山區(qū)大跨徑鋼管拱橋π梁纜索吊裝施工技術(shù)研究

曹 永 （安徽省路港工程有限責任公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

隨著大跨徑橋梁在我國大量興起，纜索吊廣泛應用到橋梁施工的吊裝中。傳統(tǒng)架橋機架設法，采用從鋼管拱橋兩端位置向跨中的順序進行架設π梁，使得線形不易控制，對主體線形影響較大，因架橋機吊重限制，施工難度極大且效率極低，同樣不能滿足工程建設需要。本文介紹一種在山區(qū)復雜地形環(huán)境下，極具市場廣闊前景的大跨度纜索吊，進行吊裝山區(qū)大跨徑超高、大傾斜度、跨湖鋼管拱橋π梁測控一體化的施工方法。采用本工法安裝，有效克服了山區(qū)施工現(xiàn)場場地狹窄，路網(wǎng)等級較低，材料及構(gòu)配件運輸?shù)跹b難度大等難題，極大地節(jié)約了項目施工成本。

2 工程概況

北川羌族自治縣曲山鎮(zhèn)樓房坪村橋新建工程（樓房坪溜索改橋），其唐家山堰塞湖跨湖特大橋主橋采用上承式鋼管混凝土拱橋形式，凈跨徑160m，凈矢跨比1/5，凈矢高32m，拱軸系數(shù)為1.8。4根弦管組成一片拱肋，上下弦管高3.2m，左右弦管外邊緣距離為2m。兩片拱肋中心距6.25m，邊到邊距離為8.25m，兩條拱肋設橫撐共同受力。拱上建筑為14m×12.25m鋼筋混凝土π型梁橋。

本工程采用固定塔架纜索吊系統(tǒng)作為安裝π梁的起重設備，設備投入少，操作方便，克服了采用傳統(tǒng)起重設備安裝費工、費時等難題。減少了現(xiàn)場的吊裝作業(yè)量和高空作業(yè)，減少了高空作業(yè)安全風險，加快了施工進度，工作效率高、經(jīng)濟效益、安全效益、社會效益顯著。纜索吊安裝的π梁是在工廠集中預制，運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，再用纜索吊起吊、運輸、安裝就位，整個結(jié)構(gòu)安裝過程易于保證安裝安全，確保工程質(zhì)量，加快施工進度，節(jié)約成本。采用本工法安裝，有效克服了山區(qū)施工現(xiàn)場場地狹窄，材料及構(gòu)配件運輸?shù)跹b難度大等難題。本工法采用的纜索吊系統(tǒng)不僅僅能用于π梁的安裝，還能用于鋼管拱橋其它分部、分項工程的施工，極大地節(jié)約了項目施工成本。

3 山區(qū)大跨徑超高大傾斜度鋼管拱橋π梁纜索吊裝測控一體化施工工藝

3.1 施工工藝流程

起吊重物通過承重索把巨大拉力傳遞地錨結(jié)構(gòu)，地錨結(jié)構(gòu)作為最主要的承載結(jié)構(gòu)，是纜索吊系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。預應力錨索＋錨墻結(jié)構(gòu)地錨充分利用錨索與其周圍巖體的共同作用，錨固承重索。本工法π梁主要由纜索吊系統(tǒng)完成起吊、運輸、架梁。

MIDAS軟件建模分析→纜索吊設計與施工→纜索吊機驗收與試吊→測量放樣定位→安裝永久支座→纜索吊系統(tǒng)吊裝π梁安裝方案→監(jiān)控量測及驗收→橫向鋼筋焊接。

圖1 π梁纜索吊裝示意圖

3.2 施工要點

3.2.1 MIDAS軟件建模仿真分析

吊裝π梁前期對全橋安裝施工過程進行準確合理的數(shù)值模擬分析，在ANSYS軟件和MIDAS軟件中建模，對π梁吊裝施工過程進行仿真分析，鋼絲索采用索單元模擬。得出安裝時拱肋橫截面應力以及拱肋的變形和主橋線型，從而為π梁吊裝及監(jiān)控量測提供相關(guān)參數(shù)，以指導其π梁安裝和監(jiān)控量測。

主吊裝系統(tǒng)主跨徑313.7m，北岸后錨端跨徑為45.5m，與水平線夾角9.85°。南岸后錨端跨徑：45m、與水平線夾角19.5°，纜載吊機最大使用荷載50t，全橋設置兩套主索吊裝系統(tǒng)。

3.2.2 纜索吊設計與施工

π梁吊裝系統(tǒng)由纜索起吊安裝系統(tǒng)（索塔、主地錨、主索等）、扣索系統(tǒng)和穩(wěn)定措施系統(tǒng)組成。

纜索吊裝系統(tǒng)根據(jù)全橋吊裝需要設計，分為上、下游兩套纜載吊機，單側(cè)吊機分為前后兩個吊點，全橋合計四個吊點，可以單獨使用，也可以組合使用以滿足π梁吊裝需要。

單側(cè)纜載吊機前后吊點滿足π梁節(jié)段安裝吊重的需要，設計吊重41t。工作吊籃上、下游各設置一個，設計吊重5t。

①索塔設計與施工

索塔塔頂標高，主要滿足拱肋安裝及橋面π梁吊裝需要。

拱頂標高：h1=749.166m

拱上建筑：h2=0（主拱安裝不考慮此影響）

捆綁索高度：h3=2.5m下吊具高度：h4=1.5m

上下吊具間安全高度：h5=3m

上跑車高度：h6=2m

主索垂度：f=26.14m

塔頂最低標高：h=h1+h2+h3+h4+h5+f=784.306（m）

根據(jù)兩岸地形，南岸塔頂標高：792.706，北岸塔頂標高：788.131m。

索塔塔柱按9m一個標準節(jié)在工廠加工，接頭采用螺栓連接。采用汽車運輸至施工現(xiàn)場，利用75t履帶吊現(xiàn)場安裝。

圖2 全寬布置纜索吊系統(tǒng)

②纜索系統(tǒng)設計及施工

主索系統(tǒng)主跨為313.7m，全橋共設計兩套主索系統(tǒng)（對應上、下游拱肋各一套），每套吊裝系統(tǒng)主索由4-φ52mm（抗拉強度為1870MPa）的鋼芯鋼絲繩組成。

圖3 主索布置示意圖

為保證單組的4根主索受力均衡，兩岸各設置調(diào)平滑車，再將四根主索用索卡連接成一根通繩。

圖4 起重索走線示意圖

圖5 索引索走線示意圖

圖6 纜索吊起重系統(tǒng)

起吊系統(tǒng)每組主索上布置2組吊點，每組吊點采用φ24.0mm（抗拉強度為1670MPa）的鋼絲繩走10線，每組吊點用1臺80kN）卷揚機作為動力機械。拱肋安裝時，采用前后兩個吊點抬吊；橋面梁安裝時，采用上下游合計4個吊點抬吊。

牽引系統(tǒng)每組主索上的兩組吊點分別在兩岸各用1臺80kN的卷揚機作為牽引動力機械，每組牽引索用3φ28mm鋼絲繩走3線（抗拉強度為1770MPa）。牽引索布置如圖5所示。

③錨錠設計及施工

a.根據(jù)地理情況，采用預應力錨索+混凝土錨墻地錨結(jié)構(gòu)，其基本構(gòu)造如圖7。

圖7 主索地錨構(gòu)造圖

b.主索轉(zhuǎn)向滑輪組與錨錠連接，采用大一規(guī)格的鋼索連接。

c.錨碇受力分析：

該錨碇采用預應力錨索將錨梁錨固，錨梁采用3I45B工字鋼組合鋼箱，壓梁采用2I45B型工字鋼組合鋼箱。

結(jié)構(gòu)分析采用MIDAS建模分析，主要分析錨梁結(jié)構(gòu)受力，各預應力錨點采用約束位移方法模擬。在實際施工中根據(jù)錨固點最大反力對錨索進行預張拉。

錨梁與壓梁之間的連接，采用彈性連接——剛接模式。主索、后風纜、后抗風索等均錨固在主地錨錨梁上，按受力分布均衡的原則布置。整個錨固系統(tǒng)的受力分析，主要考慮各工況作用下預應力錨索、錨梁及壓梁的受力。

圖8 地錨索體分布圖

3.2.3 纜索系統(tǒng)調(diào)試及試吊試驗

目的保證吊裝施工的絕對安全及必要的穩(wěn)定性能，確保后續(xù)施工的順利進行。試吊主要觀測項目及方法如下。

①主索垂度：采用三角測量法用全站儀量取垂度或從兩岸主塔架上測定主索垂度，用于核對設計凈空高度及主索強度、安全系數(shù)。

②主地錨位移：由于主地錨采用樁式地龍，直接測位移較困難，因此采取在主索錨固端附近作標記，與地面上固定的標記作比較推算。同時派專人巡視地錨周圍的土體情況及主索卡扣等有無滑動情況。

③牽引索、起重索、跑車、下掛、滑車、卷揚機等主要由經(jīng)驗豐富的吊裝工程師，現(xiàn)場觀察整個纜索系統(tǒng)的運行情況，由其判斷各纜索系統(tǒng)的運行是否正常。試吊觀測結(jié)果要填寫好記錄表，并認真檢查；同時各觀測小組在整個試吊過程中，隨時用對講機與復制發(fā)送到手機翻譯情況及時采取補救措施，試吊成功后方能正式吊裝。

3.2.4 π梁安裝方案

基于現(xiàn)場作業(yè)條件，采用主橋的纜索吊裝系統(tǒng)進行π梁吊裝，考慮構(gòu)件最大重量1.2倍安全系數(shù)，采用上下游纜索系統(tǒng)抬吊安裝。π梁通過跑車運至施工現(xiàn)場，按順序進行安裝。

圖9 纜索安裝布置圖

圖10 扁擔梁

π梁的安裝（共14孔）：

①順橋向先跨中后邊跨進行吊裝。

②橫橋向先中板后邊板。

為盡量減少π梁安裝對主拱圈線形的影響，具體吊裝順序如下。

第一步：首先吊裝拱上第7孔中板，第8孔中板，然后依次吊裝第6孔和第9孔中板；

圖11 橋孔編號

圖12 鋼管拱橋π梁安裝完畢

第二步：然后吊裝第5孔和第10孔中板；

第三步：按照第二步吊裝順序依次完成后續(xù)幾孔中板的安裝；

第四步：按照第一步～第三步的吊裝順序，橫橋向左右對稱，依次完成每孔邊板的安裝。

3.2.5 施工工程監(jiān)控

本項目施工控制的側(cè)重點在π梁安裝各控制節(jié)段。

GPS-RTK技術(shù)用于特大橋控制測量，其作業(yè)效率高，降低了作業(yè)條件要求，可全天候作業(yè)，定位精度高，沒有誤差累計，操作比較簡便，有極強的數(shù)據(jù)處理能力，自動化、集成化程度高，可快速測設出拱橋橋肋頂部中線上各坐標點位置。

首先施工監(jiān)控各個小組進行應變和坐標等初讀數(shù)的采集工作，待一切準備工作完成后，采用事先已經(jīng)安裝完畢的纜索吊裝系統(tǒng)進行試吊裝，試吊裝過程分成兩個步驟。①跑車空載往返運轉(zhuǎn)試驗；②進行吊重試驗，施工監(jiān)測監(jiān)控小組在試吊裝的第二步時，才需要進行各測點監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集。

在后方側(cè)起吊位置處吊起放在吊架上的π梁，在主索的正下方使得重物離開地面lm～2m，持荷約5min后，施工監(jiān)測各個小組在30min內(nèi)對各測點進行觀測并讀數(shù)，詳細記錄觀測值并與理論值比較。

由總開機手牽引卷揚機牽引跑車將重物吊至纜索吊跨中位置，停止5min后，施工監(jiān)測各個小組在30min內(nèi)，對各測點進行觀測并讀數(shù)，詳細記錄觀測值并與理論值比較。

由總開機手牽引卷揚機牽引跑車將重物吊至三方側(cè)拱座基礎(chǔ)上方位置，停止5min后，施工監(jiān)測各個小組在30min內(nèi)，對各測點進行觀測并讀數(shù)，詳細記錄觀測值并與理論值比較。

將試驗吊重吊返至三方側(cè)并卸載5min后，施工監(jiān)測各個小組在30min內(nèi)對各測點進行觀測并讀數(shù)，詳細記錄觀測值并與理論值比較。

分別在兩岸索塔頂上設置測點，以監(jiān)測其3個方向的位移（主要是沿橋縱向的水平位移）。觀測時間一般設定在氣溫恒定的時間段內(nèi)，根據(jù)當天的天氣狀況確定監(jiān)控測量時間。測量控制在π梁安裝各控制節(jié)段。每次對線型監(jiān)控量測后，進行技術(shù)分析修正。

圖13 π梁安裝節(jié)段纜索吊系統(tǒng)監(jiān)控量測

圖14 π梁安裝節(jié)段時拱肋監(jiān)控量測控制點布設

現(xiàn)場實際施工控制過程中結(jié)合理論分析及施工工序情況作優(yōu)化調(diào)整，以確保全橋在成橋階段符合設計線型，滿足計算的拱軸系數(shù)的大小。

4 關(guān)鍵技術(shù)的質(zhì)量控制

4.1 質(zhì)量標準

嚴格執(zhí)行《公路工程技術(shù)標準》（JTG B01-2014）、《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T F50-2011）、《鋼筋機械連接技術(shù)規(guī)范》（JGJ 107-2016）、《鋼筋焊接及驗收規(guī)范》（JGJ 18-2012）、《混凝土后錨固技術(shù)規(guī)程》（JGJ 145-2013）、《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB 50204-2015）、《公路工程質(zhì)量檢驗評定標準》第一冊土建工程（JTG F80/1-2017）等相關(guān)技術(shù)規(guī)范和設計的要求。

4.2 主拱圈線形監(jiān)控測量的要求

主橋線形監(jiān)控量測在π梁吊裝過程中全過程監(jiān)控。

前期設計中采用中墩無支架纜索吊裝施工方法施工時，塔架以橋梁全寬布置，起重小車可以在全跨徑范圍內(nèi)無障礙快速移動，既可以垂直起吊又可以縱向移動。吊裝π梁時在前期對施工過程進行準確合理的數(shù)值模擬分析，在ANSYS軟件和MIDAS軟件中建模，對π梁吊裝施工過程進行仿真分析，得出安裝時拱肋橫截面應力以及拱肋的變形和主橋的線型，從而為π梁吊裝提供相關(guān)參數(shù)和監(jiān)控測量依據(jù)。確保了橋梁主體線型滿足設計要求，提高了吊裝的效率。

本工法采用固定塔架纜索吊系統(tǒng)作為安裝鋼管拱橋π梁的起重設備，從鋼管拱橋中跨π梁對稱向兩邊施工，大大減少了監(jiān)控量測的工作量。

4.3 承重繩的熱鑄錨頭現(xiàn)場澆筑質(zhì)量控制

錨頭澆筑完畢后全部按國標進行頂壓試驗，頂壓荷載為1.25倍設計荷載，頂壓后索體最大外移量必須符合國標中要求小于5mm的指標。

5 結(jié)語

通過對山區(qū)復雜地形大跨徑鋼管拱橋π梁纜索吊裝施工技術(shù)的應用研究，為今后類似的山區(qū)跨越江河、湖海等地形復雜工程施工積累了寶貴的經(jīng)驗，并得出以下結(jié)論：

①仿真分析的應用為π梁吊裝提供相關(guān)參數(shù)和監(jiān)控量測依據(jù)，確保了橋梁主體線型滿足設計要求，提高了吊裝的效率；

②本工法克服了采用傳統(tǒng)起重設備安裝費工費時等難題，有效克服了山區(qū)施工現(xiàn)場場地狹窄，材料及構(gòu)配件運輸?shù)跹b難度大等難題，減少了監(jiān)控量測的工作量，大大降低了高空作業(yè)安全風險；

③提高粗徑鋼絲繩的重復使用率，減少一次性投入；設備投入少，操作方便，工作效率高，經(jīng)濟效益、安全效益、社會效益顯著。