虎跳峽金沙江大橋復(fù)合索鞍安裝關(guān)鍵技術(shù)

代榮威,魏家旭,張崇厚,李明歡,朱小京

(1.清華大學(xué) 土木工程系，北京 100084；2.云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650000；3.中鐵大橋局集團(tuán) 第八工程有限公司，重慶 400025)

0 前言

喻成剛[1]等為吊裝潤揚(yáng)大橋索鞍設(shè)計(jì)了塔頂門架和錨碇門架吊裝系統(tǒng)。龔毅[2]結(jié)合澧水特大橋，提出把主索鞍吊裝門架和纜索支撐門架進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，方便施工，縮短了工期。王春明[3]針對清水河大橋索鞍吊裝難點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套安全可靠的索鞍吊裝系統(tǒng)。屈加林[4]結(jié)合駙馬大橋的特點(diǎn)，優(yōu)化了索鞍吊裝流程，并對吊具進(jìn)行了改進(jìn)，把雙機(jī)抬吊改為單機(jī)吊裝，取得了良好的社會效益。童俊豪[5]等對跨徑為1 688 m的虎門二橋坭洲水道橋，提出采用“橋塔承臺頂面轉(zhuǎn)放平臺移運(yùn)+塔頂門架承載+連續(xù)提升液壓千斤頂垂直起吊+重物移運(yùn)器縱移”的方式安裝主索鞍各構(gòu)件。

以上是常規(guī)的索鞍安裝方法，適用于有橋塔、且現(xiàn)場施工條件比較好的情況，采用塔頂門架和起吊系統(tǒng)結(jié)合的方法直接安裝索鞍，安裝步驟如下：①在橋塔頂部安裝門架和卷揚(yáng)機(jī)，同時(shí)將索鞍構(gòu)件移運(yùn)至索塔內(nèi)側(cè)吊裝平臺上；②試吊合格以后，依次把索鞍構(gòu)件垂直起吊；③當(dāng)索鞍構(gòu)件高于塔頂位置時(shí)，卷揚(yáng)機(jī)停止提升，并緩慢橫移至塔頂?shù)陌惭b位置；④釋放卷揚(yáng)機(jī)，將索鞍構(gòu)件緩慢下放至塔頂設(shè)計(jì)位置。常規(guī)的索鞍安裝方法同樣適用于虎跳峽金沙江大橋麗江岸主索鞍和散索鞍的安裝，然而，并不適用于陡峭且無橋塔的香格里拉岸復(fù)合索鞍的安裝，復(fù)合索鞍的安裝是根據(jù)其特殊的索鞍構(gòu)造和地形條件，采用的一種新的索鞍安裝方法。

1 工程概述

云南省虎跳峽金沙江大橋是香麗(香格里拉-麗江)高速公路全線的控制性工程之一，大橋設(shè)計(jì)行車速度80 km/h，雙向4車道。大橋全長1 017 m，主橋采用(766+160)m獨(dú)塔單跨地錨式鋼桁梁懸索橋(圖1)。該橋僅在麗江岸設(shè)置門形鋼筋混凝土橋塔(高82 m，設(shè)2道橫梁)，麗江岸采用重力式錨碇；香格里拉岸未設(shè)置橋塔，以山為塔，采用隧道式錨碇，主纜直接錨固于山脊的巖層。加勁梁采用鋼桁梁，鋼桁梁跨徑671 m，高6 m、寬26 m。全橋共設(shè)2根主纜，2根主纜間距26 m，主纜矢跨比1/10。主纜采用預(yù)制平行鋼絲索股，每根主纜包含97根索股，每根索股由127根直徑5.4mm、抗拉強(qiáng)度1 770 MPa的鍍鋅鋼絲組成。單側(cè)主纜設(shè)57根吊索(吊索間距11.5 m)，每根吊索含91根鋼絲(抗拉強(qiáng)度1 670 MPa)，且在香格里拉岸設(shè)置兩對地錨吊索。

圖1 虎跳峽金沙江大橋總體布置圖(尺寸單位：cm，標(biāo)高單位：m)

該橋的纜索系統(tǒng)由主纜、主索鞍、散索鞍、復(fù)合索鞍、吊索和索夾構(gòu)成，大橋共計(jì)6個(gè)索鞍，包括2個(gè)主索鞍、2個(gè)散索鞍和2個(gè)復(fù)合索鞍。其中，主索鞍位于麗江岸橋塔塔頂，可改變主纜的方向并對主纜起支承作用[6]；散索鞍位于麗江岸的重力式錨碇處，主要起散索作用；復(fù)合索鞍為滾軸式新型索鞍，位于在香格里拉岸的隧道錨處，同時(shí)起到主索鞍的轉(zhuǎn)索和散索鞍的散索作用[7]。

2 復(fù)合索鞍的構(gòu)造和安裝施工方案

2.1 復(fù)合索鞍的構(gòu)造

與一般索鞍不同，復(fù)合索鞍鞍體下面設(shè)置不銹鋼板-輥?zhàn)?耐磨鋼板滾動(dòng)副，在施工和運(yùn)營時(shí)，復(fù)合索鞍可以滾動(dòng)來消除索鞍兩側(cè)主纜水平方向的不平衡力。復(fù)合索鞍長5.46 m、寬3.7 m、高2.5 m，由鞍體、上承板、輥軸、下承板、聯(lián)板、框架、壓梁、擋塊、格柵、導(dǎo)向平鍵和輥軸連接軸等構(gòu)件組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。鞍體采用鑄焊組合結(jié)構(gòu)，其中，鞍槽為鑄鋼件；鞍座為組焊件。為了增加主纜和鞍槽之間的摩阻力，在鞍槽內(nèi)順橋向設(shè)置豎向散索隔板，所有主纜索股安裝完畢并調(diào)股后，在頂部用鋅塊填平[8]。鞍體下面設(shè)置26根輥軸(分為4組，編號1～7、8～13、14～19、20～26)，通過框架限制平動(dòng)的聯(lián)動(dòng)，每一組輥軸組端部設(shè)置限位榫。

圖2 復(fù)合索鞍結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)

2.2 復(fù)合索鞍的安裝方法

由于香格里拉岸無索塔，復(fù)合索鞍設(shè)計(jì)位置位于香格里拉岸的高陡斜坡之上，且施工道路陡峭、崎嶇，不具備運(yùn)輸復(fù)合索鞍的條件，故復(fù)合索鞍不能直接從香格里拉岸安裝。麗江岸斜坡相對較緩，有著良好的施工平臺，經(jīng)過研究論證，本橋采用一種新的索鞍安裝方法，即“纜索吊機(jī)跨江吊運(yùn)+拽拉到滑移支架+橫向頂推+門架提升、滑移+調(diào)整就位”：先把復(fù)合索鞍構(gòu)件運(yùn)輸?shù)绞┕l件較好的麗江岸吊裝平臺上，利用纜索吊機(jī)依次將復(fù)合索鞍構(gòu)件從麗江岸跨江吊運(yùn)至香格里拉岸，再結(jié)合滑移支架頂推系統(tǒng)和門架起吊系統(tǒng)完成復(fù)合索鞍的精確安裝。

復(fù)合索鞍的具體安裝步驟如下：

a.準(zhǔn)備吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)裝置。進(jìn)行纜索吊機(jī)、門架及滑移支架等吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的安裝和試驗(yàn)，現(xiàn)場檢查驗(yàn)收復(fù)合索鞍構(gòu)件。

b.跨江吊運(yùn)復(fù)合索鞍構(gòu)件。將復(fù)合索鞍構(gòu)件運(yùn)輸至麗江岸橋塔內(nèi)側(cè)吊裝平臺上，利用纜索吊機(jī)分別將復(fù)合索鞍構(gòu)件垂直起吊，上升至一定高度后，跨江吊運(yùn)至香格里拉岸支墩前10 m左右。

c.拽拉復(fù)合索鞍構(gòu)件。纜索吊機(jī)跨江吊運(yùn)復(fù)合索鞍構(gòu)件后，利用拽拉方法把纜索吊機(jī)上的復(fù)合索鞍構(gòu)件依次拽拉到滑移支架上。

d.頂推復(fù)合索鞍構(gòu)件。由于拽拉后的復(fù)合索鞍構(gòu)件和門架中心線有一定的偏移距離，通過滑移平臺側(cè)方的卷揚(yáng)機(jī)反拉，將復(fù)合索鞍構(gòu)件橫向頂推至門架正下方。

e.提升、滑移復(fù)合索鞍構(gòu)件。利用門架的千斤頂將復(fù)合索鞍構(gòu)件提升、滑移至設(shè)計(jì)位置，并用倒鏈進(jìn)行微調(diào)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)位置。

復(fù)合索鞍構(gòu)件拽拉至滑移支架時(shí)的立面圖和側(cè)面圖如圖3和圖4所示。

圖3 復(fù)合索鞍安裝立面圖(橫橋向)

圖4 復(fù)合索鞍安裝側(cè)面圖(順橋向)

復(fù)合索鞍整個(gè)安裝過程分為安裝設(shè)備裝置準(zhǔn)備和復(fù)合索鞍構(gòu)件安裝兩個(gè)階段，具體的安裝流程為：纜索吊機(jī)設(shè)計(jì)和校核→門架的設(shè)計(jì)和校核→滑移支架的設(shè)計(jì)→格柵安裝→下承板安裝→滾輪組件安裝→上承板安裝→鞍體安裝。

3 復(fù)合索鞍安裝設(shè)備裝置準(zhǔn)備

3.1 纜索吊機(jī)設(shè)計(jì)和校核

纜索吊機(jī)(圖5)分上下游兩組，每組最大額定吊重65 t，主要用于鋼桁架節(jié)段的吊裝和復(fù)合索鞍構(gòu)件的跨江吊運(yùn)。纜索吊機(jī)主要由纜索、塔架、索鞍、跑車、電機(jī)設(shè)備以及錨固系統(tǒng)組成[9]。其中，纜索包括主索、牽引索和起重索，各2組，主索選用6Φ56 mm麻芯鋼絲繩(公稱強(qiáng)度1 870 MPa，破斷力1 940 kN)，每組主索各設(shè)1臺跑車，雙向牽引；牽引索選用Φ28 mm麻芯鋼絲繩；起重索選用Φ30 mm麻芯鋼絲繩。電機(jī)設(shè)備包括卷揚(yáng)機(jī)和控制柜，設(shè)置15 t雙向牽引索卷揚(yáng)機(jī)2臺，15 t起重卷揚(yáng)機(jī)2臺，5 t收緊卷揚(yáng)機(jī)2臺，均布置在麗江岸的散索鞍支墩基礎(chǔ)上。

圖5 纜索吊機(jī)跨江吊運(yùn)

復(fù)合索鞍組件依次通過峽谷，所以要同時(shí)考慮復(fù)合索鞍構(gòu)件的自重和風(fēng)荷載來校核纜索吊機(jī)承載力。復(fù)合索鞍構(gòu)件自重引起纜索吊機(jī)主索的最大豎向力為540 kN；橋位處設(shè)計(jì)基本風(fēng)速為28 m/s，只考慮等效靜陣風(fēng)荷載，根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]，有以下計(jì)算方法：

Ug=GvUd

式中：Fg為構(gòu)件的風(fēng)荷載,N/m；ρ為空氣密度,kg/m3；Ug為構(gòu)件等效靜陣風(fēng)風(fēng)速,m/s；CD為構(gòu)件的阻力系數(shù)；An為構(gòu)件順風(fēng)向的投影面積,m2；Gv為等效靜陣風(fēng)系數(shù)；Ud為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速,m/s。

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，上述參數(shù)取值為：ρ=1.25 kg/m3,CD=2,Gv=1.56,Ud=28 m/s,An最大取值為12 m2。計(jì)算得，F(xiàn)g為29 kN，即風(fēng)荷載引起纜索吊機(jī)主索的最大橫向力為29 kN，遠(yuǎn)小于自重產(chǎn)生的豎向力，因此，復(fù)合索鞍構(gòu)件跨江吊運(yùn)時(shí)滿足纜索吊機(jī)的承載力要求。

3.2 門架的設(shè)計(jì)和校核

利用門架將復(fù)合索鞍構(gòu)件提升、滑移至設(shè)計(jì)位置?？紤]到施工的經(jīng)濟(jì)性和便利性，門架取用桁架式結(jié)構(gòu)[11]，采用Q235B鋼材，并與支墩頂部的預(yù)埋件連接固定。門架頂長14.1 m、寬5.37 m、高4.4 m，伸入隧道錨前錨室一部分。復(fù)合索鞍門架布置如圖6所示。門架上的提升系統(tǒng)采用4臺50 t的連續(xù)液壓千斤頂，對稱分布于門架頂?shù)牡趿荷稀Ｔ陂T架兩側(cè)布置2臺10 t的卷揚(yáng)機(jī)，為復(fù)合索鞍的滑移和頂推提供動(dòng)力。

圖6 復(fù)合索鞍門架布置圖(單位：mm)

復(fù)合索鞍門架設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)施工順序，考慮復(fù)合索鞍安裝、貓道和主纜架設(shè)兩個(gè)施工階段門架的支承作用，主要考慮兩個(gè)工況：工況1，門架自重+索鞍自重+卷揚(yáng)機(jī)自重+卷揚(yáng)機(jī)牽引力；工況2，門架自重+貓道門架支承索索力+牽引索索力+卷揚(yáng)機(jī)自重+索股橫移力。采用Midas有限元軟件對門架進(jìn)行計(jì)算分析[12]，在最不利工況下，門架應(yīng)力如圖7所示，最大拉應(yīng)力為37.2 MPa，最大壓應(yīng)力為60.7 MPa，門架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均滿足要求。

圖7 最不利荷載作用下門架應(yīng)力圖(單位：MPa)

在復(fù)合索鞍安裝前對門架試吊，進(jìn)行了空載試驗(yàn)，取額定吊裝重量的10%，做3次完整的起吊、滑移、下放等工作，各機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)顫抖、沖擊等現(xiàn)象；進(jìn)行額定荷載試驗(yàn)，按額定荷載將吊物提升0.5 m停止，門架沒有發(fā)生變形，各焊點(diǎn)和焊縫均無異常；進(jìn)行超載試驗(yàn)，取復(fù)合索鞍重量的1.2倍進(jìn)行試驗(yàn)，緩慢吊起吊物脫離地面30 cm后，停留約1 h，各構(gòu)件正常運(yùn)行，在離地面1～3 m范圍內(nèi)起降兩次檢驗(yàn)卷揚(yáng)機(jī)性能，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)永久變形、可見裂紋、油漆脫落以及連接損壞、松動(dòng)等現(xiàn)象，試吊結(jié)果符合要求。

3.3 滑移支架的設(shè)計(jì)

由于纜索吊機(jī)中心線和門架中心線有一定的偏移距離，拽拉到滑移支架的復(fù)合索鞍構(gòu)件并不在門架的正下方，需要通過滑移平臺利用頂推方法將復(fù)合索鞍構(gòu)件頂推至門架正下方?；破脚_采用Q235B鋼材，長9 m、寬2.44 m、高3.62 m，頂推平臺上設(shè)置轉(zhuǎn)向滾輪，并與卷揚(yáng)機(jī)相連，組成滑移平臺的頂推系統(tǒng)，滑移平臺底部與支墩基礎(chǔ)預(yù)埋件相連，滑移平臺布置如圖8所示。

圖8 滑移支架立面圖和側(cè)面圖(單位：mm)

4 復(fù)合索鞍安裝施工技術(shù)

4.1 格柵安裝

格柵安裝在復(fù)合索鞍支墩上，在澆筑支墩混凝土前，預(yù)留出安裝格柵的槽口，并預(yù)埋鋼筋。格柵吊裝前將混凝土表面打毛，在支墩的中心設(shè)置縱、橫向中心標(biāo)志[5]。

利用纜索吊機(jī)垂直起吊位于麗江岸索塔內(nèi)側(cè)的格柵，格柵吊裝采用4點(diǎn)起吊，每個(gè)吊點(diǎn)各采用2根吊索，且吊索與水平方向的夾角為70°；緩慢進(jìn)行格柵跨江吊運(yùn)，格柵吊運(yùn)至香格里拉岸后，拽拉格柵至滑移支架上，利用頂推系統(tǒng)把格柵頂推至門架的正下方；利用門架提升格柵，高于支墩的高度后，停止卷揚(yáng)機(jī)提升，釋放前端倒鏈，收拉后端倒鏈，緩慢將格柵橫移至支墩頂?shù)陌惭b位置。格柵安放到支墩頂預(yù)留槽內(nèi)后，千斤頂繼續(xù)提供一部分的拉力，以便于格柵的微調(diào)整。格柵安裝平整、滿足規(guī)范后，將小鋼塊墊在格柵底部脫空的位置，使其頂面高差小于0.5 mm/全平面，并與預(yù)埋鋼筋焊接[13]，在格柵頂面畫出縱、橫向的中心線。

4.2 下承板、滾輪組件和上承板安裝

格柵安裝后，依次吊裝下承板、滾輪組件和上承板。

a.下承板安裝。下承板的襯板較薄，面外剛度較小。襯板在工廠內(nèi)通過M20×60 mm栓釘安裝在承板上，然后進(jìn)行整體運(yùn)輸。將下承板吊裝至格柵上后(下承板的吊裝過程和要求與格柵相同)，與格柵上的Φ50 mm銷孔對齊，并安裝Φ50 mm×220 mm的銷軸。

b.滾輪組件安裝。輥軸、框架和聯(lián)板在工廠組裝后整體運(yùn)輸和吊裝。滾輪組件采用專用吊具吊裝，吊具尺寸和滾輪組件框架尺寸相同。在滾輪組件框架上焊接吊耳，吊具采用4點(diǎn)起吊，每個(gè)吊點(diǎn)采用2根吊索，且吊索與水平方向的夾角為70°。經(jīng)過跨江吊運(yùn)、滑移頂推和門架提升等過程，將滾輪組件下放至下承板頂端指定位置，輥軸上的限位榫與下承板的限位孔對齊，完成滾輪組件的安裝。

c.上承板安裝。上承板安裝前，先安裝襯板和導(dǎo)向平鍵，兩者通過M20×60 mm螺釘連接。上承板安裝時(shí)將導(dǎo)向平鍵與輥軸上的導(dǎo)向槽口對齊，并使上承板的限位孔與輥軸上的限位榫對齊。

4.3 鞍體的安裝

復(fù)合索鞍鞍體分為兩部分安裝，先吊裝錨跨側(cè)鞍體，再吊裝中跨側(cè)鞍體。鞍體采用4點(diǎn)起吊，鞍體兩側(cè)設(shè)置吊耳，每個(gè)吊點(diǎn)采用2根吊索，吊索和水平面的夾角為80°。復(fù)合索鞍鞍體的安裝如圖9所示。鞍體提升至支墩頂指定的安裝位置后，采用千斤頂緩慢下放；在距離上承板頂端距離10 cm處停止下放，調(diào)整鞍體角度，使其與上承板的定位銷對齊。兩部分鞍體安裝就位后，通過高強(qiáng)螺栓使之連接為一個(gè)整體[14]，并與上承板帶動(dòng)輥軸向香格里拉岸錨跨側(cè)完成83.3 mm的預(yù)偏。

圖9 復(fù)合索鞍鞍體的安裝

5 結(jié)語

虎跳峽金沙江大橋采用新型滾軸式復(fù)合索鞍，復(fù)合索鞍同時(shí)起到轉(zhuǎn)索和散索作用。香格里拉岸無橋塔的設(shè)置，且施工條件較差，復(fù)合索鞍無法直接運(yùn)輸，不能采用常規(guī)的索鞍安裝方法。因此，香格里拉岸的復(fù)合索鞍安裝是依托麗江岸的吊裝平臺，結(jié)合纜索吊機(jī)跨江吊運(yùn)、滑移支架頂推和門架系統(tǒng)起吊共同完成的。復(fù)合索鞍各構(gòu)件采用“纜索吊機(jī)跨江吊運(yùn)+拽拉到滑移支架+橫向頂推+門架提升、滑移+調(diào)整就位”的方式進(jìn)行安裝，依次完成了格柵、下承板、滾輪組件、上承板和鞍體的安裝工作。最終，兩套復(fù)合索鞍的軸線偏位和高差均在±2 mm范圍內(nèi)，符合規(guī)范要求。這種索鞍安裝方法，克服了山區(qū)高陡斜坡、環(huán)境差等施工難題，為山區(qū)同類無橋塔懸索橋索鞍的安裝提供參考。