大跨度鋼箱拱橋纜索吊系統(tǒng)設(shè)計與施工研究

潘興良

中鐵七局集團有限公司 河南 鄭州 450006

1 引言

鋼箱拱橋具有造型美觀、結(jié)構(gòu)簡潔、受力性能良好、安全可靠等優(yōu)點[1-2]，近年來在我國橋梁領(lǐng)域快速發(fā)展。在鋼箱拱橋的施工中，拱肋架設(shè)是風(fēng)險最高、難度最大的關(guān)鍵工序，傳統(tǒng)拱肋架設(shè)方法有整體提升法、纜索吊機法、轉(zhuǎn)體施工法、支架法等[3-4]，其中，纜索吊因其效率高、適應(yīng)性廣、跨越能力強及對環(huán)境影響小等優(yōu)點，在大跨徑拱橋施工中應(yīng)用最為廣泛。據(jù)統(tǒng)計，我國已建及在建拱橋中約有60%采用纜索吊裝法施工[5]。

纜索吊系統(tǒng)安全性是保障拱肋架設(shè)順利實施的關(guān)鍵，目前針對纜索吊系統(tǒng)設(shè)計與施工受力分析的研究已較為全面。黎卓勤等[6]設(shè)計了主扣合一的獨立式鋼管塔架，并通過實例論證了其可行性。劉巍等[7]設(shè)計采用雙向纜索吊裝系統(tǒng)，實現(xiàn)了寬幅拱橋的無死角吊裝拼接。郭常瑞等[8]充分考慮承重索的滑移，建立了靜力平衡方程和迭代計算方程，更為準(zhǔn)確地計算了纜索吊跨中起吊高度。施洲等[9]考慮了主索滑移及塔架偏位，通過有限元模型分析了纜索施工支架非線性受力特征。孫九春等[10]利用有限元軟件建立仿真模型，分析了纜-拱-索-塔在整個施工過程中的力學(xué)特性，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了有效參考。

現(xiàn)有研究中的纜索吊系統(tǒng)大多采用對稱布置形式，且索塔為主塔、扣塔分離結(jié)構(gòu)，各體系均具有良好的獨立工作條件，而少有研究關(guān)注到主扣塔合一的復(fù)雜受力特點。本文以新灘溪特大橋為背景，依據(jù)大橋所處地形、地貌、地質(zhì)條件，設(shè)計單索塔不對稱式纜索吊系統(tǒng)和主扣塔一體化索塔，并基于上述研究對纜索吊裝系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性進行計算分析，為纜索吊系統(tǒng)布設(shè)和鋼箱拱橋拱肋架設(shè)提供了先決條件。

2 工程概況

2.1 工程簡介

新灘溪特大橋位于水富至綏江二級公路新灘溪道路修復(fù)工程段，是為跨越新灘溪淹沒區(qū)而設(shè)的重要控制性工程。大橋設(shè)計采用中承式鋼箱拱橋，橋面全長179.45 m，寬10 m，矢高37.778 m，矢跨比1/4.5，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)1.37。全橋拱肋計算跨徑170 m，采用等截面鋼箱型截面，寬度2.0 m，高度3.0 m（內(nèi)輪廓），全橋拱肋設(shè)五道I型風(fēng)撐，兩片拱肋通過5道一字型風(fēng)撐連為一體，大橋總體布置如圖1所示。

圖1 大橋總體布置圖

2.2 工程難點

新灘溪特大橋所處區(qū)屬河流侵蝕堆積地貌，地勢起伏較大，地質(zhì)復(fù)雜，上覆第四系覆蓋層厚度變化大，下伏巖體為灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖，受地質(zhì)構(gòu)造影響，其風(fēng)化差異明顯，造成巖體破碎、巖層軟硬不均，施工場地狹小，索塔布置困難。橋梁跨越向家壩水庫區(qū)溝谷段，在蓄水期溝谷水位較高，給纜索吊施工與拱肋架設(shè)帶來了極大的不便。

3 纜索吊方案設(shè)計

3.1 總體設(shè)計

根據(jù)詳細(xì)的地質(zhì)勘查報告發(fā)現(xiàn)，新灘溪特大橋水富岸橋臺一側(cè)地形較平緩，而綏江岸橋臺一側(cè)自然坡度陡。為充分利用地形地貌條件，大橋拱肋架設(shè)采用單索塔不對稱式布置的無支架纜索吊系統(tǒng)，在水富岸一側(cè)布置主扣塔一體化索塔，綏江岸則利用山體的巖錨技術(shù)將地錨設(shè)置在隧道洞頂?shù)纳襟w上。纜索吊裝系統(tǒng)總體布置如圖2所示。

圖2 纜索吊裝系統(tǒng)總體布置

3.2 纜索吊系統(tǒng)組成

新灘溪特大橋纜索吊系統(tǒng)由主索、工作索、索塔及錨固體系等部分組成，具體內(nèi)容如下：

（1）主索。全橋設(shè)計兩組主索，布置于拱肋正上方，主索設(shè)計跨徑為120 m+260 m，橫向間距12.6 m，纜索在施工中的最大荷載垂度為18.7 m，垂跨比為1/14，最大吊重300kN。

（2）工作索。工作索主要包含起重索、牽引索、纜風(fēng)索、扣索等部分。起重索與牽引索布置在兩拱肋上方靠內(nèi)側(cè)位置，以保證工作吊籃能夠上下起吊；纜風(fēng)索分別布置于索塔高度26 m處、38 m處和索塔頂，通過上下三層纜風(fēng)繩有效控制塔架位移和拱肋偏位，提高索塔穩(wěn)定性；扣索設(shè)計采用破斷強度為1860MPa的高強低松弛鋼絞線，由于大橋每半跨拱肋分為10個吊裝節(jié)段，故設(shè)計采用交替布置的5組臨時扣索和5組永久扣索來避免扣索間產(chǎn)生相互干擾，以保障結(jié)構(gòu)安全。其中，臨時扣索可循環(huán)使用，采用4根鋼絞線張拉設(shè)置，永久扣索則根據(jù)設(shè)計方案采用不同根數(shù)的鋼絞線張拉設(shè)置。

（3）索塔。通過實地考察地形地貌，設(shè)計僅在水富岸一側(cè)設(shè)置主扣塔一體化索塔，以解決施工場地狹小的問題，并通過設(shè)置鉸支座消除主扣塔高差與塔架偏位對纜索吊系統(tǒng)安全性的影響。索塔設(shè)計高為64.04 m，主塔架采用Q345鋼管作為主承重結(jié)構(gòu)，其中每半幅塔采用4根間距為3m×3m的立柱矩形布置，且立柱間采用鋼管桿件進行水平與交叉斜撐布置，以構(gòu)成格構(gòu)體系，增強索塔穩(wěn)定性。

（4）地錨。水富岸主地錨布置于索塔后方120m處的路基上，扣索地錨分別布置于索塔后方52 m處和105 m處，錨碇均位于橋梁軸線上；綏江岸地錨采用山體巖錨，錨碇位于橋梁軸線方向隧道頂上，與水富岸索塔頂標(biāo)高一致。

4 纜索吊系統(tǒng)計算分析

4.1 扣索計算分析

新灘溪特大橋纜索吊系統(tǒng)采用主扣塔一體化索塔進行布設(shè)，扣索索力的準(zhǔn)確計算可有效保障施工質(zhì)量與安全，對索塔及拱肋穩(wěn)定性具有重要意義。根據(jù)設(shè)計及現(xiàn)場實際情況分析，該橋采用單肋合龍安裝方案，兩岸按順序?qū)ΨQ安裝，最后安裝合龍段。

采用Midas Civil軟件對單拱肋扣索進行有限元分析，將其簡化為平面桿系結(jié)構(gòu)，拱肋節(jié)段離散為梁單元，扣索采用桁架單元建模，其有限元模型如圖3所示。

圖3 扣索有限元模型

大橋每半跨拱肋分為1 0個吊裝節(jié)段，編號為CS01～CS10。拱肋安裝過程中，設(shè)置5組臨時扣索和5組長久扣索，由拱腳向拱頂依次編號，臨時扣索編號依次為T1、T3、T5、T7、T9，長久扣索編號依次為T2、T4、T6、T8、T10。通過有限元法分別計算分析水富岸和綏江岸兩岸拱肋吊裝過程中各扣索的索力值，分析結(jié)果如表1、表2所示。

表1 水富岸扣索索力分析表

表2 綏江岸扣索索力分析表

通過上述計算分析可知，合龍段施工時其扣索力值最大，其中水富岸最大扣索力為771.0kN，安全系數(shù)為2.01；綏江岸最大扣索力為1018.9kN，安全系數(shù)為2.03。拱肋架設(shè)時各扣索安全系數(shù)均大于2.0，滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》JTGT 3650-2020要求。

4.2 索塔計算分析

大橋索塔采用主扣塔合一的結(jié)構(gòu)形式，受力復(fù)雜，而其作為纜索吊系統(tǒng)中的主要承重構(gòu)件，強度、剛度、穩(wěn)定性與施工質(zhì)量和安全息息相關(guān)。因此，準(zhǔn)確計算分析其受力特性至關(guān)重要。運用Midas Civil有限元軟件對索塔進行模擬分析，模型節(jié)點個數(shù)311，單元數(shù)量470個，塔架纜風(fēng)索采用只受拉桁架單元，其余均采用梁單元進行數(shù)值模擬分析，塔底部采用固結(jié)約束，索塔有限元模型如圖4所示。

圖4 索塔有限元模型圖

4.2.1 索塔強度分析

索塔在各工況下受到自重、主索、扣索、起重索、牽引索、纜風(fēng)索及縱向風(fēng)力的共同作用，根據(jù)橋區(qū)風(fēng)力研究成果與《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》JTG/T 3360-01-2018計算橋梁設(shè)計基本風(fēng)速為28.2m/s。分別對不同位置拱肋節(jié)段吊裝時索塔的受力情況進行計算分析，工況一：跨中重載狀態(tài)；工況二：安裝1號節(jié)段，即CS01施工階段。索塔受力情況如表3所示。

表3 索塔受力情況

由表3數(shù)據(jù)可以看出，索塔豎向力在跨中重載情況下（工況一）最大，索塔構(gòu)件強度、剛度由荷載工況一控制。表中水平力出現(xiàn)負(fù)值表示塔柱向跨中偏移，可利用扣索和風(fēng)纜承擔(dān)索塔上的不平衡水平力，以增強索塔的安全性。進一步利用有限元法對塔架的強度進行計算分析，在強度計算荷載組合工況下，主塔架承重鋼管組合應(yīng)力分析結(jié)果如圖5所示，主塔架水平桿、斜聯(lián)桿組合應(yīng)力分析結(jié)果如圖6所示。

圖5 塔架承重鋼管組合應(yīng)力云圖

圖6 塔架水平桿、斜聯(lián)桿組合應(yīng)力云圖

分析圖5、圖6可知，主塔架承重鋼管最大壓應(yīng)力為136.7MPa＜[f]=305MPa，主塔架水平桿、斜聯(lián)桿最大拉應(yīng)力為54.2MPa＜[f]=215MPa，索塔構(gòu)件強度均滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50017-2017的要求。

圖6 索塔前4階失穩(wěn)模態(tài)

4.2.2 索塔穩(wěn)定性分析

索塔的一體化將會加劇塔架的失穩(wěn)變形，采用線性屈曲理論對該索塔進行特征值穩(wěn)定分析，在自重、主索、牽引索、起重索、纜風(fēng)索、扣索等作用下進行索塔整體穩(wěn)定性分析計算。索塔在不變荷載和可變荷載工況組合下，前4階失穩(wěn)模態(tài)分析結(jié)果如圖7所示。

分析圖7可知，索塔1階失穩(wěn)模態(tài)至4階失穩(wěn)模態(tài)的穩(wěn)定系數(shù)分別為5.6、31.8、34.5、35.3，1階失穩(wěn)系數(shù)大于3，即塔架有較高的整體穩(wěn)定安全系數(shù)，塔架整體穩(wěn)定性滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》JTGT 3650-2020的要求。

5 纜索吊系統(tǒng)施工研究

5.1 施工流程

新灘溪特大橋采用無支架纜索吊系統(tǒng)進行施工，纜索吊系統(tǒng)為單索塔不對稱式布置，即只在水富岸橋臺處設(shè)置索塔，綏江岸直接錨固在隧道洞頂上方的山體上。鋼箱拱肋、風(fēng)撐、吊桿、格構(gòu)梁、橋面板等構(gòu)件均采用纜索吊系統(tǒng)安裝。纜索吊系統(tǒng)的施工流程如圖7所示。

圖7 纜索吊施工流程

5.2 施工要點

5.2.1 索塔施工

索塔構(gòu)件主要分為立柱鋼管、斜撐及橫撐格構(gòu)桿件、交叉橫向連接桿件，所有構(gòu)件單元均在廠內(nèi)生產(chǎn)加工，后運輸至施工現(xiàn)場吊裝安裝，且每個構(gòu)件端頭均設(shè)置法蘭盤，以便于現(xiàn)場施工。索塔底部作為受力薄弱位置，通過設(shè)置斜撐和橫連桿來提高索塔的穩(wěn)定性，且為了控制索塔的水平位移，分別在索塔上設(shè)置三層纜風(fēng)繩，以承擔(dān)索塔的不平衡水平力，保障索塔的安全性。

5.2.2 扣索施工

根據(jù)拱箱安裝節(jié)段劃分，全橋拱肋共計42個吊裝節(jié)段，每側(cè)設(shè)置10個扣段吊裝合龍，鑒于纜索吊系統(tǒng)采用主扣塔一體化索塔，索塔空間有限，故設(shè)置5組可循環(huán)使用的臨時扣索和5組永久扣索交替布置，以避免扣索間相互影響?？鬯鞯膹埨?、放松按照分級、對稱、同步的原則進行，以標(biāo)高控制為主，同時兼顧索力。為了有效控制扣索的安裝精度，每一扣段安裝后需及時進行調(diào)索作業(yè)，包括拱肋軸線、拱肋高程的調(diào)整，以避免拱肋線形與標(biāo)高的誤差過大，影響結(jié)構(gòu)安全。

5.2.3 纜索吊系統(tǒng)試吊

纜索吊系統(tǒng)安裝后，需進行試吊檢驗其工作性能，確保纜索吊系統(tǒng)可順利投入施工使用。試吊項目包括空車調(diào)試、靜載試驗和動載試驗三部分，通過空車調(diào)試檢驗纜索吊系統(tǒng)安裝誤差及設(shè)備性能狀況；通過靜載試驗對纜索吊系統(tǒng)進行全面檢查，并采用逐步加載的方式進行動載試驗，檢驗纜索吊系統(tǒng)各部位的受力情況。通過纜索吊試吊工作全面檢驗了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安全性與穩(wěn)定性，為新灘溪特大橋拱肋架設(shè)高效施工提供了有利保障。

5.2.4 鋼箱拱吊裝施工

拱肋吊裝由工廠加工成吊裝節(jié)段，運輸至現(xiàn)場后從綏江岸橋臺處起吊安裝，全橋拱肋架設(shè)均采用纜索吊系統(tǒng)，且按照兩點抬吊、正吊正扣、斜拉扣掛、懸拼小豎轉(zhuǎn)的原則進行吊裝施工。拱肋安裝由拱腳向跨中對稱、同步安裝，待左、右幅同一節(jié)段安裝就位后，及時連接臨時橫撐以形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，并采用扣索和纜風(fēng)索進行固定。

6 結(jié)束語

本文以新灘溪特大橋為背景，充分利用橋區(qū)所處地形地貌，設(shè)計了一套纜索吊系統(tǒng)，通過建立有限元模型分析扣索、索塔等系統(tǒng)的受力特征及安全性，為后續(xù)纜索吊施工與拱肋架設(shè)提供理論與實踐支撐。具體的研究結(jié)果如下：

(1)根據(jù)大橋橋址地形、地貌、工程地質(zhì)條件，纜索吊系統(tǒng)設(shè)計采用單索塔不對稱式布置，僅在水富岸一側(cè)設(shè)置主扣塔一體化索塔，節(jié)約施工場地，減少了塔架設(shè)備的投入，提高施工效率。

(2)為避免扣索之間相互影響，每側(cè)拱肋設(shè)置5組永久扣索、5組可循環(huán)使用的臨時扣索，通過有限元分析得出所有扣索的安全系數(shù)均大于2，扣索安全性良好。

(3)索塔采用主扣塔一體化結(jié)構(gòu)，索塔構(gòu)件的強度、剛度由跨中重載情況控制，在荷載組合工況下，索塔的強度、剛度、穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，且有一定的安全余量。

(4)基于工程重難點與纜索吊施工流程詳細(xì)分析了纜索吊系統(tǒng)的施工要點，保障纜索吊施工安全，為后續(xù)類似工程施工提供了一定參考。