大跨徑橋梁纜索吊系統(tǒng)質(zhì)量控制方法研究

鄧 俊， 李相松

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司， 南京 210017)

纜索吊系統(tǒng)作為大跨徑橋梁鋼梁起吊和行走能力的起重設(shè)備，是橋梁上部構(gòu)造施工最重要的大型空中施工臨時(shí)設(shè)施。纜索吊系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)高，管理難度大，一旦發(fā)生安全事故，損失極大。因此其質(zhì)量控制備受各方關(guān)注。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)大跨徑橋梁纜索吊系統(tǒng)進(jìn)行了研究，趙春發(fā)、馬汀等[1-2]深入研究了懸索橋纜索吊系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)；黎訓(xùn)國(guó)、李偉等[3-4]介紹了千米級(jí)大噸位懸索橋纜索吊安裝施工技術(shù)；金正川、張勝利、常文等[5-7]深入剖析了大跨徑橋梁纜索吊機(jī)總體設(shè)計(jì)；徐天輝、徐元孝等[8-9]重點(diǎn)討論了大跨徑橋梁纜索吊機(jī)架設(shè)法的施工工藝；丁亞輝、田國(guó)兵等[10-11]闡述了纜索吊機(jī)施工安全風(fēng)險(xiǎn)控制措施。目前國(guó)內(nèi)部分標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[12-15]對(duì)大跨徑橋梁錨碇、索塔等主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制進(jìn)行了規(guī)定，但對(duì)纜索吊系統(tǒng)質(zhì)量控制缺乏明確規(guī)定。

綜上所述，為解決大跨徑橋梁纜索吊系統(tǒng)關(guān)鍵部位質(zhì)量控制項(xiàng)目偏少、缺失等問(wèn)題，非常有必要根據(jù)國(guó)內(nèi)大跨徑橋梁施工特點(diǎn)，對(duì)大跨徑橋梁纜索吊系統(tǒng)質(zhì)量控制方法進(jìn)行深入研究，滿足現(xiàn)代大跨徑橋梁建設(shè)質(zhì)量穩(wěn)定和施工安全保證的需要。為此，本文通過(guò)具體質(zhì)量控制方法計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，對(duì)纜索吊關(guān)鍵部位在特定施工工況條件下的受力情況和安裝位置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)和驗(yàn)證，并通過(guò)實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值進(jìn)行比較，評(píng)價(jià)纜索吊系統(tǒng)施工是否滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

1 纜索吊系統(tǒng)質(zhì)量控制

大跨徑橋梁纜索吊系統(tǒng)主要由錨固系統(tǒng)、主索、起重索、牽引索、索鞍及索鞍支架等關(guān)鍵部位組成，纜索吊系統(tǒng)質(zhì)量控制方法計(jì)算主要依據(jù)JTG D64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》、JTG/T F50—2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》、GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB/T 28756—2012《纜索起重機(jī)》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

1.1 錨固系統(tǒng)質(zhì)量控制方法

1) 預(yù)埋鋼板帶拉力計(jì)算

(1) 拉應(yīng)力

(1)

(2) 剪應(yīng)力

(2)

(3) 擠壓應(yīng)力

(3)

式中：T為單個(gè)錨固鋼板帶受力，kN；t1為鋼板帶厚度，mm；t2為銷孔加強(qiáng)板厚度，mm；D為鋼板帶寬度，mm；d為銷孔直徑，mm；[σ]為容許拉應(yīng)力，MPa；[τ]為容許剪應(yīng)力，MPa；[σbs]為容許擠壓應(yīng)力，MPa。

2) 錨固滑輪連接銷剪應(yīng)力計(jì)算

(4)

3) 錨固系統(tǒng)安裝位置

錨固系統(tǒng)安裝位置參照J(rèn)TG F80/1—2017《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》要求執(zhí)行。

1.2 主索質(zhì)量控制方法

1) 主索張力安全系數(shù)計(jì)算

(1) 主索是纜索吊系統(tǒng)中的主要承重構(gòu)件，在荷載作用下只產(chǎn)生軸向的主索張力。主索張力隨荷載的不同產(chǎn)生變化，張力和荷載之間的關(guān)系不是線性的，而是非線性的。主索張力計(jì)算核心是懸索拋物線算法，假定作用于懸索的荷載沿懸索的跨度方向分布，其受力狀態(tài)如圖1所示。

圖1 懸索拋物線算法示意

因作用在主索上的均布荷載q為常量，懸索受均布荷載作用下的平衡微分方程可寫成：

(5)

積分2次得：

(6)

根據(jù)邊界條件x=0，y=0；x=L，y=h，代入公式

有二次拋物線方程：

(7)

為了確定未知量H，給定跨中垂度f(wàn)，令x=L/2，y=h/2+f，則懸索張力水平分力為：

(8)

同理懸索張力豎直分力為：

(9)

(2) 當(dāng)處于橋梁跨中最大吊重工況時(shí)，結(jié)合懸索拋物線算法，主索張力計(jì)算公式如下。

① 水平分力

(10)

② 豎直分力

(11)

③ 最大張力

(12)

④ 張力安全系數(shù)為

(13)

式中：q為均布荷載，kN；Q為集中荷載，kN；C1、C2為積分常數(shù)；h為兩索塔高差，m；L為跨徑，m；f為主索最大垂度，m；β為主索弦傾角，(°)；[T]為容許破斷拉力，kN。

2) 主索應(yīng)力安全系數(shù)計(jì)算

在驗(yàn)算主索應(yīng)力時(shí)，需考慮主索與起重小車車輪接觸處因彎曲作用產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力及在索鞍與平滾接觸處的接觸應(yīng)力。

主索最大計(jì)算應(yīng)力σmax應(yīng)滿足：

(14)

拉應(yīng)力：

(15)

接觸應(yīng)力：

(16)

拉應(yīng)力安全系數(shù)：

(17)

接觸應(yīng)力安全系數(shù)：

(18)

式中：η1、η2為安全系數(shù)；Tmax為最大張力，kN；Qmax為最大集中荷載，kN；Ek為繩索彈性模量，MPa；S為纜索截面積，mm2；Dmin為平滾最小直徑，mm；p為繩索鋼絲直徑，mm；m為滑輪數(shù)。

3) 主索垂度計(jì)算

主索垂度：

fmax=(a+b+c)-(g+e+f)

(19)

式中：a為主索空纜矢高，m；b為主索至塔頂高，m；c為跨中吊索銷孔中心距，m；g為主索與吊鉤最小距離，m；e為吊鉤至梁面高，m。

4) 索間相對(duì)高差

索間相對(duì)高差參照J(rèn)TG/T F50—2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》要求執(zhí)行。

1.3 起重系統(tǒng)質(zhì)量控制方法

1) 起重索繞過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)端拉力計(jì)算

(1) 單側(cè)起重荷載

(20)

式中：Q1為梁段重量，kN；Q2為吊具重量，kN；Q3為起重小車下掛架重量，kN；Q4為起重索重量，kN。

(2) 起重索繞過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)端拉力

(21)

式中：λ1為起重滑輪效率，取0.98；λ2為轉(zhuǎn)向滑輪效率，取0.98；n為滑輪組上繩索工作線數(shù)；μ為轉(zhuǎn)向滑輪輪數(shù)。

2) 起重索安全系數(shù)計(jì)算

(1) 張力安全系數(shù)

鋼絲繩張力安全系數(shù)：

(22)

(2) 接觸應(yīng)力安全系數(shù)

最大接觸應(yīng)力：

(23)

接觸應(yīng)力安全系數(shù)：

(24)

1.4 牽引索質(zhì)量控制方法

1) 牽引力計(jì)算

選定最不利吊點(diǎn)計(jì)算牽引力，牽引索總的牽引力：

W=W1+W2-W3-W4

(25)

單根牽引索最大張力：

(26)

式中：W為總牽引力，kN；W1為起重小車下滑力，kN；W2為牽引索自然松弛張力，kN；W3為起重小車運(yùn)動(dòng)阻力，kN；W4為起重索運(yùn)動(dòng)阻力，kN。

2) 牽引索安全系數(shù)計(jì)算

(1) 張力安全系數(shù)

鋼絲繩張力安全系數(shù)為：

(27)

(2) 接觸應(yīng)力安全系數(shù)

最大接觸應(yīng)力：

(28)

接觸應(yīng)力安全系數(shù)為：

(29)

1.5 索鞍及索鞍支架質(zhì)量控制方法

1) 索鞍支架應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)索鞍支架結(jié)構(gòu)和應(yīng)力情況利用Midas軟件建立模型，纜索吊鋼絲繩傳遞的張力荷載及風(fēng)荷載均按節(jié)點(diǎn)荷載加載在支架頂部4個(gè)節(jié)點(diǎn)上。模型計(jì)算如圖2所示。

單位：MPa

2) 預(yù)埋件抗壓強(qiáng)度計(jì)算

預(yù)埋件抗壓強(qiáng)度：

Q=0.5fcA>Nmax

(30)

式中：fc為預(yù)埋件應(yīng)力，MPa；A為預(yù)埋件截面積，mm2；Nmax為最大豎向力，kN。

3) 索鞍及索鞍支架安裝位置

索鞍及索鞍支架安裝位置參照J(rèn)TG F80/1—2017《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》要求執(zhí)行。

2 工程應(yīng)用

云南龍江特大橋主橋?yàn)?320+1 196+320)m布置的鋼箱梁懸索橋，鋼箱梁吊裝采用了跨度上千米、吊重上百噸的纜索吊設(shè)計(jì)施工技術(shù)。本次試驗(yàn)以云南龍江特大橋?yàn)橐劳?，在特定施工工況條件和外力狀態(tài)下，分別采集2組不同時(shí)段的實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證該質(zhì)量控制方法的可行性。

2.1 錨固系統(tǒng)

在騰沖岸主索錨固回輪轉(zhuǎn)上布置測(cè)點(diǎn)，并在測(cè)點(diǎn)上安裝張力傳感器，單個(gè)錨固鋼板帶受力，由該張力傳感器采集數(shù)據(jù)并結(jié)合鋼板帶數(shù)量計(jì)算，錨固系統(tǒng)安裝位置通過(guò)高精度全站儀測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 跨中最大吊重工況下錨固系統(tǒng)質(zhì)量控制狀況

由表1可知，該工況條件下不同時(shí)段的2組應(yīng)力值偏差范圍在0.10 MPa～0.35 MPa之間，安裝位置偏差2.1 mm，表明不同時(shí)段的2組質(zhì)量控制實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠；同一工況條件下應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值偏差范圍在0.18 MPa～0.45 MPa之間，均在容許值范圍內(nèi)，表明該質(zhì)量控制方法理論計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，錨固系統(tǒng)處于安全運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 主索

在騰沖岸主索錨固回輪轉(zhuǎn)和跨中主索上布置測(cè)點(diǎn)，錨固回轉(zhuǎn)輪上安裝張力傳感器，自動(dòng)采集主索張力，主索垂度、索間相對(duì)高差通過(guò)高精度全站儀測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 跨中最大吊重工況下主索質(zhì)量控制狀況

由表2可知，該工況條件下不同時(shí)段的2組實(shí)測(cè)應(yīng)力和張力安全系數(shù)偏差范圍在0.03～0.09之間，主索垂度和索間相對(duì)高差實(shí)測(cè)值基本一致，表明不同時(shí)段的2組質(zhì)量控制數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠；同一工況條件下應(yīng)力和張力安全系數(shù)實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值偏差范圍在0.01～0.16之間，所有控制指標(biāo)均在容許值或允許偏差范圍內(nèi)，表明該質(zhì)量控制方法理論計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，主索處于安全運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 起重系統(tǒng)

在保山岸起重卷?yè)P(yáng)機(jī)上布置測(cè)點(diǎn)，并在測(cè)點(diǎn)上安裝張力傳感器，自動(dòng)采集起重索繞過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)端拉力，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 鋼箱梁吊裝工況下起重系統(tǒng)質(zhì)量控制狀況

由表3可知，該工況條件下不同時(shí)段的2組實(shí)測(cè)應(yīng)力和張力安全系數(shù)偏差范圍在0.06～0.07之間，拉力實(shí)測(cè)值基本一致，表明不同時(shí)段的2組質(zhì)量控制數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠；同一工況條件下應(yīng)力和張力安全系數(shù)實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值偏差范圍在0.03～0.08之間，所有控制指標(biāo)均在容許值或允許偏差范圍內(nèi)，表明該質(zhì)量控制方法理論計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，起重索處于安全運(yùn)行狀態(tài)。

2.4 牽引索

在保山岸牽引卷?yè)P(yáng)機(jī)上布置測(cè)點(diǎn)，并在測(cè)點(diǎn)上安裝張力傳感器，自動(dòng)采集牽引索拉力，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 鋼箱梁吊裝工況下?tīng)恳髻|(zhì)量控制狀況

由表4可知，該工況條件下不同時(shí)段的2組實(shí)測(cè)應(yīng)力和張力安全系數(shù)偏差范圍在0.04～0.09之間，牽引力實(shí)測(cè)值基本一致，表明不同時(shí)段的2組質(zhì)量控制數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠；同一工況條件下應(yīng)力和張力安全系數(shù)實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值偏差范圍在0.02～0.06之間，所有控制指標(biāo)均在容許值或允許偏差范圍內(nèi)，表明該質(zhì)量控制方法理論計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，牽引索處于安全運(yùn)行狀態(tài)。

2.5 索鞍及索鞍支架

在索鞍支架上布置測(cè)點(diǎn)，并在測(cè)點(diǎn)上安裝張力傳感器，自動(dòng)采集索鞍支架及預(yù)埋件拉力，縱向偏位和高程通過(guò)高精度全站儀測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 跨中最大吊重工況下索鞍及索鞍支架質(zhì)量控制狀況

由表5可知，該工況條件下不同時(shí)段的2組控制指標(biāo)實(shí)測(cè)值基本一致，表明不同時(shí)段的2組質(zhì)量控制數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠；同一工況條件下各項(xiàng)控制指標(biāo)實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值均在容許值或允許偏差范圍內(nèi)，表明該質(zhì)量控制方法理論計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，索鞍及索鞍支架處于安全運(yùn)行狀態(tài)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)大跨徑橋梁纜索吊系統(tǒng)質(zhì)量控制方法進(jìn)行了深入研究，得到如下主要結(jié)論：

1) 纜索吊系統(tǒng)關(guān)鍵部位采用相同施工工況條件和外力狀態(tài)下不同時(shí)段的2組質(zhì)量控制數(shù)據(jù)基本一致，該質(zhì)量控制方法理論計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定可靠。

2) 當(dāng)在特定施工工況條件和外力狀態(tài)下，各關(guān)鍵部位的應(yīng)力和張力實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值偏差范圍在0.1 MPa～0.45 MPa之間，安全系數(shù)偏差范圍在0.01～0.16之間，各項(xiàng)控制指標(biāo)均在容許值或允許偏差范圍內(nèi)，該質(zhì)量控制方法能夠有效保障施工質(zhì)量和安全。

3) 本文采用的質(zhì)量控制方法計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，已在大跨徑橋梁工程中得以應(yīng)用，并經(jīng)工程驗(yàn)證具有較高的可行性。