超大跨徑CFST拱橋纜索吊運斜拉扣掛方案設(shè)計探討

蒙立和 羅小斌 王彬鵬 周妤蓮

摘要：文章以平南三橋為依托，介紹平南三橋纜索吊運斜拉扣掛設(shè)計方案，主要包括纜索吊運的跨徑和塔高設(shè)計、主索道設(shè)計、主地錨設(shè)計、塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計和斜拉扣掛系統(tǒng)的扣索配置、扣掛設(shè)計、塔頂偏位控制設(shè)計、拱肋側(cè)向纜風(fēng)設(shè)計等。平南三橋纜索吊運斜拉扣掛方案順利實施，并實現(xiàn)了超大跨徑CFST拱橋高精度合龍和主拱圈高精度控制，可為同類型橋梁設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：CFsT拱橋;平南三橋;纜索吊運;斜拉扣掛;方案設(shè)計

中圖分類號：U442.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2020.11.013

文章編號：1673—4874（2020）11—0045-05

0.引言

鋼管拱橋憑借其承載力高、經(jīng)濟(jì)性好、造型優(yōu)美等優(yōu)勢，在我國發(fā)展非常迅速_.

。鋼管拱的架設(shè)方法以支架法、懸臂法和轉(zhuǎn)體法三種為主，其中懸臂拼裝法應(yīng)用最多，適用跨徑最大范圍也最廣。懸臂拼裝法多采用纜索吊運系統(tǒng)和斜拉扣掛系統(tǒng)，纜索吊運系統(tǒng)用于拱肋節(jié)段的吊運安裝，斜拉扣掛系統(tǒng)用于固定已安裝的懸臂拱肋。纜索吊運斜拉扣掛體系施工簡便、起吊承重大、安全性高、技術(shù)先進(jìn)，被廣泛應(yīng)用于CFsT拱橋拱肋安裝。本文以跨徑575m的中承式CFST拱橋一平南三橋為依托，介紹超大跨徑CFsT拱橋纜索吊運斜拉扣掛方案設(shè)計。

1工程概況

平南三橋為主跨575m中承式鋼管混凝土拱橋，橋跨布置為：（40+60+35+35）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁+575m中承式鋼管混凝土拱橋+（50+60+50）m+（40+40+40）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁（見下頁圖1）。主橋矢跨比為1/4，拱軸系數(shù)為1.50，主拱肋以橋梁中心線對稱布置，兩岸以跨徑中心對稱，單側(cè)主拱圈分為22個節(jié)段，全橋共44個節(jié)段，各拱肋節(jié)段重量見下頁表1，最重節(jié)段為5^#拱肋節(jié)段，重215t。拱肋截面徑向高由拱腳17.0m漸變至拱頂8.5m，拱肋寬4.2m，每肋為上、下各兩根φ1400mm主弦管，管內(nèi)灌注C70混凝土。主弦管間通過上下兩根φ850mm橫聯(lián)鋼管和左右兩根φ700mm豎向腹桿鋼管連接形成矩形截面。左右兩側(cè)拱肋之間通過橫撐連接。橋址兩岸地形較平緩、開闊，主橋跨越潯江。拱肋需采用纜索吊運系統(tǒng)進(jìn)行安裝，利用斜拉扣掛系統(tǒng)進(jìn)行固定，需進(jìn)行纜索吊運斜拉扣掛方案設(shè)計。

2方案設(shè)計

2.1纜索吊運系統(tǒng)設(shè)計

纜索吊運系統(tǒng)由承重索、起重索、牽引索、跑車、索鞍、塔架、主地錨及卷揚機(jī)等組成。纜索吊運系統(tǒng)主要用于拱肋節(jié)段、橋面梁節(jié)段吊裝。纜索吊運系統(tǒng)設(shè)計思路為：跨徑和塔高設(shè)計一主索道設(shè)計一主地錨設(shè)計一塔架設(shè)計一纜索吊運系統(tǒng)其他結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.1.1跨徑和塔高設(shè)計

根據(jù)橋跨布置和現(xiàn)場地形初步確定纜索吊運系統(tǒng)跨徑布置，確定塔架及主地錨位置設(shè)置區(qū)域。塔架基礎(chǔ)承載力需求大，可設(shè)置在拱座上。橋址兩岸地形較平緩、開闊，可適當(dāng)增大邊主跨比，減小塔架的不平衡水平力。另外，選擇較大的主索垂度（L/14），也可減小塔架的不平衡水平力。根據(jù)最大吊運高度，并考慮主索垂度，確定了塔架高度約為200m。纜索系統(tǒng)跨徑布置為（509+601+512）m（見圖2）。為保證纜索吊運系統(tǒng)受力平衡，設(shè)計兩岸塔架頂標(biāo)高一致。

2.1.2主索道設(shè)計

初步確定纜索吊運系統(tǒng)跨徑和塔高后，擬定跨中吊重垂度，可根據(jù)最大吊重（215t）進(jìn)行承重索、起重索、牽引索選型并確定走線進(jìn)行驗算。主索道設(shè)計為雙主索，設(shè)置工作索輔助吊運小型機(jī)具構(gòu)件。塔頂設(shè)置可橫移式索鞍，保證吊裝覆蓋整個區(qū)域。

最終確定主索設(shè)計2套，設(shè)計吊重2×110t;工作索設(shè)計4套，布置在主索道兩側(cè)，設(shè)計吊重5t。主索道系統(tǒng)配置參數(shù)見表2。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，并結(jié)合拱橋吊裝施工實際工況，確定主承載索、起重索和牽引索的破斷拉力安全系數(shù)分別為3.0、5.0和4.0。主拱圈采用水上起吊，依據(jù)節(jié)段重量及安裝位置，擬定了5種施工工況，分別進(jìn)行了最大張拉力計算，計算結(jié)果均滿足要求（見表3）。

塔頂索鞍設(shè)計見圖3。索鞍底部設(shè)有行走滾輪，并設(shè)置橫移系統(tǒng)，由卷揚機(jī)提供動力，使索鞍可以在軌道梁上沿橫橋向滑移，從而改變兩組承重索之間的跨距，滿足施工要求。采用有限元軟件ANSYS 11.0SP1進(jìn)行強(qiáng)度及剛度驗算（見圖4）。計算荷載考慮主承重索的最大張力、起重索及牽引索的最大拉力，得到計算結(jié)果：索鞍體（Q345）最大應(yīng)力115MPa<容許應(yīng)力233MPa，銷軸（400r）最大應(yīng)力121MPa<容許應(yīng)力216MPa，變形0.39mm，索鞍強(qiáng)度、剛度均滿足要求。

2.1.3主地錨設(shè)計

橋址地形較平緩，選擇重力式地錨，埋入至地面以下。重力式地錨結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖5。地錨設(shè)10個承載索預(yù)留槽和4個纜風(fēng)索預(yù)留槽，肋板前段設(shè)半圓形擋塊（起轉(zhuǎn)向作用），并預(yù)埋多個千斤繩作為起重索、牽引索轉(zhuǎn)向滑輪的固定端。地錨驗算時考慮承重索、起重索、牽引索、塔架纜風(fēng)對地錨的受力情況，驗算結(jié)果顯示地錨的抗傾覆、抗滑移、抗拔安全系數(shù)分別為3.5、2.1、10.8，均大于容許安全系數(shù)2，滿足要求。

2.1.4塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計

塔架采用主扣合一式塔架，塔腳預(yù)埋在拱座內(nèi)，塔底固結(jié)，塔架前后左右側(cè)均設(shè)置纜風(fēng)繩。塔架采用鋼管桁式結(jié)構(gòu)，橫橋向?qū)?9.9m，縱橋向?qū)?2m，高199。76m。塔架豎向、縱向均以4m為模數(shù)設(shè)計，橫橋向以4.9m為模數(shù)設(shè)計，標(biāo)準(zhǔn)格構(gòu)柱尺寸為12m×9.8m，塔頂?shù)跛螢?×9.8m。塔架立柱（φ610mm）、腹桿（φ114～245mm）均采用直縫鋼管，立桿與立桿之間采用法蘭連接，立桿與腹桿之間采用節(jié)點板栓接。塔頂設(shè)箱梁橫梁，長46.4m，寬4.64m。

對塔架進(jìn)行受力驗算時，主要考慮兩種工況。工況1：結(jié)構(gòu)自重+主索力（吊重）+扣掛荷載+正常工作狀態(tài)風(fēng)荷載+纜風(fēng)初拉力;工況2：結(jié)構(gòu)重力+主索力（空載）+扣掛荷載+非正常工作狀態(tài)風(fēng)荷載+纜風(fēng)初拉力。其中，風(fēng)荷載需考慮不同方向的風(fēng)的作用。經(jīng)建模驗算，在各工況下，塔架腹桿系內(nèi)力值、扣索索鞍支撐梁和塔頂結(jié)構(gòu)應(yīng)力值、立柱鋼管構(gòu)件應(yīng)力值和內(nèi)力值、塔腳鋼管混凝土軸力、塔架位移、塔架整體穩(wěn)定性均滿足要求。

2.1.5其他

根據(jù)牽引繩、起重繩的受力確定卷揚機(jī)型號，并進(jìn)行場地布置;根據(jù)各類繩索走線形式確定跑車結(jié)構(gòu);根據(jù)場地情況布置電氣控制系統(tǒng)等。

2.2斜拉扣掛系統(tǒng)設(shè)計

斜拉扣掛系統(tǒng)僅用于拱肋吊裝階段固定懸臂拱圈，斜拉扣掛系統(tǒng)布置見圖6，主要包含扣索配置、扣掛設(shè)計、塔頂偏位控制設(shè)計、拱肋側(cè)向纜風(fēng)設(shè)計四部分。

2.2.1扣索配置

扣索采用φ15.2—1860MPal氐松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線。索力采用“過程可控、結(jié)果最優(yōu)”的影響矩陣法計算。配索時，單根鋼絞線拉力控制在100kN內(nèi)，配索及扣索力情況見表4。

2.2.2扣掛設(shè)計

在扣塔上設(shè)置索鞍平臺，索鞍平臺上安裝扣索鞍（見圖7）?？劾迨娇埸c與懸臂主拱圈相連，又與扣點分配梁相連，扣索通過擠壓P錨固定在扣點分配梁上，扣索另一端穿過扣索鞍，在扣地錨處進(jìn)行張拉錨固（見圖8）。

2.2.3塔頂偏位控制設(shè)計

在拱肋節(jié)段吊運和斜拉扣掛懸臂拼裝的過程中，由于主索和扣索的不平衡水平力，主扣合一式塔架將發(fā)生水平偏位。塔架偏位過大將影響拱肋節(jié)段安裝，一是對塔架的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，二是對拱肋線形產(chǎn)生較大影響。在施工的過程中，應(yīng)用塔架偏位智能調(diào)載系統(tǒng)對塔架位移進(jìn)行主動控制。該系統(tǒng)安裝在塔架主地錨側(cè)的后纜風(fēng)索上，塔架的左右側(cè)各安裝一個調(diào)載千斤頂，全橋共四個調(diào)載千斤頂，千斤頂行程為1.0m。

2.2.4拱肋側(cè)向纜風(fēng)設(shè)計

扣索用于扣掛拱肋節(jié)段，實現(xiàn)拱肋的懸臂拼裝。拱肋側(cè)向纜風(fēng)索用于增加吊運拱肋的橫向穩(wěn)定性，并起到左右約束拱肋和左右調(diào)控拱軸線的作用。

側(cè)向纜風(fēng)索在拱肋上、下游交叉對稱設(shè)置（見圖9）。側(cè)向纜風(fēng)繩采用鋼絲繩，安裝張力控制在50～80kN，張拉纜風(fēng)繩時做到上、下游同步對稱張拉，且張拉力相同。

3結(jié)語

平南三橋拱肋于2019—10—12開始安裝，于2020—01—10完成合龍，歷時90d。纜索吊運斜拉扣掛方案設(shè)計合理，實施順利。平南三橋主拱實現(xiàn)高精度合龍，合龍口弦管對接誤差<3m，拱軸線橫向偏位<10m，拱圈線形與目標(biāo)線形偏差<30mm。平南三橋主拱的順利安裝，為更大跨徑拱橋的建造提供了可靠的技術(shù)支撐。平南三橋的纜索吊運斜拉扣掛方案可為同類型橋梁提供借鑒。