纜索吊機及扣掛法在大跨度拱橋中的施工技術

摘 要：隨著社會的發展，近年來大跨度鋼管混凝土拱橋也得到空前的發展，其施工方法也逐漸呈現多樣化，例如：支架法、懸臂拼裝法、轉體法、懸索吊裝法、纜索吊機及扣掛法等。每種施工技術又有很多地方不盡相同。大多數情況下，大跨度鋼管混凝土拱橋采用纜索吊機及扣掛法施工技術，經實踐證明，大跨度鋼管混凝土拱橋采用纜索吊機及扣掛法施工技術，是最為結構合理，最為施工快捷有效，最為經濟實用安全，最為成功的施工技術。文章通過對湖北省五峰縣漢陽河特大橋施工中采用的纜索吊機及扣掛法施工技術進行分析，對于纜索吊機及扣掛法在施工大跨度鋼管拱橋施工中的應用有一定的借鑒意義。

關鍵詞：纜索吊機；扣掛法；大跨度；拱橋

1 工程概況

漢陽河特大橋位于湖北省五峰縣漁洋關鎮，橋平面部分位于曲線上，部分位于直線上，縱斷面位于直線上。主橋為上承式鋼管混凝土桁架拱橋，拱肋凈跨171m，凈矢高33m，矢跨比1/5.18，拱軸系數m=1.65。

全橋共四片桁架，兩道拱肋中心距8.6米；兩道拱肋之間設有13道風撐以保證拱肋橫向穩定；拱上立柱采用鋼管混凝土結構，管內灌注自密實C50混凝土，橋址區屬構造沖蝕侵蝕低山地貌區，擬建大橋跨越一北西-南東向峽谷，峽谷剖面呈開闊的“U”字型，上緩下陡。區內谷嶺標高216.0～310.0m，相對切割深約94m。

具體布置詳見“圖1 漢陽河特大橋總體布置圖”。

2 總體施工方案確定

采用纜索吊機扣掛法施工鋼管混凝土拱橋，常規做法是纜索吊布置兩座索塔作為纜索吊機支墩，后方采用錨錠錨固纜索吊機承重索，在兩座索塔之間對稱布置兩座扣錨塔作為扣索支撐，后方布置錨錠錨固扣索。纜索吊機分節段吊裝拱肋，安裝到位后分別通過錨固于扣索錨錠，使拱肋處于懸臂狀態。無特殊受地形限制情況，纜塔與扣塔做分離設計。在漢陽河特大橋中，主跨為171米，橋址所在地形相對較好，采用主扣塔分離的方案。

3 纜索吊機系統設計

3.1 纜索吊機系統總體布置

主橋采用纜索吊機作為上部結構施工的起吊設備。纜索吊機由繩索系統、塔架系統、錨固系統、纜風系統、機械和電氣系統等組成，其縱橋向跨徑布置為：116m+346m+71.18m。具體布置詳見“圖2纜索吊機總布置示意圖”。

3.2 纜索吊機系統的組成

（1）纜塔穩定系統：即風纜，由纜塔通風纜以及纜塔后風纜組成。在兩側山體設置錨碇，風纜在塔頂錨固。（2）繩索系統：由主索，起重索，牽引索組成。主索為2-4φ56mm鋼絲繩（6×37S+IWR），并跨過兩纜塔主索鞍連接于兩岸錨錠外側的錨固梁上；起重索為4-1φ21.5mm鋼絲繩（6×37S+FC），錨固端設置于對岸的纜塔錨錠中；牽引索為4-1φ26mm鋼絲繩（6×37S+FC），錨固端設置于同岸的纜塔錨錠中。（3）吊點系統：分為跑車、上下天車掛架、吊點扁擔梁三部分，全橋共設置四套跑車、吊點，兩套扁擔梁。（4） 索鞍：索鞍由限位塊、底部分配梁、連接橫梁、橫梁、繩索轉向及繩索導向裝置等構件組成。（5）卷揚機系統：卷揚機系統由牽引卷揚機、起重卷揚機、地錨轉向滑輪三部分組成。卷揚機及地錨轉向滑輪均布置在纜塔錨碇位置正前方，單側分別布置一臺8t起重卷揚機、一臺12t牽引卷揚機及若干轉向滑輪。（6）錨固系統：主索及纜塔后風纜均錨固于錨碇上，錨固梁采用無縫鋼管制造，鋼管內填充混凝土。（7）電氣系統：主要包括電路控制系統、限位裝置、避雷裝置等。

3.3 纜索吊機系統設計參數

（1）額定起重重量為60t。（2）最大吊重垂跨比：1/14.5。（3）提升速度：0～4m/min。（4）牽引速度：0～4m/min。（5）最大提升高度50m。（6）主索索鞍最大橫移距離為5.2m（從橋中線計算）。（7）最大吊重時的起吊盲區：距兩岸纜塔中心18m范圍內。

4 扣錨體系

4.1 扣錨體系總體布置

拱肋懸臂拼裝施工過程中，每拼裝一個節段，張拉一組（兩束）扣錨索以平衡拱肋自重，并調整拱肋高程至目標位置。在交界墩頂設置扣塔及扣錨梁，拱肋上設置扣點，兩岸設置錨錠。具體布置詳見“圖3扣錨體系總布置示意圖”。

4.2 扣錨體系的組成

4.2.1 錨碇

扣塔錨碇KM1位于左側0#橋臺前，沿橋中線兩側各布置一個，用以錨固左側錨索鋼絞線，單個錨碇設計抗拉拔力為260kN。其混凝土錨碇體厚1.6m，橫橋向寬3.5m，呈68°傾角背靠山坡，利用4束9-ΦS15.20斜向預應力錨索錨固于山體巖層。

扣塔錨碇KM2位于右側引橋中心線上，用以錨固右側錨索鋼絞線，單個錨碇設計抗拉拔力為520kN。其混凝土錨碇體厚1.6m，橫橋向寬5m，呈62°傾角背靠山坡，利用6束9-ΦS15.20斜向預應力錨索錨固于山體巖層。

4.2.2 扣索、錨索

扣、錨索材料均為ΦS15.2mm的鋼絞線。扣索下端通過鋼絞線P錨連接在拱肋扣點的錨箱上，錨箱與扣點錨拉板間銷接；扣索上端在交界墩頂或扣塔頂的扣錨梁上通過鋼絞線張拉端錨具整束張拉、錨固；每束扣索均對應掛設、張拉一束錨索以平衡扣索水平力，使交界墩墩身或扣塔在施工過程中主要承擔豎向力。錨索鋼絞線下端每2根1組通過連接錨板和P錨與扣塔錨碇預埋無粘結鋼絞線的外露部分連接。錨索上端也在交界墩頂或扣塔頂的扣錨梁上通過鋼絞線張拉端錨具整束張拉、錨固。每個拱肋節段的每根上弦桿鋼管上各設置一束扣索，同時相應設置一束錨索，扣索、錨索編號與拱肋的節段編號對應。全橋共設扣索、錨索各24束。

4.2.3 扣塔及扣錨梁

在左側3#交界墩頂設置一座扣塔用以將左側3#扣索、錨索的豎向荷載及不平衡水平力傳遞給交界墩。扣塔高約6.8m，采用焊接鋼管結構。扣塔單幅橋設4根Φ320×8的立柱鋼管，布置于交界墩上方及附近。立柱鋼管間通過Φ219×6鋼管聯結系連接為整體。立柱鋼管底部通過預埋件與帽梁固結。交界墩帽梁頂單幅橋布置4根扣錨梁，1#～2#扣索和錨索分別錨固于對應編號的扣錨梁兩端。在扣塔頂直接設置縱橋向3#扣錨梁，用以錨固左側3#扣錨索。

在右側4#交界墩帽梁頂單幅橋布置6根扣錨梁，1#～3#扣索和錨索分別錨固于對應編號的扣錨梁兩端。扣錨梁下部通過分配梁、支架以及預埋件與交界墩焊接固結。

4.2.4 扣點

扣點是扣索與拱肋上弦桿鋼管的連接結構。扣點主要由錨拉板、鋼管加勁板、錨箱等組成。所有扣點均繞弦桿軸線橫橋向旋轉一定角度焊接，以適應扣索的橫向角度。

5 鋼管拱肋吊裝

主跨拱肋分7個節段吊裝，共計14吊。采用運輸車運至起吊平臺，為了方便構件起吊，避免構件起吊后的橫向移動，纜索吊機在構件起吊前利用索鞍橫移裝置將主索索鞍橫移至待安裝節段的橫橋向位置，使得待安裝拱肋構件位于構件待安位置正下方或天車順橋向走行線上，然后采用纜索吊機起吊安裝。

拱肋吊裝節段重量分別為：第一節50.57t，第二節44.56t，第三節42.01t，第四節34.75t。

6 纜索吊機檢算

6.1 主索計算

施工工況計算如下：

綜合考慮上述荷載（見表1），計算的工況及對應的單根主索計算參數（見表2）。主索計算成果表（見表3）。（表中左、右所指方向與主體結構設計圖紙所規定的左、右方向相同；索鞍橫移的y坐標，以橋梁中心線處為原點，指向左側為正，指向右側為負，下同。）

6.2 風纜設計參數

纜塔風纜配置如下：

后風纜：宜昌側：2×6φs15.2鋼絞線；來鳳側：2×9φs15.2鋼絞線。

通風纜：左右側各2φ39鋼絲繩。

6.3 計算模型

纜塔立柱、橫梁、橫撐均采用梁單元，纜塔底部鉸結于基礎。后風纜采用桁架單元，通風纜均采用只受拉索單元。主索、牽引索、起重索對塔架的作用簡化為節點荷載。建立的計算模型見圖4。

（1）纜塔頂荷載

將作用于纜塔頂的主索、牽引索、起重索索力換算成作用于索鞍的節點荷載。根據第三章主索相關計算，得到各工況下纜塔頂荷載如表 4。其中Fx為順橋軸線方向水平力，以指向大里程方向為正；Fy為橫橋向水平力，以指向左側為正；Fz為豎向力，以指向上方為正。索鞍橫移的位置參見第三章。

（3）風荷載

作用于纜塔的風荷載按工作狀態風壓152N/m2及非工作狀態風壓550N/m2考慮正（大里程方向）反（小里程方向）兩個方向分別計算。

（4）工況組合

工作狀態取自重、額定吊重時纜塔頂荷載、風纜初張力與工作風荷載組合；非工作工作狀態取自重、空車時纜塔頂荷載、風纜初張力與非工作風荷載組合。具體工況組合見表6。

6.4 計算結果

按上述計算模型及荷載計算得各工況下纜塔頂縱橋向位移及單根風纜最大索力見表7，其中縱橋向位移以指向大里程方向為正。

依據纜索吊裝系統設計布置，各項工況受力均滿足受力要求。纜索吊裝系統按工藝要求拼裝完成后進行試吊。

7 纜索吊裝系統安裝要點

纜塔采用鋼管拼裝，底部設置鉸座及分配梁，頂部設置萬能桿件橫梁，橫梁上布置分配梁、滑道梁及索鞍，纜塔立柱間設置橫撐。

（1） 纜塔底節鉸座及分配梁安裝時，設置臨時支柱。臨時支柱與纜塔立柱間抄墊緊密，待纜塔體系轉換時拆除臨時支柱。

（2） 纜塔立柱間通過螺栓連接，安裝時保證法蘭間密貼、螺栓緊固。

（3） 在立柱桿件及節段吊運過程中，需采取抄墊、臨時連接等有效措施，防止鋼管立柱變形。

（4） 吊裝用鋼絲繩每次吊裝前進行檢查，確保使用安全，其最小破斷力滿足吊裝安全系數要求。

（5） 塔頂萬能桿件橫梁嚴格按施工設計圖拼裝，節點處的螺栓連接用扳手擰緊后再用扭矩扳手來校正擰緊力矩。

（6） 纜塔安裝過程中，每拼裝一節，均應對結構進行檢查，并滿足以下要求：a.平面軸線對理論位置的最大偏移量，不大于被測長度的1/1000。b.立柱軸線對基準平面的垂直度誤差不得大于高度的1/500。c.在縱、橫截面內，兩對角線長度的允許最大誤差為最大邊長的1/1000。d.塔頂橫梁節間弦桿和腹桿的傾斜度控制在長度的1/750以內。

（7） 纜塔第四節拼裝完成后，在頂部設置臨時風纜。纜塔全部拼裝完成后及時安裝永久風纜。

（8） 塔身安裝完畢后，按施工設計拼裝工作平臺，并做好安全防護。

8 纜索吊裝系統技術保障

（1） 纜索吊裝系統所有受力結構要求進行認真計算，并進行復核，在技術上確保結構安全。

（2） 進場的機械設備及鋼絲繩，鋼絞線均要進行全面檢查。檢查項目包括：生產許可證、型號規格和數量、保養情況、有無磨損等等。對鋼絞線和鋼絲繩還應進行破斷拉力試驗。

（3） 塔基和地錨所使用的混凝土應保證混凝土的強度達到設計要求。

（4） 根據本橋的纜索吊裝施工特點建立無支架纜索吊裝系統施工監測系統，以便保證纜索吊裝系統在后期運行期間的安全性，使整個纜索吊裝系統施工過程處于可控狀態。

（5） 施工過程中各職能部門均進行技術交底，及時分析解決現場問題。

（6） 纜索吊裝系統安裝完成后必須進行檢查和試吊。

9 應用與效果

湖北省五峰縣漢陽河鋼管拱橋采用了纜索吊機及扣掛法的施工技術已于2014年10月30日完工。纜索吊機及扣掛法在大跨度鋼管拱橋中的施工技術又一次得到成功的驗證。本橋為纜索吊機及扣掛法拱橋施工技術在同類橋梁施工中積累了寶貴經驗。

參考文獻

[1]吳進明.纜索吊裝斜拉扣掛法在鋼管混凝土拱橋施工中的應用[J].寧夏工程技術，2007，6（1）：57-60.

[2] 陳寶春.鋼管混凝土拱橋實例集（一）[M].北京：人民交通出版社，2002.