纜索式起重機懸拼輕型鋼拱架施工技術研究

許適

摘要：通過下牢溪大橋建設實例，認真研究纜索式起重機懸拼輕型鋼拱架施工過程中纜索式起重機的穩定性及輕型鋼拱架的荷載承受能力，具體分析采取措施的可行性，總結類似拱橋施工過程的施工工藝、方法及控制措施和關鍵技術，對相關類似結構的橫跨峽谷、江河等不利地質條件下拱橋施工提供可參考的科學實例。

關鍵詞：纜索式起重機；型鋼拱架；承式箱型拱橋

引言：

拱橋是一種受力性能良好、結構穩定的工程結構，具有較強的美觀性，在跨河、峽谷及風景區建設中較為常見，而大跨度拱橋或者多孔連拱拱橋施工工藝復雜、施工風險大、技術要求高，以往的施工方式往往會增加施工造價成本造成資源浪費，本文主要研究一種專利性較強的輕型鋼拱架懸拼施工工藝，主要分析研究纜索式起重機穩定性能和鋼拱架懸拼過程穩定性控制。

1.工程概況

本項目為宜巴線下牢溪橋危橋改造工程，主要工程內容為原有橋梁左側新建上承式箱型拱橋，新建下牢溪橋型為上承式箱型拱橋，左幅橋梁起點樁號K9+191.96，終點樁號K9+341.04，全長149.08m。主橋為單跨90m箱型拱橋，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數m=1.5，矢跨比為1/5.233，無鉸拱體系。引橋為8m簡支實心板，橋面連續；橋梁全寬22.0米。

2.纜索式起重機穩定驗算

吊裝系統由主索、索鞍、跑車、起重滑車組、牽引索、卷揚機、錨錠等組成。兩岸塔柱基礎設置拱座基礎上，蓮坨岸塔柱高42m；宜昌岸塔柱高24m。本案例最不利工況為：纜索單側在拱架拼裝期間最大吊重量124.068KN，安裝8m實心板時最大吊量為104KN。

主索采用4φ47.5（6×37+1）鋼絲繩，起重索采用φ19.5（6×37+1）鋼絲繩走6線，牽引索采用φ21.5（6×37+1）鋼絲繩走2線，鋼拱架風纜采用φ26（6×37+1）鋼絲繩，塔架風纜采用4φ32.5和φ32.5（6×37+1）鋼絲繩，扣索采用3φ32.5（6×37+1）鋼絲繩。

2.1均布荷載

主索自重：q1=4×792.9×10-2×9.8×10-3=0.3108KN/m；起重索自重：q2=1×132.7×10-2×9.8×10-3=0.0130KN/m；牽引索自重：q3=2×163.3×10-2×9.8×10-3=0.0320KN/m；支索器自重：q4=18×18×9.8×10-3/188=0.0168KN/m；則均布荷載總量=q1+q2+q3+q4=0.3726KN/m。

2.2集中荷載

1）拼裝拱架階段：整段拱架每節約7.8t，考慮兩組纜索同時吊兩節，則單組起吊 Q1=2×7800/2x9.8×10-3=76.44 KN

最不利工況滿足安全施工生產要求。

2.3輕型鋼拱架基本受力情況

鋼架拼裝過程：可調試鋼拱架由基本節段和聯結系組成，基本節段分為標準段、調節段、拱頂段和拱腳段四種類型，整個施工吊裝過程控制為多階段連拼逐塊吊裝完成。

本案例重點分析鋼拱架的良好受力性能，通過實例分析，鋼架基本承重如下：鋼拱架自重：240t（包括基本節段及所有聯結系）；全橋模板及其墊塊重量：100t；全橋滿布其余施工荷載：50t；拱肋底板及下馬蹄混凝土重：593.20t；拱肋腹板及橫隔板混凝土重：51.25t；拱肋頂板及上馬蹄混凝土重：593.20t；鋼拱架均勻溫度：±15oC；風荷載：取風速20m/s的風力值。

3.鋼拱架整體穩定性驗算

為了評估鋼拱架的穩定性，我們通過采用穩定安全系數加以量化。本案例僅對鋼拱架進行第一類穩定分析即線彈性穩定分析，即屈曲分析。進行線彈性穩定分析時，不考慮結構的幾何與材料非線性影響，基本計算公式為：（[K ]λ[Kd ]）δ0式中：[K]—結構的整體彈性剛度矩陣；[Ka ] —結構的整體幾何剛度矩陣；δ—節點的位移矩陣；λ—穩定安全系數，P 承載力= λ ×（G 拱架自重+F 拱架上總荷載）。結構的整體彈性剛度矩陣[K ]僅與單元構形、單元抗壓剛度 EA、抗彎剛度 EI及抗扭 GJ 剛度有關；結構的整體幾何剛度矩陣[Ka ] 僅與單元長度和單元軸力有關，因此可以將鋼拱架的穩定計算模型簡化。簡化原則：將每片基本節段簡化為一個單元，保證單元的長度、抗壓、抗彎及抗扭剛度與原結構相等，這樣就能保證整體剛度矩陣與原結構相等，從而保證[K]相同，再加上相同的載荷，單元軸力也必相同，故[Ka]也相同，最后解出的特征值λ 必然相同。

各基本節段的截面特性計算如下：

（1）標準節段（B）、調節節段（T）和拱頂節段（D）

A=0.022212m2；Ix=0.0237526m4；Iy=0.00229292m4；J=2.387232E-6 m4；A、Ix、Iy 和 J 分別表示節段截面面積、對 x、y 軸的抗彎慣矩和截面抗扭慣性矩，下同。

（2）拱腳節段（J）

截面 1：A=0.0416m2；Ix=0.04201432m4；Iy=0.00354968m4；J=1.89E-4 m4；

截面 2：A=0.0416m2；Ix=0.000624m4；Iy=0.00354968m4；J=1.89E-4 m4；

（3）平聯（P）A=0.002752cm2；Ix=0.00274636m4；Iy=0.00073332m4；J=2.25E-8 m4；

（4）橫聯（H）

截面 1：A=0.001376m2；Ix=0.00093446m4；Iy=1.14E-6m4；J=1.125E-8 m4；

截面 2：A=0.002752m2；Ix=0.00201608m4；Iy=6.108E-5m4；J=2.25E-8 m4；

采用 Midas Civil 2012 進行結構分析，并用橋博 3.1.0 進行復核；采用 Ansys 10.0進行局部分析。

最小穩定安全系數遠遠大于4，因此整體穩定性滿足規范要求。

鋼材的彈性模量E= MPa，則鋼拱架的抗彎剛度

查《橋梁設計與計算》，本拱架按拋物線兩鉸拱計算穩定性。縱向穩定性，穩定臨界荷載 ， ，查表得系數k=43.71，代入得

>q=211 KN/m。縱向穩定性滿足要求。

4.結束語

下牢溪大橋目前已竣工通車，各項建設指標經橋梁動載、靜載試驗數據顯示均達到規范要求，下牢溪橋建設成果是成功的。實踐證實，輕型鋼拱架的運用和纜索式起重機的選擇成功克服了施工場地狹窄、起重吊裝困難等施工難題，不僅縮短了預期的施工工期還帶來了良好的社會效益，為今后類似拱橋及其他結構橋梁施工積累了顯著的施工經驗。

（作者單位：中鐵二十局集團第三工程有限公司）