大勝關長江大橋7號墩鋼梁架設平索方案研究

龔國鋒

(中鐵大橋局集團有限公司,武漢 430050)

1 工程概況

南京大勝關長江大橋工程位于既有南京長江大橋上游約20 km的大勝關橋位,距南京長江三橋約1.55 km,是京滬高速鐵路及規劃中滬漢蓉鐵路于南京跨越長江的越江通道,同時搭載雙線過江地鐵。其全長9 273.237 m,由北向南的孔跨布置為：2聯(84+84) m連續鋼桁梁+(108+192+336+336+192+108) m六跨連續鋼桁拱。全橋鋼梁布置見圖1。

2 施工方案研究

2.1 2×336 m主跨鋼梁架設總體方案

6跨連續鋼桁拱采用從兩側往跨中架設、跨中合龍的總體施工方法。6、7、8號主墩墩頂2個節間鋼梁采用浮吊架設,調整鋼梁中線、高程并與墩旁托架固結,6、8號墩其余節間采用一側700 kN爬坡架梁吊機,一側4 000 kN或2 000 kN浮吊(施工現場僅有2臺可用于鋼梁架設的大型浮吊)雙懸臂對稱架設,邊跨合龍后,3層吊索塔架輔助安裝主跨鋼梁并合龍,7號墩其余節間鋼梁采用2臺700 kN爬坡架梁吊機雙懸臂架設,3層水平索輔助架設與合龍。6跨連續鋼桁拱共設4個合龍口,兩側192 m 邊跨、336 m主跨各1個,先合龍邊跨,后合龍主跨,先拱桁合龍,后系桿合龍。全橋鋼梁架設總體布置見圖2、圖3。

圖1 大勝關大橋主橋立面布置(單位：m)

圖2 鋼梁架設總體布置(192 m跨合龍)

圖3 鋼梁架設立面總體布置(336 m主跨合龍)

2.2 7號墩平索與吊索塔架+斜拉索方案比選

根據總體施工方案,6、7、8號主墩鋼梁均采用雙懸臂架設,6、8號墩鋼梁最大懸臂長度168 m,7號墩鋼梁最大懸臂長度156 m。為控制鋼梁大懸臂安裝時桿件應力和懸臂端撓度,按照鋼梁架設的傳統方法,6、8號墩均設置3層吊索塔架輔助單懸臂架設,7號墩采用鋼梁與墩旁托架固結,設置水平拉索或吊索塔架輔助雙懸臂架設。綜合考慮鋼梁架設總體方案、結構特點、施工工期、施工結構工程量及主跨跨中合龍需要,對7號墩鋼梁架設采用以下3種方案進行比選,如圖4所示。

方案1為3層吊索塔架方案,通過在墩頂節點頂設置1臺3層吊索塔架輔助鋼梁雙懸臂架設。本方案的優點為鋼梁懸臂架設的常用方法,施工工法比較成熟,安全風險小,操作簡便；缺點是需增加1臺塔架,臨時結構工程量較大,并且受塔架安裝的影響,7號墩鋼梁架設工期增加2個月(增加了大型浮吊使用數量與成本),直接影響了全橋總工期。

方案2為單層平索方案,鋼梁合龍口設置在第10節間(方案1和方案3的鋼梁合龍口均設置第13節間),減少了懸臂長度,因此只設了1層平索輔助懸臂架設。本方案的優點是省去了1臺塔架,7號墩鋼梁架設的工期較短,較好地解決了7號墩滯后于6、8號墩開工帶來的總工期影響；缺點是因6/8號墩鋼梁懸臂長度增加,斜拉索索力較大,塔架高度增加,斜拉索和塔架工程量增加較多,6/8號墩鋼梁架設工期加長,總工期安排不盡合理。7號墩僅設1層平索,鋼梁前端的豎向位移和轉角無法同時調整到位,鋼梁合龍困難。此方案在初期研究時,將合龍口設置在第13節間,這樣可以減小6/8號墩的拉索索力,但7號墩平索索力達到40 000 kN/桁以上,給鋼梁架設合龍及平索施工帶來很大難度。

方案3為3層平索方案,共設置3層平索輔助鋼梁懸臂架設,并通過拉索進行合龍口豎向位移和轉角的調整。本方案的優點是省去了1臺塔架,加快了工期,鋼梁合龍口豎向位移和轉角的調整較為方便,合龍風險可控；缺點是索的工程量相對較大,為達到同樣的位移調整效果,平索索力較斜拉索索力增加15%左右。

圖4 7號墩鋼梁拉索布置方案比選

在3層平索研究方案過程中,對2層平索方案也進行了研究,主要缺點是平索索力較大,達到32 000 kN/桁以上,給施工帶來很大難度。

在方案確定前對各方案進行了詳細的研究計算,并對各方案的臨時工程量及臨時結構的最大內力進行比較,各項數據見表1～表3。

表1 方案1吊索塔架、斜拉索、平索最大內力及工程數量

總計：鋼材4 490 t,拉索1 396 t

表2 方案2吊索塔架、斜拉索、平索最大內力及工程數量

總計：鋼材4 300 t,拉索1 655 t

通過以上各項數據的列表比較,方案2缺點較為明顯,方案1與方案3均可行,經過多次專家評審,綜合考慮總體工期安排、總的用鋼量、大型浮吊數量與使用成本及合龍口位移調整,最終采用方案3,即3層平索方案。7號墩平索立面見圖5。

表3 方案3吊索塔架、斜拉索、平索最大內力及工程數量

總計：鋼材2 880 t,拉索1 523 t

注：表1～表3中均未包括錨箱質量。

方案3在實施過程中,經過優化設計,最后臨時工程量為鋼材2 622 t,斜拉索1 254 t。鋼梁的合龍也很順利,驗證了選擇方案3的合理性。

圖5 7號墩平索立面(墩旁托架未示)(單位：mm)

3 7號墩平索設計

經過對7號墩鋼梁全懸臂架設中最不利工況計算及比選,水平索需設置3層,錨固點分別設置在鋼梁A45、A43及A41節點。單桁單層由4根拉索組成,共3桁。水平索通過錨箱錨固于鋼梁上弦預留燕子板上。水平索均采用高強平行鋼絲,鋼絲強度為1 770 MPa,外包PE保護層,水平索截面為4×151φ7 mm；平索的正常使用應力不超過高強鋼絲標準強度的50%,并預留10%的調索儲備方便鋼梁合龍,即拉索最大容許應力[σ]≤0.45Rb。錨具為PESM151-φ7型冷鑄錨具,錨固端錨具設計長度480 mm,張拉端錨具設計長度1 000 mm。

驗算考慮了兩種組合對索力的影響。

組合Ⅰ(控制施工狀態組合)：鋼梁自重+索力+架梁吊機+運梁道+安裝平臺+上弦人行走道+臺車+六級風+索梁溫差5 ℃。

組合Ⅱ(非施工狀態組合)：鋼梁自重+索力+架梁吊機+運梁道+安裝平臺+上弦人行走道+十年一遇風+索梁溫差5 ℃。

經驗算,以上2種組合的計算值比正常施工狀態組合的計算值索力增加4%左右,索力安全系數控制在2.4以上。

4 7號墩平索施工

4.1 掛索施工

放索：第1層放索滑道直接布置在鋼桁拱上弦頂面,第2及第3層水平索的放索平臺則布置在前一層索的索面上,僅兩端頭小部分布置于鋼桁拱上弦桿件頂面。將梁端(張拉端)錨頭放于錨頭小船上,在錨杯前安裝夾具及放索錨座,用卷揚機配合滑車組牽引梁端錨頭,直至索在放索滑道上全部展開。

錨固端錨頭掛設：錨固端錨頭掛設采用吊機法,由架梁吊機尾部吊機提升錨頭,利用吊架及倒鏈配合將錨頭喂入錨箱,直至錨固端錨頭戴帽,并旋緊螺帽至設計位置。

張拉端錨頭掛設：用錨頭小船將張拉端錨杯牽引至一定位置,安裝夾具,將錨頭臨時打梢,然后在錨杯上安裝張拉桿和張拉桿牽引錨座及牽引頭,根據單索安裝索力計算結果確定用200 kN滑車組牽引張拉桿所能達到的位置,分別采用不同的方法張拉張拉桿,直至錨杯帶帽。張拉桿長度為2 m,截面尺寸與水平索張拉端錨頭錨杯尺寸相配套,材質為40Cr。

張拉端錨頭掛設的關鍵是平索的戴帽索力的計算確定,計算簡圖見圖6。

圖6 斜拉索計算示意

式中L0——上下兩端索孔錨板中心的幾何距離；

L——斜拉索的長度；

Lx——L0的水平投影長度；

E——垂直索的彈性模量；

W——鋼索單位長度質量；

A——鋼索中鋼絲的截面積；

T—牽引力。

平索計算參數見表4。

表4 7號墩平索計算參數

注：吊索截面積為鋼絲束公稱截面積；吊索單位質量含保護層質量；吊索長度取穿絲板間索長。

根據以上公式及參數,計算每層平索的戴帽索力及張拉索力變化見表5～表7。

表5 第1層平索張拉索力變化

表6 第2層平索張拉索力變化

表7 第3層平索張拉索力變化

注：穿絲板距錨板距離為0時,錨頭正好戴帽。

4.2 平索張拉

張拉端錨頭戴帽后,利用6 500 kN穿心式千斤頂配張拉桿張拉索力至設計噸位,擰緊錨固螺母。平索的張拉作業遵循“平衡、對稱、同步、分級”的原則。

張拉過程千斤頂要分級加載,分級值為500 kN,張拉結束后各平索索力誤差值控制在5%以內。

5 結語

大跨度鋼桁拱懸臂架設時,為減小鋼梁在施工階段的應力及懸臂端的最大撓度,實現鋼梁順利合龍,通常采用吊索塔架輔助懸臂架設。如果兩側鋼梁結構形式對稱,經過方案比選,可采用水平拉索代替吊索塔架,雖然索的用鋼量稍有增加,但減少了1臺吊索塔架,總用鋼量大大減小,同時節省了塔架安裝的工期,為同類型鋼梁架設提供了有益借鑒。

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