新型纜索吊機在武忻高速新圩紅水河特大橋中設計及應用

許建文，陳召桃

（1．廣西新發展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029；2．廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530200）

0 引言

無支架纜索吊裝施工法作為跨越河流峽谷工程施工的主要方法，已被應用于越來越多的大跨徑拱橋的拱肋安裝。在已建的數座鋼管混凝土拱橋中，尤其是跨徑超過150 m的拱橋，大多都采用該方法安裝拱肋[1]。據統計，鋼管混凝土拱橋拱肋的架設主要采用轉體施工法、纜索吊裝法和支架施工法，也有少數橋梁采用了懸臂拼裝等方法，目前近70%的鋼管混凝土拱橋拱肋架設方法采用纜索吊裝施工技術[2]。

新圩紅水河特大橋斜拉扣掛體系扣塔設計為裝配化鋼管格構式結構，塔架縱向、豎向設計模數為4 m，橫向為4．9 m，桿件均為標準件，采用螺栓連接，立柱主管采用法蘭盤連接，水平桿、水平斜桿及立面斜桿與豎向主管采用節點板連接。塔架可依據受力狀態進行排列組合，通用性強，周轉使用率高，安拆便利。本文主要介紹新型纜索吊機的設計及應用，開展快速安拆裝配化塔架設計及智能化纜索起重機控制系統研究和優化斜拉扣掛一次張拉計算理論深化研究。

1 工程概況

1.1 工程概況

YK109+102新圩主線紅水河特大橋是武宣—來賓—合山—忻城公路一座特大型中承式鋼管混凝土拱橋，位于來賓市忻城縣新圩鄉丹靈村和紅渡鎮馬蹄村天六屯，橋梁橫跨紅水河，上跨省道S510和縣道X652，主橋長 354 m（計算跨徑 325 m），拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數為1．5，計算矢跨比為1/4．513 888 89，主拱采用鋼管混凝土桁式結構，整束擠壓鋼絞線吊索體系，橋面主梁采用格構式鋼-混凝土組合梁，兩岸拱座為重力式抗推力結構基礎。主線橋主線橋面寬31．4 m，雙向4車道布置。

下游側新圩連接線紅水河特大橋同橋型、同跨徑、同懸鏈線并列布置，主墩基礎為擴大基礎，兩橋橋面間凈距5．02 m，兩橋共用基礎。連接線主橋橋面寬18．9 m，采用雙向2車道。

1.2 新型纜索吊機塔架設計

1.2.1 塔架總體設計

纜索吊裝系統塔架采用大型鋼管搭設，塔腳固結，扣掛合一，裝配化鋼管格構式結構，塔架縱向、豎向設計模數為4 m，橫向為4．9 m。

圖1 塔架總體布置圖（武忻高速新圩岸左、紅渡岸右） （單位：mm）

1.2.2 塔架快速安拆設計

塔架安裝使用C7036型塔吊，采用塔吊進行立桿鋼管、水平桿、斜桿、橫聯、塔頂等的安裝，地面拼裝成單元后，高空進行單元吊裝。安裝單元劃分：安裝單元為立桿片裝單元、橫聯單元、平臺單元、塔頂單元，安裝快捷。吊裝單元設計如圖2所示。

圖2 吊裝單元設計圖

1.3 新型纜索吊機電氣控制系統設計方案

起重機電氣控制系統設計包含電源系統、拖動系統、控制系統、安全監控系統，實現整套纜索起重機集成控制，提高纜索起重機運行速率及安全性。

電源系統：重機兩岸各自采用獨立供電方式。供電電源為 AC 380 V，50 Hz 三相五線，控制電源為 AC 220 V，50 Hz 和 DC24 V。安全監控系統設置UPS 電源，滿足斷電情況下工作30 min的工作時間。動力系統：采用變頻卷揚機，運行更穩定。電機末端設有速度編碼器，將電機轉速反饋給變頻器，實現精確速度控制。控制系統：系統選用可編程控制器 PLC 作為控制核心，南北兩岸集裝箱均設有 CPU，CPU 之間、CPU與各分站之間通過通信連接。通信系統：系統在通信中斷時纜機能自動停機，并具有通信中斷的自診斷功能。安全監控系統：包括監控參數設計、處理單元設計、可視監控設計、安全保護設計。

1.4 優化斜拉扣掛一次張拉計算設計方案

拱肋安裝采用CFST 拱橋斜拉扣掛施工優化計算方法，基于Midas Civil2020、AcrOPT-2．0 廣西路橋斜拉扣掛優化計算程序進行分析，實現扣索一次張拉成型，且安裝過程各扣索力變化不大，拱肋線形接近裸拱目標線形，整體安裝快捷、安全、精準。

基于《CFST 拱橋斜拉扣掛施工優化計算方法》（韓玉，秦大燕， 鄭健）“過程最優，結果可控”斜拉扣掛施工優化一次調索計算理論，對各吊裝施工過程中的線形和各扣索索力隨著封拱鉸時機的變化規律進行計算，并根據現場實際情況進行深化研究。

1.4.1 影響矩陣法原理

如圖3所示的CFST拱為例，進一步介紹影響矩陣法的計算分析原理。

圖3 CFST拱

CFST拱橋施工過程中各扣索索力荷載主要包括結構恒荷載產生的荷載效應、其他扣索張拉和索自身變形產生的荷載效應等部分。基于疊加原理，可得到式（1）所示影響矩陣方程：

式中，Euser指各控制點的目標位移向量；f為各扣索初拉力荷載向量；Econst為考慮施工階段恒載作用下各拱段控制節點的位移向量；M為各單位扣索力單獨作用下形成的影響矩陣，即當1號扣索索力為1時，各控制點位移為{i1}（i=1，2，…，11，12），同理扣索j索力為1時，各控制點位移為{ij}（i=1，2，…，11，12），因此，該影響矩陣M如下：

然后，結合方程式（2）和線性代數的相關理論，可得到各扣索初拉力荷載向量f：

1.4.2 拱肋吊裝施工優化模型

其優化模型如下：

式中：x為扣索初拉力荷載；u1（x）為當前安裝拱肋節段并張拉扣索所對應的懸臂端控制點位移；u2（x）為安裝橫聯后的各懸臂端控制點位移向量；un（x）為各控制點合龍松索位移向量；ut為目標位移向量；M1，M2，Mn為不同施工階段下的影響矩陣；C1， C2，Cn為已知荷載量對狀態變量的影響向量；T0為安裝預抬高值為0時的荷載向量；u為合龍松索后各控制點位移偏差限值；uh（x）為各拱肋拼裝階段各控制點的預抬高值。

所有扣索力均按一次張拉進行計算，以成拱松索后的變形與裸拱自重變形差在可控范圍內為控制目標，同時將安裝過程中拱肋線性控制在最小。

1.4.3 深化研究

合攏松索后，各控制點位移 Un與目標線形Ut位移差的絕對值u直接決定優化效果，根據 CFST 拱橋斜拉扣掛施工優化計算方法計算優化目標函數 f（x）與u的關系曲線如圖4所示，由于u 表示合攏松索后實際線形與目標線形的偏差， 優化目標函數 f（x）表示各施工過程中實際線形偏離目標線形的程度， f（x）與u分別表示“過程偏離程度”和“結果偏離程度”。

如圖4所示，在保障線形的前提下且施工方案實施經濟性良好的情況下，后續索力優化均取u=10 mm，遠小于規范要求的允許值L/3000=108 mm（《鋼管混凝土拱橋結構技術規范》（GB 50923—2013）第 11．2．7 規定“鋼管拱肋架設拱圈高程允許偏差±L/3 000，其中L為拱肋的計算跨徑”）。

圖4 norm_T 與u 關系曲線

根據f（x）函數修正計算模型（圖5），計算出拱肋線形變化及索力變化（圖6、圖7），結果顯示吊裝線形與目標線形接近，且初張索力與最大索力變化較小，表明整個線形良好且結構安全。

圖5 主線橋與連接線橋計算模型

圖6 拱肋線形分析（左主線，右連接線）

圖7 拱肋扣索力分布分析（左主線，右連接線）

分析結果顯示，拱肋線形、索力變化均符合預期目標。

2 實施效果

2.1 纜索起重機裝配化塔架安裝

紅渡岸塔架高132．9 m，塔架桿件共7 126個桿件、84 272個螺栓，自2022年5月中旬開始安裝，至7月31日封頂，其間由于雨天、大風等停工18 d，實際施工時間59 d，塔架安裝快捷，塔頂偏位未超12 cm，無墜物事件，較同期一項目萬能桿件塔架快50%，受雨天影響有所窩工，較一般萬能桿件節省勞務費、設備費64．3萬元。

2.2 智能化纜索起重機設計及斜拉扣掛優化算法

目前纜索起重機控制系統已進場，完成部分系統安裝，斜拉扣掛一次張拉成型優化計算方法已復核完成，技術方案實施過程中也取得較好效果。

3 新型纜索吊機特點優勢及主要技術創新點

3.1 新型纜索吊機特點優勢

新型纜索吊機利用若干標準單元件和索鞍單元件拼裝而成，塔架各桿件通過螺栓連接，易于安裝與拆除，在搭設速度及最大高度上都優于傳統塔架。裝配化鋼管格構式結構較傳統的萬能桿件優勢在于以下4點。

（1）纜索吊機裝配化塔架較萬能桿件節省50%工期，無墜物事故，較一般萬能桿件節省勞務費、設備費省至少79萬元，塔架垂直度滿足H/600需求。

（2）在地面拼裝成片裝再起吊至高空安裝，每個8 m高的片裝體的立柱高空安裝施擰螺絲只有32個螺栓，安全系數大幅度提高。

（3）利用智能系統及斜拉扣掛一次張拉成型優化計算方法，實現1天安裝1個拱肋節段實效。拱肋安裝斜拉扣掛一次張拉成型，安裝后無須再次調索，應用CFST 拱橋斜拉扣掛施工優化計算方法，就兩岸塔架遠離拱肋、連接線拱肋上下游扣索不對稱特殊性進行深化研究，提出最佳控制索力及節段安裝預抬高值。

（4）纜索起重機電氣控制系統集成化設置，電信號協調控制32臺卷揚機，提高纜索起重機運行的安全性。

本項目主要以深化研究新型纜索起重機設計、拱肋懸臂拼裝斜拉扣掛設計，以實現快速、優質、安全施工，提高施工效率，解決密集村落環境中鋼管混凝土拱橋建設“拱肋安裝”核心復雜問題，提高拱橋核心競爭力。目前，所研究的項目在世界第一拱天峨龍灘特大橋及已開工的多座拱橋上同步應用，對推動拱橋發展具有戰略性意義。

3.2 主要技術創新點

技術創新需求主要來源于現場施工組織難題，本項目著重解決項目位于密集村落修建大跨徑拱橋安全性的需求，先后進行大體積快速澆筑方案研究、纜索吊機塔架模塊化單元化快速安拆研究、纜索吊機控制系統集成化研究、斜拉扣掛一次張拉深化研究。

（1）纜索吊機裝配化塔架水平桿、水平斜桿及立面斜桿與豎向主管采用螺栓連接，可以實現自由排列組合，滿足任何工序要求。結構安裝在地面拼裝為單元后再進行吊裝，塔架結構螺栓安裝施工工作量70%以上在地面完成，有效降低高空施工安全風險，塔架安裝效率提高近50%。

（2）纜索吊機電氣控制系統，可集中控制復雜纜索起重機，具備完善的安全保護系統。一是采用變頻起動和制動，減少設備機械沖擊，穩定多擋速度運行，延長傳動機構的壽命；二是采用光纖以太網通信，實現遠程操作、集中操控；三是PLC強大故障診斷及判斷功能，實現準確識別控制系統運行故障，及時發出預警并進行停機保護；四是PLC配合工控機與人機界面，實現視頻監控同步向操作人員展示功能的同時，便于操作人員快速查詢系統運行情況；五是通過可編程控制器編程建立邏輯控制，實現纜索起重機多模式運行，操作簡便，大幅度提高工作效率，降低施工難度，實現智能化施工，提升本質安全性；六是減員增效，相對傳統接觸器、繼電器，整套系統操作人員由30人縮減至1～2人。

（3）斜拉扣掛優化計算理論，扣索張拉一次成型，吊裝過程無須進行調索，且吊裝過程各節段扣索力變化均勻，結構安全，線形變化與裸拱線形目標值接近，線形安裝精度高。

4 結語

新圩紅水河特大橋整個塔架通過連接板用高強度螺栓進行連接，塔架標準段的拼裝和拆卸簡單、速度快，拼裝效率高，有利于工程質量控制，大大縮短工期，降低施工成本，效益顯著[3]。索塔作為纜索吊的主要承重構件之一，理論計算強度須滿足規范要求，按方案拼裝完成后須經施工單位公司驗收和特種設備檢測研究院檢測合格并試吊完成，同時應加強索塔的應力及變形監測，方能保障新型纜索吊機系統的正常運行。

拱橋用纜索起重機塔架常規為萬能桿件式，安裝基本在高空進行且安裝效率低、高空作業量大、結構強勁性較弱。本項目裝配式塔架的研究，采用標準桿件，重型結構立柱及通用性腹桿，實現地面拼裝再吊裝，使得至少60%的塔架安裝作業量在地面完成，減少高空作業強度及時間，配合內爬升免拆施工平臺，有效降低安全風險。由于結構按8 m每個格構進行單元設計，安全速率較萬能桿件提升50%以上，采用塔吊分單元吊裝，設備、人員投入減少，施工機械化程度提升，較同類型工程建設投入降低20%左右。本項目纜索起重機控制系統及斜拉扣掛系統正運行中，結合其他項目的實際應用來看，具有技術先進、安全可靠、效益明顯等特點。