烏江特大橋鋼管拱立式運(yùn)輸及錨泊定位技術(shù)?

鄭 永，陳 柯

（中交世通（重慶）重工有限公司，重慶 402160）

0 引言

大跨度鋼管混凝土桁架橋拱肋的高寬比一般較大，此類橋梁拱肋運(yùn)輸時(shí)宜采用臥式運(yùn)輸，吊裝時(shí)翻身為立式吊裝作業(yè)。 當(dāng)采用立式運(yùn)輸時(shí)，由于拱肋重心較高，需對(duì)拱肋采取可靠的裝載系固措施，確保運(yùn)輸安全。 烏江特大橋位于遵義市鳳岡縣、銅仁市思南縣、石阡縣交界處，纜索起重機(jī)范圍內(nèi)兩側(cè)無空余場(chǎng)地進(jìn)行翻身作業(yè)，空中翻身操作難度極高、安全風(fēng)險(xiǎn)極高，因此烏江特大橋拱肋采用立式運(yùn)輸方式。

通常船舶定位可采用錨泊定位與動(dòng)力定位2 種方式保證水上施工的穩(wěn)定性。 工程根據(jù)快速、穩(wěn)定、精確定位的施工需求，結(jié)合錨泊定位的基本原理和現(xiàn)場(chǎng)情況，采用岸邊錨泊定位及定位船輔助錨泊定位2 種定位方法。

1 工程概況

烏江特大橋主橋橋長(zhǎng)504m（計(jì)算跨徑475m），為上承式鋼管混凝土拱橋，為拱、梁、柱剛接協(xié)同受力體系（見圖1）。 拱肋采用計(jì)算跨徑475m 的上承式鋼管混凝土變截面桁架拱，拱軸線采用懸鏈線，拱軸線系數(shù)為2.2，矢高為90m，矢跨比1／5.278。拱頂截面主弦管中心徑向高度為7m，拱腳截面主弦管中心徑向高度10m，拱截面徑向高度按二次拋物線變化。 單片拱肋由上、下各2 根?1 400 鋼管混凝土弦管組成（見圖2），弦管橫向中心間距2.5m，橫橋向2 片拱肋間中心距均為16m。

圖1 烏江特大橋三維模型Fig.1 Three-dimensional model of Wujiang River Bridge

圖2 拱肋節(jié)段三維模型Fig.2 Three-dimensional model of arch rib segment

主拱肋節(jié)段劃分按構(gòu)件運(yùn)輸長(zhǎng)度和吊重控制，從拱腳至拱頂共劃分為GL1～GL15 15 個(gè)節(jié)段，全橋共60 個(gè)節(jié)段，最大節(jié)段外形尺寸：長(zhǎng)×寬×高＝21.1m×2.5m×11.2m，最大節(jié)段吊重157.8t。

2 船舶選擇

烏江段航道目前為四級(jí)航道，只允許通過10.8m 寬度以下的500t 級(jí)船舶，無大型船舶可以利用，根據(jù)實(shí)際情況選擇現(xiàn)有烏江流域的500t 級(jí)船舶航電2 號(hào)進(jìn)行運(yùn)輸及定位。 航電2 號(hào)船體情況如表1 所示，外形如圖3 所示。

表1 航電2 號(hào)船體情況Table 1 Hull condition of Avionics No.2

圖3 航電2 號(hào)外形Fig.3 Appearance of Avionics No.2

3 拱肋裝載系固技術(shù)

3.1 運(yùn)輸計(jì)算分析

由于主拱由圓形管狀結(jié)構(gòu)組合而成，高寬比較大，重心較高，采用立式運(yùn)輸需制訂可靠的裝載系固方案，以確保船舶穩(wěn)定、運(yùn)輸安全。 根據(jù)船舶、拱肋情況及烏江地質(zhì)水文情況，拱肋裝載系固采取船艙壓載、專用運(yùn)輸裝置布設(shè)、鋼絲繩綁扎系固等多種措施，確保了運(yùn)輸安全、穩(wěn)定。

1）船舶穩(wěn)定性分析 根據(jù)《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》進(jìn)行了完整穩(wěn)定性計(jì)算，基于所選用的船舶模型及輸入的計(jì)算參數(shù)，完整穩(wěn)定性衡準(zhǔn)結(jié)果均合格。

2）系固強(qiáng)度計(jì)算分析 按照《內(nèi)河重大件運(yùn)輸船舶安全評(píng)估指南》要求進(jìn)行了系固設(shè)施強(qiáng)度計(jì)算，得出所選用的系固鋼絲繩公稱直徑為30mm、抗拉強(qiáng)度為1 570N／mm2。

3）支架工裝計(jì)算分析 支架工裝為拱肋主要的承力構(gòu)件，是運(yùn)輸安全的重點(diǎn)位置，工裝材料采用Q355D 鋼材。 此工裝的計(jì)算分析采用Midas Civil建模計(jì)算，計(jì)算時(shí)考慮了工裝自重和節(jié)段荷載及動(dòng)荷載系數(shù)， 經(jīng)過計(jì)算， 工裝最大組合應(yīng)力為42.7MPa，最大變形＜1mm。

3.2 船艙壓載

由于主拱肋節(jié)段重心較高，裝載后船舶整體穩(wěn)定性降低，因此需在船艙內(nèi)用混凝土配重塊進(jìn)行壓載，確保航行運(yùn)輸安全。 壓載時(shí)在船艙四周均勻壓載2m×2m×0.8m 混凝土38 塊，總質(zhì)量約304t，如圖4 所示。

圖4 壓載Fig.4 Ballast

3.3 專用運(yùn)輸裝置

由于拱肋由圓形管狀結(jié)構(gòu)組合而成，為固定其在船艙內(nèi)的位置，設(shè)置了一套專用運(yùn)輸裝置（見圖5），保證運(yùn)輸安全。 運(yùn)輸裝置分為基礎(chǔ)鋼板、限位裝置、支架工裝等（見圖6）。 基礎(chǔ)鋼板鋪設(shè)并焊接于船艙底部，方便支架工裝焊接固定。 限位裝置由底部鋼板、工字鋼、方木組成，設(shè)置于拱肋節(jié)段端頭，起到限制拱肋節(jié)段縱向移動(dòng)的作用。 支架工裝共設(shè)置6 套，4 套為使用狀態(tài)，剩余2 套為適應(yīng)不同拱肋節(jié)段長(zhǎng)度調(diào)整使用。 支架工裝為承載拱肋質(zhì)量的主要受力構(gòu)件，也是主要限位結(jié)構(gòu)，由上、下2個(gè)半圓形的抱箍組成，下半部分固定在基礎(chǔ)鋼板上，裝船時(shí)將拱肋弦管放入工裝下半部U 形口，將上半部分蓋住拱肋弦管，并通過12 套M30 螺栓擰緊固定，另外工裝與鋼管間鋪設(shè)20mm 厚橡膠墊，用于保護(hù)拱肋油漆同時(shí)增加其摩擦力，防止運(yùn)輸過程中的拱肋節(jié)段發(fā)生滑動(dòng)，保證運(yùn)輸安全。 支架工裝布設(shè)時(shí)需保證拱肋重心線與船舶中心線重合，受力應(yīng)基本均衡。

圖5 專用運(yùn)輸裝置Fig.5 Special transport device

圖6 支架工裝Fig.6 Support tooling

3.4 綁扎系固

拱肋裝載完成并采用支架工裝固定后，仍需采用8 根?30 鋼絲繩交叉高低錯(cuò)落地進(jìn)行綁扎系固（見圖7），鋼絲繩由上弦管吊裝吊耳處及腹桿處拉至船側(cè)柱樁處或單獨(dú)焊接的系固吊耳處，采用手拉葫蘆收緊，鋼絲繩夾頭固定，鋼絲繩收緊后不能產(chǎn)生較大拉力，鋼絲繩收緊即可，且所有鋼絲繩拉力大小應(yīng)相等；綁扎過程中應(yīng)避免對(duì)鋼絲繩造成損傷；運(yùn)輸過程中，船舶應(yīng)避免大角度回轉(zhuǎn)。 應(yīng)定期檢查所有綁扎點(diǎn)和焊接點(diǎn)。

圖7 綁扎系固Fig.7 Lashing and fastening

4 拱肋錨泊定位技術(shù)

4.1 錨泊定位方式選擇

船舶主要采取錨泊定位與動(dòng)力定位2 種方式保證水上施工的穩(wěn)定性，偶爾采取錨泊定位與動(dòng)力定位并用的方式進(jìn)行定位施工。 而錨泊定位按錨泊線與船體接觸點(diǎn)的數(shù)目來分類，可分為單點(diǎn)錨泊系統(tǒng)、兩點(diǎn)錨泊系統(tǒng)和多點(diǎn)錨泊系統(tǒng)。

采用動(dòng)力定位時(shí)，需投入2 艘輔助動(dòng)力船，依靠輔助船動(dòng)力使運(yùn)輸船到達(dá)指定位置，由于水流影響，定位精度及穩(wěn)定性較差，且施工成本較高。

采用多點(diǎn)錨泊定位相較于動(dòng)力定位投資較少、使用維護(hù)方便、定位精度高、穩(wěn)定性好，在施工中應(yīng)用廣泛。 多錨點(diǎn)定位時(shí)需進(jìn)行多次拋錨施工，逐個(gè)調(diào)節(jié)錨纜鋼絲繩長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)精確定位，雖可實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定、高精度定位施工，但每次定位時(shí)間較長(zhǎng)，而烏江特大橋拱肋吊裝頻繁，如采用此方式則會(huì)導(dǎo)致工期延長(zhǎng)。

考慮上述情況，本工程施工時(shí)結(jié)合多點(diǎn)錨泊定位基本原理，采用岸邊錨泊定位和定位船輔助錨泊定位2 種定位方式，既實(shí)現(xiàn)了安全穩(wěn)定、高精度定位，又提高了船舶的定位效率，確保了大橋如期完工。

4.2 岸邊錨泊定位

由于南、北岸GL1-5 在烏江兩側(cè)岸坡上，結(jié)合碼頭臨時(shí)系泊原理，該部分拱肋節(jié)段采用岸邊錨泊定位方式進(jìn)行施工。 運(yùn)輸前根據(jù)纜索起重機(jī)吊鉤位置，提前對(duì)岸邊進(jìn)行處理，將岸邊處理為V 形口，使船首能頂靠在此位置。 在船舶?？课恢脙蓚?cè)設(shè)置2個(gè)預(yù)埋地錨， 用于固定運(yùn)輸船， 預(yù)埋地錨為1 000mm×1 000mm×2 000mm C30 混凝土塊，內(nèi)設(shè)?25 螺紋鋼筋骨架，并設(shè)連接孔。

運(yùn)輸定位時(shí)，運(yùn)輸船由碼頭行駛至吊裝橋位的岸邊，船首部分靠岸，船舶兩側(cè)通過鋼絲繩與預(yù)埋地錨連接，并根據(jù)纜索起重機(jī)吊鉤位置，通過自身動(dòng)力系統(tǒng)及錨泊鋼絲繩調(diào)整船舶姿態(tài)，確保船舶定位位置準(zhǔn)確且穩(wěn)定時(shí)方可開始吊裝作業(yè)。 為防止突發(fā)大風(fēng)浪，吊裝時(shí)需保持船舶動(dòng)力系統(tǒng)有效運(yùn)行，如發(fā)現(xiàn)較大位移可進(jìn)行糾正并調(diào)整錨泊鋼絲繩。 采用此方法定位時(shí)，由于船首部分已靠岸，且與岸邊嵌合，通過兩側(cè)地錨的錨泊定位（見圖8），船舶定位穩(wěn)定性好、定位精度高、施工效率高、成本低。 由于隨著兩岸拱腳向跨中逐節(jié)段對(duì)稱安裝，已安裝部分拱肋遮擋了運(yùn)輸船定位位置，導(dǎo)致無法進(jìn)行垂直起吊，只可吊裝橋梁兩側(cè)岸上部分拱肋節(jié)段，所以不能滿足全橋拱肋吊裝要求。

圖8 岸邊錨泊定位Fig.8 Shore anchoring location

4.3 定位船輔助錨泊定位

吊裝中間拱肋節(jié)段時(shí)，岸邊錨泊定位已不滿足吊裝需求，此時(shí)采用定位船輔助錨泊定位的方式進(jìn)行施工。 總體思路為采用1 艘專用船舶提前定位在吊裝位置一側(cè)，運(yùn)輸船行駛至吊裝位置靠泊在定位船上并進(jìn)行連接，通過定位船微調(diào)實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸船精確定位。

拱肋發(fā)運(yùn)前，在南北兩岸和橋梁中心線等距離的位置對(duì)稱設(shè)置4 個(gè)預(yù)埋地錨點(diǎn)，用于固定定位船（見圖9）， 預(yù)埋地錨為1 000mm × 1 000mm ×2 000mm C30 混凝土塊，內(nèi)設(shè)?25 螺紋鋼筋骨架，并設(shè)連接孔。

圖9 預(yù)埋地錨點(diǎn)固定定位船F(xiàn)ig.9 Fixed positioning ship at embedded anchor points

定位船選用與航電2 號(hào)外形尺寸相近的航電608 號(hào)（見圖10）。 施工前航電608 號(hào)航行至橋中心線偏下游位置，船身平行于橋梁縱向，完成初步定位。 初步定位后將地錨與船舶采用鋼絲繩進(jìn)行連接。 連接時(shí)根據(jù)安裝位置先掛設(shè)上游小樁號(hào)側(cè)地錨，后掛上游大樁號(hào)側(cè)地錨，再掛設(shè)下游小樁號(hào)和大樁號(hào)側(cè)地錨。 連接完成后通過卷?yè)P(yáng)機(jī)順序調(diào)整4 根鋼絲繩長(zhǎng)度，將船微調(diào)至纜索起重機(jī)下游位置，空出1 個(gè)船位供航電2 號(hào)靠泊使用，使航電2 號(hào)靠泊后正好位于纜索起重機(jī)下方。 定位時(shí)航電2 號(hào)航行到航電608 號(hào)附近，平其船身，使航電2 號(hào)緩慢移動(dòng)直至與航電608 號(hào)船身貼緊，通過鋼絲繩綁扎牢固，保證航電2 號(hào)穩(wěn)定。 如此時(shí)位置仍有偏差，可通過調(diào)整定位船鋼絲繩長(zhǎng)度微調(diào)其位置，以滿足吊裝需求。 吊裝完成后航電2 號(hào)駛離，定位船即可調(diào)整至下一節(jié)段吊裝位置。

圖10 定位船輔助錨泊定位Fig.10 Positioning ship auxiliary anchoring positioning

相較于運(yùn)輸船直接多點(diǎn)錨泊定位方式，采用此種定位方式可有效縮短運(yùn)輸船定位時(shí)間，提高施工效率，同時(shí)也發(fā)揮了多點(diǎn)錨泊定位精度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì)；缺點(diǎn)為多投入1 艘定位船舶，錨泊定位施工成本略高。

5 結(jié)語

拱肋立式運(yùn)輸解決了拱肋吊裝前需翻身的問題，同時(shí)船艙壓載、專用運(yùn)輸裝置布置、鋼絲繩綁扎系固等多種裝載系固措施也確保了運(yùn)輸?shù)陌踩⒎€(wěn)定。 船舶拋錨定位采用岸邊錨泊定位和定位船輔助錨泊定位方式，既實(shí)現(xiàn)了安全穩(wěn)定、高精度定位，又提高了船舶定位效率，確保了大橋如期完工，可為后續(xù)類似工程施工提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。