大跨徑橋梁纜索吊系統質量控制方法研究

鄧 俊， 李相松

(蘇交科集團股份有限公司， 南京 210017)

纜索吊系統作為大跨徑橋梁鋼梁起吊和行走能力的起重設備，是橋梁上部構造施工最重要的大型空中施工臨時設施。纜索吊系統安全風險高，管理難度大，一旦發生安全事故，損失極大。因此其質量控制備受各方關注。國內許多學者對大跨徑橋梁纜索吊系統進行了研究，趙春發、馬汀等[1-2]深入研究了懸索橋纜索吊系統設計要點；黎訓國、李偉等[3-4]介紹了千米級大噸位懸索橋纜索吊安裝施工技術；金正川、張勝利、常文等[5-7]深入剖析了大跨徑橋梁纜索吊機總體設計；徐天輝、徐元孝等[8-9]重點討論了大跨徑橋梁纜索吊機架設法的施工工藝；丁亞輝、田國兵等[10-11]闡述了纜索吊機施工安全風險控制措施。目前國內部分標準規范[12-15]對大跨徑橋梁錨碇、索塔等主體結構質量控制進行了規定，但對纜索吊系統質量控制缺乏明確規定。

綜上所述，為解決大跨徑橋梁纜索吊系統關鍵部位質量控制項目偏少、缺失等問題，非常有必要根據國內大跨徑橋梁施工特點，對大跨徑橋梁纜索吊系統質量控制方法進行深入研究，滿足現代大跨徑橋梁建設質量穩定和施工安全保證的需要。為此，本文通過具體質量控制方法計算結果的對比分析，對纜索吊關鍵部位在特定施工工況條件下的受力情況和安裝位置進行現場量測和驗證，并通過實測值與理論計算值進行比較，評價纜索吊系統施工是否滿足設計及規范要求。

1 纜索吊系統質量控制

大跨徑橋梁纜索吊系統主要由錨固系統、主索、起重索、牽引索、索鞍及索鞍支架等關鍵部位組成，纜索吊系統質量控制方法計算主要依據JTG D64—2015《公路鋼結構橋梁設計規范》、JTG/T F50—2011《公路橋涵施工技術規范》、GB/T 3811—2008《起重機設計規范》、GB/T 28756—2012《纜索起重機》等標準規范。

1.1 錨固系統質量控制方法

1) 預埋鋼板帶拉力計算

(1) 拉應力

(1)

(2) 剪應力

(2)

(3) 擠壓應力

(3)

式中：T為單個錨固鋼板帶受力，kN；t1為鋼板帶厚度，mm；t2為銷孔加強板厚度，mm；D為鋼板帶寬度，mm；d為銷孔直徑，mm；[σ]為容許拉應力，MPa；[τ]為容許剪應力，MPa；[σbs]為容許擠壓應力，MPa。

2) 錨固滑輪連接銷剪應力計算

(4)

3) 錨固系統安裝位置

錨固系統安裝位置參照JTG F80/1—2017《公路工程質量檢驗評定標準》要求執行。

1.2 主索質量控制方法

1) 主索張力安全系數計算

(1) 主索是纜索吊系統中的主要承重構件，在荷載作用下只產生軸向的主索張力。主索張力隨荷載的不同產生變化，張力和荷載之間的關系不是線性的，而是非線性的。主索張力計算核心是懸索拋物線算法，假定作用于懸索的荷載沿懸索的跨度方向分布，其受力狀態如圖1所示。

圖1 懸索拋物線算法示意

因作用在主索上的均布荷載q為常量，懸索受均布荷載作用下的平衡微分方程可寫成：

(5)

積分2次得：

(6)

根據邊界條件x=0，y=0；x=L，y=h，代入公式

有二次拋物線方程：

(7)

為了確定未知量H，給定跨中垂度f，令x=L/2，y=h/2+f，則懸索張力水平分力為：

(8)

同理懸索張力豎直分力為：

(9)

(2) 當處于橋梁跨中最大吊重工況時，結合懸索拋物線算法，主索張力計算公式如下。

① 水平分力

(10)

② 豎直分力

(11)

③ 最大張力

(12)

④ 張力安全系數為

(13)

式中：q為均布荷載，kN；Q為集中荷載，kN；C1、C2為積分常數；h為兩索塔高差，m；L為跨徑，m；f為主索最大垂度，m；β為主索弦傾角，(°)；[T]為容許破斷拉力，kN。

2) 主索應力安全系數計算

在驗算主索應力時，需考慮主索與起重小車車輪接觸處因彎曲作用產生的彎曲應力及在索鞍與平滾接觸處的接觸應力。

主索最大計算應力σmax應滿足：

(14)

拉應力：

(15)

接觸應力：

(16)

拉應力安全系數：

(17)

接觸應力安全系數：

(18)

式中：η1、η2為安全系數；Tmax為最大張力，kN；Qmax為最大集中荷載，kN；Ek為繩索彈性模量，MPa；S為纜索截面積，mm2；Dmin為平滾最小直徑，mm；p為繩索鋼絲直徑，mm；m為滑輪數。

3) 主索垂度計算

主索垂度：

fmax=(a+b+c)-(g+e+f)

(19)

式中：a為主索空纜矢高，m；b為主索至塔頂高，m；c為跨中吊索銷孔中心距，m；g為主索與吊鉤最小距離，m；e為吊鉤至梁面高，m。

4) 索間相對高差

索間相對高差參照JTG/T F50—2011《公路橋涵施工技術規范》要求執行。

1.3 起重系統質量控制方法

1) 起重索繞過卷揚機端拉力計算

(1) 單側起重荷載

(20)

式中：Q1為梁段重量，kN；Q2為吊具重量，kN；Q3為起重小車下掛架重量，kN；Q4為起重索重量，kN。

(2) 起重索繞過卷揚機端拉力

(21)

式中：λ1為起重滑輪效率，取0.98；λ2為轉向滑輪效率，取0.98；n為滑輪組上繩索工作線數；μ為轉向滑輪輪數。

2) 起重索安全系數計算

(1) 張力安全系數

鋼絲繩張力安全系數：

(22)

(2) 接觸應力安全系數

最大接觸應力：

(23)

接觸應力安全系數：

(24)

1.4 牽引索質量控制方法

1) 牽引力計算

選定最不利吊點計算牽引力，牽引索總的牽引力：

W=W1+W2-W3-W4

(25)

單根牽引索最大張力：

(26)

式中：W為總牽引力，kN；W1為起重小車下滑力，kN；W2為牽引索自然松弛張力，kN；W3為起重小車運動阻力，kN；W4為起重索運動阻力，kN。

2) 牽引索安全系數計算

(1) 張力安全系數

鋼絲繩張力安全系數為：

(27)

(2) 接觸應力安全系數

最大接觸應力：

(28)

接觸應力安全系數為：

(29)

1.5 索鞍及索鞍支架質量控制方法

1) 索鞍支架應力計算

根據索鞍支架結構和應力情況利用Midas軟件建立模型，纜索吊鋼絲繩傳遞的張力荷載及風荷載均按節點荷載加載在支架頂部4個節點上。模型計算如圖2所示。

單位：MPa

2) 預埋件抗壓強度計算

預埋件抗壓強度：

Q=0.5fcA>Nmax

(30)

式中：fc為預埋件應力，MPa；A為預埋件截面積，mm2；Nmax為最大豎向力，kN。

3) 索鞍及索鞍支架安裝位置

索鞍及索鞍支架安裝位置參照JTG F80/1—2017《公路工程質量檢驗評定標準》要求執行。

2 工程應用

云南龍江特大橋主橋為(320+1 196+320)m布置的鋼箱梁懸索橋，鋼箱梁吊裝采用了跨度上千米、吊重上百噸的纜索吊設計施工技術。本次試驗以云南龍江特大橋為依托，在特定施工工況條件和外力狀態下，分別采集2組不同時段的實測值與理論計算值進行對比分析，驗證該質量控制方法的可行性。

2.1 錨固系統

在騰沖岸主索錨固回輪轉上布置測點，并在測點上安裝張力傳感器，單個錨固鋼板帶受力，由該張力傳感器采集數據并結合鋼板帶數量計算，錨固系統安裝位置通過高精度全站儀測量，結果見表1。

表1 跨中最大吊重工況下錨固系統質量控制狀況

由表1可知，該工況條件下不同時段的2組應力值偏差范圍在0.10 MPa～0.35 MPa之間，安裝位置偏差2.1 mm，表明不同時段的2組質量控制實測數據穩定可靠；同一工況條件下應力實測值與理論計算值偏差范圍在0.18 MPa～0.45 MPa之間，均在容許值范圍內，表明該質量控制方法理論計算結果準確，錨固系統處于安全運行狀態。

2.2 主索

在騰沖岸主索錨固回輪轉和跨中主索上布置測點，錨固回轉輪上安裝張力傳感器，自動采集主索張力，主索垂度、索間相對高差通過高精度全站儀測量，結果見表2。

表2 跨中最大吊重工況下主索質量控制狀況

由表2可知，該工況條件下不同時段的2組實測應力和張力安全系數偏差范圍在0.03～0.09之間，主索垂度和索間相對高差實測值基本一致，表明不同時段的2組質量控制數據穩定可靠；同一工況條件下應力和張力安全系數實測值與理論計算值偏差范圍在0.01～0.16之間，所有控制指標均在容許值或允許偏差范圍內，表明該質量控制方法理論計算結果準確，主索處于安全運行狀態。

2.3 起重系統

在保山岸起重卷揚機上布置測點，并在測點上安裝張力傳感器，自動采集起重索繞過卷揚機端拉力，結果見表3。

表3 鋼箱梁吊裝工況下起重系統質量控制狀況

由表3可知，該工況條件下不同時段的2組實測應力和張力安全系數偏差范圍在0.06～0.07之間，拉力實測值基本一致，表明不同時段的2組質量控制數據穩定可靠；同一工況條件下應力和張力安全系數實測值與理論計算值偏差范圍在0.03～0.08之間，所有控制指標均在容許值或允許偏差范圍內，表明該質量控制方法理論計算結果準確，起重索處于安全運行狀態。

2.4 牽引索

在保山岸牽引卷揚機上布置測點，并在測點上安裝張力傳感器，自動采集牽引索拉力，結果見表4。

表4 鋼箱梁吊裝工況下牽引索質量控制狀況

由表4可知，該工況條件下不同時段的2組實測應力和張力安全系數偏差范圍在0.04～0.09之間，牽引力實測值基本一致，表明不同時段的2組質量控制數據穩定可靠；同一工況條件下應力和張力安全系數實測值與理論計算值偏差范圍在0.02～0.06之間，所有控制指標均在容許值或允許偏差范圍內，表明該質量控制方法理論計算結果準確，牽引索處于安全運行狀態。

2.5 索鞍及索鞍支架

在索鞍支架上布置測點，并在測點上安裝張力傳感器，自動采集索鞍支架及預埋件拉力，縱向偏位和高程通過高精度全站儀測量，結果見表5。

表5 跨中最大吊重工況下索鞍及索鞍支架質量控制狀況

由表5可知，該工況條件下不同時段的2組控制指標實測值基本一致，表明不同時段的2組質量控制數據穩定可靠；同一工況條件下各項控制指標實測值與理論計算值均在容許值或允許偏差范圍內，表明該質量控制方法理論計算結果準確，索鞍及索鞍支架處于安全運行狀態。

3 結束語

本文對大跨徑橋梁纜索吊系統質量控制方法進行了深入研究，得到如下主要結論：

1) 纜索吊系統關鍵部位采用相同施工工況條件和外力狀態下不同時段的2組質量控制數據基本一致，該質量控制方法理論計算結果穩定可靠。

2) 當在特定施工工況條件和外力狀態下，各關鍵部位的應力和張力實測值與理論計算值偏差范圍在0.1 MPa～0.45 MPa之間，安全系數偏差范圍在0.01～0.16之間，各項控制指標均在容許值或允許偏差范圍內，該質量控制方法能夠有效保障施工質量和安全。

3) 本文采用的質量控制方法計算結果滿足設計及規范要求，已在大跨徑橋梁工程中得以應用，并經工程驗證具有較高的可行性。