壽寧坪坑拱橋纜索吊裝系統(tǒng)方案研究

陳泳鵬，吳能森，龔燦寧，周成軍，丁巧麗

(福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350002)

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壽寧坪坑拱橋纜索吊裝系統(tǒng)方案研究

陳泳鵬，吳能森*，龔燦寧，周成軍，丁巧麗

(福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350002)

摘要：根據(jù)坪坑大橋橋址地形地貌、工程地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)了2套纜索吊裝施工方案，并對(duì)其進(jìn)行比選。綜合分析得出方案采用主扣塔一體化設(shè)計(jì)能夠保證拱箱吊裝凈空高度，塔架底部設(shè)計(jì)為鉸接橫移方式，滿足施工要求，且提高了安全可靠度；上部采用新型貝雷桁架拼裝，既節(jié)約成本又縮短工期。對(duì)擬實(shí)施方案吊裝系統(tǒng)各繩索進(jìn)行參數(shù)初選、不利工況驗(yàn)算，得出系統(tǒng)滿足規(guī)范要求，并經(jīng)主拱圈的實(shí)際拼裝施工，順利完成架設(shè)任務(wù)。

關(guān)鍵詞：山區(qū)；拱橋；施工；纜索吊裝系統(tǒng)；方案研究

1工程概況

1.1　橋梁簡(jiǎn)況

坪坑大橋(2×20 m空心板+1×120 m鋼筋砼箱型拱+1×20 m空心板)，位于省道S202線壽寧犀溪至湄洲島公路寧德市境內(nèi)段壽寧城關(guān)至南托溪段托溪支線B3合同段，起點(diǎn)樁號(hào)K0+700.08，終點(diǎn)樁號(hào)K0+893.02，全長(zhǎng)192.94 m。主橋采用凈跨120 m鋼筋混凝土箱型拱，矢跨比1/5，拱軸系數(shù)1.543，橋梁橫斷面總寬度9 m，拱上為跨徑7.4 m的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支空心板梁，兩岸側(cè)引孔為跨徑20 m 的預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支空心板。

1.2　橋址自然條件

坪坑大橋橋址跨越一南北向的近V型峽谷，屬侵蝕、剝蝕形成的重丘間沖洪積溝谷地貌，峽谷最大深度與橋面高差將近90 m，不宜采用滿堂支架施工，峽谷底部的水面寬度小，不具備纜載吊機(jī)或大型浮吊的施工條件。該橋址區(qū)地下水為第四系，坡積層碎石、角礫層及沖、洪積卵石層孔隙潛水、基巖強(qiáng)風(fēng)化帶、斷裂破碎帶、節(jié)理裂隙密集帶中的裂隙水。大橋兩岸地形較狹窄、陡峻，部分地段基巖裸露，表層為全風(fēng)化凝灰熔巖或碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖，植被較發(fā)育，難以布置懸臂施工、轉(zhuǎn)體施工所需的大型機(jī)械設(shè)備，若非得采用，則必須大量開挖山體及植被，工程量大，并可能導(dǎo)致大面積水土流失與土壤退化，破壞生態(tài)環(huán)境，甚至造成工程水毀失效等嚴(yán)重后果。

2吊裝方案的確定

鑒于坪坑大橋橋址自然條件限制，考慮到該地區(qū)交通便利性差，材料及設(shè)備運(yùn)輸成本高，采用滿堂支架、懸臂施工、轉(zhuǎn)體施工等施工方法在經(jīng)濟(jì)上均極不合理。而纜索吊裝技術(shù)，具有對(duì)復(fù)雜或特殊的地形地貌條件適應(yīng)性強(qiáng)，高效、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能，對(duì)環(huán)境影響輕微等優(yōu)點(diǎn)[1]，因此設(shè)計(jì)階段決定采用纜索吊裝技術(shù)進(jìn)行坪坑大橋施工。同時(shí)，考慮到便于橋梁線形控制及節(jié)約吊裝系統(tǒng)成本等因素，全橋拱肋共設(shè)計(jì)為25個(gè)吊裝節(jié)段，每肋分5個(gè)吊裝節(jié)段。

2.1　方案設(shè)計(jì)與選型

為取得最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，根據(jù)坪坑大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其橋址處地形地貌、工程地質(zhì)等條件，設(shè)計(jì)了以下2個(gè)技術(shù)上可行的纜索吊裝施工方案進(jìn)行分析比較[2]。

2.1.1吊裝方案Ⅰ

該方案采用主、扣塔分離的固定支座塔架，主塔架采用傳統(tǒng)的門架式，由萬能桿件拼裝而成。為實(shí)現(xiàn)拱肋對(duì)中安裝，在主塔塔頂安裝移動(dòng)式索鞍。主塔基座為獨(dú)立式基礎(chǔ)，扣塔基礎(chǔ)則是利用兩岸拱座。根據(jù)吊裝施工及塔架基礎(chǔ)與錨碇布置的要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形條件，吊裝主索跨度為210 m，壽寧岸主塔、扣塔高度分別為25、30 m，南托溪岸主塔、扣塔高度分別為27、30 m，如圖1所示。施工時(shí)利用壽寧城關(guān)岸交通條件相對(duì)較好、運(yùn)輸距離較短以及場(chǎng)地較大等優(yōu)勢(shì)，將壽寧岸作為構(gòu)件預(yù)制和材料堆放場(chǎng)地，并可利用先行吊裝的第一跨引橋(1×20 m空心板)作為施工平臺(tái)。

圖1　坪坑大橋吊裝方案Ⅰ布置圖(單位：m)

2.1.2吊裝方案Ⅱ

該方案吊裝塔架采用主、扣塔一體化形式，塔架為新型的貝雷片拼裝獨(dú)塔式結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)各片拱圈的對(duì)中吊裝，塔架基礎(chǔ)為整體條形結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)頂面設(shè)置扣鎖式滑槽，使塔架的鉸接柱腳能夠橫移而實(shí)現(xiàn)整體移動(dòng)塔架，從而滿足對(duì)中吊裝的需要。由于條形基礎(chǔ)總體占地小，加上無須考慮扣塔的錨碇布置，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形條件，吊裝主索跨度為200 m，壽寧岸塔架高度為27 m，南托溪岸塔架高度為39 m，其他同方案Ⅰ，如圖2所示。

圖2　坪坑大橋吊裝方案Ⅱ布置圖(單位：m)

2.2　施工方案比選及確定

方案Ⅰ采用主、扣塔分離的固定支座塔架，使得塔架成本較大，經(jīng)濟(jì)性較差，但分離式塔架有利于拱橋線形的控制；由于利用了橋梁結(jié)構(gòu)的東岸引橋、兩岸拱座，需對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核，以便確定是否可以利用橋梁結(jié)構(gòu)；吊裝平臺(tái)利用橋梁引橋部分，施工面受到限制；由于吊裝作業(yè)需要保證充足的凈空高度，拱座上存在扣塔容易影響節(jié)段的運(yùn)輸。

方案Ⅱ在西岸利用了橋梁橋臺(tái)作為塔架基礎(chǔ)、利用東岸橋梁引橋作為吊裝平臺(tái)，因此施工成本較低；采用塔底橫移式塔架，塔架橫向尺寸較施工方案Ⅰ小，采用主、扣塔一體化塔架，施工成本低；主索跨度較施工方案Ⅰ小，使得施工安全性得到了控制，便于施工；雖然采用了主、扣塔一體結(jié)構(gòu)，線形控制難度較大，但由于拱肋節(jié)段數(shù)少，其難度較方案Ⅰ增加不多。從塔架結(jié)構(gòu)上看，方案Ⅱ中塔架采用的新型貝雷桁架獨(dú)塔式結(jié)構(gòu)相較于方案Ⅰ的傳統(tǒng)門架式塔架，具備如下優(yōu)點(diǎn)：其一，安全可靠性更高。獨(dú)塔結(jié)構(gòu)，塔底采用鉸接形式，各主要受力部位傳力明確可靠，塔架不承受彎矩只承受軸向力。其二，節(jié)約成本，縮短工期。傳統(tǒng)的纜索吊裝系統(tǒng)

使用萬能桿件拼裝塔架，而采用新型貝雷桁架拼裝塔架大大節(jié)約材料用量及人力投入。整個(gè)塔架僅使用一種規(guī)格的貝雷桁架，一致性優(yōu)于萬能桿件，拼裝和拆卸簡(jiǎn)單，速度更快。其三，施工靈活性更好。塔架設(shè)計(jì)為可整體移動(dòng)，能夠克服橋面過寬帶來的吊裝困難，滿足正吊、正扣施工要求。

綜合考慮施工安全性、簡(jiǎn)便性、經(jīng)濟(jì)性、工期等因素，方案Ⅱ較方案Ⅰ的整體優(yōu)勢(shì)強(qiáng)，所以選用方案Ⅱ作為坪坑大橋的纜索吊裝施工方案。

3纜索吊裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)及計(jì)算

3.1　總體布置

坪坑大橋纜索吊裝系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)：東、西岸2個(gè)主地錨，東、西岸塔架斷面均由8片貝雷片組成，分別采用6節(jié)48片、9節(jié)72片貝雷片，2臺(tái)規(guī)格型號(hào)400 kN的纜索主跑車，跑車及吊具重量140 kN，最大凈吊重580 kN，100 kN(慢速)卷?yè)P(yáng)機(jī)2臺(tái)，50 kN(慢速)卷?yè)P(yáng)機(jī)18臺(tái)，纜索索跨組合自東岸至西岸依次為(28+200+34) m，最大垂度20 m(取主索跨度1/10，能夠滿足吊裝要求[3])，采用雙吊點(diǎn)吊裝(吊點(diǎn)距離14 m)。其平面布置圖如圖3所示。

圖3　纜索吊裝系統(tǒng)平面布置圖

3.2　鋼絲繩參數(shù)初選

纜繩吊裝系統(tǒng)初選鋼絲繩參數(shù)如表1所示。

表1　纜索吊裝系統(tǒng)初選鋼絲繩參數(shù)

3.3　各索索力計(jì)算

由相關(guān)公式[3]計(jì)算在最不利工況下主索各個(gè)受力值為：水平張力Hmax=1 816 kN，索鞍處垂直分力Vmax=417 kN，則Tmax=1 863 kN，主索鋼絲繩6根，其總?cè)菰S破斷力[T]=1176×6=7056 kN，故主索安全系數(shù)K=[T]/T=7056/1863=3.8>[K]=3.5，主索強(qiáng)度滿足要求。主索拉應(yīng)力σmax=542.7 MPa，安全系數(shù)η=[σ]/[σmax]=1700/542.7=3.13>[η]=2，滿足要求。主索接觸應(yīng)力σmax=660.7 MPa，安全系數(shù)η=[σ]/σmax=1700/660.7=2.57>[η]=2，滿足要求。

起重鋼絲繩活頭拉力Tmax為29.1 kN，由表1知，起重索鋼絲繩單根破斷力Tn為197 kN，則起重鋼絲繩安全系數(shù)K=Tn/Tmax=197/29.1=6.8>[K]=5~6，滿足要求。

牽引索總牽引力W由跑車運(yùn)行阻力W1、起重索運(yùn)行阻力W2及后牽引索松弛張力W33部分組成，算得W1、W2、W3分別為181、16、5 kN，則W為202 kN。φ28 mm鋼絲繩破斷拉力[T]= 411 kN，牽引索每個(gè)方向牽引力由2根φ28 mm鋼絲繩共同承受，因此每根牽引繩的拉力F=W/2=101 kN，牽引繩的安全系數(shù)K=[T]/F=411/101=4.1>[K]=4，滿足要求。

由相關(guān)公式[4]計(jì)算拱肋纜風(fēng)索承受的拉力為45.25 kN，遠(yuǎn)小于纜風(fēng)索承載力294 kN，是安全可靠的。采用零彎矩法[5-6]計(jì)算扣索索力。表2給出東、西兩岸不同工況下扣索索力計(jì)算值。

表2　扣索索力匯總表　kN

每組扣索均采用2φ47.5(6×37+1)，即其容許拉力為2 352 kN，從表2可知，扣索索力最大值為508 kN，據(jù)此可求得扣索安全系數(shù)K=2 352/508=4.63>[K]=3.5，故扣索選擇具有一定安全儲(chǔ)備，符合要求。

綜上，經(jīng)對(duì)主索、起重索、牽引索及扣索初選鋼絲繩的受力進(jìn)行計(jì)算分析，得到其在各最不利工況條件下，安全系數(shù)均符合規(guī)范[7-10]要求，具備足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備，滿足使用要求。

4結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)2個(gè)纜索吊裝施工方案進(jìn)行比選分析，綜合得出采用施工方案Ⅱ進(jìn)行坪坑大橋纜索吊裝施工整體優(yōu)勢(shì)更強(qiáng)。對(duì)纜索吊裝系統(tǒng)的各索進(jìn)行受力分析，從理論上論證吊裝系統(tǒng)的可靠度及安全性。工程實(shí)施效果表明整個(gè)纜索吊裝系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，吊裝系統(tǒng)的理論計(jì)算經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證均符合施工要求且合理可行。纜索吊裝施工塔架采用主扣塔一體化形式，結(jié)構(gòu)合理緊湊，在保證工程完成質(zhì)量的前提下，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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(編校：葉超)

Research on Schemes of Shouning Pingkeng Arch Bridge’s Cable Hoisting System

CHEN Yongpeng，WU Nengsen*，GONG Canning，ZHOU Chengjun，DING Qiaoli

(CollegeofTransportationandCivilEngineering,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002China)

Abstract:According to Pingkeng Bridge’s site topography, engineering geological conditions, designing two sets of cable hoisting construction schemes(Ⅰ&Ⅱ), simultaneously comparison and selection between them is made. Based on comprehensive analysis, scheme that adopts the main tower integration design can ensure the required clearance height of lifting arch box, the bottom design of the tower, which utilizes hinged-joint-sliding structures, can be satisfied with the requirements of construction and improve the security and reliability. The new kinds of bailey trusses are applied to assembling the upper of the tower, not only cutting the cost, but also shortening the construction period. Primary selection parameters of all kinds of hoisting ropes are conducted for the scheme, which is intended to be performed. By unfavorable condition checking, it concludes that the cable-hoisting system meets the requirements of the standards. And the erection task has been successfully completed through the actual erection construction of main arch.

Keywords:mountain area; arch bridge; construction; cable-hoisting system; scheme study

doi:10.3969/j.issn.1673-159X.2016.01.023

中圖分類號(hào)：U445.464

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-159X(2016)01-0108-05

*通信作者：吳能森(1964—)，男，教授，主要研究方向?yàn)閹r土工程及地下結(jié)構(gòu)。E-mail：fafuwns@163.com.

基金項(xiàng)目：福建省高校產(chǎn)學(xué)合作科技重大項(xiàng)目(2010H6003)；福建農(nóng)林大學(xué)創(chuàng)新(培育)團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目(Pytd12006)。

收稿日期：2014-10-24

第一作者：陳泳鵬(1989—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)榈缆放c鐵道工程。

·建筑與土木工程·