懸索吊貝雷片塔架設(shè)計(jì)與實(shí)施

王俊輝

(中鐵二十局集團(tuán)第二工程有限公司 陜西西安 710014)

1 引言

受地形條件限制，峽谷地貌地區(qū)修建橋梁時(shí)往往面臨著深切峽谷、岸壁陡峭、跨越寬度大的挑戰(zhàn)，大型起重設(shè)備進(jìn)入困難[1]。在橋型設(shè)計(jì)時(shí)，往往選擇箱形拱橋以節(jié)約造價(jià)，提高跨越能力，同時(shí)選擇纜索吊裝施工，滿(mǎn)足高落差的構(gòu)件和原材料運(yùn)輸，以克服因地形、氣候限制導(dǎo)致的施工難度增加，發(fā)揮纜索吊裝高效的施工工效，減少投資額度[2-3]。但是采用纜索吊裝對(duì)大跨度拱橋施工時(shí)，對(duì)纜索吊裝系統(tǒng)主體的要求極高，塔架作為纜索吊裝系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其設(shè)計(jì)、安裝直接關(guān)系到吊裝的穩(wěn)定性和安全性。設(shè)計(jì)一種高效、可裝配化、結(jié)構(gòu)合理、安全性高的塔架體系，滿(mǎn)足纜索吊裝承載力、穩(wěn)定性和抗變形能力，成為橋梁吊裝施工關(guān)注的重點(diǎn)[4]。

郭俊峰[5]根據(jù)格魯吉亞B3拱橋?yàn)槔?，展開(kāi)了施工階段不同工況下的吊裝塔架受力進(jìn)行計(jì)算分析，指出塔架的受力在跑車(chē)運(yùn)行至跨中時(shí)最大；林鵬[6]研究了塔架二次橫移技術(shù)，解決了吊裝作業(yè)空間限制問(wèn)題，并將成果應(yīng)用于成貴鐵路鴨池河特大橋施工；鄭鵬鵬等[7]研究了精密傳感器和云數(shù)據(jù)技術(shù)在拱橋纜索吊裝中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了纜索軸力、索塔沉降以及錨碇滑移等施工自動(dòng)化監(jiān)測(cè)；蔣瑋等[8]綜合應(yīng)用理論推導(dǎo)和數(shù)字仿真的研究手段，分析了跑車(chē)移動(dòng)對(duì)塔架的影響。

本文以廈蓉高速貴州境畢節(jié)至生機(jī)段磨刀溝大橋?yàn)楸尘?，針?duì)場(chǎng)區(qū)地形條件和工程設(shè)計(jì)背景，基于既有制式器材，設(shè)計(jì)了貝雷片組拼成人字型桅桿式結(jié)構(gòu)的塔架體系，對(duì)塔架承力結(jié)構(gòu)展開(kāi)了研究，采用有限元程序?qū)|索吊裝系統(tǒng)受力、整體穩(wěn)定性和位移進(jìn)行驗(yàn)算；依據(jù)設(shè)計(jì)的塔架體系，明確了塔架安裝工藝和橫向移動(dòng)工藝，并將其成功應(yīng)用于拱肋吊裝和合龍施工。

2 工程背景

廈蓉高速貴州境畢節(jié)至生機(jī)段磨刀溝大橋位于畢節(jié)市生機(jī)鎮(zhèn)田壩村，橋軸線(xiàn)近垂直跨越磨刀溝，橋址區(qū)為峰叢山地的峽谷地貌區(qū)，峽谷兩岸為懸崖，橋軸線(xiàn)經(jīng)過(guò)的最大切割深度98.23 m，畢節(jié)岸為陡斜坡，坡度50°～60°，生機(jī)岸為近直立巖壁。

磨刀溝大橋由左、右兩幅組成，每幅橋梁寬度為12 m，左右幅橋之間的凈距離為50 cm，左幅中心里程樁號(hào)為K78+012.20，起止樁號(hào)為 K77+885.96～K78+158.44，由2聯(lián)25 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁、120 m鋼筋混凝土箱形拱、4聯(lián)25 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁構(gòu)成；右幅中心里程樁號(hào)為K77+999.70，起止樁號(hào)為K77+894.96～K78+106.44，由1聯(lián)25 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁、120 m鋼筋混凝土箱形拱、2聯(lián)25 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁構(gòu)成；拱上結(jié)構(gòu)為13.0 m×9.8 m鋼筋混凝土空心板。

如圖1所示，確定懸索吊系統(tǒng)的總體布置為80 m(畢節(jié)岸后拉索)+337 m(主索跨)+85 m(生機(jī)岸后拉索)。畢節(jié)岸塔架中心樁號(hào)為K77+826.00 m，距離0＃橋臺(tái)臺(tái)背為39.96 m；生機(jī)岸塔架中心樁號(hào)為K78+163.00 m，距離19＃橋臺(tái)臺(tái)背為4.56 m。畢節(jié)岸和生機(jī)岸塔架高均為35 m。

圖1 左幅橋梁纜索吊裝系統(tǒng)總體布置

3 懸索吊貝雷片塔架設(shè)計(jì)

如圖2所示，塔架體系采用既有制式器材貝雷片組拼成“人”字形桅桿式結(jié)構(gòu)，由左右兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的斜向支撐架組成，塔底設(shè)置塔腳鉸構(gòu)造將塔身與C25混凝土基礎(chǔ)鉸接，塔頂則依靠風(fēng)纜和主索進(jìn)行位移控制。該塔架結(jié)構(gòu)為針對(duì)此工程獨(dú)特的峽谷地貌和施工荷載而設(shè)計(jì)的塔架體系，塔架采用了既有制式器材貝雷片搭接，具有施工方便、成本較低、可裝配式和重復(fù)利用等特點(diǎn)，并已成功申請(qǐng)專(zhuān)利(專(zhuān)利號(hào):CN204325940U)[9]。

圖2 貝雷塔架立面圖

塔架每個(gè)節(jié)段為4片貝雷片①組拼成矩形截面的貝雷桁架，并在四角利用連接件④(M38 mm螺栓)在支撐架連接孔位置連接兩貝雷桁架形成整體受力，同時(shí)在柱內(nèi)每間隔3 m設(shè)置水平支撐架⑤。在塔架頂部設(shè)置橫向支撐架⑥、⑦、⑧、⑩、[11]，用于左右側(cè)立柱間平面和立面連接；在塔架底部設(shè)置橫向支撐架⑨、[12]，用于左右側(cè)立柱間下部平面和立面連接。塔頂設(shè)工字鋼上、下分配梁③，用于支承主索鞍及扣索、工作索座滑輪，并將懸索系統(tǒng)傳遞來(lái)的荷載分配到塔頂各節(jié)點(diǎn)上。塔腳設(shè)置滑槽，滑槽利用地腳螺栓進(jìn)行固定，塔架正對(duì)所安裝箱肋設(shè)置，每安裝完成一肋(5段)拱箱，進(jìn)行一次塔架的橫向移動(dòng)，移動(dòng)時(shí)的動(dòng)力依賴(lài)千斤頂頂升力，推動(dòng)塔腳在滑道內(nèi)滑移，并通過(guò)收緊和放松縱橫向風(fēng)纜維持塔架的垂直和穩(wěn)定；橫移到位后，將塔腳用鋼銷(xiāo)鎖死。所提出的索塔體系具有拼裝簡(jiǎn)單、施工速度快、受力明確等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)峽谷地貌大跨度的垂直運(yùn)輸提供了有力的支撐。

塔頂設(shè)計(jì)標(biāo)高確定為拱頂標(biāo)高、主索垂度f(wàn)max、工作高度三者之和，即987.708+24.904+9.000＝1 021.612 m。生機(jī)岸塔頂?shù)膶?shí)際標(biāo)高為1 021.50 m，C25混凝土基礎(chǔ)頂面的實(shí)際標(biāo)高為986.50 m，塔高35 m；畢節(jié)岸塔頂?shù)膶?shí)際標(biāo)高為1 029.00 m，C25混凝土基礎(chǔ)頂面的實(shí)際標(biāo)高994.00 m，塔高35 m。兩岸塔架頂部橫橋向?qū)挾染鶠?.77 m，塔腳橫橋向?qū)挾染鶠?.272 m，塔架縱橋向?qū)挾染鶠?.50 m。索塔鋼材總重61.4 t，貝雷桁架材質(zhì)為16 Mn，上、下分配梁及塔腳鉸材質(zhì)為Q235鋼材[10]。

由于兩岸塔架結(jié)構(gòu)一致，且畢節(jié)岸塔架豎直作用力較大，因此，按最不利原則選取畢節(jié)岸塔架做位移、受力和穩(wěn)定性控制計(jì)算。貝雷片塔架屬于空間桿系結(jié)構(gòu)，可建立有限元模型(見(jiàn)圖3)進(jìn)行計(jì)算。按最大受力控制原則，分別對(duì)3種工況進(jìn)行塔架受力分析，即整個(gè)懸索吊系統(tǒng)的運(yùn)輸狀態(tài)分別為畢節(jié)岸塔前15 m起吊工況、拱箱運(yùn)輸至纜索跨中工況、生機(jī)岸拱腳段就位工況。除此之外，還對(duì)每個(gè)工況條件下吊運(yùn)邊箱時(shí)后拉索對(duì)塔架的最大橫向水平力進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算綜合考慮了主索、扣索、工作索、起吊牽引索及風(fēng)纜索的共同作用[11-12]。計(jì)算結(jié)果表明，畢節(jié)岸塔架在拱箱運(yùn)輸至主索跨跨中時(shí)由主索、工作索、扣索等產(chǎn)生的塔頂豎向壓力最大，最大豎直壓力為3 133.678 kN(水平力由風(fēng)纜和主索后拉索克服)，塔架各單元軸力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖3 塔架計(jì)算模型

圖4 塔架軸力

貝雷桁架最大受力計(jì)算結(jié)果:弦桿2 10槽鋼:Nmax＝-342.493 kN＜[N]＝560 kN；斜桿 8工字鋼:Nmax＝-37.610 kN＜[N]＝171.5 kN；豎桿 8工字鋼:Nmax＝-86.556 kN＜[N]＝210 kN?？梢?jiàn)，貝雷桁架強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

另根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50017—2003)，對(duì)塔架(取單肢)按格構(gòu)式中心受壓構(gòu)件進(jìn)行了整體穩(wěn)定性計(jì)算，計(jì)算結(jié)果:Nmax/(φxA)＝119.720 MPa＜[σ] ＝200 MPa；Nmax/(φyA) ＝109.298 MPa＜[σ] ＝200 MPa。整體穩(wěn)定性也滿(mǎn)足要求。

塔頂位移根據(jù)主索和塔架后風(fēng)纜的彈性伸長(zhǎng)量按幾何關(guān)系進(jìn)行換算得到。當(dāng)最重段拱箱吊運(yùn)至索跨跨中時(shí)，不考慮配重及沖擊系數(shù)的情況下，畢節(jié)岸計(jì)算塔頂最大縱向位移348.3 mm，生機(jī)岸計(jì)算塔頂最大縱向位移378.9 mm。

4 懸索吊貝雷片塔架實(shí)施

4.1 貝雷片塔架塔腳臨時(shí)固結(jié)

纜索吊塔架為制式器材貝雷片組拼結(jié)構(gòu)，塔架拼裝時(shí)必須對(duì)塔腳進(jìn)行臨時(shí)固接，如圖5所示。用15 cm×20 cm方木搭成井字架，對(duì)塔腳鉸進(jìn)行支撐固接，方木與方木之間用φ12 mm抓釘固定。拼裝至8 m以上高度后，應(yīng)設(shè)置臨時(shí)風(fēng)纜對(duì)塔架進(jìn)行穩(wěn)定，然后每升高8 m，調(diào)整一次臨時(shí)風(fēng)纜，上端風(fēng)纜設(shè)置完成后，才能解除下端風(fēng)纜。

圖5 塔腳臨時(shí)固結(jié)措施

4.2 貝雷片塔架拼裝

貝雷片塔架安裝分為塔身節(jié)段安裝、橫向支撐架、塔頂上下分配梁安裝。

如圖6所示，在拼裝區(qū)域?qū)⒇惱阻旒軛U件人工拼接成塔身吊裝節(jié)段，運(yùn)輸至吊裝區(qū)域，利用獨(dú)腳拔桿配合卷?yè)P(yáng)機(jī)滑車(chē)組提升貝雷桁片，通過(guò)立柱四角連接件(M38 mm螺栓，圖2中④)在支撐架連接孔位置連接上下兩個(gè)貝雷桁架，按照?qǐng)D2的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，依次循環(huán)拼裝至塔頂；橫向支撐架⑥～[12]也采用人工散拼方式預(yù)先拼接完成，按照塔身階段相同的提升方式，從塔腳向塔頂依次安裝橫向支撐架；最后安裝塔頂設(shè)上、下分配梁，上分配梁為2 32b工字鋼并在外翼緣用12 mm厚鋼板封焊成箱形截面，下分配梁為2 28b工字鋼，內(nèi)側(cè)兩根下分配梁上下翼緣各焊接2塊16 mm厚鋼板加強(qiáng)，腹板各焊接10 mm厚鋼板加強(qiáng)。下分配梁下端與貝雷桁架通過(guò)鋼銷(xiāo)(貝雷架標(biāo)準(zhǔn)鋼銷(xiāo))連接，上分配梁連續(xù)彈性支承于下分配梁上。

圖6 貝雷片塔架塔身節(jié)段橫截面

塔架拼裝完成后，檢測(cè)各塔架的垂直度，調(diào)整永久纜風(fēng)繩，使各塔架垂直。接著將各塔架底臨時(shí)支腿脫空，所有塔底轉(zhuǎn)換成鉸接。再調(diào)整塔架傾斜度，塔頂可向后錨碇方向預(yù)傾10 cm左右。

4.3 貝雷片塔架橫移

由于千斤頂頂推比卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引更平穩(wěn)，因此在塔架橫移時(shí)，塔腳通過(guò)千斤頂頂推進(jìn)行橫移(見(jiàn)圖7)，塔頂通過(guò)橫向風(fēng)纜穩(wěn)定和調(diào)整軸線(xiàn)。具體橫移步驟如下:

圖7 塔腳千斤頂頂推示意

(1)拆除塔腳定位鋼銷(xiāo)(在拆除前，在塔架兩側(cè)60 cm左右應(yīng)設(shè)置限位保險(xiǎn)鋼銷(xiāo)，防止塔腳突然滑移失穩(wěn))，在滑槽內(nèi)表面涂抹黃油以減小滑動(dòng)摩擦力。

(2)安裝反力座并用定位鋼銷(xiāo)限位，然后安裝ZDL60連續(xù)頂推千斤頂，在千斤頂與塔腳之間，墊硬質(zhì)雜木墊塊使其保持整體平面接觸，同時(shí)在各塔腳之間設(shè)置20 cm×20 cm臨時(shí)木撐以保證頂升力的傳遞并避免頂壞塔腳結(jié)構(gòu)。

(3)開(kāi)動(dòng)千斤頂油泵慢慢頂推塔腳，同時(shí)慢慢收緊前進(jìn)方向側(cè)橫向風(fēng)纜和放松另一側(cè)橫向風(fēng)纜，使塔架橫軸線(xiàn)基本保持豎直，并隨時(shí)通過(guò)經(jīng)緯儀觀(guān)測(cè)塔架橫向豎直度，若塔頂橫向偏移大于15 cm，應(yīng)暫時(shí)停止頂推，通過(guò)風(fēng)纜調(diào)正后再進(jìn)行頂推橫移作業(yè)；若千斤頂行走到最大行程，可暫時(shí)停止橫移，將反力座前移一定距離后繼續(xù)橫移作業(yè)，至塔架橫移到位為止。

(4)拆除千斤頂和反力座，用鋼銷(xiāo)定位塔腳，通過(guò)風(fēng)纜調(diào)正塔架縱橫軸線(xiàn)，準(zhǔn)備下一肋拱箱的安裝。

橫移過(guò)程中應(yīng)注意塔架所有風(fēng)纜的調(diào)整，以保持塔架的穩(wěn)定；橫移到位后，應(yīng)通過(guò)風(fēng)纜調(diào)正塔架的縱橫軸線(xiàn)，若調(diào)正較困難，必要時(shí)可放松塔頂主索索卡(但不取螺帽)，調(diào)正塔架后，再將主索在塔頂卡緊。

5 結(jié)論

以廈蓉高速貴州境畢節(jié)至生機(jī)段磨刀溝大橋?yàn)楸尘?，?duì)峽谷地區(qū)大跨度拱橋的貝雷片塔架設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行研究，得出以下幾個(gè)結(jié)論:

(1)基于既有制式器材貝雷片，針對(duì)此工程獨(dú)特的峽谷地貌和施工荷載設(shè)計(jì)了塔架體系，采用有限元程序?qū)λ苁芰?、整體穩(wěn)定性和塔頂位移進(jìn)行驗(yàn)算。研究表明，提出的索塔體系安全可靠、受力明確、穩(wěn)定性強(qiáng)、拼裝簡(jiǎn)單、施工速度快，有力地保障了拱橋的順利施工。

(2)采用提出的貝雷片塔架體系，明確了索塔的塔腳臨時(shí)固結(jié)、塔架拼裝及橫移等施工技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，工程實(shí)踐表明，貝雷片塔架體系運(yùn)行狀態(tài)良好，經(jīng)濟(jì)高效地完成了磨刀溝大橋的吊裝作業(yè)，并將塔架結(jié)構(gòu)成功申請(qǐng)專(zhuān)利，有利于該貝雷片塔架的應(yīng)用推廣。