自頂升高索塔異型跨徑纜索吊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與施工

高 輝

(中交集團(tuán)第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065)

1 工程概況

某斜拉橋橋長(zhǎng)180 m，跨徑布置為62.5 m+55 m+62.5 m，分左右幅，單幅橋?qū)?1 m，中央鏤空分隔帶寬12 m，主塔為大直徑圓環(huán)鋼塔。主塔橫橋向呈“人”字形，在近主梁頂面處分為左、右幅塔，順橋向呈圓環(huán)形，圓環(huán)外徑為83 m，內(nèi)徑為77 m，塔頂距橋面高度為86.07 m，“人”字形以上環(huán)形塔身截面高6 m，寬5 m，“人”字形以下環(huán)形塔身截面高3 m，寬5 m，在近橋面處分離出塔腳，塔頂至塔腳高度為100 m。

2 纜索吊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與施工

受施工現(xiàn)場(chǎng)既有運(yùn)煤鐵路、輸油管線及其他條件限制，纜索吊跨徑組合設(shè)計(jì)為255 m(邊跨)+120 m(中跨)+255 m(邊跨)，設(shè)左右幅兩組起吊系統(tǒng)，單索道起重能力65 t，雙索道抬吊130 t，每組工作索道吊裝重量5 t。纜索吊系統(tǒng)包括纜索體系、錨固體系和塔柱體系等。塔柱采用液壓自升、自卸結(jié)構(gòu)模式，塔柱高約128 m，塔柱基礎(chǔ)位于12 m寬中央分隔帶內(nèi)，采用樁基礎(chǔ)+混凝土承臺(tái)結(jié)構(gòu)，主索錨碇、纜風(fēng)索錨碇均采用重力式混凝土漿砌片石組合結(jié)構(gòu)，主索及跑車采用塔柱頂部施工平臺(tái)進(jìn)行安裝。

2.1 纜索體系設(shè)計(jì)

纜索體系包括主索、起重索、牽引索、跑車系統(tǒng)、吊具等。

1)主索。主索采用12根φ54鋼絲繩，設(shè)計(jì)為2組，單組6根φ54鋼絲繩。主索通過索鞍的滑輪組和錨碇系統(tǒng)前的轉(zhuǎn)輪形成往復(fù)系統(tǒng)，最終通過轉(zhuǎn)輪和U形卡錨固在錨碇上。2)起重索。起重索采用2根φ36鋼絲繩，起重索布置與主索相同，均采用兩組，每組一根，每組布置一組跑車及一組起重滑輪組，滑輪組擬定為走8線。3)牽引索。牽引索采用兩組，滑輪組走3線，牽引索拉動(dòng)跑車時(shí)，牽引索的拉力大小與跑車所持的位置有關(guān)，距離主塔越近，牽引力越大，牽引索越不利，選定最不利吊點(diǎn)為距離纜索吊索塔軸線11.8 m處。4)跑車系統(tǒng)。跑車系統(tǒng)由主索索輪、牽引索輪、起重索輪及吊點(diǎn)下掛架組成。主索索輪由12-Φ800 mm滑輪組成;牽引索輪由4-Φ640 mm滑輪組成;起重索輪由5-Φ640滑輪組成;天車下吊點(diǎn)由4-Φ640組成;滑輪間通過軸承及連接板組合成整體。5)吊具。吊具由三腳架、橫向分配梁1及橫向分配梁2組成。三腳架斜撐采用[]32a型鋼組焊而成，縱向水平桿采用][36a型鋼組焊結(jié)構(gòu)，橫向分配梁1、橫向扁擔(dān)梁、橫向分配梁2均采用HN700×300型鋼組焊結(jié)構(gòu)。隨著鋼塔節(jié)段吊點(diǎn)位置變動(dòng)，先根據(jù)節(jié)段重心點(diǎn)位置，再結(jié)合吊帶節(jié)段長(zhǎng)度，確定鋼塔節(jié)段上吊耳位置，保證節(jié)段定位準(zhǔn)確。6)設(shè)計(jì)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果匯總見表1。

2.2 錨固體系設(shè)計(jì)

錨固體系包括索塔塔柱基礎(chǔ)、主索錨碇基礎(chǔ)及纜風(fēng)索地錨基礎(chǔ)等。

1)索塔塔柱基礎(chǔ)共4個(gè)，采用樁基礎(chǔ)+混凝土承臺(tái)結(jié)構(gòu)。每個(gè)承臺(tái)下設(shè)4根φ1.2 m C35的鉆孔灌注樁，單根樁長(zhǎng)14.0 m。

2)主索錨碇基礎(chǔ)采用重力式錨碇。錨碇為縱橋向10.0 m、橫橋向12.0 m、高5.5 m的長(zhǎng)方體，下部2.0 m采用 C25混凝土，上部3.5 m采用花崗巖漿砌片石;其中一個(gè)錨碇布設(shè)6個(gè)轉(zhuǎn)向輪，另外一個(gè)設(shè)置8個(gè)轉(zhuǎn)向輪，每個(gè)轉(zhuǎn)向輪通過鋼板帶與錨碇C25承臺(tái)部分預(yù)埋件連成整體。

3)纜風(fēng)索地錨基礎(chǔ)采用重力式地錨結(jié)構(gòu)。后斜纜風(fēng)索地錨錨碇共4個(gè)，后正纜風(fēng)索地錨錨碇共2個(gè)，前斜纜風(fēng)索地錨錨碇共2個(gè)。地錨結(jié)構(gòu)下部為C25混凝土底座，上部為漿砌片石結(jié)構(gòu)，均采用明挖施工。

表1 纜索體系計(jì)算結(jié)果匯總表

2.3 塔柱體系設(shè)計(jì)

設(shè)左右側(cè)兩個(gè)塔柱，每個(gè)塔柱由兩根立柱組成，立柱底標(biāo)高均為201.5 m。立柱采用液壓自升、自卸結(jié)構(gòu)模式，主要由加強(qiáng)節(jié)立柱、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)立柱、十字總成梁、過渡節(jié)立柱及抱箍平聯(lián)組成。立柱頂部采用H428型鋼組拼鋼架用于安放塔頂索鞍吊輪，設(shè)置抗風(fēng)纜基座。

1)立柱節(jié)段。立柱節(jié)段采用1 200 tm塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)/加強(qiáng)節(jié)，輪廓尺寸為4.26 m(長(zhǎng)) ×4.26 m(寬) ×5.7 m(高)，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)立柱壁厚20 mm，加強(qiáng)節(jié)壁厚26 mm，平聯(lián)及斜撐分別為φ80×10 mm和φ100×10 mm鋼管。每根立柱底部第1節(jié)～第3節(jié)及頂節(jié)采用加強(qiáng)節(jié)，其余節(jié)段均采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，采用上置式頂升模式整體同步頂升。

2)過渡節(jié)立柱。立柱頂節(jié)與纜索吊索鞍支架之間設(shè)置一過渡節(jié)，輪廓尺寸為2.8 m(長(zhǎng)) ×2.8 m(寬) ×5.8 m(高)。

3)平聯(lián)抱箍。每個(gè)塔柱共設(shè)置4層橫橋向平聯(lián)，下三層平聯(lián)安裝在立柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)上，最上層平聯(lián)安裝在過渡節(jié)上。第一層標(biāo)高為238.780 m，第二層標(biāo)高為267.250 m，第三層標(biāo)高為295.720 m，第四層為過渡節(jié)平聯(lián)，頂升前安裝完成。其中第二層，第三層抱箍平聯(lián)上設(shè)置纜風(fēng)索錨固座，需要安放纜風(fēng)錨固立柱。

4)頂升系統(tǒng)。每根立柱上布置一套頂升系統(tǒng)，由2個(gè)頂升油缸、油缸泵站、控制計(jì)算機(jī)、提升套架、行程傳感器等結(jié)構(gòu)組成。其中提升套架外形尺寸為5.238 m(長(zhǎng))×4.778 m(寬)×13.55 m(高)。每個(gè)塔柱的兩根立柱軸心間距為8 m，兩根立柱須同步頂升，要求4個(gè)頂升油缸同步工作，同步控制精度要求較高。

5)立柱頂索鞍支架橫梁。立柱頂橫梁系統(tǒng)中橫梁及縱梁為H428型鋼，剪刀撐為2[20，剪刀撐與總橫梁通過節(jié)點(diǎn)板連接。索鞍支架橫梁構(gòu)造見圖1。

圖1 立柱頂橫梁和索鞍系統(tǒng)圖

6)安裝平臺(tái)。纜索吊索鞍跑車安裝平臺(tái)采用鋼管+型鋼組合結(jié)構(gòu)。平臺(tái)立柱采用φ273×3.5 mm鋼管，橫梁及縱梁采用HW300×300型鋼組合。

立柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)提升采用安裝平臺(tái)從中跨側(cè)提升，平聯(lián)分成前后兩片分別提升。安裝平臺(tái)構(gòu)造見圖2。

圖2 安裝平臺(tái)立面圖

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)、疑難及解決方案

1)與傳統(tǒng)纜索吊中跨大、邊跨小的布置不同，該纜索吊跨徑屬于異型跨徑，這將造成空載時(shí)中跨主索張力小于邊跨主索張力，主索向邊跨滑動(dòng);吊重時(shí)中跨主索張力增大，主索將向中跨滑動(dòng)。由于安裝平衡狀態(tài)和吊重平衡狀態(tài)是兩種受力工況完全不同的狀態(tài)，主索受力計(jì)算工況復(fù)雜，影響因素眾多，例如塔柱偏位、溫度級(jí)差、實(shí)際風(fēng)荷載、鋼繩實(shí)際彈性模量偏差等，這些因素都會(huì)影響主索安裝精度及塔柱受力安全。解決方案:根據(jù)兩種狀態(tài)下平衡條件，建立平衡方程，再根據(jù)實(shí)際塔偏位、溫度級(jí)差和實(shí)際風(fēng)荷載值進(jìn)行擬合微調(diào)，可保證主索垂度滿足受力要求。2)塔柱立柱采用塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、加強(qiáng)節(jié)，空間框架結(jié)構(gòu)受力較復(fù)雜，加之主索受力工況復(fù)雜，這樣給塔柱受力計(jì)算帶來較大難度。解決方案:根據(jù)纜索吊系統(tǒng)各工況下不同荷載類型施加實(shí)際作用力，利用Midas/civil軟件進(jìn)行塔柱桿系單元結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算，確保塔柱結(jié)構(gòu)受力安全。3)傳統(tǒng)纜索吊設(shè)計(jì)中，纜風(fēng)索計(jì)算主要考慮體系抗風(fēng)受力，主索、起重索及牽引索對(duì)塔柱產(chǎn)生的不平衡力非常小;該纜索吊設(shè)計(jì)在空載和吊重狀態(tài)下主索、起重索及牽引索對(duì)塔柱均產(chǎn)生較大偏載力，纜風(fēng)索除了用于抗風(fēng)設(shè)計(jì)還應(yīng)抵抗塔頂不平衡力，整個(gè)纜風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算較復(fù)雜。解決方案:原設(shè)計(jì)思路通過后正纜風(fēng)索平衡索塔偏載力，因張拉設(shè)備噸位限制，后正纜風(fēng)鋼絞線利用25 t千斤頂逐根張拉，未能使整束鋼絞線同步受力，致使部分鋼絞線受力滑脫。最終通過在索塔頂與主索錨碇間增設(shè)4根φ36鋼絲繩備索解決了偏載受力問題。4)纜風(fēng)索采用普通預(yù)應(yīng)力鋼絞線，千斤頂同步張拉控制難度較大，若同步性控制不好、張拉力不均衡或夾片錨固不牢固都將造成安全隱患。施工過程中出現(xiàn)數(shù)根纜風(fēng)索鋼絞線滑脫的現(xiàn)象，原因有兩點(diǎn):1)張拉行程過長(zhǎng)，工作夾片齒槽磨損較大。2)錨固時(shí)部分工作夾片未壓平，影響錨固性能。解決方案:為了防止纜風(fēng)索鋼絞線滑脫，在鋼絞線張拉端設(shè)置防脫裝置，同時(shí)對(duì)纜風(fēng)錨碇上的波紋管孔道進(jìn)行壓漿處理。

4 結(jié)語

通過對(duì)自頂升高索塔異型跨徑纜索吊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工積累寶貴的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，為相似項(xiàng)目的大型吊裝、鋼結(jié)構(gòu)施工提供一種參考方案。

[1] GB T3811-2008，起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] GB 5976-1986，鋼絲繩夾[S].

[3] GB 8918-2006，重要用途鋼絲繩[S].

[4] 黎桂英，何悅勝，陶亞秋，等.最新五金手冊(cè)(修訂版)[M].廣州:廣東科技出版社，2001.

[5] 楊文淵.起重吊裝常用數(shù)據(jù)手冊(cè)[M].北京:人民交通出版社，2001.