超大跨徑CFST拱橋纜索吊運斜拉扣掛方案設計探討

蒙立和 羅小斌 王彬鵬 周妤蓮

摘要：文章以平南三橋為依托，介紹平南三橋纜索吊運斜拉扣掛設計方案，主要包括纜索吊運的跨徑和塔高設計、主索道設計、主地錨設計、塔架結構設計和斜拉扣掛系統的扣索配置、扣掛設計、塔頂偏位控制設計、拱肋側向纜風設計等。平南三橋纜索吊運斜拉扣掛方案順利實施，并實現了超大跨徑CFST拱橋高精度合龍和主拱圈高精度控制，可為同類型橋梁設計提供參考。

關鍵詞：CFsT拱橋;平南三橋;纜索吊運;斜拉扣掛;方案設計

中圖分類號：U442.5 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2020.11.013

文章編號：1673—4874（2020）11—0045-05

0.引言

鋼管拱橋憑借其承載力高、經濟性好、造型優美等優勢，在我國發展非常迅速_.

。鋼管拱的架設方法以支架法、懸臂法和轉體法三種為主，其中懸臂拼裝法應用最多，適用跨徑最大范圍也最廣。懸臂拼裝法多采用纜索吊運系統和斜拉扣掛系統，纜索吊運系統用于拱肋節段的吊運安裝，斜拉扣掛系統用于固定已安裝的懸臂拱肋。纜索吊運斜拉扣掛體系施工簡便、起吊承重大、安全性高、技術先進，被廣泛應用于CFsT拱橋拱肋安裝。本文以跨徑575m的中承式CFST拱橋一平南三橋為依托，介紹超大跨徑CFsT拱橋纜索吊運斜拉扣掛方案設計。

1工程概況

平南三橋為主跨575m中承式鋼管混凝土拱橋，橋跨布置為：（40+60+35+35）m預應力混凝土連續箱梁+575m中承式鋼管混凝土拱橋+（50+60+50）m+（40+40+40）m預應力混凝土連續箱梁（見下頁圖1）。主橋矢跨比為1/4，拱軸系數為1.50，主拱肋以橋梁中心線對稱布置，兩岸以跨徑中心對稱，單側主拱圈分為22個節段，全橋共44個節段，各拱肋節段重量見下頁表1，最重節段為5^#拱肋節段，重215t。拱肋截面徑向高由拱腳17.0m漸變至拱頂8.5m，拱肋寬4.2m，每肋為上、下各兩根φ1400mm主弦管，管內灌注C70混凝土。主弦管間通過上下兩根φ850mm橫聯鋼管和左右兩根φ700mm豎向腹桿鋼管連接形成矩形截面。左右兩側拱肋之間通過橫撐連接。橋址兩岸地形較平緩、開闊，主橋跨越潯江。拱肋需采用纜索吊運系統進行安裝，利用斜拉扣掛系統進行固定，需進行纜索吊運斜拉扣掛方案設計。

2方案設計

2.1纜索吊運系統設計

纜索吊運系統由承重索、起重索、牽引索、跑車、索鞍、塔架、主地錨及卷揚機等組成。纜索吊運系統主要用于拱肋節段、橋面梁節段吊裝。纜索吊運系統設計思路為：跨徑和塔高設計一主索道設計一主地錨設計一塔架設計一纜索吊運系統其他結構設計。

2.1.1跨徑和塔高設計

根據橋跨布置和現場地形初步確定纜索吊運系統跨徑布置，確定塔架及主地錨位置設置區域。塔架基礎承載力需求大，可設置在拱座上。橋址兩岸地形較平緩、開闊，可適當增大邊主跨比，減小塔架的不平衡水平力。另外，選擇較大的主索垂度（L/14），也可減小塔架的不平衡水平力。根據最大吊運高度，并考慮主索垂度，確定了塔架高度約為200m。纜索系統跨徑布置為（509+601+512）m（見圖2）。為保證纜索吊運系統受力平衡，設計兩岸塔架頂標高一致。

2.1.2主索道設計

初步確定纜索吊運系統跨徑和塔高后，擬定跨中吊重垂度，可根據最大吊重（215t）進行承重索、起重索、牽引索選型并確定走線進行驗算。主索道設計為雙主索，設置工作索輔助吊運小型機具構件。塔頂設置可橫移式索鞍，保證吊裝覆蓋整個區域。

最終確定主索設計2套，設計吊重2×110t;工作索設計4套，布置在主索道兩側，設計吊重5t。主索道系統配置參數見表2。根據相關規范要求，并結合拱橋吊裝施工實際工況，確定主承載索、起重索和牽引索的破斷拉力安全系數分別為3.0、5.0和4.0。主拱圈采用水上起吊，依據節段重量及安裝位置，擬定了5種施工工況，分別進行了最大張拉力計算，計算結果均滿足要求（見表3）。

塔頂索鞍設計見圖3。索鞍底部設有行走滾輪，并設置橫移系統，由卷揚機提供動力，使索鞍可以在軌道梁上沿橫橋向滑移，從而改變兩組承重索之間的跨距，滿足施工要求。采用有限元軟件ANSYS 11.0SP1進行強度及剛度驗算（見圖4）。計算荷載考慮主承重索的最大張力、起重索及牽引索的最大拉力，得到計算結果：索鞍體（Q345）最大應力115MPa<容許應力233MPa，銷軸（400r）最大應力121MPa<容許應力216MPa，變形0.39mm，索鞍強度、剛度均滿足要求。

2.1.3主地錨設計

橋址地形較平緩，選擇重力式地錨，埋入至地面以下。重力式地錨結構設計見圖5。地錨設10個承載索預留槽和4個纜風索預留槽，肋板前段設半圓形擋塊（起轉向作用），并預埋多個千斤繩作為起重索、牽引索轉向滑輪的固定端。地錨驗算時考慮承重索、起重索、牽引索、塔架纜風對地錨的受力情況，驗算結果顯示地錨的抗傾覆、抗滑移、抗拔安全系數分別為3.5、2.1、10.8，均大于容許安全系數2，滿足要求。

2.1.4塔架結構設計

塔架采用主扣合一式塔架，塔腳預埋在拱座內，塔底固結，塔架前后左右側均設置纜風繩。塔架采用鋼管桁式結構，橫橋向寬39.9m，縱橋向寬12m，高199。76m。塔架豎向、縱向均以4m為模數設計，橫橋向以4.9m為模數設計，標準格構柱尺寸為12m×9.8m，塔頂吊塔段為4×9.8m。塔架立柱（φ610mm）、腹桿（φ114～245mm）均采用直縫鋼管，立桿與立桿之間采用法蘭連接，立桿與腹桿之間采用節點板栓接。塔頂設箱梁橫梁，長46.4m，寬4.64m。

對塔架進行受力驗算時，主要考慮兩種工況。工況1：結構自重+主索力（吊重）+扣掛荷載+正常工作狀態風荷載+纜風初拉力;工況2：結構重力+主索力（空載）+扣掛荷載+非正常工作狀態風荷載+纜風初拉力。其中，風荷載需考慮不同方向的風的作用。經建模驗算，在各工況下，塔架腹桿系內力值、扣索索鞍支撐梁和塔頂結構應力值、立柱鋼管構件應力值和內力值、塔腳鋼管混凝土軸力、塔架位移、塔架整體穩定性均滿足要求。

2.1.5其他

根據牽引繩、起重繩的受力確定卷揚機型號，并進行場地布置;根據各類繩索走線形式確定跑車結構;根據場地情況布置電氣控制系統等。

2.2斜拉扣掛系統設計

斜拉扣掛系統僅用于拱肋吊裝階段固定懸臂拱圈，斜拉扣掛系統布置見圖6，主要包含扣索配置、扣掛設計、塔頂偏位控制設計、拱肋側向纜風設計四部分。

2.2.1扣索配置

扣索采用φ15.2—1860MPal氐松弛預應力鋼絞線。索力采用“過程可控、結果最優”的影響矩陣法計算。配索時，單根鋼絞線拉力控制在100kN內，配索及扣索力情況見表4。

2.2.2扣掛設計

在扣塔上設置索鞍平臺，索鞍平臺上安裝扣索鞍（見圖7）。扣拉板式扣點與懸臂主拱圈相連，又與扣點分配梁相連，扣索通過擠壓P錨固定在扣點分配梁上，扣索另一端穿過扣索鞍，在扣地錨處進行張拉錨固（見圖8）。

2.2.3塔頂偏位控制設計

在拱肋節段吊運和斜拉扣掛懸臂拼裝的過程中，由于主索和扣索的不平衡水平力，主扣合一式塔架將發生水平偏位。塔架偏位過大將影響拱肋節段安裝，一是對塔架的穩定性產生較大影響，二是對拱肋線形產生較大影響。在施工的過程中，應用塔架偏位智能調載系統對塔架位移進行主動控制。該系統安裝在塔架主地錨側的后纜風索上，塔架的左右側各安裝一個調載千斤頂，全橋共四個調載千斤頂，千斤頂行程為1.0m。

2.2.4拱肋側向纜風設計

扣索用于扣掛拱肋節段，實現拱肋的懸臂拼裝。拱肋側向纜風索用于增加吊運拱肋的橫向穩定性，并起到左右約束拱肋和左右調控拱軸線的作用。

側向纜風索在拱肋上、下游交叉對稱設置（見圖9）。側向纜風繩采用鋼絲繩，安裝張力控制在50～80kN，張拉纜風繩時做到上、下游同步對稱張拉，且張拉力相同。

3結語

平南三橋拱肋于2019—10—12開始安裝，于2020—01—10完成合龍，歷時90d。纜索吊運斜拉扣掛方案設計合理，實施順利。平南三橋主拱實現高精度合龍，合龍口弦管對接誤差<3m，拱軸線橫向偏位<10m，拱圈線形與目標線形偏差<30mm。平南三橋主拱的順利安裝，為更大跨徑拱橋的建造提供了可靠的技術支撐。平南三橋的纜索吊運斜拉扣掛方案可為同類型橋梁提供借鑒。