山區(qū)大跨徑懸索橋加勁梁旋轉(zhuǎn)就位方法及設(shè)備研究

陳輔一， 毛科強(qiáng)， 曹淑龍， 李胡濤

(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

山區(qū)大跨徑懸索橋加勁梁旋轉(zhuǎn)就位方法及設(shè)備研究

陳輔一， 毛科強(qiáng)， 曹淑龍， 李胡濤

(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

懸索橋因跨越能力強(qiáng)、施工技術(shù)成熟、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)成為修建山區(qū)大跨徑橋梁時(shí)經(jīng)常采用的橋型，但因山區(qū)地形環(huán)境復(fù)雜，地勢(shì)陡峭險(xiǎn)峻，限制了懸索橋的新建和推廣。為實(shí)現(xiàn)大跨橋梁施工全過(guò)程的橋上作業(yè)，提高工程在惡劣地形條件下施工的安全性，云南省普立大橋采用新型的加勁梁旋轉(zhuǎn)就位設(shè)備和方法，提高了工程施工的安全保障與可靠性，并有效的節(jié)省了工期。對(duì)普立大橋加勁梁吊裝技術(shù)和設(shè)備及吊裝程序等進(jìn)行了詳細(xì)的研究，為大跨徑橋梁的施工提供參考。

懸索橋；加勁梁；吊裝；纜索吊機(jī)；旋轉(zhuǎn)吊具

懸索橋因其跨越能力強(qiáng)、傳力明確、造型優(yōu)美，施工技術(shù)較為成熟，成為修建大跨徑橋梁時(shí)的首選橋型。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的高速公路和跨海連島工程得以修建，在山谷深溝、急流江河、浪高海域和繁忙航道之上建造大跨徑懸索橋的項(xiàng)目逐漸增多，但在上述工況下進(jìn)行加勁梁吊裝工作，成為懸索橋建設(shè)的一大瓶頸。為此，研究和設(shè)計(jì)方便可行、快速高效的加勁梁吊裝設(shè)備和方法，對(duì)建設(shè)和發(fā)展懸索橋具有非常重要的意義。

1 工程概況

普立大橋位于云南省宣威市，跨越普立大溝深切峽谷，橋梁全長(zhǎng)1 040 m，主橋?yàn)?28 m單跨簡(jiǎn)支的鋼箱加勁梁懸索橋，主纜邊跨為166 m，橋面全寬28.5 m，橋面至普立大溝谷底最大深度為388 m。兩岸分別采用隧道式錨碇和重力式錨碇錨固，索塔為直塔柱門式框架結(jié)構(gòu)，群樁基礎(chǔ)。該項(xiàng)工程是普宣高速公路控制性工程之一。

在綜合考慮了節(jié)段拼裝的技術(shù)難度、運(yùn)輸及場(chǎng)地存放及纜索吊承重和起吊能力等因素后，全橋鋼箱梁共劃分53個(gè)梁段，其中標(biāo)準(zhǔn)梁段51個(gè)，特殊梁段2個(gè)。標(biāo)準(zhǔn)梁段長(zhǎng)度為12 m，特殊梁段長(zhǎng)6.6 m，梁段最大節(jié)段重量約為146 t。

普立大橋鋼箱加勁梁架設(shè)有以下的技術(shù)難點(diǎn)：

(1)橋梁跨越普立大溝，地形復(fù)雜，深切溝谷兩側(cè)谷坡地形陡峭，呈“V”形深谷。施工機(jī)械無(wú)法到達(dá)谷底，鋼箱梁無(wú)法運(yùn)至設(shè)計(jì)位置進(jìn)行垂直起吊安裝。

(2)橋址區(qū)最大風(fēng)速25 m/s，風(fēng)向多為南風(fēng)，頻率29%，平均風(fēng)速5.2 m/s。鋼箱梁吊裝過(guò)程中，在遇到較大的風(fēng)荷載時(shí)，對(duì)吊裝質(zhì)量和安全控制的要求較高，必須制定嚴(yán)格的控制措施應(yīng)對(duì)。

(3)因橋址特殊，鋼箱梁僅在橋位一側(cè)進(jìn)行加工和存放。鋼箱梁吊裝需要在纜索上進(jìn)行長(zhǎng)距離的水平移動(dòng)，施工控制和管理難度要求較高。

2 吊裝方法比選

目前國(guó)內(nèi)外已建或在建懸索橋項(xiàng)目，針對(duì)不同的加勁梁形式、場(chǎng)地條件、施工條件及吊裝重量等因素，常用的加勁梁架設(shè)方法主要有纜索吊機(jī)架設(shè)法、跨纜吊機(jī)架設(shè)法、橋面吊機(jī)架設(shè)法和頂推架設(shè)法，其中后兩種方法因技術(shù)復(fù)雜，施工難度大而較少采用[1-6]。

2.1 跨纜吊機(jī)架設(shè)法

目前，大跨徑鋼箱梁懸索橋的加勁梁架設(shè)較多采用跨纜吊機(jī)架設(shè)法，如廣東虎門大橋、潤(rùn)揚(yáng)大橋、江陰大橋、西堠門大橋和丹麥大海帶東橋等?？缋|吊機(jī)架設(shè)法是將標(biāo)準(zhǔn)梁段運(yùn)至加勁梁設(shè)計(jì)位置正下方，利用主纜上的跨纜吊機(jī)垂直起吊進(jìn)行梁段安裝?？缋|吊機(jī)架設(shè)法的特點(diǎn)是吊裝質(zhì)量大，具有垂直起吊和沿順橋向水平移動(dòng)的能力，但順橋向移動(dòng)速度慢，移動(dòng)距離有限。加勁梁節(jié)段通常為垂直吊裝，適用于跨江河或梁段易于運(yùn)至橋位下方的工況。

2.2 纜索吊機(jī)架設(shè)法

纜索吊機(jī)架設(shè)法因其適用性較強(qiáng)，起吊能力大，沿順橋向水平行走能力強(qiáng)、可進(jìn)行加勁梁梁段的整體吊裝、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛用于鋼桁加勁梁懸索橋的加勁梁的施工架設(shè)，如西藏角籠壩大橋、貴州北盤江大橋、重慶萬(wàn)州長(zhǎng)江二橋和滬蓉西四渡河大橋等。采用纜索吊機(jī)架設(shè)法進(jìn)行加勁梁的吊裝，其架設(shè)方向一般為從跨中向兩側(cè)索塔對(duì)稱吊裝。

2.3 吊裝方法確定

根據(jù)普立大橋的橋址地勢(shì)，結(jié)合普立大橋施工方法和鋼箱梁存放場(chǎng)地的限制，總結(jié)出普立大橋鋼箱梁吊裝具有以下特點(diǎn)：①無(wú)法將梁段運(yùn)至設(shè)計(jì)位置下方進(jìn)行垂直吊裝；②梁段吊裝只能從橋位單側(cè)位置進(jìn)行全部梁段的吊裝，為此，吊裝設(shè)備需要具有很強(qiáng)的順橋向行走和控制能力；③主塔為門式框架結(jié)構(gòu)，其內(nèi)側(cè)凈寬小于加勁梁寬，加勁梁需以垂直設(shè)計(jì)方向穿過(guò)主塔進(jìn)行起吊，待吊運(yùn)至設(shè)計(jì)位置后再進(jìn)行水平旋轉(zhuǎn)至設(shè)計(jì)方向?；谝陨咸攸c(diǎn)，本工程項(xiàng)目采用纜索吊機(jī)架設(shè)方法，在主塔處起吊時(shí)，采用平衡索配合起吊的蕩移法，為解決加勁梁吊運(yùn)至垂直位置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)至設(shè)計(jì)方向的技術(shù)難題，特別設(shè)計(jì)了新型的旋轉(zhuǎn)吊具。

3 纜索吊機(jī)總體布置

本纜索吊機(jī)主要由繩索系統(tǒng)(承重索、起重索系統(tǒng)、牽引索系統(tǒng)及背索)、吊運(yùn)系統(tǒng)、塔頂索鞍、錨碇預(yù)埋件等組成，如圖1所示。纜索吊選用雙塔三跨方案：普立岸邊跨跨度為157.57 m，高差80 m，主索弦傾角26.917°；中跨跨度為628 m，其中，宣威側(cè)主索高程為1 900.666 m，普立側(cè)主索高程為1 890.481 m，高差為10.185 m，主索弦傾角0.929°；宣威岸邊跨跨度為158.87 m，高差80 m，主索弦傾角26.811°。主索采用兩組索布置，兩組索中心間距9 m；鞍座設(shè)置在主橋兩岸塔柱頂部，后錨設(shè)置在兩岸散索鞍支墩上；兩組索以橋梁中心線對(duì)稱布置。最大吊重按250 t設(shè)計(jì)；最大吊重在跨中時(shí)垂跨比f(wàn)/L=1/14.5；單根主索最大索力約770kN。離索鞍15m范圍內(nèi)為天車盲區(qū)，天車需在距離主塔15m外移動(dòng)。

圖1 纜索吊機(jī)總體布置

3.1 繩索系統(tǒng)

纜索吊機(jī)繩索系統(tǒng)包括承重主索、起重索系統(tǒng)、牽引索系統(tǒng)及背索。承重主索采用兩組索方案，塔頂處兩組索中心間距為9 m，以橋梁中心線對(duì)稱布置。每組主索分別錨固在對(duì)應(yīng)側(cè)的散索鞍支墩上，塔頂靠近橋梁中心線處主索為1#索，依次向外側(cè)編號(hào)，離橋梁中心線最遠(yuǎn)處為8#索，1#～8#索在預(yù)埋件上從上到下錨固。

每組承重主索上布置2組起重索，起重索一端錨固在預(yù)埋件上，繞過(guò)一個(gè)起重裝置，另一端連接卷?yè)P(yáng)機(jī)，兩岸分別布置兩臺(tái)起重卷?yè)P(yáng)機(jī)和2個(gè)錨固預(yù)埋件。每組主索上布置一組牽引索，牽引索布置成循環(huán)的形式，4臺(tái)牽引卷?yè)P(yáng)機(jī)均布置在宣威岸。背索設(shè)置在塔頂索鞍上，兩岸分別布置12根鋼絞線，一個(gè)預(yù)埋件上錨固6根背索，單根背索預(yù)拉力設(shè)計(jì)值為67 kN。繩索系統(tǒng)總體構(gòu)造如圖2所示。

圖2 繩索系統(tǒng)構(gòu)造

3.2 吊運(yùn)系統(tǒng)

吊運(yùn)系統(tǒng)由行走天車、上吊具、下吊具、扁擔(dān)梁及旋轉(zhuǎn)吊具組成，一組承重索上分別有兩臺(tái)天車相互連接協(xié)同作業(yè)。行走天車與上吊具組裝為一體，上吊具與下吊具之間繞起重鋼絲繩，扁擔(dān)梁將4個(gè)下吊具連接，使其共同參與吊重，旋轉(zhuǎn)吊具上部連接扁擔(dān)梁，下部起吊主橋箱梁節(jié)段。

3.3 塔頂索鞍

塔頂索鞍作為主塔頂部纜索吊機(jī)繩索系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向部件，并且承受纜索系統(tǒng)傳遞的較大的局部壓力，應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度。塔頂索鞍直接安裝在主橋塔柱頂部，兩組索鞍距橋梁中心線距離均為4.5 m，主塔澆筑混凝土?xí)r在設(shè)計(jì)位置設(shè)置預(yù)埋件，用以對(duì)索鞍的安裝定位。

3.4 錨碇預(yù)埋件

兩岸錨碇預(yù)埋件均設(shè)置于主橋散索鞍支墩上，預(yù)埋件采用Q235B鋼，主索錨固預(yù)埋件設(shè)計(jì)拉力值為800 kN，牽引索、起重索預(yù)埋件設(shè)計(jì)拉力值為200 kN，背索預(yù)埋件與主索相同。連接件通過(guò)銷軸連接預(yù)埋件及錨固輪，連接件材質(zhì)Q235B鋼，銷軸材質(zhì)45#鋼，錨固輪材質(zhì)ZG45鋼，鋼絲繩錨固在錨固輪上。

4 旋轉(zhuǎn)吊具設(shè)計(jì)

普立大橋因其主塔內(nèi)側(cè)凈距小于橋面寬度，并且鋼箱梁需在橋面上吊運(yùn)，考慮已安裝梁段的吊桿影響，鋼箱梁節(jié)段只能以垂直設(shè)計(jì)方向由運(yùn)梁小車運(yùn)至橋塔處進(jìn)行吊裝，待纜索吊機(jī)將鋼箱梁節(jié)段吊運(yùn)至設(shè)計(jì)位置處，再旋轉(zhuǎn)至設(shè)計(jì)方向。普立大橋在施工中，首次采用纜索吊機(jī)旋轉(zhuǎn)吊裝方法，并為此設(shè)計(jì)加工了旋轉(zhuǎn)吊具。旋轉(zhuǎn)吊具主要由承載吊梁、箱形梁吊具、遙控式電機(jī)、旋轉(zhuǎn)軸、萬(wàn)向鉸等部件組成，如圖3所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)吊具構(gòu)造

承載吊梁由吊索和滑輪系統(tǒng)連接在承重索上，承載吊梁作為旋轉(zhuǎn)吊具的主要承重結(jié)構(gòu)，成為連接纜索系統(tǒng)和鋼箱梁的關(guān)鍵，必須保證其安全可靠。承載吊梁分為主梁和輔梁，采用不同規(guī)格的H型鋼，為保證鋼梁的局部穩(wěn)定性，在H型鋼兩翼緣板內(nèi)設(shè)置豎向和橫向加勁肋，在承擔(dān)箱梁吊具處，應(yīng)增大豎向加勁肋的數(shù)量，提高局部受壓能力。箱梁吊具作為吊具動(dòng)力系統(tǒng)的工作平臺(tái)，采用型鋼組合焊接而成并組裝連接在承載吊梁之上。為節(jié)省材料和降低工作區(qū)高度，箱梁吊具采用變截面。電機(jī)為旋轉(zhuǎn)吊具提供動(dòng)力，通過(guò)齒輪與旋轉(zhuǎn)軸齒輪連接，為方便操作，采用遙控式，提高工作效率和安全度。遙控電機(jī)可通過(guò)調(diào)節(jié)電極實(shí)現(xiàn)正反向轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)軸采用銷釘限位，可實(shí)現(xiàn)任意角度定向轉(zhuǎn)動(dòng)，減少人工校正鋼箱梁安裝角度，提高操作精度。圖4為加勁梁吊裝現(xiàn)場(chǎng)施工圖。

5 加勁梁吊裝方案

5.1 吊裝準(zhǔn)備

加勁梁吊裝開(kāi)始前，應(yīng)當(dāng)按設(shè)計(jì)要求架設(shè)承重軌索，將行走天車和上吊具吊裝至承重軌索上，安裝好牽引索和起重索，將下吊具通過(guò)起重索與上吊具連接，通過(guò)掛鉤鋼絲繩吊裝扁擔(dān)梁及旋轉(zhuǎn)吊具，在引橋工作平臺(tái)安裝卷?yè)P(yáng)機(jī)和平衡索。纜索吊系統(tǒng)安裝完成后，分別進(jìn)行吊裝荷載為25%設(shè)計(jì)荷載、50%設(shè)計(jì)荷載及100%設(shè)計(jì)荷載的靜動(dòng)力試吊，120%設(shè)計(jì)荷載的靜力試吊，確保纜索吊機(jī)運(yùn)行的安全性和可靠性。

圖4 纜索吊機(jī)吊裝施工

5.2 吊裝程序

準(zhǔn)備工作完成后，運(yùn)梁小車將預(yù)制拼裝好的加勁梁節(jié)段以垂直于設(shè)計(jì)方向運(yùn)至橋塔外側(cè)引橋處；將平衡索與扁擔(dān)梁進(jìn)行臨時(shí)連接，啟動(dòng)平衡索卷?yè)P(yáng)機(jī)，將旋轉(zhuǎn)吊具牽引至加勁梁節(jié)段上方，將旋轉(zhuǎn)吊具下端吊繩按要求與加勁梁節(jié)段連接。制動(dòng)起重索，配合制動(dòng)平衡索，將加勁梁節(jié)段緩慢起吊并穿過(guò)橋塔至豎直位置。制動(dòng)遙控式電機(jī)，帶動(dòng)齒輪軸進(jìn)行水平轉(zhuǎn)向，將加勁梁水平轉(zhuǎn)向90°至設(shè)計(jì)方向后，通過(guò)制動(dòng)起重索和牽引索，調(diào)整加勁梁節(jié)段至設(shè)計(jì)位置。待加勁梁節(jié)段與相鄰節(jié)段臨時(shí)連接后，解除旋轉(zhuǎn)吊具與加勁梁的連接，本節(jié)段吊裝完畢。重復(fù)上述操作，完成剩余加勁梁吊裝工作。吊裝流程見(jiàn)圖5。

普立大橋加勁梁吊裝順序?yàn)椋菏紫葘蛩?7#與27′#加勁梁節(jié)段吊裝至臨時(shí)托架上，然后由跨中向兩邊對(duì)稱吊裝1#～25#和1′#～25′#加勁梁節(jié)段，最后吊裝合龍段6#節(jié)段。所有節(jié)段吊裝完成后，測(cè)量、調(diào)整梁面線形至設(shè)計(jì)要求，對(duì)所有鋼箱梁進(jìn)行永久連接。

5.3 吊裝注意事項(xiàng)

(1)鋼箱梁吊裝前，貓道承重索全部改吊至主纜；同時(shí)，將貓道承重索兩端錨固處留出足夠的富余量，確保貓道與主纜的線形一致，避免發(fā)生主纜變形下沉而貓道由于錨固端的原因無(wú)法隨之下沉，造成主纜壓在貓道上的危險(xiǎn)情況。

(2)梁段吊裝就位后，與相鄰梁段進(jìn)行臨時(shí)連接，利用銷釘調(diào)平板件錯(cuò)邊，并擰緊頂板臨時(shí)連接對(duì)拉螺桿至設(shè)計(jì)縫寬后固定。吊裝初期，各梁段臨時(shí)連接為鉸接狀態(tài)，梁段上翼緣頂緊，下翼緣張口將逐漸減小。因此，在吊裝階段嚴(yán)禁拉近底板上的臨時(shí)連接件使張口閉合，以免增大上翼緣的壓力。

圖5 普立大橋加勁梁吊裝流程圖

(3)加勁梁節(jié)段間臨時(shí)聯(lián)結(jié)采用臨時(shí)連接匹配件，方法是吊裝一段連一段，先將頂板D1、D2進(jìn)行連接，底板先松連，待梁段縫隙閉合后再行連接其底板上的臨時(shí)連接件。

6 結(jié)束語(yǔ)

為加快施工進(jìn)度和保證施工過(guò)程的安全可靠，普立大橋鋼箱梁采用新型吊裝方法和吊具，完成了在山區(qū)復(fù)雜地形條件下的大型橋梁結(jié)構(gòu)的吊裝。該吊裝方法和設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)旋轉(zhuǎn)吊具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，加工制作技術(shù)要求低，投入成本較低。

(2)纜索吊機(jī)適應(yīng)能力強(qiáng)，配合旋轉(zhuǎn)吊具，完全實(shí)現(xiàn)橋上作業(yè)，可以適用于各種橋下作業(yè)不便的工況，例如山區(qū)深谷、通航河道等。

(3)加勁梁吊裝方法操作步驟簡(jiǎn)便、可操作性強(qiáng)且使用效果好，適用于大跨徑橋加勁梁的架設(shè)，并且施工難度低、安全可靠性高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

(4)不需要將加勁梁運(yùn)輸?shù)皆O(shè)計(jì)位置下方，通過(guò)吊機(jī)在橋端位置起吊沿橋梁縱向吊運(yùn)至設(shè)計(jì)方向，吊裝速度快、節(jié)省工期。

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A Study of the Method of and the Equipment for Rotating the Stiffening Girder into Place for a Large-Span Suspension Bridge in Mountainous Regions

CHEN Fuyi, MAO Keqiang, CAO Shulong, LI Hutao

(Highway College,Changan University,Xi'an 710064,China)

Having the merits of being powerful in spanning rivers and valleys,ripe in construction techniques and strong in anti-earthquake performance,the suspension bridge is the commonest type of bridge for large-span projects of bridge in mountainous regions.However,because of the complexity of the landscape and the steep and dangerous topography of mountainous regions,the newly-building and popularization of it is limited. In order to realize the full-deck operation of the construction of the large-span bridge, and to improve the security of the construction of the project in poor geological conditions,the new-type equipment for and the new method of rotating the stiffening girder into place is adopted for the construction of the Puli Bridge in Yunnan Province,with the security and reliability of the construction of the project ensured,and the construction duration effectively saved.A detailed study is made of the lifting and erecting technique of,and equipment for and the lifting processes of the stiffening girder of the Puli Bridge in the paper,which may serve as a useful reference for the construction of the large-span bridge.

suspension bridge;stiffening girder;lifting and installing;cablecrane;rotary lifting device

2016-06-22

云南省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(云交科2013(A)02)

陳輔一(1994—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇罂鐦蛄簞?dòng)力性能。1521945683@qq.com

10.13219/j.gjgyat.2016.06.006

U448.25

B

1672-3953(2016)06-0023-04