纜索吊塔架結構選型與受力性能的可行性論證

楊 玲

(中鐵十八局集團第四工程有限公司，天津 300350)

0 引 言

在展開大跨徑鋼管拱橋建設施工時，必須借助纜索吊裝系統(tǒng)來完成，該系統(tǒng)因此被廣泛應用于當前的多數(shù)橋梁建設工作中，成為其中的重要技術。需要意識到的是，雖然行業(yè)內(nèi)已經(jīng)圍繞纜索吊裝系統(tǒng)展開了大量的研究，但是主要局限在門式塔架或分離式塔架這一層面，關于主扣合一獨立式結構形式的研究相對較少。因此，有必要圍繞鋼管塔架展開探討，對其可行性進行分析，由此推動大跨徑橋梁施工的進展[1-3]。

1 工程概況

本文以怒江四線特大橋為背景展開探討，它是金剛元隧道與高黎貢山隧道的關鍵連接通道，且橋上有怒江車站，橋上各線間距均按5 m進行布置，對應總長達到了1 024.20 m，周邊為典型的V形峽谷。進一步參考工程資料可知，主橋的1～490 m采用上承式鋼桁拱橋的形式，拱軸線設置為懸鏈線的形式，對應拱軸系數(shù)為2.0。

2 纜索吊設計概況

對纜索的運行能力進行分析，用Q指代額定起重量，經(jīng)計算后得知該值達到了200 t，能夠帶來的起重建筑跨度L達到了685 m，但在實際運行過程中有效跨度并不能完全達到該水平，即L1=685-(L/10)×2=548 m。采用0～10 m·min-1區(qū)間內(nèi)變頻調(diào)速的方式，對運行速度進行分析，與此同時起升速度也需要得到控制，即在0～6.4 m·min-1區(qū)間內(nèi)變頻調(diào)速。

(1)塔架及塔架基礎。在設置塔架結構時，需要使用4根特定的鋼管，其外徑均為Φ800 mm×16(12)mm，連接弦桿、腹桿、斜桿采用非制式萬能桿件部分和部分型鋼組成纜索吊機塔架。其中塔架頂部6節(jié)標準節(jié)利用南盤江大橋纜索吊機8 m標準塔架，大理和瑞麗側各12節(jié)，全橋共24節(jié)。塔架中橫梁在大理和瑞麗側各設置2套，全橋共4套。上橫梁2套。鋼塔架高度及大理側塔高均為120 m，瑞麗側下游塔高132 m，上游側高137 m。塔架承臺混凝土采用C35。承臺尺寸為8 m×8 m×2 m，全橋共4個。在展開承臺樁基礎部分施工時，選用人工挖孔灌注樁的形式，要求樁長達到20 m，每個臺都需要適配4根樁結構，因此橋梁整體需要16根，并基于C30混凝土進行灌注施工。

(2)主索(承重索)。主索采用8×K36WS+PWRC-Φ58 mm面接觸鋼絲繩，16根組成承重索，額定荷載Q=200 t。

(3)牽引索和起重索。引入了雙向螺旋摩擦的方式完成牽引工作，要求其工作中的牽引力達到200 kN。為了確保牽引機能夠穩(wěn)定地運行，適配了1臺功率為75 kW的雙筒螺栓摩擦卷揚機。關于起重索部分的設計，使用了接觸不旋轉鋼絲繩，引入了變頻調(diào)速卷揚機設備，可以為整個起重工作提供足夠的牽引力(80 kN)。

(4)起吊小車。起吊小車主要由跑車與掛架兩大部分構成，其中跑車主要起支撐主索的作用。為了確保小車配重與主索結構的一致性，引入了鏈式支索器，可以確保牽引索與起重索被穩(wěn)當?shù)刂С性谥魉魃稀?/p>

(5)后錨碇。后錨碇采用巖錨與重力錨，結合成主鉤、副鉤橫移組合錨碇，每側各2個，共4個。混凝土等級為C40。

(6)風纜。為控制塔架位移，在大、小里程側纜索吊機在塔架各設3道風纜，采用重力式纜風繩錨碇，全橋共8套，錨碇混凝土等級為C25。

(7)索鞍。采用橫移式索鞍，全橋一共匹配4套索鞍，用于橫移滑撬和導軌。利用預應力YVW100B型千斤頂和精軋螺紋鋼作為橫移的動力和拉具。

3 塔架基礎、錨碇施工

3.1 主塔架基礎概況

纜索吊塔架基礎大理側中心里程為：DK191+458.124 4，瑞麗側中心里程為：DK192+143.124 4，2個塔架的中心間距為685 m，大理側塔架承臺頂標高為785.719 mm，瑞麗側塔架承臺為高低臺，下游側承臺頂標高為773.719 mm，上游側承臺頂標高為768.719 mm。同一塔架2個承臺的中心間距為31.656 m，承臺均為8 m正方形截面，高2 m，承臺與樁基連為一體，樁基截面均為直徑1.5 m的圓形，樁長20 m，如圖1所示。

圖1 纜索吊塔架基礎布置

3.2 樁基施工

樁基全部為直徑1.5 m的挖孔灌注樁，用人工開挖的方式成孔，使用混凝土材料進行護壁施工，采用導管法完成灌注施工，如圖2所示。

圖2 塔架基礎樁基施工

3.3 承臺施工

承臺施工方案與橋梁引橋承臺施工方案一致，需要注意塔架預埋件的設置。

預埋件制作及安裝：塔柱腳錨固架務必與樁基與承臺主筋焊接為一體，焊接時先在樁基主筋上焊接定位鋼筋，用塔吊將拼裝合格的錨固架垂直吊入樁基鋼筋中，輔以水平尺定位，最后加固焊接于樁基與承臺中。

焊接塔柱腳錨固架時，在工作平臺上進行拼裝焊接，焊縫應符合《焊接件通用技術要求》(JB/ZQ4000.3—1986)的規(guī)定，尺寸精度為B級，形位公差為F級，嚴格控制焊縫高度，必須達到8 m以上水平，焊條材料以E4313為宜。

3.4 纜風繩基礎

纜風繩錨碇采用重力錨，明挖基礎施工使用C35鋼筋混凝土，施工方法同主塔架基礎。纜風繩鋼拉帶傾斜角度根據(jù)實際情況調(diào)整。

3.5 后錨基礎

后錨基礎為重力式配合巖錨，依靠自重、鋼絞線巖錨及基礎前側土壓力來穩(wěn)定主索張力，滿足傾覆和滑移穩(wěn)定條件，具體施工方法與主塔架基礎部分一致。在實際施工過程中，基于提升錨碇承載力的目的，需要加大開挖面的粗糙度，此舉能夠進一步提升錨碇與地面之間的摩擦力；還需要在錨碇前預留1 m高嵌，此舉能夠提升基底的抗滑水平。后錨采用重力錨配合巖錨，在施工后錨時需特別注意預留巖錨施工所需的工藝。

巖錨索采用Φ15.24帶PE保護套無黏結型鋼絞線，設計錨固力為160 t，張拉安裝力為184 t，長度分別為30、40、50 m。在施工錨碇時將預留孔道埋設好，孔道采用194 mm×5 mm預埋鋼管。鉆孔前，應先在兩岸用小型巖芯鉆機各鉆1個孔，深50 m，取巖芯，可以得知巖層卸載荷裂隙情況，進一步驗證錨桿深度是否達到工程標準。

4 塔架結構計算分析

4.1 荷載組合

在施工過程中，風荷載是重要的影響因素，因此需要對纜索吊裝系統(tǒng)進行針對性分析，包括：工作狀態(tài)吊裝，此時需要考慮到重力、主索力、扣掛荷載、6級風荷載這幾大因素；除此之外，還有非工作狀態(tài)吊裝，相較于上述因素而言，僅風荷載發(fā)生了變化，此時達到了11級。當然，實際上還容易受到地震或溫度荷載的影響，此處暫不考慮，經(jīng)整理后得到的結果見表1。

4.2 塔架計算模型

圍繞塔架部分展開建模分析，此環(huán)節(jié)需要使用midas Civil，無論是立柱鋼管還是扣索錨固結構，都基于梁單元的方式進行模擬，而塔頂萬能桿件則基于桁架單元的方式進行模擬分析。具體的模型如圖3所示。

表1 荷載組合

圖3 塔架計算模型

4.3 各荷載組合下的塔架受力分析

立柱鋼管的應力情況見表2。需要指出的是，其中的負值代表壓力與壓應力，而正值則指拉力與拉應力。參考行業(yè)標準，得知立柱鋼管應力均達到了相關標準。

通過計算，立柱鋼管最在工況10下最不利，桿件最大應力值達-190.5 MPa，塔架偏位在工況9下最不利，塔架順橋向最大偏位200.1 mm(表3)。立柱鋼管應力和塔架偏位如圖4所示。

表2 立柱鋼管應力值

表3 塔架位移值

圖4 立柱鋼管應力和塔架偏位

5 塔架計算結果

通過對塔架建模進行分析與計算，得到如下結論。

(1)無論是在工作狀態(tài)還是非工作狀態(tài)吊裝桁架單元，桿件軸力都較為良好，能夠達到立柱鋼管應力標準，并且塔架偏位現(xiàn)象也得到了良好的控制。

(2)無論是在工作狀態(tài)還是非工作狀態(tài)吊裝梁單元，桿件應力都可以達到工程標準。

(3)塔架位移容許值達到了340 mm，受吊裝荷載組合的影響，塔架會沿著橋梁發(fā)生偏位現(xiàn)象，該值為200.01 mm，為塔高的1.47/1 000，符合行業(yè)標準。

6 結 語

本文圍繞大橋工程中使用的纜索吊裝系統(tǒng)展開分析，重點圍繞獨立式鋼管塔架進行討論，基于midas Civil進行了建模分析，得知塔架各構件對應的內(nèi)力等指標都達到行業(yè)標準，驗證了這一方案的可行性。