山區(qū)超高索塔主索鞍吊裝施工關鍵技術

聶 東，陶 龍，李清培，鄧亨長，徐國挺，唐中波

(1.四川公路橋梁建設集團有限公司，成都 610000； 2.四川路橋華東建設有限公司，成都 610000)

主索鞍的吊裝施工是大跨懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工的第一步，其施工方法大致分為起重機吊裝法和塔頂門架吊裝法2類。起重機吊裝具有施工效率高、勞動強度低的優(yōu)點，但起重機對吊裝高度、吊裝重量有限制；塔頂門架吊裝法結(jié)合了懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工特點，利用塔頂門架的提升、行走系統(tǒng)進行主索鞍吊裝工作，是目前大跨度懸索橋索鞍吊裝最常用的施工方法，由于塔頂門架不僅可用來吊裝主索鞍，還可配合后續(xù)貓道架設、主纜索股架設等施工，因此該方法可提高施工設備的綜合利用率，降低施工成本。

雖然業(yè)界對懸索橋索鞍吊裝已有一定工程經(jīng)驗，如清水河大橋采用塔頂門架和卷揚機對主索鞍進行吊裝[1]，駙馬長江大橋利用塔頂門架采用單機吊裝的方式進行主索鞍施工[2]，虎門二橋泥洲水道橋主索鞍采用塔頂門架和提升液壓千斤頂進行吊裝[3]，但對大跨度懸索橋主索鞍的施工仍存在吊裝重量大、高度大、工藝復雜、風險高等問題[4-5]。為此，本文以赤水河紅軍大橋索塔主索鞍吊裝施工為例，探討塔頂門架吊裝+卷揚機+行走小車在該橋主索鞍吊裝工程中的應用。

1 工程概況

赤水河紅軍大橋為江津(渝黔界)經(jīng)習水至古藺(黔川界)高速公路控制性工程。主橋為鋼桁梁單跨雙塔懸索橋，跨度布置為(325+1 200+205) m，塔高243.5 m，如圖1所示。主索鞍由主索鞍系統(tǒng)和格柵系統(tǒng)組成，其中主索鞍系統(tǒng)由鞍體、上下承板、安裝板等組成。主索鞍構(gòu)造示意如圖2所示。最大吊裝重量為主索鞍的半個鞍體，單件重40.6 t，吊裝尺寸(順×橫×高)為2.920 m×3.54 m×2.83 m；格柵系統(tǒng)由格柵和反力架構(gòu)成，為鋼板組焊件，單件重30.145 t，最大吊裝尺寸(順×橫×高)為10.46 m×3.21 m×2.7 m。

2 門架及其起吊系統(tǒng)設計

2.1 門架設計

塔頂門架在上部施工中，不僅承擔著索鞍及其附屬構(gòu)件的吊裝工作，而且在牽引系統(tǒng)、貓道架設、索股架設、纜索系統(tǒng)吊裝、貓道拆除等工作中發(fā)揮著極其重要的作用[6-8]。

(a) 總體布置

(b) 索塔立面

(a) 立面 (b) 構(gòu)件分解

赤水河紅軍大橋索塔門架設計主要考慮的因素有：塔頂水平面尺寸、索鞍吊裝方式、索鞍運輸方式、運輸車輛停靠位置、索鞍本身大小尺寸、索股入鞍操作、吊裝角度、主塔施工過程中留下的施工平臺伸出尺寸、空纜線形、滑輪組運行時所占空間高度、纜索吊裝系統(tǒng)在主塔上所占空間高度。

經(jīng)綜合考慮，索塔門架采用型鋼裝配式結(jié)構(gòu)，如圖3所示。門架主體結(jié)構(gòu)采用HW400×400×13×21和HW400×200×8×12型鋼組成，主塔門架橫橋向?qū)?.07 m，高8.5 m，塔頂正上方順橋向跨度6 m，順橋向長20.5 m，懸臂長11.9 m，最大設計吊重荷載50 t。單個門架橫橋向由2片桁架組成，頂部通過HW400×400×13×21型鋼連接，底部與預埋件之間采用鋼拉桿固接。在前端橫梁上焊接定位板安裝楔套作Φ4起吊鋼繩固接端，后端橫梁布設輪徑630 mm的滑輪作起吊鋼繩轉(zhuǎn)向輪。門架各部分的桿件具有足夠的強度和剛度，相互間采用法蘭連接。

(a) 索塔門架立面 (b) 索塔門架側(cè)面

單位：m

圖3 索塔門架結(jié)構(gòu)示意

Fig.3 Diagram of portal frame structure

2.2 起吊系統(tǒng)設計

門架起吊系統(tǒng)由縱移天車、起吊滑車組和起吊卷揚機組成，如圖4所示?？v移天車橫梁為3I56b組合工字梁，一根橫梁由3根焊接工字梁通過加勁肋連接成整體。天車橫梁兩端放置在墊有四氟板的行走小車上，依靠行走小車在門架承重梁頂?shù)牟垆撥壍郎闲凶摺?/p>

圖4 起吊系統(tǒng)

根據(jù)文獻[9]，起重索張力計算公式為

(1)

式中：P為卷揚機收緊力，kN；Q為起吊荷載，kN；n為工作線數(shù)；t為導向滑輪數(shù)；K為滑輪阻力系數(shù)，一般滾動軸承K=1.02。

起重索安全系數(shù)應滿足下式：

(2)

式中：K1為鋼繩安全系數(shù)；T為鋼繩破斷拉力。

主索鞍吊裝階段，起吊荷載包含主索鞍最大吊裝重量、滑車組中動滑輪組的重量、起重繩重量、吊具重量。鋼繩驗算參數(shù)及結(jié)果如表1所示。由表1可知，鋼繩安全系數(shù)滿足要求。天車橫梁中段懸掛6輪80 t定滑車，通過Φ4起吊鋼繩繞12線與下端6輪80 t動滑組形成起吊滑車組。Φ4起吊鋼繩一頭通過門架前端橫梁的楔套進行固定，牽引頭繞過門架后端橫梁的轉(zhuǎn)向輪進入布設在地面上的10 t卷揚機。

表1 鋼繩驗算參數(shù)

2.3 門架結(jié)構(gòu)仿真驗算

采用Midas/Civil有限元軟件對門架結(jié)構(gòu)進行仿真驗算[10-11]，門架結(jié)構(gòu)件采用梁單元模擬，門架柱腳底部固接。針對主索鞍吊裝過程中吊點位置在門架頂不斷移動的過程，分8個位置進行計算，如圖5所示。主索鞍吊裝階段，門架所承受的荷載包含結(jié)構(gòu)自重、行走軌道自重、門架頂部工作平臺及施工人群荷載、卷揚機鋼繩張力、卷揚機鋼繩錨固端張力、移動天車加載在縱梁上的荷載、移動天車行走與軌道摩擦產(chǎn)生最大縱向水平荷載、風荷載。

圖5 吊裝過程中吊點計算示意

主索鞍吊裝階段門架結(jié)構(gòu)驗算結(jié)果如表2所示。由表2可知，移動天車在8個不同位置處，門架結(jié)構(gòu)受力及穩(wěn)定性均滿足要求。

表2 門架驗算結(jié)果

3 門架安裝及荷載試驗

3.1 門架安裝

橋塔門架安裝采用現(xiàn)場塔吊進行。結(jié)合塔吊(F0/23B塔式起重機)的吊裝能力，將單片桁架在加工廠試拼后拆分，運至現(xiàn)場吊裝。拼裝原則如下：1) 保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性；2) 先安裝的桿件不得妨礙后安裝桿件的安裝和吊運；3) 承重梁最后安裝，避免其懸臂過長而產(chǎn)生過大的繞度，影響其它桿件與之連接；4) 擰螺栓的扳手采用帶扭矩的電動或手動扳手。

F0/23B塔式起重機起重臂距離塔頂中心距離17 m，距離塔頂最遠端20 m，最近段14 m。根據(jù)F0/23B性能表，遠端起重能力6.9 t，近端起重能力10 t。門架安裝順序如圖6所示。

(a) 安裝塔頂正上方桁架

(b) 安裝懸臂段桁架

(c) 安裝塔頂正上方對應的承重梁

(d) 安裝懸臂段承重梁并完善門橋其它構(gòu)件安裝

安裝過程中，需要重點控制組合構(gòu)件的總重量和調(diào)運距離。同時，在安裝門架桁架之間的橫向聯(lián)系之前，要通過測量觀測，確保門架單側(cè)桁架的頂標高及坐標均處于設計位置，調(diào)整2個桁架的頂標高和坐標，控制其誤差在允許范圍之內(nèi)。

3.2 荷載試驗

門架拼裝完成后，在其承重梁頂面設置軌道、平車等行走系統(tǒng)；在地面上布置提升卷揚機，安裝提升系統(tǒng)，并對整個吊裝、行走系統(tǒng)進行系統(tǒng)檢測、調(diào)試，檢查整個系統(tǒng)全長范圍內(nèi)有無絞繞或其它設備故障，確保所有機具設備安全、正常工作。隨后，進行超載提升試驗，進一步檢查門架及吊裝提升系統(tǒng)的安全和運行情況[12]。

門架的試吊分3次完成，每次加載的重量分別為設計吊重的80%、100%和120%，其中80%和120%加載時為靜載試驗，100%加載時做動載試驗，確保提升系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)工作正常，并且在每次試吊過程中對門架鷹嘴位置(圖5中位置1)進行變形觀測。

根據(jù)實際工程情況，門架荷載試驗利用格柵系統(tǒng)和配重進行，試驗結(jié)果如表3所示。由表3可知，試驗結(jié)果與仿真分析結(jié)果吻合較好，表明門架結(jié)構(gòu)能夠滿足吊裝工作要求。

表3 門架荷載試驗結(jié)果 mm

4 主索鞍組件吊裝施工

4.1 工藝流程

赤水河紅軍大橋主索鞍采用“塔頂門架+卷揚機+行走小車”的方式進行吊裝。其主要施工步驟如下：1) 塔頂門架拼裝及荷載試驗；2) 吊裝格柵及反力架，并縱移到設計位置，定位后澆筑格柵混凝土；3) 吊裝上下承板、安裝板及上承板；4) 吊裝主索鞍并縱移至設計位置；5) 將2個半鞍體拼裝成整體，完成主索鞍吊裝。

4.2 吊裝施工

赤水河紅軍大橋主索鞍構(gòu)件吊裝直接采用平板車運輸至橋塔下方的施工平臺上。由于橋塔下方施工平臺與門架吊點正下方在順橋向存在一定的偏位，因此在起吊開始的一段高度范圍內(nèi)，實際起吊存在蕩移。具體吊裝要求為：起吊高度244 m，蕩移高度8 m，最大偏移距離6 m，蕩移角度為1.4°。

根據(jù)工程需求，主索鞍及其附屬構(gòu)件起吊時，除在橋塔左右幅塔柱均采用各自完整的一套起吊系統(tǒng)，在塔底施工平臺上還需要各布置1臺5 t輔助起吊卷揚機，用于起吊歪拉輔助。

由于主索鞍構(gòu)件起吊高度高，鞍體、格柵及反力架等構(gòu)件尺寸大，起吊過程中，為防止構(gòu)件受風的作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)進而引發(fā)起重繩扭轉(zhuǎn)，需要采取一定的空中防扭措施。

本次吊裝采取的措施是：1) 在利用橋塔門架進行吊裝作業(yè)時，2個橋塔門架同步作業(yè)；2) 起吊準備時，利用抗風繩采用交叉方式將2個吊裝構(gòu)件連接；3) 在橋塔兩側(cè)的施工場地上各布置1臺5 t的卷揚機，且各自側(cè)的構(gòu)件相連接，以防止整體扭轉(zhuǎn)。構(gòu)件吊裝空中防扭措施示意如圖7所示，空中防扭措施實圖如圖8所示。

圖7 防扭措施示意

圖8 防扭措施實圖

4.3 施工注意事項

1) 在門架安裝時，嚴格按照門架構(gòu)件的設計安裝順序進行。同時，各構(gòu)件之間采用法蘭連接，其中高強螺栓的施擰是控制要點，構(gòu)件間法蘭連接完成后須進行檢查，門架全部安裝完成后，須再次對高強螺栓進行檢查。

2) 吊裝高度大，安裝起吊系統(tǒng)過程中，須防止滑車組扭轉(zhuǎn)；具體作業(yè)時，滑車組穿線采用中進中出，穿線完成后吊裝開始前，滑車組需兩邊配重，再用防扭鋼繩控制。

3) 格柵吊裝前，將塔頂混凝土表面鑿毛，并根據(jù)塔基中心，在塔頂混凝土表面設置縱橫向中心標志，同時確保格柵下支撐型鋼高程精準。在格柵頂面上畫出縱橫向中心線，在格柵整體吊運至塔頂就位，與塔頂標志線對齊。吊裝過程中保持2臺起吊卷揚機同步作業(yè)。格柵安裝完成后，觀測3 d，位置穩(wěn)定后，再進行混凝土澆筑。

4) 為提高功效，在格柵混凝土澆筑強度達到設計要求后，利用2臺5 t的鏈條葫蘆將下承板、安裝板、臨時安裝板、上承板連接成整體，進行整體吊裝。

5) 鞍體吊裝完成后，將兩半鞍體用高強螺栓連接，主索鞍安裝就位后，將主索鞍安裝在預偏位置上臨時固定，在主橋上部結(jié)構(gòu)安裝過程中，隨著鋼桁梁的吊裝和橋面鋪裝的完成，索鞍采用2臺800 t千斤頂逐步頂推到位。

4.4 主索鞍安裝質(zhì)量檢驗

主索鞍安裝質(zhì)量檢驗如表4所示。由表4可知，檢驗結(jié)果顯示主索鞍安裝質(zhì)量滿足要求[13]。

表4 主索鞍安裝質(zhì)量 mm

5 結(jié)論

赤水河紅軍大橋索塔高度大，主索鞍結(jié)構(gòu)件質(zhì)量大，吊裝風險高，因此，合理的吊裝方案是保證施工質(zhì)量和安全的關鍵。本次主索鞍吊裝實際設計和施工表明：

1) 門架結(jié)構(gòu)設計和使用性能滿足施工要求，其荷載試驗與仿真計算結(jié)果吻合較好。

2) 起吊系統(tǒng)中采用6輪80 t定滑車，通過Φ4鋼繩繞12線與6輪80 t動滑車形成滑車組，動力系統(tǒng)采用10 t卷揚機，能夠滿足吊裝施工需求。

3) 采用同步起吊的方式及施加抗風繩的措施很好地解決了構(gòu)件吊裝過程中高空扭轉(zhuǎn)的問題。

4) 主索鞍安裝質(zhì)量檢驗結(jié)果顯示施工質(zhì)量滿足規(guī)范要求，為大橋后續(xù)施工建立了基礎。