超600 m鋼管拱橋纜索吊運施工安全性分析

摘要：文章以主跨600 m的鋼管混凝土勁性骨架拱橋——天峨龍灘橋為依托工程，對鋼管拱肋吊裝施工過程中的索鞍、跑車、塔架、地錨以及各纜索系統等關鍵受力結構進行安全性計算分析。結果表明，鋼管拱吊裝施工具有足夠的安全性，相關數據可為天峨龍灘橋安全施工提供參考。

關鍵詞：天峨龍灘橋；纜索吊運施工；施工風險；塔架

0引言

鋼管混凝土拱橋不僅繼承了傳統拱橋承載能力大的特點，還具備跨越能力大、經濟性高、曲線優(yōu)美等特點，是經濟學與美學融合的最佳典范。在我國經過三十余年發(fā)展，目前已建成460余座鋼管拱橋，成為大跨徑橋梁中應用最多的橋型之一［1］。目前，已建成的世界最大跨徑拱橋為主跨575 m鋼管混凝土拱橋——廣西貴港平南三橋，該橋于2018-08-07開始建設，于2020-12-28建成通車，耗時874 d，質量優(yōu)異，堪稱橋梁史上的又一奇跡［2］。纜索吊運斜拉扣掛施工憑借適應性好、造價低、施工風險較小等優(yōu)點，成為大跨徑拱橋應用最多的工藝，文獻［2］統計，53座跨徑＞200 m的鋼管混凝土拱橋中43座采用纜索吊運斜拉扣掛施工工藝。然而，隨著拱橋跨徑的不斷增大，拱圈吊裝重量、吊裝節(jié)段數量以及塔架高度等也一次次刷新記錄，采用纜索吊運斜拉扣掛施工工藝也面臨著更大的施工安全風險。2013年5月，四川資陽市雁江區(qū)在建拱橋沱江三橋發(fā)生纜索吊運塔架垮塌，造成5死2傷的事故［3］，人員傷亡和經濟損失巨大，因此，很有必要對此開展相關研究。

在建工程天峨龍灘橋為主跨600 m鋼管混凝土勁性骨架拱橋，建成后將再一次刷新世界拱橋跨徑記錄，其拱圈跨徑大、拱肋節(jié)段數多、吊裝重量大，采用纜索吊運施工技術將面臨著較大的施工風險?；诖?，本文以天峨龍灘橋為工程依托，對其纜索吊運施工過程進行介紹，并針對塔架、地錨、纜索系統、跑車等關鍵受力結構進行安全性分析，為大橋的安全施工保駕護航。

1 工程概況

1.1 項目概況

天峨龍灘橋位于廣西河池市境內，是南丹至天峨下老高速公路的控制性工程。該橋全長2 488.55 m，橋面寬24.5 m，橋面主梁為12×40 m預制T梁，主橋采用上承式鋼管混凝土勁性骨架拱橋，主橋跨徑為600 m，矢高為125 m，矢跨比f=1/4.8。主橋橫橋向為兩片四肢桁式鋼管混凝土拱肋，拱肋中距為16.5 m，設置13道箱型肋間橫聯以及20道X型橫聯。鋼管拱采用纜索吊運斜拉扣掛施工工藝進行節(jié)段拼裝施工，塔架采用“吊扣分離式”的結構形式，塔架為永臨結合式的結構布置，即吊扣塔安裝在橋墩0#塊上，如圖1所示。

1.2 纜索吊裝施工工序

纜索起重機安裝與調試主要施工步驟如圖2所示：

（1）利用塔吊先安裝索鞍，并將索鞍固定。

（2）如圖3所示，[JP+2]安裝通天引線。先用塔吊將索牽引過塔頂，后由交通船牽引至對岸，連接引線鋼絲繩，利用卷揚機牽引至塔前，最后用對岸塔吊完成塔頂翻越，進入卷揚機，完成通天引線安裝，共安裝2條通天引線。

（3）如圖4所示，利用往復牽引通天引線，輔以塔架起吊，安裝承重主索；先安裝工作索道承載索，使工作索系統快速投入使用，再利用工作索道輔助安裝主承重索及弦管跑車、牽引、起重繩等。

（4）如圖5所示，收放牽引往復系統兩端，將承重索從一側塔架牽引至另一岸塔架，中跨部分利用工作索系統兜吊下垂的主索，減少牽引阻力；主索繞過索鞍后，繼續(xù)向下牽引至地錨進行錨固。

（5）重復上述步驟，完成所有承載索的安裝。

（6）按照設計要求，調整承載索的空索垂度，最大安裝垂度誤差＜5 cm。

（7）利用塔架安裝跑車、支索器、吊點，穿牽引繩、起重繩，繩頭固定在跑車上；利用引線將跑車牽引至另一岸塔架邊，安裝支索器、牽引繩，將起重繩繼續(xù)牽引至地錨處，進入卷揚機。

（8）同步安裝纜索系統的電控系統。電控系統由專業(yè)公司進行安裝。

（9）對系統進行第一次空載試運行，檢查有無缺漏、錯誤。

（10）[JP+3]將跑車牽引至一岸塔邊，精調承載索線形，復核合格后，進行第二次空載試運行，完成纜索系統安裝。

2 纜索吊運施工安全性分析［4］

天峨龍灘橋鋼管拱纜索吊運施工根據現場環(huán)境，先采用桅桿吊將拱肋吊至運輸船只上，然后利用纜索吊運系統吊運拱肋進行拱圈懸臂拼裝。整個施工過程中涉及主地錨、桅桿吊基礎、各纜索系統、纜索吊塔架以及索鞍和跑車等主要受力構件的安全性，需對其進行安全性分析。

2.1 主地錨施工安全性分析

地錨安裝位置、高程和埋深應精準，主地錨抗傾覆、抗滑移和抗拔等性能應滿足安全要求。根據主地錨承受的主承重索、牽引索等作用下，主地錨設計采用埋深6 m，地錨長30 m，寬15.5 m，高10 m；底板厚1.5 m；壓重塊由兩部分組成，頂壓重塊高4 m，寬9.9 m，采用柔素混凝土的結構形式。由于兩岸地錨受力相似，以南丹岸為例，進行計算分析。根據結構的抗傾覆計算，按公式Kt=抗傾覆力矩/傾覆力矩=799 272 kN·m/171 017 kN·m=4.67，大于規(guī)范要求的2.0；抗滑移安全系數Ks=抗滑移力/滑移力=60 711 kN/21 727 kN=2.79，大于規(guī)范要求的2.0；抗拔安全系數K=自重/豎向力=78 640 kN/8 727 kN=9.01，大于規(guī)范要求的2.0，均滿足規(guī)范要求。

2.2 桅桿吊基礎安全性分析

如圖6所示，天峨龍灘橋鋼管拱肋采用220 t/100 t桅桿吊作為起重吊裝設備，將各拱肋節(jié)段由岸上吊運至運輸船上。塔架基礎位于桅桿吊底部，用以承受桅桿吊荷載，其中立柱采用700×14 mm，橫聯包含245×7 mm和219×6 mm兩種型號鋼管桿件。為確保塔架基礎的安全性，采用Midas Civil軟件對桅桿吊塔架基礎進行計算分析（見下頁圖7）。計算時，塔架基礎立柱及頂部鋼梁采用梁單元分析，其余各桿件采用桁架單元模擬，塔架基礎立柱與地基的接觸采用固結模擬。計算結果表明，鋼梁最大應力為169 MPa，柱最大拉力為517 t（小于承臺自重），抗拔安全系數為2.3，具有較好的安全性。

2.3 主索、起重索、牽引索安全性分析

根據各拱肋的最大吊重為169.4 t，充分考慮施工過程中的不利因素，按照220 t進行計算分析。主索采用20×50 mm密封鋼絲繩，牽引索采用428 mm的6×37b-IWR，起重索為424 mm的6×37b-IWR。根據文獻［4］的相關計算公式進行各索的安全性分析，計算結果表明各索安全系數均滿足規(guī)范要求，如表1所示。

2.4 塔架安全性分析

天峨龍灘橋采用吊扣分離式塔架結構，塔底均采用鋼梁固結。吊塔豎向、縱向均以4 m為模數設計，橫橋向以4.9 m為模數設計，標準格構柱尺寸為4 m×4.9 m，塔架立柱均采用610 mm×20 mm鋼管，每節(jié)段長8 m，腹桿采用114 mm～245 mm鋼管，立柱和腹桿均采用直縫鋼管；立柱間采用法蘭盤連接，其余桿件間采用節(jié)點板栓接。塔架前后設纜風索提高塔架的穩(wěn)定性?？紤]結構自重+主索力（吊重）+正常工作狀態(tài)風荷載+纜風初拉力，而對于塔架非正常工作狀態(tài)的計算，考慮結構重力+主索力（空載）+非正常工作狀態(tài)風荷載+纜風初拉力。計算結果表明，Q345鋼材最大應力為181.4 MPa，小于規(guī)范要求的223 MPa；最大位移為166.4 mm，小于規(guī)范要求的限值239 mm；各工況下，彈性穩(wěn)定系數最小為13.6，大于規(guī)范要求的4.0。塔架整體安全性較好，能滿足各種不同工況的施工安全要求，如圖8所示。

2.5 跑車、索鞍等安全性分析

進一步對纜索吊運系統的塔頂索鞍、跑車、吊具等進行有限元計算分析，主索鞍計算結果如后頁圖9所示。計算結果表明：Q355主索鞍體和40Cr銷軸最大應力分別為114.3 MPa和121.2 MPa，最大變形量為0.39 mm，較規(guī)范限值有一定安全富余，索鞍系統的強度和剛度均滿足施工要求。同理，對主跑車、工作索鞍、吊具和跑車等受力構件進行計算分析，其強度和剛度均滿足規(guī)范要求，且具有一定的安全富余。

3 結語

本文以主跨600 m鋼管混凝土勁性骨架拱橋——天峨龍灘橋為依托工程，對纜索吊運施工過程中各主要施工工序進行介紹，并對鋼管拱肋吊裝施工過程中主地錨、桅桿吊基礎、主索、起重索、牽引索以及纜索吊塔架施工等進行安全性分析。計算結果表明了鋼管拱吊裝施工具有足夠的安全性，相關數據可為天峨龍灘橋安全施工提供參考。

參考文獻：

［1］Wang Q，Nakamura S，Chen K，et al.fatigue analysis of K-Joint in a half-through concrete-filled steel tubular truss arch bridges in china［C］. 8thInternational conference on arch bridges，2016.

［2］鄭皆連.500米級鋼管混凝土拱橋建造新技術［M］.上海：上?？茖W技術出版社，2020.

［3］施曙東.我國大型橋梁工程建設期內典型事故調研與原因探討［J］.城市道橋與防洪，2017（4）：134-136，15.

［4］周水興.路橋施工計算手冊［M］.北京：人民交通出版社，2000.

作者簡介：莫藍金（1985—）工程師，主要從事道路與橋梁技術研究和施工管理工作。