地形陡峭，呈“V”形深谷。施工機械無法到達谷底，鋼箱梁無法運至設計位置進行垂直起吊安裝。

(2)橋址區最大風速25 m/s，風向多為南風，頻率29%，平均風速5.2 m/s。鋼箱梁吊裝過程中，在遇到較大的風荷載時，對吊裝質量和安全控制的要求較高，必須制定嚴格的控制措施應對。

(3)因橋址特殊，鋼箱梁僅在橋位一側進行加工和存放。鋼箱梁吊裝需要在纜索上進行長距離的水平移動，施工控制和管理難度要求較高。

2 吊裝方法比選

目前國內外已建或在建懸索橋項目，針對不同的加勁梁形式、場地條件、施工條件及吊裝重量等因素，常用的加勁梁架設方法主要有纜索吊機架設法、跨纜吊機架設法、橋面吊機架設法和頂推架設法，其中后兩種方法因技術復雜，施工難度大而較少采用[1-6]。

2.1 跨纜吊機架設法

目前，大跨徑鋼箱梁懸索橋的加勁梁架設較多采用跨纜吊機架設法，如廣東虎門大橋、潤揚大橋、江陰大橋、西堠門大橋和丹麥大海帶東橋等。跨纜吊機架設法是將標準梁段運至加勁梁設計位置正下方，利用主纜上的跨纜吊機垂直起吊進行梁段安裝。跨纜吊機架設法的特點是吊裝質量大，具有垂直起吊和沿順橋向水平移動的能力，但順橋向移動速度慢，移動距離有限。加勁梁節段通常為垂直吊裝，適用于跨江河或梁段易于運至橋位下方的工況。

2.2 纜索吊機架設法

纜索吊機架設法因其適用性較強，起吊能力大，沿順橋向水平行走能力強、可進行加勁梁梁段的整體吊裝、施工速度快等優點，近年來被廣泛用于鋼桁加勁梁懸索橋的加勁梁的施工架設，如西藏角籠壩大橋、貴州北盤江大橋、重慶萬州長江二橋和滬蓉西四渡河大橋等。采用纜索吊機架設法進行加勁梁的吊裝，其架設方向一般為從跨中向兩側索塔對稱吊裝。

2.3 吊裝方法確定

根據普立大橋的橋址地勢，結合普立大橋施工方法和鋼箱梁存放場地的限制，總結出普立大橋鋼箱梁吊裝具有以下特點：①無法將梁段運至設計位置下方進行垂直吊裝；②梁段吊裝只能從橋位單側位置進行全部梁段的吊裝，為此，吊裝設備需要具有很強的順橋向行走和控制能力；③主塔為門式框架結構，其內側凈寬小于加勁梁寬，加勁梁需以垂直設計方向穿過主塔進行起吊，待吊運至設計位置后再進行水平旋轉至設計方向。基于以上特點，本工程項目采用纜索吊機架設方法，在主塔處起吊時，采用平衡索配合起吊的蕩移法，為解決加勁梁吊運至垂直位置進行旋轉至設計方向的技術難題，特別設計了新型的旋轉吊具。

3 纜索吊機總體布置

本纜索吊機主要由繩索系統(承重索、起重索系統、牽引索系統及背索)、吊運系統、塔頂索鞍、錨碇預埋件等組成，如圖1所示。纜索吊選用雙塔三跨方案：普立岸邊跨跨度為157.57 m，高差80 m，主索弦傾角26.917°；中跨跨度為628 m，其中，宣威側主索高程為1 900.666 m，普立側主索高程為1 890.481 m，高差為10.185 m，主索弦傾角0.929°；宣威岸邊跨跨度為158.87 m，高差80 m，主索弦傾角26.811°。主索采用兩組索布置，兩組索中心間距9 m；鞍座設置在主橋兩岸塔柱頂部，后錨設置在兩岸散索鞍支墩上；兩組索以橋梁中心線對稱布置。最大吊重按250 t設計；最大吊重在跨中時垂跨比f/L=1/14.5；單根主索最大索力約770kN。離索鞍15m范圍內為天車盲區，天車需在距離主塔15m外移動。

圖1 纜索吊機總體布置

3.1 繩索系統

纜索吊機繩索系統包括承重主索、起重索系統、牽引索系統及背索。承重主索采用兩組索方案，塔頂處兩組索中心間距為9 m，以橋梁中心線對稱布置。每組主索分別錨固在對應側的散索鞍支墩上，塔頂靠近橋梁中心線處主索為1#索，依次向外側編號，離橋梁中心線最遠處為8#索，1#～8#索在預埋件上從上到下錨固。

每組承重主索上布置2組起重索，起重索一端錨固在預埋件上，繞過一個起重裝置，另一端連接卷揚機，兩岸分別布置兩臺起重卷揚機和2個錨固預埋件。每組主索上布置一組牽引索，牽引索布置成循環的形式，4臺牽引卷揚機均布置在宣威岸。背索設置在塔頂索鞍上，兩岸分別布置12根鋼絞線，一個預埋件上錨固6根背索，單根背索預拉力設計值為67 kN。繩索系統總體構造如圖2所示。

圖2 繩索系統構造

3.2 吊運系統

吊運系統由行走天車、上吊具、下吊具、扁擔梁及旋轉吊具組成，一組承重索上分別有兩臺天車相互連接協同作業。行走天車與上吊具組裝為一體，上吊具與下吊具之間繞起重鋼絲繩，扁擔梁將4個下吊具連接，使其共同參與吊重，旋轉吊具上部連接扁擔梁，下部起吊主橋箱梁節段。

3.3 塔頂索鞍

塔頂索鞍作為主塔頂部纜索吊機繩索系統的轉向部件，并且承受纜索系統傳遞的較大的局部壓力，應具備足夠的強度。塔頂索鞍直接安裝在主橋塔柱頂部，兩組索鞍距橋梁中心線距離均為4.5 m，主塔澆筑混凝土時在設計位置設置預埋件，用以對索鞍的安裝定位。

3.4 錨碇預埋件

兩岸錨碇預埋件均設置于主橋散索鞍支墩上，預埋件采用Q235B鋼，主索錨固預埋件設計拉力值為800 kN，牽引索、起重索預埋件設計拉力值為200 kN，背索預埋件與主索相同。連接件通過銷軸連接預埋件及錨固輪，連接件材質Q235B鋼，銷軸材質45#鋼，錨固輪材質ZG45鋼，鋼絲繩錨固在錨固輪上。

4 旋轉吊具設計

普立大橋因其主塔內側凈距小于橋面寬度，并且鋼箱梁需在橋面上吊運，考慮已安裝梁段的吊桿影響，鋼箱梁節段只能以垂直設計方向由運梁小車運至橋塔處進行吊裝，待纜索吊機將鋼箱梁節段吊運至設計位置處，再旋轉至設計方向。普立大橋在施工中，首次采用纜索吊機旋轉吊裝方法，并為此設計加工了旋轉吊具。旋轉吊具主要由承載吊梁、箱形梁吊具、遙控式電機、旋轉軸、萬向鉸等部件組成，如圖3所示。

圖3 旋轉吊具構造

承載吊梁由吊索和滑輪系統連接在承重索上，承載吊梁作為旋轉吊具的主要承重結構，成為連接纜索系統和鋼箱梁的關鍵，必須保證其安全可靠。承載吊梁分為主梁和輔梁，采用不同規格的H型鋼，為保證鋼梁的局部穩定性，在H型鋼兩翼緣板內設置豎向和橫向加勁肋，在承擔箱梁吊具處，應增大豎向加勁肋的數量，提高局部受壓能力。箱梁吊具作為吊具動力系統的工作平臺，采用型鋼組合焊接而成并組裝連接在承載吊梁之上。為節省材料和降低工作區高度，箱梁吊具采用變截面。電機為旋轉吊具提供動力，通過齒輪與旋轉軸齒輪連接，為方便操作，采用遙控式，提高工作效率和安全度。遙控電機可通過調節電極實現正反向轉動。旋轉軸采用銷釘限位，可實現任意角度定向轉動，減少人工校正鋼箱梁安裝角度，提高操作精度。圖4為加勁梁吊裝現場施工圖。

5 加勁梁吊裝方案

5.1 吊裝準備

加勁梁吊裝開始前，應當按設計要求架設承重軌索，將行走天車和上吊具吊裝至承重軌索上，安裝好牽引索和起重索，將下吊具通過起重索與上吊具連接，通過掛鉤鋼絲繩吊裝扁擔梁及旋轉吊具，在引橋工作平臺安裝卷揚機和平衡索。纜索吊系統安裝完成后，分別進行吊裝荷載為25%設計荷載、50%設計荷載及100%設計荷載的靜動力試吊，120%設計荷載的靜力試吊，確保纜索吊機運行的安全性和可靠性。

圖4 纜索吊機吊裝施工

5.2 吊裝程序

準備工作完成后，運梁小車將預制拼裝好的加勁梁節段以垂直于設計方向運至橋塔外側引橋處；將平衡索與扁擔梁進行臨時連接，啟動平衡索卷揚機，將旋轉吊具牽引至加勁梁節段上方，將旋轉吊具下端吊繩按要求與加勁梁節段連接。制動起重索，配合制動平衡索，將加勁梁節段緩慢起吊并穿過橋塔至豎直位置。制動遙控式電機，帶動齒輪軸進行水平轉向，將加勁梁水平轉向90°至設計方向后，通過制動起重索和牽引索，調整加勁梁節段至設計位置。待加勁梁節段與相鄰節段臨時連接后，解除旋轉吊具與加勁梁的連接，本節段吊裝完畢。重復上述操作，完成剩余加勁梁吊裝工作。吊裝流程見圖5。

普立大橋加勁梁吊裝順序為：首先將橋塔處27#與27′#加勁梁節段吊裝至臨時托架上，然后由跨中向兩邊對稱吊裝1#～25#和1′#～25′#加勁梁節段，最后吊裝合龍段6#節段。所有節段吊裝完成后，測量、調整梁面線形至設計要求，對所有鋼箱梁進行永久連接。

5.3 吊裝注意事項

(1)鋼箱梁吊裝前，貓道承重索全部改吊至主纜；同時，將貓道承重索兩端錨固處留出足夠的富余量，確保貓道與主纜的線形一致，避免發生主纜變形下沉而貓道由于錨固端的原因無法隨之下沉，造成主纜壓在貓道上的危險情況。

(2)梁段吊裝就位后，與相鄰梁段進行臨時連接，利用銷釘調平板件錯邊，并擰緊頂板臨時連接對拉螺桿至設計縫寬后固定。吊裝初期，各梁段臨時連接為鉸接狀態，梁段上翼緣頂緊，下翼緣張口將逐漸減小。因此，在吊裝階段嚴禁拉近底板上的臨時連接件使張口閉合，以免增大上翼緣的壓力。

圖5 普立大橋加勁梁吊裝流程圖

(3)加勁梁節段間臨時聯結采用臨時連接匹配件，方法是吊裝一段連一段，先將頂板D1、D2進行連接，底板先松連，待梁段縫隙閉合后再行連接其底板上的臨時連接件。

6 結束語

為加快施工進度和保證施工過程的安全可靠，普立大橋鋼箱梁采用新型吊裝方法和吊具，完成了在山區復雜地形條件下的大型橋梁結構的吊裝。該吊裝方法和設備具有以下優點：

(1)旋轉吊具結構設計簡單，加工制作技術要求低，投入成本較低。

(2)纜索吊機適應能力強，配合旋轉吊具，完全實現橋上作業，可以適用于各種橋下作業不便的工況，例如山區深谷、通航河道等。

(3)加勁梁吊裝方法操作步驟簡便、可操作性強且使用效果好，適用于大跨徑橋加勁梁的架設，并且施工難度低、安全可靠性高、經濟實用。

(4)不需要將加勁梁運輸到設計位置下方，通過吊機在橋端位置起吊沿橋梁縱向吊運至設計方向，吊裝速度快、節省工期。

[1]劉 高，彭運動，周 平，等.壩陵河大橋鋼桁加勁梁施工架設方案研究[J].公路交通科技，2009(5)：80-85

[2]張 平，李靖華，上官興.山區懸索橋鋼桁主梁施工研究[J].中外公路，2009，29(1)：135-139

[3]杜忠軍.大跨徑鋼桁梁懸索橋施工工藝研究[D].重慶：重慶交通大學，2011

[4]陳明憲.矮寨特大懸索橋建設新技術研究[J].中外公路，2011，31(6)：1-5

[5]栗金營，陳 淮，李 杰.哪吒大橋鋼桁加勁梁架設方案研究[J].施工技術，2011，40(9)：35-38

[6]劉小飛.北盤江大橋懸索橋鋼桁加勁梁施工技術[J].貴州工業大學學報(自然科學版)，2008，37(3)：184-187

A Study of the Method of and the Equipment for Rotating the Stiffening Girder into Place for a Large-Span Suspension Bridge in Mountainous Regions

CHEN Fuyi, MAO Keqiang, CAO Shulong, LI Hutao

(Highway College,Changan University,Xi'an 710064,China)

Having the merits of being powerful in spanning rivers and valleys,ripe in construction techniques and strong in anti-earthquake performance,the suspension bridge is the commonest type of bridge for large-span projects of bridge in mountainous regions.However,because of the complexity of the landscape and the steep and dangerous topography of mountainous regions,the newly-building and popularization of it is limited. In order to realize the full-deck operation of the construction of the large-span bridge, and to improve the security of the construction of the project in poor geological conditions,the new-type equipment for and the new method of rotating the stiffening girder into place is adopted for the construction of the Puli Bridge in Yunnan Province,with the security and reliability of the construction of the project ensured,and the construction duration effectively saved.A detailed study is made of the lifting and erecting technique of,and equipment for and the lifting processes of the stiffening girder of the Puli Bridge in the paper,which may serve as a useful reference for the construction of the large-span bridge.

suspension bridge;stiffening girder;lifting and installing;cablecrane;rotary lifting device

2016-06-22

云南省交通運輸廳科技項目(云交科2013(A)02)

陳輔一(1994—)，男，碩士研究生，研究方向為大跨橋梁動力性能。1521945683@qq.com

10.13219/j.gjgyat.2016.06.006

U448.25

B

1672-3953(2016)06-0023-04