吊扣合一無(wú)支架單組纜索吊裝施工技術(shù)研究

李維學(xué)

【摘要】結(jié)合廣西南寧羅文大橋鋼箱拱結(jié)構(gòu)形式和吊裝施工特點(diǎn)，為達(dá)到提高鋼箱拱安裝線形精度的目的，對(duì)萬(wàn)能桿件柔性索塔鋼箱拱的吊扣合一纜索吊裝施工技術(shù)進(jìn)行了研究，通過(guò)理論分析、實(shí)驗(yàn)比較和實(shí)踐觀測(cè)等方式，優(yōu)化了鋼帽施工順序和纜索吊裝施工方案。實(shí)踐表明提出的技術(shù)措施有效，確保了羅文大橋鋼箱拱的順利合龍，降低了合龍后拱肋線形與設(shè)計(jì)的偏差。

【關(guān)鍵詞】鋼箱拱；纜索吊裝；吊扣合一；拱肋線形；施工技術(shù)

引言

吊扣合一無(wú)支架纜索吊裝施工技術(shù)于上世紀(jì)60年代最早應(yīng)用于廣西南寧邕寧大橋，相較于傳統(tǒng)的索塔-扣塔形式，吊扣合一施工技術(shù)具有措施花費(fèi)更少、施工占地更小、更易搭拆的特點(diǎn)，隨著近幾年大跨度鋼拱橋的大量興建，得到了越來(lái)越廣泛的使用。

1.工程概況

廣西南寧市羅文大橋（下文簡(jiǎn)稱：羅文大橋）全長(zhǎng)1408.522m，由南北岸引橋、立交匝道和主橋三部分組成。引橋和立交匝道橋采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，主橋?yàn)?0m（邊跨）+2×180m（主跨）+50m（邊跨）海鷗式雙跨系桿鋼箱拱橋，包括三角剛架區(qū)段和鋼箱拱（梁）區(qū)段。邊跨三角剛架采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，為梁拱協(xié)作體系；主跨拱肋由預(yù)應(yīng)力混凝土拱肋段（接三角鋼架）和鋼箱拱肋段組成，混凝土拱肋與鋼箱拱肋間設(shè)置鋼-混凝土連接段。主拱拱肋理論跨徑 180 m，全拱計(jì)算矢高 50 m，主拱拱軸線采用二次拋物線。左右幅分別有兩條拱肋（全橋共四條拱肋），分別位于各自的豎直平面內(nèi)，橋面上拱肋間無(wú)橫向聯(lián)系。每條拱肋下分別設(shè)置水平系桿，平衡各自拱肋的水平推力。主跨鋼梁為“雙縱箱+格子梁”構(gòu)造，梁面全寬 41.5m，通過(guò)13根吊桿（全橋52根）將梁面荷載均勻分布于每條拱肋。

圖1 羅文大橋主橋總體效果圖

羅文大橋主橋跨越國(guó)內(nèi)主要航運(yùn)線路之一的邕江。為減少施工對(duì)航運(yùn)的影響，同時(shí)考慮橋梁結(jié)構(gòu)形式、河流地形、拱肋節(jié)段重量、拱肋安裝高度和施工經(jīng)濟(jì)性等因素，經(jīng)反復(fù)論證，鋼箱拱安裝決定采用吊扣合一無(wú)支架纜索法施工。

2.纜索吊裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吊扣合一無(wú)支架單組纜索吊裝系統(tǒng)，主要包括纜索系統(tǒng)、塔架系統(tǒng)、扣索系統(tǒng)、機(jī)具和地錨五個(gè)部分。纜索系統(tǒng)一次跨越兩跨拱肋，采用單組主索道和兩組工作索道結(jié)構(gòu)。主索道通過(guò)索鞍橫向移動(dòng)分別完成上下游拱肋吊裝施工，工作索道上下游各設(shè)置一道以滿足過(guò)程中的機(jī)具等吊裝需求。在邊跨10#墩和12#墩承臺(tái)上分別設(shè)置萬(wàn)能桿件索塔，同時(shí)作為扣塔使用，中跨11#墩梁面設(shè)置萬(wàn)能桿件扣塔。扣索是鋼箱拱合攏前的錨固支撐系統(tǒng)，從施工方便、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面考慮，扣索選用若干股預(yù)應(yīng)力鋼絞線。吊裝及牽引動(dòng)力設(shè)備均采用卷?yè)P(yáng)機(jī)。側(cè)纜風(fēng)采用人工挖孔樁作為地錨，后纜風(fēng)直接以8#和14#墩承臺(tái)樁基作為地錨。

圖2-1 纜索吊裝系統(tǒng)布置立面圖

圖2-2 纜索吊裝系統(tǒng)布置平面圖

2.1 纜索系統(tǒng)設(shè)計(jì)

纜索系統(tǒng)采用單組主索道和兩組工作索道形式設(shè)計(jì)，主索道用于鋼箱拱節(jié)段吊裝，工作索道用于小型機(jī)具設(shè)備材料等的吊裝。索道由主索、起重索、牽引索、跑車(chē)和連接繩組成。此處主索道和工作索道構(gòu)造均相同，僅在吊裝荷載上存在差別，本文以主索道的設(shè)計(jì)為例進(jìn)行介紹。

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和初步估算，卷?yè)P(yáng)機(jī)布置在兩岸，主索道主索采用6根Φ56mm鋼絲繩，起重索采用2根Φ26mm鋼絲繩，牽引索采用2根Φ26mm鋼絲繩（按“倍率4”單牽引布置）。

主索道布置：主跨 ；小里程（江北）邊跨 ；大里程（江南） ；跨中最大垂度 ；集中荷載 （1.2為沖擊系數(shù)，58為拱肋最重節(jié)段重量，25為跑車(chē)、吊具及吊繩重量 ）；主索弦傾角： ；起重索和牽引索通過(guò)跑車(chē)作用在主索上的荷載 。

（1）

（2）

（3）

公式（3）中 表示鋼絲繩截面積； 表示主索彈性模量； 表示一根主索上的行車(chē)輪數(shù)根據(jù)公式（1）、（2）和（3）計(jì)算主索最大張力為 ，張力安全系數(shù) ，最大彎曲應(yīng)力為 ，應(yīng)力安全系數(shù) 。

令 ，可導(dǎo)出主索張力方程：

（4）

計(jì)算空索安裝時(shí)的索力和垂度等參數(shù)為：

計(jì)算跑車(chē)安裝時(shí)的索力和垂度參數(shù)為：

起重索設(shè)置兩根，兩端拉頭分別經(jīng)過(guò)兩岸塔頂索鞍，于地錨前轉(zhuǎn)向進(jìn)入兩岸電控慢速卷?yè)P(yáng)機(jī)，每條起重索在跑車(chē)間走10穿繞。計(jì)算起重索張力：

（5）

式中： 表示滑輪的總阻力系數(shù)， 表示起重量（包括吊重、吊鉤、滑輪組及部分起重索重量在內(nèi)）， 表示起重滑輪組的有效繩數(shù)， 表示起重索從定滑輪繞出后至絞車(chē)間的導(dǎo)向滑輪數(shù)目。計(jì)算起重索張力 ，選用JM-10t電控慢速卷?yè)P(yáng)機(jī)。

牽引索設(shè)置兩根，分別經(jīng)過(guò)兩岸塔頂索鞍，于地錨前轉(zhuǎn)向進(jìn)入兩岸電控慢速卷?yè)P(yáng)機(jī)，每條牽引索在跑車(chē)間走4穿繞。計(jì)算牽引索張力：

式中： 表示分索器安裝距離， 表示牽引索最大垂度， 表示最大吊重， 表示傾角， 表示小車(chē)運(yùn)行摩察系數(shù)， 表示滑輪的總阻力系數(shù)， 表示走繩倍率。計(jì)算牽引索張力 ，選用JM-12.5t電控慢速卷?yè)P(yáng)機(jī)。

2.2 塔架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吊裝索塔塔架采用門(mén)式萬(wàn)能桿件組拼結(jié)構(gòu)，中間設(shè)置三道橫向連接，高度由拱肋高度、吊具高度、纜索吊裝垂度和跨越扣塔塔頂4個(gè)因素共同決定。塔架結(jié)構(gòu)選用Midas Civil軟件建模計(jì)算，萬(wàn)能桿件結(jié)構(gòu)采用桁架單元，軌道采用梁結(jié)構(gòu)單元，纜索鋼絲繩采用索結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬，荷載考慮自重、風(fēng)荷載、吊裝機(jī)具荷載和吊裝荷載。設(shè)計(jì)中主要進(jìn)行以下分析：①屈曲分析，檢算結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；②靜力分析，計(jì)算結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度。通過(guò)設(shè)置合理的纜風(fēng)系統(tǒng)確保索塔結(jié)構(gòu)的安全。

索塔計(jì)算共分為16個(gè)工況詳見(jiàn)表2-1，索塔內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2-2，索塔位移計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2-3。

2、桿件受力拉為正，壓為負(fù)；

3、桿件容許軸力為：2N5桿件10.6t，2N4桿件（橫橋向）30.4t，2N4桿件（順橋向）15.2t，4N3桿件68.8t，3N3桿件51.6t，2N3桿件34.4t，4N1桿件129.6t。

2.3 扣索系統(tǒng)設(shè)計(jì)

扣索系統(tǒng)主要由錨梁、扣索和連接器三個(gè)部分組成，扣索錨固梁采用雙工字鋼組拼，與索塔（扣塔）豎桿通過(guò)節(jié)點(diǎn)板螺栓連接。根據(jù)計(jì)算扣索（錨索）張拉力扣索固定端設(shè)在拱肋節(jié)段上，張拉錨固端錨固在索塔（扣塔）上的錨固梁上。在對(duì)應(yīng)的扣索位置設(shè)置臨時(shí)錨索，固定端平行布置在扣索地壟上，在扣塔上的錨固梁內(nèi)張拉錨固，用于平衡扣索的張力。

2.4 其它設(shè)計(jì)

纜索吊裝系統(tǒng)中涉及的機(jī)具主要包括卷?yè)P(yáng)機(jī)、倒鏈和滑車(chē)。卷?yè)P(yáng)機(jī)是纜索吊裝的主要?jiǎng)恿υO(shè)備，用于重物豎向提升、跑車(chē)和工作小車(chē)的牽引。倒鏈主要用于纜索系統(tǒng)安裝時(shí)進(jìn)行鋼絲繩收緊等作業(yè)?；?chē)是纜索吊裝系統(tǒng)用的最多的機(jī)構(gòu)，是纜索吊裝系統(tǒng)的核心，通過(guò)不同的繞法可實(shí)現(xiàn)鋼絲繩轉(zhuǎn)向和以小噸位機(jī)具吊裝大重構(gòu)件的目的。

地錨是確保塔架和拱肋穩(wěn)定性的重要受力結(jié)構(gòu)，主要有重力式和抗拔式兩種。本工程中采用人工挖孔樁作為纜風(fēng)繩的地錨，主要通過(guò)土體與樁壁間的摩阻提供錨固力。本工程地錨共設(shè)置4處，分別位于南北岸岸邊上下游位置，采用Midas GTS進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算，地錨最大位移量2.97cm，粉質(zhì)粘土應(yīng)力76.0kPa<[210kPa]，混凝土地錨結(jié)構(gòu)最大von Mises應(yīng)力0.96MPa，滿足要求。

3.拱肋吊裝施工

3.1 施工工藝流程

3.2 鋼帽安裝

鋼帽是混凝土拱肋和鋼箱拱肋兩種不同結(jié)構(gòu)間的過(guò)渡結(jié)構(gòu)，施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程均會(huì)承受較復(fù)雜的應(yīng)力。若將鋼帽與鋼箱拱肋第一段焊接后一同澆筑，施工難度大，由于鋼帽內(nèi)部肋板等結(jié)構(gòu)復(fù)雜，混凝土澆筑很難保證密實(shí)。本工程采用先澆筑鋼帽段混凝土，待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度和彈性模量后，再安裝鋼箱拱第一節(jié)段，然后張拉預(yù)應(yīng)力，以完成鋼帽段施工。其主要內(nèi)容包括：勁性骨架的加工和安裝、鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼絞線安裝、鋼帽安裝、模型施工、混凝土施工、鋼箱拱第一段安裝焊接和預(yù)應(yīng)力張拉及壓漿施工。

鋼帽施工時(shí)，先在混凝土拱肋段設(shè)置角鋼桁架結(jié)構(gòu)，用于鋼帽安裝定位。鋼筋和預(yù)應(yīng)力等安裝就位后，通過(guò)纜索吊裝系統(tǒng)四點(diǎn)起吊鋼帽，鋼帽吊至角鋼桁架頂面后，通過(guò)倒鏈和手搖千斤頂對(duì)鋼帽位置進(jìn)行精確調(diào)整定位，最后支立模型、澆筑混凝土。

3.2 拱肋一號(hào)段安裝

鋼帽施工采用了先澆筑混凝土將鋼帽預(yù)埋至混凝土拱肋端的方案，拱肋一號(hào)段安裝時(shí)需將其與鋼帽間焊接連接。由于焊縫位置焊接鋼板背面即為混凝土，焊接發(fā)熱易對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，則拱肋一號(hào)段施工的主要技術(shù)難點(diǎn)在于：焊接時(shí)焊縫位置鋼帽鋼板溫度的控制。本工程施工過(guò)程中，采取增加焊縫焊接道數(shù)，減小每道焊縫厚度，以及間斷施焊的方式降低焊縫位置鋼板溫度。

拱肋一號(hào)段安裝時(shí)，先在鋼帽頂面測(cè)量放樣，墨線彈出鋼箱拱外輪廓邊線，并在底部和靠橋梁外側(cè)焊接限位碼板。拱肋節(jié)段通過(guò)纜索系統(tǒng)四吊點(diǎn)起吊，吊至鋼帽位置后通過(guò)倒鏈和手搖千斤頂將拱肋底板和靠梁外側(cè)腹板頂緊限位碼板，通過(guò)鋼楔調(diào)整拱肋與鋼帽間的焊縫寬度，然后在拱肋另一端的控制點(diǎn)上進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量成果，通過(guò)側(cè)向纜風(fēng)和纜索系統(tǒng)調(diào)整拱肋的偏位和標(biāo)高，直至達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3.3 拱肋中間節(jié)段安裝

拱肋中間節(jié)段的安裝采用“首端控制，尾端順接”的原則進(jìn)行安裝定位。拱肋采用纜索系統(tǒng)四吊點(diǎn)起吊，尾端與已安裝好的前一節(jié)段首端通過(guò)匹配件進(jìn)行順位連接，然后通過(guò)倒鏈和纜索系統(tǒng)調(diào)整鋼箱拱扭度和前端標(biāo)高，通過(guò)左右側(cè)側(cè)纜風(fēng)調(diào)整拱軸偏位。調(diào)整就位后立即通過(guò)加強(qiáng)碼板將尾端焊接固定，加強(qiáng)碼板的焊接代表了拱肋節(jié)段定位的完成。其后需立即對(duì)稱進(jìn)行環(huán)焊縫焊接，環(huán)焊縫焊接完成后，張拉扣索并解除纜索系統(tǒng)吊點(diǎn)。

扣索是纜索系統(tǒng)解除后拱肋的唯一支撐機(jī)構(gòu)，施工過(guò)程中承擔(dān)全部拱肋荷載，是施工關(guān)鍵措施結(jié)構(gòu)。本工程扣索采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線，通過(guò)穿心式千斤頂進(jìn)行張拉施加荷載。由于吊扣合一的纜索吊裝體系的特殊性，拱肋線形在纜索系統(tǒng)工作過(guò)程中會(huì)不斷變化，在拱肋安裝線形確定時(shí)需進(jìn)行仿真計(jì)算，設(shè)置合理的標(biāo)高預(yù)抬值，確保合攏時(shí)拱肋線形標(biāo)高達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.4 拱肋合攏段安裝

合攏段的焊接施工對(duì)結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力影響尤為突出。由于合攏吊裝時(shí)的溫度與合攏段焊接時(shí)的溫度不同，拱肋長(zhǎng)度隨環(huán)境溫度變化而變化，這些變化值主要反應(yīng)在對(duì)接口的間隙上，也即合攏段的對(duì)接口間隙處于動(dòng)態(tài)變化，溫度應(yīng)力極大，如措施不當(dāng)，焊縫會(huì)出現(xiàn)裂紋，焊接失敗。本工程施工中提前7天對(duì)拱肋隨溫度變化的線形變化情況進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，并總結(jié)出現(xiàn)場(chǎng)溫度每變化1℃，拱肋里程變化1.25mm，標(biāo)高變化3.5mm的經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)根據(jù)前期施工效率，預(yù)測(cè)工人進(jìn)行合攏節(jié)段拱肋配切和碼板定位時(shí)間，并結(jié)合天氣預(yù)報(bào)，預(yù)判合攏定位時(shí)需要進(jìn)行配切的拱肋長(zhǎng)度。

4.結(jié)束語(yǔ)

吊扣合一纜索吊裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于扣索索力值計(jì)算成果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的有效指導(dǎo)，基礎(chǔ)在于索塔結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定性滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。通過(guò)本工程實(shí)踐，根據(jù)扣索索力值控制的拱肋線形精度較高，索塔結(jié)構(gòu)安全，分析理論合理。同時(shí)本工程中提出了先澆筑鋼帽混凝土再焊接一號(hào)段拱肋的施工順序以及其中控制焊接溫度對(duì)混凝土影響的措施可行。本文的吊扣合一纜索吊裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和拱肋安裝方案可供類似橋梁參考。