長江懸索橋鋼箱梁全回轉(zhuǎn)吊裝系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

段 軍

(中國鐵建港航局集團(tuán)有限公司 廣東珠海 519070)

1 引言

近年來，我國橋梁建設(shè)發(fā)展迅猛，使得我國真正由橋梁大國走向橋梁強(qiáng)國。懸索橋[1-3]因其結(jié)構(gòu)形式優(yōu)美、跨越能力強(qiáng)、施工技術(shù)愈加成熟等特點(diǎn)，在大型橋梁的選擇中被普遍采用，尤其在長江沿線越來越受到歡迎。然而，近年來三峽庫區(qū)蓄水帶來的水文氣象變化、地貌環(huán)境改變，以及現(xiàn)實對懸索橋大跨徑的需求、綠色施工環(huán)境保護(hù)的需求等因素，給三峽庫區(qū)懸索橋的修建加大了施工難度，尤其對于懸索橋鋼箱梁吊裝作業(yè)，其限制條件及作業(yè)難度成倍增加。目前，懸索橋主梁吊裝主要采用跨纜吊機(jī)工藝，雖技術(shù)趨于成熟，但其存在較為明顯的適用性不足問題，主要體現(xiàn)在受到運(yùn)輸條件的嚴(yán)重制約、需要搭設(shè)大量的存移梁支架，以及對航道通行造成較大影響。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，纜索吊工藝開始興起，其良好的縱向自由移動給現(xiàn)場施工帶來更多便利，更可省去淺水區(qū)域的支架搭設(shè)，但目前纜索吊施工技術(shù)大多利用在鋼桁梁吊裝中，在鋼箱梁吊裝中應(yīng)用偏少，針對長大節(jié)段鋼箱梁整體運(yùn)輸?shù)跹b，還存在很多技術(shù)難題。比如傳統(tǒng)纜索吊系統(tǒng)體量大、節(jié)點(diǎn)多、安全風(fēng)險高，需要進(jìn)行輕量化設(shè)計，優(yōu)化結(jié)構(gòu)組成；比如長大節(jié)段鋼箱梁整體吊裝平衡控制措施；比如懸索橋跨中長大節(jié)段合龍吊裝控制，以及傳統(tǒng)端梁及邊跨合龍段支架法作業(yè)需要搭設(shè)支架，存在大量高空作業(yè)，并在主體結(jié)構(gòu)上設(shè)置大量預(yù)埋件，影響耐久性等等。因此，開展纜索吊吊裝關(guān)鍵技術(shù)研究及設(shè)計，對同類橋梁建設(shè)技術(shù)的進(jìn)步有著十分重要的意義。

2 工程概況

重慶市長壽區(qū)長江二橋為跨長江主航道的大型市政橋梁，橋址位于渝懷鐵路大橋下游1.85 km處。主橋為739 m跨懸索橋(見圖1)，橋?qū)?4 m，橋跨組合為233.25 m＋739 m＋250.63 m。全橋加勁梁為扁平流線形封閉加勁梁，安裝劃分為62個梁段(58×12 m＋2×12.5 m ＋2×8.34 m)，中央段長度為12.5 m，端梁段長度為8.34 m，單元最大重量為201 t(端梁段)，全橋加勁梁總重量為11 949 t。

圖1 重慶長壽長江二橋鳥瞰圖

3 方案比選

主梁吊裝是懸索橋施工最重要、也是難度最大的關(guān)鍵工序，目前主要有兩種方式:跨纜吊機(jī)和纜索吊機(jī)，根據(jù)項目實際情況，需對兩種鋼箱梁吊裝方案進(jìn)行比選[4]。

根據(jù)吊裝區(qū)域內(nèi)岸坡和航道地形以及近年水位變動規(guī)律，橋位處高低水位落差在40 m左右。受疫情等各方面因素影響，鋼箱梁吊裝無法避開枯水期，需考慮全水位工況。根據(jù)加勁梁節(jié)段參數(shù)，運(yùn)梁船吃水深度為2.3 m。若采用跨纜吊機(jī)吊裝加勁梁，在吊裝期(選擇避開最不利低水位工況)受運(yùn)梁船吃水深度的限制，橋位處只有約314 m寬的航道滿足運(yùn)梁船移動條件(見圖2)，同時需在長江中設(shè)置較大規(guī)模的存梁支架，其中北岸搭設(shè)支架約223 m，南岸搭設(shè)支架約156 m，將耗費(fèi)大量成本、增加安全風(fēng)險、造成環(huán)境破壞。

圖2 低水位枯水期航道

跨纜吊機(jī)和纜索吊機(jī)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比見表1。

表1 跨纜吊機(jī)與纜索吊機(jī)方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比

續(xù)表1

綜合兩方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選情況，最終選用纜索吊機(jī)進(jìn)行本項目的鋼箱梁吊裝。

4 主梁纜索吊裝系統(tǒng)研發(fā)

4.1 吊裝系統(tǒng)總體布置

纜索吊裝系統(tǒng)[5]由承重索、起重索、牽引索、索鞍、索塔、行走跑車、吊具、起重及牽引卷揚(yáng)機(jī)、錨碇、自動化控制系統(tǒng)等組成，其中索塔、錨碇直接采用懸索橋的塔錨結(jié)構(gòu)，整個吊裝系統(tǒng)采用雙塔三跨形式，見圖3。

圖3 纜索吊裝系統(tǒng)總體布置

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)及橋位特征確定纜索吊配置參數(shù)。設(shè)計鉤下額定吊重220 t。纜索吊最大縱移距離708 m，僅端梁需借助牽引蕩移法吊裝，最大起升高度130 m。纜索吊設(shè)2組主索，中心間距10 m，單組主索上布置1臺跑車，下吊架通過起重索連接扁擔(dān)梁，扁擔(dān)梁通過軸承連接全回轉(zhuǎn)吊具。兩組纜索吊主索錨固點(diǎn)布置于懸索橋錨碇上，在澆筑錨碇混凝土?xí)r預(yù)埋錨固預(yù)埋件，主索繞過穿插在預(yù)埋件前端的銷軸后用繩卡固定。

4.2 主塔上橫梁布置纜索吊索鞍

纜索吊的兩個主索塔利用懸索橋的門式主塔，在主塔頂部上橫梁位置安裝纜索吊索鞍，在上橫梁混凝土澆筑前預(yù)埋纜索吊索鞍預(yù)埋件，預(yù)埋件及索鞍與墊梁連接。

4.3 吊裝體系鋼絲繩

經(jīng)計算，纜索吊承重索采用2×10φ60鋼絲繩，強(qiáng)度等級1 960 MPa；起重索采用2×1φ36鋼絲繩，強(qiáng)度等級1 870 MPa；牽引索采用2×1φ42鋼絲繩，強(qiáng)度等級1 770 MPa。

4.4 起重裝置

起重裝置包括跑車、上掛架和下掛架三部分，其中跑車與上吊具組裝成一體，纜索吊每組主索設(shè)1組起重裝置，每組含2個跑車、2個牽引滑車組、1個平衡梁、4塊連接板、1個上掛架和1個下掛架，1套纜索吊共2組起重裝置，見圖4。

圖4 起重、牽引繩走線布置

4.5 卷揚(yáng)機(jī)

卷揚(yáng)機(jī)由牽引卷揚(yáng)機(jī)和起重卷揚(yáng)機(jī)組成。

4.6 全回轉(zhuǎn)吊具

旋轉(zhuǎn)吊具可以完成鋼箱梁在平面內(nèi)整體旋轉(zhuǎn)360°，主要組成部分為:動力裝置、旋轉(zhuǎn)軸、萬向鉸、軸承、扁擔(dān)梁、分配梁和掛鉤等，見圖5。

圖5 全回轉(zhuǎn)吊具示意

4.7 自動化控制系統(tǒng)

纜索起重機(jī)總控制系統(tǒng)由自動化控制系統(tǒng)(PLC)和手動控制系統(tǒng)兩部分組成，以自動化控制為主，手動控制為輔。

4.8 視頻安全監(jiān)控系統(tǒng)

纜索吊裝監(jiān)控系統(tǒng)[6-8]分為安全監(jiān)控和視頻監(jiān)控兩部分。

(1)安全監(jiān)控部分

纜索起重機(jī)的安全狀態(tài)信息分為模擬量和狀態(tài)量兩類。對纜索起重機(jī)行走跑車的行程位移、吊具高度、起吊重量、主承重索、牽引索、環(huán)境風(fēng)速、各類行程限位數(shù)據(jù)、操作指令、制動指令、聯(lián)鎖保護(hù)等進(jìn)行監(jiān)控。

(2)視頻監(jiān)控部分

視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用是監(jiān)測纜索起重機(jī)的重點(diǎn)部位，擴(kuò)展操作人員視野，保障吊裝作業(yè)能正常運(yùn)行。特別是雨霧等不良天氣狀況下，能有效幫助操作人員看清設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

4.9 動力系統(tǒng)安全控制

起重卷揚(yáng)機(jī)配有自動排索系統(tǒng)，起重、牽引卷揚(yáng)機(jī)均配備高、低速雙制動系統(tǒng)。當(dāng)卷揚(yáng)機(jī)發(fā)生電機(jī)傳動損壞等極端情況時，制動系統(tǒng)能保證構(gòu)件在空中安全停滯，不會墜落。

5 主梁纜索吊裝系統(tǒng)應(yīng)用

5.1 纜索設(shè)備安裝工藝

(1)主索鞍安裝

纜索吊主索索鞍布置于橋塔頂上橫梁，采用固定式索鞍，所有構(gòu)件采用250 t·m塔吊進(jìn)行垂直、水平運(yùn)輸及安裝就位。

(2)跑車臨時放置

塔頂跑車安裝平臺用于拼裝纜索吊跑車，纜索吊從北岸開始安裝，安裝平臺設(shè)置在北橋塔靠中跨方向，南橋塔不設(shè)置跑車安裝平臺。單個平臺的平面尺寸為1.75 m×8.2 m，每個平臺可容納2臺跑車縱向擺放。

(3)纜索吊承重索安裝

利用主纜的牽引系統(tǒng)先將主纜從北岸牽引至南岸，再通過南、北橋塔塔頂?shù)?0 t卷揚(yáng)機(jī)和塔吊配合將纜索吊承重索橫移至纜索吊主索鞍位置，左、右幅主索同時進(jìn)行，之后再進(jìn)行主索垂度調(diào)整。

(4)牽引索、起重索安裝

跑車安裝完成后安裝牽引索，單幅承重索1根，單根牽引索長4 700 m，2臺30 t牽引卷揚(yáng)機(jī)均布置在北錨碇。左、右幅各布置1套起重系統(tǒng)，一側(cè)主索設(shè)1根起重索，全橋共2根。每根起重索“走12”布置，牽引索安裝完成后，再進(jìn)行起重索安裝。

(5)旋轉(zhuǎn)吊具安裝

旋轉(zhuǎn)吊具在南主塔前、纜索吊正下方進(jìn)行組裝，之后將纜索吊與旋轉(zhuǎn)吊具連接，再啟動起重卷揚(yáng)機(jī)，使旋轉(zhuǎn)吊具離開地面1 m左右，調(diào)試、試運(yùn)轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)吊具，使其能滿足施工要求。

(6)纜索吊試吊

纜索吊機(jī)安裝完成后，進(jìn)行起重系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、牽引及限位系統(tǒng)等調(diào)試和試運(yùn)行。試吊觀測做好記錄，分析各項數(shù)據(jù)，試吊成功后方能正式吊裝。

5.2 鋼箱梁纜索吊裝

5.2.1 纜索吊裝鋼箱梁準(zhǔn)備工作

(1)施工許可。施工前按長江航道管理部門的有關(guān)規(guī)定，事先提出航道使用或限航申請，獲得施工許可。

(2)之后做好鋼箱梁運(yùn)輸?shù)轿弧⒇埖罊M向通道拆除、貓道改吊以及主索鞍頂推準(zhǔn)備等各項準(zhǔn)備工作。

5.2.2 鋼箱梁纜索吊裝作業(yè)

(1)加勁梁吊裝順序

鋼箱梁安裝的總體吊裝[9-11]順序從主跨跨中S0和S0′號梁段開始，向橋塔方向進(jìn)行，2個工作面交替對稱吊裝施工。纜索吊在吊裝時預(yù)留3個梁段(S4～S6孔段36 m寬，鋼箱梁34.8 m寬)做起梁孔，該位置不影響航道運(yùn)行。

(2)S0～S3，S0′～S3′梁段吊裝

S0＃梁段安裝時，由于只有1對吊桿受力，無法維持梁段穩(wěn)定，需在梁段端頭主纜上臨時掛設(shè)2根臨時吊索[12]，臨時吊索固定在主纜上，以維持梁段平衡。待S0＃梁段和S0′＃梁段臨時連接后可將臨時索夾拆除。

(3)S7～S28、S4′～S28′及 S29(S29′)、S30(S30′)吊裝、全回轉(zhuǎn)吊具應(yīng)用

纜索吊機(jī)采用全回轉(zhuǎn)吊具(見圖6)，梁段起吊后可實現(xiàn) 360°全回轉(zhuǎn)，S7～S28、S4′～S28′梁段利用纜索吊全回轉(zhuǎn)吊具分別向北、南岸交替吊裝。除S7梁段外，其余梁段均需在梁頂高程距離已吊裝梁段底面5 m時，全回轉(zhuǎn)吊具旋轉(zhuǎn)90°，吊具帶著梁段繼續(xù)起升至高于已吊裝梁段頂面2 m，實現(xiàn)吊裝梁段橫向?qū)挾茸兾粸榕c橋軸線平行，避開與吊索之間的沖突，順利縱向移運(yùn)過設(shè)計位置，然后全回轉(zhuǎn)吊具帶著梁段下降到已吊裝梁段底面5 m，再回旋90°提升至設(shè)計高程并往已吊裝梁段靠攏，直至與吊索及已吊裝梁段完成臨時連接，完成吊裝。通過全回轉(zhuǎn)吊具的應(yīng)用，實現(xiàn)梁面上縱向移運(yùn)箱梁，是實現(xiàn)定點(diǎn)起吊、不搭設(shè)滑移支架的關(guān)鍵技術(shù)保障。

圖6 鋼箱梁纜索吊裝作業(yè)

因需要預(yù)留S4～S6梁段作為鋼箱梁吊裝的起吊孔，S7梁段在吊裝過程中也需要增加臨時吊索和索夾，待S8梁段吊裝并臨時連接后可將臨時吊索和索夾拆除。

S28(S28′)梁段吊裝就位前，吊裝南、北岸側(cè)S30(S30′)加勁梁至預(yù)定安裝部位后利用臨時索夾形成懸吊裝置承載，偏移后與主橋豎向支座一起臨時固定。

(4)S4～S6吊裝

S4～S6梁段為預(yù)留起吊孔，待所有梁段均吊運(yùn)后最后進(jìn)行吊裝(見圖7)。分別提升S6、S4梁段就位并與S7、S3梁段臨時連接。利用牽引裝置將S6～S30梁段向岸側(cè)牽引偏移約30 cm，提升 S5梁段至設(shè)計標(biāo)高后調(diào)整其橫、縱橋向位置和豎向傾角，與 S4、S6梁段臨時連接。

圖7 起梁孔吊裝

(5)S29、S30(S29′、S30′)就位

纜索吊移位至S29(S29′)梁段正上方，下放吊鉤至地面與加勁梁連接，提升梁段至設(shè)計位置并與S28(S28′)梁段臨時連接。

最后逐步放松 S30(S30′)梁段，調(diào)整位置，與S29(S29′)梁段臨時連接。

5.2.3 跨中牽引合龍

起梁孔合龍時，由于鋼箱梁并未全部吊裝完成，主纜當(dāng)前階段線形與最終線形存在偏差，導(dǎo)致鋼箱梁橋面線形及各片梁段位置與成橋狀態(tài)存在差異，合龍口空間略小于梁段長度。

為確保鋼箱梁合龍段吊裝時順利就位，區(qū)別于邊跨可利用端梁向靠塔側(cè)偏移以實現(xiàn)預(yù)偏合龍，一般采用桁架頂推合龍口兩側(cè)梁段增加吊裝空間。桁架體量大，安裝及頂推作業(yè)難度大，需要在鋼箱梁頂板上進(jìn)行焊接定位，容易造成永久結(jié)構(gòu)變形及損傷。結(jié)合實際情況，長壽二橋吊索與鋼箱梁及索夾采用銷接式連接，具備較靈活的偏移空間，在不采用合龍口頂推的情況下，可采取牽引法施工。

在塔柱處布置滑車組牽引梁段向北岸側(cè)偏移，鋼箱梁受自重G、吊索力f和牽引力F三力平衡，為保證施工安全，通過牽引，使合龍口間距比梁段長度富余30 cm以上。根據(jù)偏移距離、偏移角度和實際吊索長度進(jìn)行計算，牽引力為750 kN。長壽二橋跨中合龍段通過牽引法順利實施，相比傳統(tǒng)工藝，成本、工效、安全優(yōu)勢明顯。

5.2.4 端梁懸吊

傳統(tǒng)施工工藝中，對無吊索鋼箱梁(端梁)的吊裝一般采用落地滑移支架或者在主塔橫梁上設(shè)置滑移托架進(jìn)行定位。支架搭拆高空作業(yè)多，安全風(fēng)險高，相關(guān)預(yù)埋件的設(shè)置對主塔混凝土結(jié)構(gòu)易造成傷害。通過對該關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，長壽二橋端梁吊裝成功應(yīng)用懸吊系統(tǒng)定位:梁段上設(shè)置臨時吊耳，待梁段吊裝后與布置在主纜上的臨時索夾錨固的臨時吊索連接，配合永久支座進(jìn)行臨時固定。懸吊技術(shù)取代傳統(tǒng)存移梁支(托)架，體系受力簡單明確，結(jié)構(gòu)安全可控，成本低，工效高。

5.2.5 索鞍頂推

主索鞍頂推的時間和次數(shù)，以及各次的頂推量，應(yīng)依照監(jiān)控單位提出的參數(shù)，并根據(jù)橋塔塔頂?shù)钠槐O(jiān)測結(jié)果實施，索鞍頂推應(yīng)本著多次少量的原則，南、北塔和左、右幅應(yīng)對稱作業(yè)，防止主塔發(fā)生不對稱偏位和扭轉(zhuǎn)。

6 注意事項

(1)對重要的點(diǎn)位要進(jìn)行精度分析，確保精度能滿足施工要求。

(2)確定合理的吊裝順序和合龍段。

(3)針對特殊位置的鋼箱梁吊裝要進(jìn)行受力驗算，精心組織施工。

(4)梁段線形調(diào)整控制要按實測數(shù)據(jù)和監(jiān)控計算調(diào)整，確保線形滿足設(shè)計要求。

(5)根據(jù)監(jiān)控計算和監(jiān)測，控制好主跨鋼箱梁不對稱吊裝數(shù)量。

(6)根據(jù)主塔的位移量及時進(jìn)行索鞍頂推。

(7)纜索吊機(jī)左、右幅主索上的起升、牽引卷揚(yáng)機(jī)速度應(yīng)通過專用控制系統(tǒng)的設(shè)定保持同步，防止鋼箱梁移動和提升過程中發(fā)生偏斜。

(8)當(dāng)待安梁段靠近相鄰的已安梁段距離小于3 m時，牽引卷揚(yáng)機(jī)應(yīng)切換至低檔，平移速度不大于5 cm/s，在最后0.5 m距離內(nèi)，平移速度不大于2 cm/s，同時在兩個鋼箱梁節(jié)段的拼縫處用木方進(jìn)行緩沖，避免鋼箱梁間發(fā)生直接碰撞。

(9)各穿銷連接點(diǎn)的銷軸均須設(shè)置保險卡，防止松脫。

7 結(jié)束語

通過本技術(shù)的實施，避免了存移梁支架的搭設(shè)，節(jié)約了施工成本和航道維護(hù)費(fèi)用，有效提高了施工效率，保護(hù)了長江水域及江岸的自然環(huán)境；憑借自主研發(fā)的全回轉(zhuǎn)吊具進(jìn)行定點(diǎn)起吊主梁，之后進(jìn)行中跨牽引合龍和端梁懸吊牽引合龍，并引入了全智能監(jiān)控操作系統(tǒng)進(jìn)行輔助，成功攻克三峽長江主航道高落差水位大型懸索橋鋼箱梁吊裝的關(guān)鍵技術(shù)難題，在具備良好經(jīng)濟(jì)性的同時兼具良好的安全性能，技術(shù)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著，對今后類似工程有較強(qiáng)的借鑒和指導(dǎo)意義。