山區(qū)大跨度懸索橋鋼桁加勁梁架設(shè)方法研究

凌勝春

（湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，湖南長(zhǎng)沙 410008）

0 前言

懸索橋因其受力合理，跨越能力大，造型優(yōu)美，是山區(qū)修建跨越峽谷橋梁時(shí)非常有競(jìng)爭(zhēng)力的橋型[1-3]。就承重構(gòu)件而言，懸索橋由以下幾個(gè)主要部分組成：橋塔、錨碇、主纜、吊索、加勁梁和鞍座。目前懸索橋加勁梁常見的形式有鋼桁梁和鋼箱截面，兩種加勁梁各有其優(yōu)缺點(diǎn)，如鋼桁梁加勁梁適用于雙層橋，透風(fēng)性能好，抗扭性能好；而鋼箱梁適用于單層橋面的情況，可以在頂板上直接鋪設(shè)橋面鋪裝，無需縱橫梁，因此可以節(jié)省鋼材，箱梁風(fēng)的阻力系數(shù)小，容易發(fā)生渦流振動(dòng)，但抵抗彎扭耦合振動(dòng)的效果好。在選擇懸索橋加勁梁的形式時(shí)，要從橋梁的場(chǎng)地條件、施工條件、橋梁設(shè)計(jì)、橋梁抗風(fēng)等多方面考慮。在我國西部山區(qū)修建大跨度懸索橋時(shí)，考慮到山區(qū)運(yùn)輸條件的不便和現(xiàn)場(chǎng)拼裝的困難[4，5]，懸索橋的加勁梁多采用鋼桁加勁梁方案。

目前，山區(qū)懸索橋鋼桁加勁梁架設(shè)方法有多種，國內(nèi)900 m以下的山區(qū)懸索橋常采用纜索吊裝法工藝來架設(shè)加勁梁，如湖北四渡河大橋（主跨900m），貴州北盤江大橋（主跨636 m）等；貴州壩陵河大橋（主跨1 088 m）采用了橋面吊機(jī)法來架設(shè)加勁梁。在修建湖南湘西矮寨特大懸索橋時(shí)，為克服地形條件等諸多不利施工因素的影響，創(chuàng)造性的提出了軌索滑移法來架設(shè)鋼桁加勁梁。本文以此為背景，綜述了各種適合于架設(shè)山區(qū)懸索橋鋼桁加勁梁的各種方法和工藝，著重研究了山區(qū)大跨度懸索橋采用軌索滑移法施工的原理，過程和重點(diǎn)。

1 工程概況

矮寨大橋是新建長(zhǎng)沙至重慶高速公路通道的控制性工程，橋位距湖南省吉首市市區(qū)約20km，跨越風(fēng)景秀麗的德夯大峽谷和著名的“公路奇觀”矮寨盤山公路，見圖1。大橋橋面與橋底地面高差達(dá)330 m，山谷兩側(cè)懸崖距離最窄處約900 m，最寬處約1 300 m。主橋采用1 176 m跨度的懸索橋。

圖1 矮寨大橋立面布置圖（單位：cm）

矮寨大橋主橋采用雙向4車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)車速為80 km/h。鋼桁加勁梁包括鋼桁架和橋面系兩部分，其中鋼桁架梁梁寬27 m，梁高7.5 m，橋面系全寬為24.5 m，見圖2。鋼桁架由主桁架、主橫桁架、上下平聯(lián)及抗風(fēng)穩(wěn)定板組成。主桁架為帶豎腹桿的華倫式結(jié)構(gòu)，由上、下弦桿，豎向、斜向腹桿組成。上、下弦桿均采用箱形截面，腹桿在支座處采用箱型截面，其余各處均采用工字型截面。主桁桁高7.5 m，桁寬27 m，節(jié)間長(zhǎng)度7.25 m。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段由2個(gè)節(jié)間組成，長(zhǎng)度為14.5 m，在每節(jié)間處設(shè)置一道主橫桁架。

主橫桁架采用單層桁架結(jié)構(gòu)，由上、下橫梁及豎、直腹桿組成。上下橫梁均采用箱形截面，腹桿均采用工字型截面。上、下平聯(lián)均采用K形體系，箱型截面。根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，在橋面系以上和橋面系以下兩個(gè)部位布置上、下縱向抗風(fēng)穩(wěn)定板。

圖2 鋼桁加勁梁的橫斷面（單位：mm）

2 施工方法比選

懸索橋的鋼桁加勁梁是由眾多桿件組成[6]，按照鋼桁梁架設(shè)單元的不同，可將鋼桁加勁梁的施工方法分為單根桿件架設(shè)、平面構(gòu)件架設(shè)和立體節(jié)段架設(shè)三種。單根桿件架設(shè)和平面構(gòu)件架設(shè)對(duì)施工起吊設(shè)備要求低，施工靈活，但現(xiàn)場(chǎng)施工速度慢，不太適合大跨度懸索橋建設(shè)的需要，如建設(shè)矮寨特大橋就選用了立體節(jié)段架設(shè)方法。

常用于大跨度懸索橋鋼桁加勁梁的架設(shè)方法有以下幾種[7-9]：浮吊架設(shè)法、懸臂拼裝法、橋面吊機(jī)法、纜索吊裝法和跨纜吊裝法。其中浮吊架設(shè)法只應(yīng)用于跨水面且具備水運(yùn)條件的懸索橋。對(duì)于山區(qū)而言，鋼桁梁架設(shè)條件與普通跨水面的懸索橋存在較大差異：一是無法運(yùn)用浮吊架設(shè)；二是橋面距山谷底部高達(dá)數(shù)百米，如用纜索吊裝法起吊高度遠(yuǎn)超過一般吊機(jī)能力；三是山區(qū)懸索橋往往橋下地形崎嶇，不能進(jìn)行水平運(yùn)梁，現(xiàn)有纜索吊機(jī)一般不能解決大節(jié)段重量移動(dòng)問題。因此矮寨特大橋在架設(shè)加勁梁時(shí)，綜合考慮各種因素，借鑒貨運(yùn)索道及林業(yè)運(yùn)輸索道的工作原理，通過大量計(jì)算分析和試驗(yàn)研究，提出了一種全新的架梁方案即軌索滑移法[10-13]。

3 軌索滑移法

3.1 軌索滑移法基本原理

矮寨大橋是典型的大跨度山區(qū)懸索橋，其加勁梁架設(shè)采用軌索滑移法，該方法總體思路如下：主纜架設(shè)完成后，利用貓道安裝吊索和吊鞍，在各吊索吊點(diǎn)架設(shè)通長(zhǎng)的平行軌索；將軌索與兩岸的錨固系統(tǒng)連接，調(diào)整吊鞍的縱向位置并張拉軌索力到設(shè)計(jì)值；加勁梁在兩端橋頭完成拼裝后，將其通過運(yùn)梁小車懸掛于軌索上；通過牽引系統(tǒng)，使加勁梁從橋塔處向安裝位置運(yùn)輸，再通過跨纜吊機(jī)將其安裝就位。

3.2 軌索滑移法設(shè)備基本構(gòu)造

軌索滑移法所用的機(jī)具設(shè)備主要包括運(yùn)梁和吊機(jī)安裝兩個(gè)部分。包括主纜，吊索、軌索、牽引索、運(yùn)梁小車、吊鞍、跨纜吊機(jī)，見圖3。其中，鋼桁加勁梁的橫向兩側(cè)各設(shè)4根軌索，則兩側(cè)共計(jì)8根，每根軌索為Ф50 mm的封閉鋼絲繩，軌索的初張拉力為700 kN，安全系數(shù)為3.15。每片鋼梁由4臺(tái)運(yùn)梁小車運(yùn)輸。小車負(fù)載設(shè)計(jì)能力為600 k N，牽引力為200 k N。永久吊索與吊鞍直接相連，在吊鞍鞍體頂面、永久吊索兩側(cè)設(shè)置軌索鞍座，軌索放置于吊鞍的鞍座上。吊鞍的作用是給軌索提供支承，同時(shí)將軌索的荷載傳遞至吊索和主纜。

圖3 軌索運(yùn)梁系統(tǒng)總體構(gòu)造

3.3 軌索滑移法試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證索軌滑移法的可靠性，進(jìn)行了全橋縮尺模型試驗(yàn)[14,15]，選定模型的幾何縮尺比λ=33，實(shí)際橋梁跨徑布置為242 m+1 176 m+116 m，則縮尺模型布置為7.333 m+35.636 m+3.515 m，見圖4。吊索順橋向間距為439 mm，兩主纜中心間距為818 mm。全橋縮尺模型試驗(yàn)結(jié)果表明：試驗(yàn)中，實(shí)測(cè)軌索力均勻性較好，變化一般在4%以內(nèi)，少數(shù)工況大于4%，最大值小于6%；橫向干擾力引發(fā)的軌索橫向變形在相鄰吊索區(qū)間分布均勻，不會(huì)引發(fā)小車運(yùn)行困難，但值得注意的是在實(shí)際施工中應(yīng)該加強(qiáng)橫向強(qiáng)風(fēng)對(duì)小車運(yùn)梁的影響控制；在運(yùn)梁過程中，吊索區(qū)間發(fā)生的軌索局部擾曲變形對(duì)小車的平穩(wěn)運(yùn)行影響不大。

圖4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼w布置圖（單位：mm)

3.4 軌索滑移法施工步驟及要點(diǎn)

總體施工布置見圖5。

圖5 軌索滑移法假設(shè)主梁示意圖

施工主要步驟如下：

（1）按既定施工方式完成橋塔澆筑、主纜架設(shè)等施工；

（2）在橋塔附近的主纜上安裝跨纜吊機(jī)，在索夾處安裝吊索；

（3）從貓道側(cè)面將軌索下放到吊索下端位置；

（4）利用跨纜吊機(jī)下放的工作平臺(tái)安裝吊鞍，將軌索安裝到吊鞍上；

（5）將軌索兩端安裝在兩岸錨固系統(tǒng)上，張拉軌索，使其達(dá)到所要求的內(nèi)力和線形狀態(tài)；

（6）布置移梁牽引系統(tǒng)；

（7）將在兩岸拼裝平臺(tái)上已經(jīng)完成拼裝的梁段安裝到軌索上，從兩岸開始往跨中方向依次移梁；

（8）當(dāng)梁段移動(dòng)到位后，利用跨纜吊機(jī)起吊梁段，將梁段安裝到吊索上；

（9）重復(fù)第七、八步，每次梁段移動(dòng)到位后，利用跨纜吊機(jī)安裝梁段，每次梁段安裝完成后再對(duì)稱移動(dòng)下一對(duì)梁段，直至將全部梁段臨時(shí)連接、安裝完成；

（10）解除軌索與吊鞍的連接并拆除軌索，進(jìn)行橋梁后續(xù)施工。

4 結(jié)論

（1）在山區(qū)修建大跨度懸索橋時(shí)，由于地形、運(yùn)輸?shù)仁┕l件的限制，鋼桁梁是非常有競(jìng)爭(zhēng)力的加勁梁設(shè)計(jì)方案。在選擇架設(shè)加勁梁的工藝方法時(shí)，應(yīng)該充分考慮工藝可行性，先進(jìn)性以及經(jīng)濟(jì)性等各方面的影響。

（2）矮寨特大橋地處深山峽谷，傳統(tǒng)的懸索橋加勁梁架設(shè)方法難以實(shí)施或者經(jīng)濟(jì)性不高，故創(chuàng)造性地提出了軌索滑移法架設(shè)加勁梁的新方法。大橋采用該方法架設(shè)加勁梁，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，安全可靠，架梁速度迅速，為山區(qū)大跨度懸索橋鋼桁加勁梁的架設(shè)提供了一種全新的施工工藝，也是近年來我國懸索橋建設(shè)領(lǐng)域技術(shù)大的突破，具有重要的推廣應(yīng)用價(jià)值，該方法將會(huì)推動(dòng)我國山區(qū)懸索橋的發(fā)展。

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