單塔式纜索吊在大跨度鋼拱橋吊裝施工中的應(yīng)用

王洛洛 WANG Luo-luo

（中鐵十五局集團(tuán)第三工程有限公司，成都 641418）

0 引言

在跨越深谷或較寬江河時(shí)，鋼拱橋是理想的橋型選擇，該類(lèi)型橋梁不但整體受力良好滿(mǎn)足較大跨徑需求，而且鋼拱肋采用分段制作分段拼裝，可以大大縮短施工工期。由于拱肋重量較大，拱肋的吊裝是拱橋施工中的重難點(diǎn)。當(dāng)橋址區(qū)域地形平緩、無(wú)水或少水時(shí)，可采用支架法進(jìn)行拱肋吊裝和拼裝，但對(duì)于地形復(fù)雜、深水及其他復(fù)雜情況時(shí)，纜索吊是拱肋吊裝的最佳選擇。

新安江大橋鋼拱橋主跨為270m，通過(guò)對(duì)橋址區(qū)域及河道兩岸進(jìn)行充分調(diào)查論證以及對(duì)施工方案的詳細(xì)比選，項(xiàng)目部決定采用單塔式纜索吊進(jìn)行鋼拱肋的吊裝，與傳統(tǒng)雙塔纜索吊不同，該類(lèi)型纜索吊充分利用有利地形，在安全性、經(jīng)濟(jì)性以及拱肋精度上具有明顯優(yōu)勢(shì)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用，該類(lèi)型纜索吊在大跨度鋼拱橋吊裝施工中取得很好的效果。

1 工程概況

新安江大橋起點(diǎn)位于歙縣街口鎮(zhèn)新門(mén)村接省道F007處，終點(diǎn)位于新溪口鄉(xiāng)塔坑村接省道S348 處。全長(zhǎng)270 延米，橋梁跨度為14.5m+ 218m+13.5m（不含橋臺(tái)），橋梁主橋結(jié)構(gòu)為中承式系桿拱橋，其中兩側(cè)引橋橋面寬度13m，主橋橋面全寬15m。

拱肋橫采用矩形截面結(jié)構(gòu)，分別設(shè)置在橋梁左右兩側(cè)。主橋計(jì)算跨徑為236m，矢高50m，矢跨比為1/4。拱軸采用m=1.3 的懸鏈線(xiàn)線(xiàn)形。左右兩側(cè)拱腳中-中距離為20.8m，主拱肋均設(shè)置8°內(nèi)傾角。拱肋采用等高度箱形截面，寬20m，高35m。批腳G1 和G1′節(jié)段頂、底板厚度為40mm、腹板厚度為32mm，拱腳G2-G3 和G2′-G3′節(jié)段頂、底板厚度均為40mm、腹板厚度均為24mm，G4-G14 和G4′-G13′節(jié)段頂、底板采用28mm 厚度鋼板，腹板采用20mm 厚度鋼板；頂板和底板各自設(shè)2 道縱向加勁肋，腹板設(shè)6 道縱向加勁肋，根據(jù)母板的厚度，頂板和底板加厚鋼板為24mm，高為280mm，腹板加厚鋼板為20mm，高為200mm。沿拱助軸線(xiàn)縱向每隔約2m（平面投影間距）設(shè)一道橫隔板，板厚20mm。單側(cè)拱肋共分為13 個(gè)節(jié)段，另加一個(gè)拱頂節(jié)段，最大節(jié)段重量約為57t。

2 鋼拱肋吊裝施工方案比選

新安江大橋鋼拱肋吊裝施工考慮以下兩個(gè)方案實(shí)施，方案一：雙塔纜索吊吊裝，方案二：?jiǎn)嗡|索吊吊裝。

2.1 方案適用性比選

新安江大橋兩岸地形狀況差別較大，其中小里程側(cè)河岸坡度較小，距離河岸邊范圍處較為平緩，大里程側(cè)河岸坡度較大，大型機(jī)械設(shè)備無(wú)法進(jìn)入。采用單塔纜索吊吊裝，則只需要在小里程側(cè)河岸設(shè)置一處索塔，大里程河岸由于基巖較好，可將主索直接錨固于錨碇上。這樣使得纜索吊受力更加明確，不但降低了施工措施費(fèi)用，而且避免了對(duì)河岸兩側(cè)生態(tài)環(huán)境的破壞。

2.2 方案安全性比選

由于新安江大橋大里程側(cè)河岸坡度較大，若在此進(jìn)行大范圍施工時(shí)，施工機(jī)械及施工人員會(huì)作業(yè)環(huán)境比較危險(xiǎn)，如機(jī)械傾覆、落石等。若采用單塔式纜索吊，則只涉及到大里程側(cè)錨碇小范圍施工，大大降低了施工難度和安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 方案經(jīng)濟(jì)性比選

新安江大橋小里程側(cè)河岸坡度較小，距離河岸邊范圍處較為平緩，大里程側(cè)河岸坡度較大，若兩側(cè)均設(shè)置索塔，則大里程處索塔安裝較為困難，需對(duì)河岸地形進(jìn)行較大規(guī)模改造。不但增加了施工成本，而且對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較大影響，同時(shí)也增加了施工安全風(fēng)險(xiǎn)。而采用單塔式纜索吊，則只需對(duì)小里程側(cè)河岸進(jìn)行簡(jiǎn)單處理即可進(jìn)行施工，不但降低施工成本，而且對(duì)周邊環(huán)境影響減少到最低。經(jīng)初步測(cè)算，采用雙塔式纜索吊總費(fèi)用約1000 萬(wàn)元，而采用單塔式纜索吊總費(fèi)用只需680 萬(wàn)元，節(jié)約施工成本約320 萬(wàn)元。

綜合上述比選，新安江大橋鋼拱橋拱肋選擇單塔式纜索吊裝。

3 單塔式纜索吊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)算

3.1 單塔式纜索吊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

新安江大橋主橋塔纜索吊為單塔雙跨式結(jié)構(gòu)，跨度為174m＋486m，索塔設(shè)在小里程岸，設(shè)計(jì)最大起吊重量65t。纜索吊裝系統(tǒng)由索塔、主索、起重索、牽引索、索鞍、行走天車(chē)、吊具、起重及牽引卷?yè)P(yáng)機(jī)、錨碇、風(fēng)纜等主要系統(tǒng)組成。

索塔設(shè)置在橋臺(tái)小里程方向24m 處，大里程岸主索直接錨固于錨碇上，索塔采用貝雷門(mén)式結(jié)構(gòu)，塔架高76.6m，采用“纜扣合一”結(jié)構(gòu)，采用橫梁將其聯(lián)為一個(gè)整體，纜塔鉸接于扣塔頂部。大里程岸設(shè)計(jì)主索錨碇2 個(gè)，扣索錨碇4 個(gè)，采用預(yù)應(yīng)力錨索錨碇。小里程岸設(shè)計(jì)主索錨碇2 個(gè)，扣索錨碇4 個(gè)，采用預(yù)應(yīng)力錨索錨碇。

主索采用2×7Φ56（6×37S+FC）鋼繩；起重索采用4×2Φ26（6×37S+FC）鋼繩；牽引索采用4×2Φ28（6×37S+FC）鋼繩；纜塔纜風(fēng)繩采用Φ15.24 鋼絞線(xiàn)；采用Φ32 鋼繩做為扣塔纜風(fēng)繩，起重索由10t 卷?yè)P(yáng)機(jī)帶動(dòng)工作，牽引索由16t 卷?yè)P(yáng)機(jī)帶動(dòng)工作。

①扣塔基礎(chǔ)：基礎(chǔ)采用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)尺寸6.4m（長(zhǎng)）×6.4m（寬）×3m（高），基礎(chǔ)承載力不小于250kPa；基礎(chǔ)開(kāi)挖完畢后綁扎鋼筋澆筑混凝土。

②索塔：索扣塔塔高57.38m，所有索塔平面尺寸均為4m×4m，單側(cè)采用4×4 組貝雷桁架組成格構(gòu)式，纜塔高度19.557m，由8 組貝雷桁架按“一”字布置。索塔分節(jié)分段進(jìn)行安裝，每層安裝完畢后要及時(shí)校核其垂直度及平面位置，及時(shí)安裝纜風(fēng)繩確保其穩(wěn)定性。

③索鞍：索鞍主要零部件有底座、立板、銷(xiāo)軸及主索輪，索鞍必須在工廠進(jìn)行加工組裝然后整體吊裝至塔頂位置。

④繩索部分：纜索吊機(jī)索道部分包括：主索，起重索，牽引索。

單套65t 纜索吊機(jī)繩索規(guī)格如下：

主索為7Ф56mm 鋼絲繩（6×36S+FC）；

起重索為2Ф26mm 鋼絲繩（6×37S+FC），走8 布置；

牽引索為2Ф28mm 鋼絲繩（6×37S+FC），走4 布置。

⑤錨碇：大、小里程岸設(shè)計(jì)主索錨碇2 個(gè)，扣索錨碇4個(gè)，采用預(yù)應(yīng)力錨索錨碇。兩岸主索錨碇及扣索錨碇均位移橋位兩岸山坡上。扣索錨碇兩岸均為預(yù)應(yīng)力錨索錨碇，但是小里程錨索與錨碇連接方式采用鋼絞線(xiàn)連接器連接，大里程扣索直接錨固到錨碇錨梁上。

3.2 纜索吊受力驗(yàn)算

3.2.1 荷載取值

纜索吊纜索受力主要是起吊重物和運(yùn)送重物時(shí)，其中將重物吊起后運(yùn)送至纜索吊跨中位置處時(shí)是各構(gòu)件受力最大的情況。此時(shí)是纜索吊受力最不利情況，不但承受本身自重荷載，還要承受吊件的自重荷載及沖擊荷載。本文主要考慮纜索吊在吊物時(shí)最不利的受力情況，因此需對(duì)集中荷載進(jìn)行受力計(jì)算分析。

鋼箱梁節(jié)段重：Q1=650kN（最重節(jié)段）

吊裝系統(tǒng)：Q2=100kN

扁擔(dān)梁：Q3=100kN（單個(gè)吊點(diǎn)下扁擔(dān)梁重50kN）

起重鋼絲繩重：Q4=37kN（鋼絲繩同起重索，起吊高度90m，走8）

單組索合計(jì)：∑Q=887kN

3.2.2 受力荷載分析

①主索計(jì)算。

當(dāng)跑車(chē)吊最大吊重位于跨中時(shí)，主索張力及垂度為最大，為最不利工況。

初擬跨度與最大垂度之比：

則主索最大水平拉力Hmax可由下式計(jì)算而得：

Hmax=ql2/（8fmaxcosβ）+QL/（4fmax）=3994.85（kN）

主索最大張力時(shí)對(duì)A 轉(zhuǎn)向索鞍的豎向壓力VA為：

VA=ql/（2cosβ）+Q/2-Hmaxtanβ=382.24（kN）

主索最大張力時(shí)對(duì)B 轉(zhuǎn)向索鞍的豎向壓力VB為：

VB=ql/（2cosβ）+Q/2+Hmaxtanβ=1013.53（kN）

則根據(jù)力的三角關(guān)系得出主索的最大張力為：

單根Tmax=573.30（kN）

同時(shí)得出主索最大張力時(shí)主索與水平線(xiàn)的夾角α 值：

A 轉(zhuǎn)向索鞍處：

αA=arctan（VA/H′max）=0.0954（rad）=5.466°

B 轉(zhuǎn)向索鞍處：

αB=arctan（VB/H′max）=0.2485（rad）=14.236°

②主索強(qiáng)度、拉應(yīng)力及接觸應(yīng)力校核。

強(qiáng)度校核：Tmax=4013.09（kN）（主索的最大張力）

Tn=12810.00（kN）（主索的極限拉斷力）

則安全系數(shù)K=3.19（≥3.0，滿(mǎn)足要求）

拉應(yīng)力校核：

σ=Tmax/F+（Q/n）（Ek/（Tmax×F））1/2=788.68（MPa）

則安全系數(shù)K=2.2（≥2.0，滿(mǎn)足要求）

式中：F=1240（mm2）（一根鋼絲繩截面積，為鋼絲總斷面積）

N=4.0（個(gè)）（一根主索上的行車(chē)輪數(shù)）

接觸應(yīng)力校核：

σ=Tmax/F+Ekd/Dmin*cos2θ*cos2φ=855.21（MPa）

（θ 為骨股間捻角18 度，φ 為絲間捻角18 度）

則安全系數(shù)K=2.07（≥2.0，滿(mǎn)足要求）

式中：d=2.6（mm）（組成主索的鋼絲直徑）

Dmin=500.0（mm）（平滾最小直徑）

③索塔計(jì)算。

纜扣塔整體建模，扣背索索力為整體模型，纜索吊荷載采用上述主纜荷載，直接加載在纜塔頂部。（圖1、圖2）

圖1 纜扣塔整體模型圖

圖2 纜扣塔整體計(jì)算應(yīng)力圖

纜扣塔整體計(jì)算結(jié)果：纜扣塔貝雷梁最大應(yīng)力為163MPa＜210MPa（16Mn 鋼材容許應(yīng)力），滿(mǎn)足要求。

4 纜索吊施工工藝及注意事項(xiàng)

4.1 纜索吊施工工藝流程

索塔基礎(chǔ)及主錨碇施工→安裝主、扣塔→安裝索鞍、行走天車(chē)、吊具 →安裝風(fēng)纜、過(guò)江循環(huán)索→安裝主索→安裝牽引索、起重索→安裝電氣控制系統(tǒng)→吊裝系統(tǒng)調(diào)試成型→載荷試驗(yàn)。

4.2 纜索吊安裝

4.2.1 索塔基礎(chǔ)及主索、錨索錨碇施工

對(duì)索塔基礎(chǔ)范圍內(nèi)的表層土進(jìn)行清理，采用風(fēng)鎬去除松散巖石確保地基承載力應(yīng)不小于250kPa。錨碇施工先開(kāi)挖表土露出新鮮巖層面，將巖層面鑿成滿(mǎn)足鋼筋砼墊梁高度的垂直（或根據(jù)設(shè)計(jì)或?yàn)樾逼拢┟娌⑶謇砀蓛簦缓缶o貼巖層面澆筑墊梁，錨碇上部開(kāi)挖斜坡面若較高，應(yīng)進(jìn)行邊坡防護(hù)，防止邊坡垮塌事故。

4.2.2 主、扣塔拼裝

①扣塔基礎(chǔ)施工完成后，先安裝好QTZ63（5013）塔吊，采用塔吊安裝第一、二節(jié)，安裝穩(wěn)定花架，調(diào)整垂直度；首節(jié)驗(yàn)收合格后方可繼續(xù)安裝后續(xù)節(jié)段。②索塔各桿件必須按圖施工，每安裝一層要及時(shí)進(jìn)行檢查和復(fù)核，確保桿件位置及垂直度復(fù)核圖紙要求及有關(guān)規(guī)定。③索塔上的連接螺栓必須采用高強(qiáng)螺栓，不得采用沖擊安裝方法，需采用扭矩扳手來(lái)確保螺栓最終力矩滿(mǎn)足要求。④塔身安裝過(guò)程中要安排專(zhuān)人進(jìn)行檢查，尤其是關(guān)鍵受力桿件必須仔細(xì)檢查并形成檢查記錄。

4.2.3 索鞍安裝

索鞍為移動(dòng)式索鞍，其安裝在索塔頂部滑道上。索鞍的主要構(gòu)件有索鞍分配梁、起重及牽引轉(zhuǎn)向輪以及各支撐結(jié)構(gòu)，索鞍必須在工廠進(jìn)行加工安裝，然后整體吊裝至滑道上。

索鞍安裝工序流程為：分配梁的下料→塔吊運(yùn)輸分配梁→分配梁就位→焊接分配梁限位塊→塔吊運(yùn)輸索鞍→索鞍就位→焊接索鞍與分配梁的連接處→焊接起重索、牽引索的轉(zhuǎn)向裝置。

4.2.4 主索安裝

每組主索為7 根Ф56mm 鋼絲繩（6×37S+FC），主索牽引經(jīng)過(guò)索塔橫梁后一端錨固在索塔錨固梁上，另一端錨固在河岸錨點(diǎn)碇上，然后采用千斤頂進(jìn)行張拉收緊，從而調(diào)整主索索力及垂度值。

主索安裝施工工序流程為：卷?yè)P(yáng)機(jī)布置→先導(dǎo)索過(guò)河→安裝牽引索循環(huán)系統(tǒng)→將主索放入放索架中→將主索的一個(gè)端頭放出→把放出的主索端頭與牽引循環(huán)索用繩卡固定→起動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)將主索往大里程岸牽引→牽引至大里程岸主錨處→將主索錨固在錨梁上→回拉小里程岸主索至主索垂度基本達(dá)到空索垂度→將小里程岸主索頭子系在調(diào)節(jié)滑車(chē)組上錨固→調(diào)節(jié)小里程岸滑車(chē)組松緊繩使主索的垂度達(dá)到設(shè)計(jì)空索垂度→1 根主索安裝完畢。

4.3 纜索吊試吊

纜索吊試吊需對(duì)兩組起吊系統(tǒng)單獨(dú)進(jìn)行，每組按65t進(jìn)行試吊，試吊時(shí)按照如下原則進(jìn)行：①試吊重量逐級(jí)加載，按照32.5t（50%）→65t（100%）→71.5t（110%）→81.25t（125%）四級(jí)加載，其中前三級(jí)為動(dòng)載實(shí)驗(yàn)，第四級(jí)為靜載試驗(yàn)。②試吊時(shí)安排專(zhuān)人對(duì)塔頂位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)主索下垂度、后錨點(diǎn)受力情況及各部件受力情況進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)超限時(shí)要立即停止，組織專(zhuān)項(xiàng)會(huì)議進(jìn)行分析，待問(wèn)題解決后方可進(jìn)行。

5 安全質(zhì)量控制要點(diǎn)

①當(dāng)纜索吊安裝出現(xiàn)較大誤差或錯(cuò)誤時(shí)或出現(xiàn)材料不合格情況時(shí)應(yīng)立即停止施工，項(xiàng)目部需組織有關(guān)人員進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)調(diào)查結(jié)果采取糾正措施，防止類(lèi)似情況再次發(fā)生。②項(xiàng)目部必須安排專(zhuān)人對(duì)纜索吊加工安裝進(jìn)行檢查，及時(shí)將檢查記錄進(jìn)行整理歸檔，任何人不得隨意修改檢查記錄。檢查記錄除填寫(xiě)檢查項(xiàng)目外，還必須有檢查人員簽字及相關(guān)負(fù)責(zé)人簽字。③在索塔安裝過(guò)程中要及時(shí)設(shè)置纜風(fēng)繩進(jìn)行固定，當(dāng)整個(gè)塔身安裝完畢后對(duì)各纜風(fēng)繩統(tǒng)一調(diào)整，使得各層纜風(fēng)繩受力均勻。④高空焊接施工中，綜合考慮各種因素，采用一套合理的焊接方法，這樣不但減少施工周期，也可降低工人作業(yè)強(qiáng)度，要求對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所用焊接方法進(jìn)行工藝評(píng)定試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)焊縫探傷檢測(cè)結(jié)果應(yīng)能滿(mǎn)足圖紙要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)使用單塔式纜索吊對(duì)鋼拱橋拱肋進(jìn)行吊裝，拱肋安裝質(zhì)量及線(xiàn)性都有很大提高，并且采用單塔纜索吊，不但降低了施工費(fèi)用，而且減少了對(duì)周邊地形的擾動(dòng)，最大限度地保護(hù)了新安江兩岸的生態(tài)環(huán)境。此方法為后續(xù)類(lèi)似施工提供了借鑒和參考。