鄭萬鐵路奉節梅溪河雙線特大橋鋼拱肋纜索吊機斜拉扣掛安裝方案比選

王海峰，李 明，李國華

(中鐵上海工程局集團建筑工程有限公司，上海 201906)

0 引言

對于大跨度拱橋，施工方法通常有原位支架拼裝法、低位拼裝提升法、懸臂拼裝法、轉體對位法、無支架纜索吊機斜拉扣掛法等。本文結合工程實例，在纜索吊機斜拉扣掛法的基礎上，針對纜索吊機結構形式及拱肋扣掛方式進行比選研究，在解決工程實際問題的同時，進一步豐富該領域施工技術。

1 工程背景

1.1 工程概況

新建鄭萬鐵路重慶段土建4標奉節梅溪河雙線特大橋，全長687.8m，設計速度350km/h。主橋為勁性骨架鋼筋混凝土上承式提籃拱橋，拱跨340m，一孔跨越梅溪河，無鉸拱結構，拱圈設計勁性骨架，主弦管內壓注C60混凝土，拱圈外包C55混凝土。

1.2 鋼拱肋設計概況

鋼拱肋為變寬變高鋼桁拱架，拱軸立面為懸鏈線，拱軸系數m=3.2，計算跨徑340m，矢高74m，矢跨比1/4.595。拱圈平面呈提籃形布置，分拱腳分叉段和拱頂合并段，分叉段半跨采用3道橫梁連接；豎面整體內傾3.48°，形成拱腳分叉的X形結構，拱腳中心距16m，拱頂軸線中心距7m，分叉段單肢弦管水平中心距3.8m。拱肋高度按1.5次拋物線變化，上、下弦管中心高度從拱腳10m過渡到拱頂5m。拱肋主要由8根主弦管及相關連接系桿件組成，上、下主弦管各4根，主弦管φ750×24，橫梁弦管φ560×16，連接系為4∟200×20等規格的四肢組合角鋼結構。拱肋用鋼量4 083.3t，弦管材質Q390D，連接系及節點板Q345D，填板等小型零件Q235，拱肋橫斷面如圖1所示。

圖1 拱肋橫斷面

1.3 自然條件

梅溪河為U字形河谷地貌，地面高程140.000～480.000m，地形起伏大，兩岸邊坡陡峭，自然坡度25°～60°，河面寬度約為280m。梅溪河為II級航道，受長江三峽蓄水倒灌影響，每年9月至次年4月底為三峽庫區蓄洪期，蓄水后最高水位為173.450m，5—9月中旬回落至低水位，維持在143.000～145.000m。

2 總體施工組織

受地形限制，本工程采用纜索吊機吊裝鋼拱肋，并輔助后續工程施工。綜合考慮后選用額定起重150t纜索吊機，并據此將拱肋半跨劃分16個節段，共計32個節段、48個吊裝單元(拱腳預埋段及拱頂合龍段除外)。鋼拱肋在廠內分段加工，主弦管以折代曲制作，整體輪次匹配拼裝后，船運至現場通過纜索吊機吊裝，從兩岸拱腳向跨中拱頂對稱安裝拱肋節段，在拱頂實現強迫合龍。總體遵循主橋拱肋及引橋平行施工、纜索吊機設計及施工與主引橋互不干涉原則。

鋼拱肋最大節段重150t，采用纜索吊機斜拉扣掛法安裝，纜索吊機系統、扣掛系統設計是本工程重難點。拱肋節段安裝精度直接影響成橋線形效果，是本橋建造成敗的關鍵，而尺寸龐大的變寬變高鋼桁拱架結構及雙向曲線造型使拱肋節段空中安裝定位困難，因此拱肋安裝精度及成橋線形控制是本工程重點也是難點，高空大懸臂拱肋安裝及合龍施工難度大、安全風險高。

3 纜索吊機結構形式比選

在確定150t額定起重的基礎上，根據主橋結構特點及現場條件，針對纜索吊機的索跨布置及結構形式，經咨詢考察、分析研究，提出纜扣共塔與纜扣分離、單塔式與雙塔式等多種形式，初步擬定以下3種方案進行比選。

3.1 方案1：纜扣共塔，索跨布置(145.9+356.8+196.8)m

本方案為設計推薦方案，纜扣共塔布置于兩岸交界墩墩頂，采用鋼管桁架門式結構，纜塔和扣塔通過活動轉軸連接(見圖2)。

圖2 方案1(纜扣共塔)總體布置示意(單位：cm)

優點：只有2個塔架結構，材料用量較少。

缺點：①纜索系統拼裝需在交界墩施工完畢后才能進行，嚴重制約工期；②交界墩寬度只有9m，其上布置纜塔空間有限，施工難度大；③第1段拱肋安裝處于纜索吊機盲區(距纜塔15～20m)，需設置輔助牽引裝置才能就位；④纜索吊機覆蓋范圍小，對引橋區域無法提供幫助；⑤扣索、錨索安裝困難，無法利用工作吊一次提升到位，需設置輔助牽拉機械。

3.2 方案2：纜扣分離單塔式，索跨布置(10.3+726.5+115)m

纜扣分離單塔結構，鄭州端設計無纜塔，萬州端為門式纜塔，纜塔高100m，纜扣分離，扣塔布置于兩岸交界墩墩頂(見圖3)。

優點：①纜索系統與主橋拱座、交界墩可平行施工，總工期明顯提前；②扣索、錨索安裝方便，可用工作吊一次提升到位；扣塔拼裝工藝簡單，整體組裝后利用纜索吊機整體安裝到位；③纜索系統覆蓋范圍大，可輔助引橋區域施工材料倒運。

圖3 方案2(纜扣分離單塔式)總體布置示意(單位：cm)

缺點：①有1個纜塔、2個扣塔，材料用量較多；②鄭州端主索錨碇處地方民用電力線路密集，征拆難度大，費用高；③若萬州端設置為無塔式，該處位于本標段以外，用地協調困難。

圖4 方案3(纜扣分離雙塔式)總體布置示意(單位：m)

圖5 3種纜索吊機結構形式模型

3.3 方案3：纜扣分離雙塔式，索跨布置(96.1+492.95+123.15)m

纜扣分離雙塔結構，鄭州端纜塔位于1號墩附近，萬州端纜塔位于2號墩與3號墩之間，扣塔布置于兩岸交界墩墩頂，纜塔為門式框架結構，扣塔為格構式結構(見圖4)。

優點：①纜索系統與主橋拱座、交界墩可平行施工，主橋與引橋可同時施工，總工期明顯提前；②扣索、錨索安裝方便，可用工作吊一次提升到位；扣塔拼裝工藝簡單，地面組裝后利用纜索吊機整體一次安裝到位；③纜索系統覆蓋范圍大，可輔助引橋區域施工材料倒運；④充分考慮現場地形條件，纜塔布置在紅線范圍內，場地較平整，施工較方便。

缺點：雙纜塔、纜扣分離結構，材料用量最多。

3.4 方案比選分析

3種方案的纜索吊機結構形式模型如圖5所示，方案比選以充分利用纜索吊機使用功能為原則，要求纜塔及繩索系統不影響引橋施工，在保證總工期的基礎上，充分考慮地形條件的限制。

經比選發現，方案3雖臨時結構投入多、成本較高，但其能最大限度地利用纜索吊機的使用功能并明顯縮短工期，綜合考慮后最終選擇方案3的纜扣分離雙塔式結構。

4 扣掛方式比選

鋼拱肋采用斜拉扣掛法安裝，扣掛系統主要由扣塔、錨索錨碇、側風纜、扣錨索及扣掛錨固結構等組成(見圖6)。根據節段劃分及施工特點，半跨拱肋共設置16組扣錨索，錨索與扣索對應設置，前5組扣索錨固于交界墩身上，其余扣索均錨固于扣塔上。兩岸交界墩上設置4層錨點，底層錨索固定于拱座承臺上，其上3層錨索固定于纜塔基礎上；扣塔上設置3層錨固平臺，其錨索均錨固于錨索錨碇上。

圖6 扣掛系統立面布置

針對拱肋扣掛方式，從是否設置扣掛分配梁及臨時索方面考慮，提出方案1(設置扣掛分配梁、采用臨時索與正式索交替扣掛張拉)和方案2(取消扣掛分配梁和臨時索、全部采用正式索扣掛張拉)，通過咨詢研究、分析論證，綜合考慮國內該領域施工技術水平，對兩種方案作如下比選。

4.1 方案1：設置扣掛分配梁、采用臨時索與正式索交替扣掛張拉

半跨拱肋共設置16組扣索，每組2束，其中K1，K3，K5，K7，K9，K11為臨時索(共6組)，其余10組為正式索。在每節段上弦管前端節點設置扣掛吊耳，采用橫向扣掛分配梁連接扣掛吊耳及扣索，每束扣索錨固于扣掛分配梁中間，扣掛分配梁構造如圖7所示。施工過程隨拱肋節段安裝，逐一安裝并張拉扣索，在下一節段扣索張拉完成后拆除前一節段的臨時扣索，拱頂節段12～16逐一安裝張拉正式索，無須在過程中拆除。臨時索與正式索交替扣掛張拉流程：安裝節段1→張拉1號臨時索→安裝節段2→張拉2號正式索并拆除1號臨時索→安裝節段3→張拉3號臨時索→安裝節段4→張拉4號正式索并拆除3號臨時索→依次安裝后續節段并交替扣掛張拉扣錨索→拱頂合龍。

圖7 方案1扣掛分配梁

4.2 方案2：取消扣掛分配梁和臨時索，全部采用正式索扣掛張拉

半跨16組扣索中，每組扣索包含4束(每束扣索配置鋼絞線具體根數由對應索力確定)，分別對應同一節段的,4根上弦管，拱肋節段制作時在每根上弦管前端節點位置焊接扣掛吊耳，采用扣掛錨箱將扣掛吊耳與每束扣索直接相連。扣掛連接構造如圖8所示，節段安裝時，扣掛張拉本節段對應扣索，之前已安裝的扣索無須拆除。

圖8 方案2扣掛連接構造

4.3 比選分析

方案1設置臨時索與正式索交替扣掛張拉，主要因為隨著節段安裝，拱腳1/4跨處會逐漸出現反拱現象(具體反拱值與扣塔高度、扣索角度等因素相關)，尤其在合龍前的大懸臂狀態反拱較明顯，設置部分臨時索用于當前節段安裝時調整線形、之后拆除，以避免后續反拱現象出現。但設置扣掛分配梁，增加臨時結構投入，且因傳力路徑復雜致使施工風險增大。扣掛分配梁采用單束扣索進行張拉，在調整當前節段空間扭曲時較麻煩，無法對內、外側弦管進行單獨張拉作業。此外，由于各類扣錨索在空中交織，拆除臨時索易碰觸已參與受力的正式索，整體扣掛體系存在風險隱患，且拆除臨時索占用關鍵線路，致總工期延長。

方案2全部采用正式索參與全過程扣掛施工，采用未知荷載系數法求解優化扣錨索力，實現一次張拉的目標。針對大懸臂狀態出現的反拱現象，索力優化時，設置拱肋合龍狀態的線形約束條件(一般設置為±10mm)，在施工階段分析中，人為調節反拱區域的部分扣索索力，以保證整體拱度線形滿足要求。不設扣掛分配梁，優化傳力路徑，在減少臨時結構投入的同時，降低了因臨時結構加工質量缺陷可能導致的施工風險，并且內外側獨立掛索張拉也有利于對節段的線形調整。

從安裝線形控制、施工風險、工作量、臨時結構投入及總工期等方面對比分析兩種扣掛方式，發現方案2更優，因此最終選用方案2。

5 關鍵技術探索

5.1 纜索吊機系統設計

纜索吊機選用纜扣分離、雙塔三跨結構，主要由繩索系統、纜塔塔架系統、基礎錨碇系統、起重吊掛系統、自動化控制系統組成，設2套75t固定式主吊機和2套20t橫移式工作吊機，工作吊機位于主吊機中間，主吊機中心間距20.8m。塔架采用門式框架結構，立柱為φ630×20鋼管。鄭州端纜塔高95m，萬州端纜塔因地形影響不等高，右幅高92m、左幅高85m。利用MIDAS Civil軟件建立纜塔塔架整體模型，分析其受力狀態及結構穩定性，根據吊裝質量計算配置主索、起重索、牽引索等繩索系統，再由繩索系統的受力設計自動化控制系統及基礎錨碇。

5.2 扣掛索力優化思路

根據拱肋節段劃分及扣錨索一次張拉的目標，建立拱肋和扣錨索整體模型，設置施工階段模擬拱肋安裝順序，通過限制拱肋及扣塔關鍵節點位移約束，采用未知荷載系數法正裝迭代計算，并根據計算結果結合實際工況手動調整優化部分索力，最終得出1組最優索力，真實指導現場施工。

5.3 拱肋節段扣掛安裝

纜索吊機主吊鉤下設橫向吊裝扁擔梁，分叉段上、下游兩肢獨立吊裝，單肢設4個吊點，合并段整體吊裝設8個吊點。起吊后，調整拱肋空中姿態、安裝就位，兩側設置側風纜進行橫向精調，主管對接口采用匹配件及螺栓臨時固定，安裝扣索并根據監控指令進行張拉，保證安裝線形滿足要求。在斜拉索扣掛狀態下實現主管環縫零彎矩焊接，依次安裝拱肋節段，環縫焊接滯后不得多于2個節段。

6 結語

針對纜索吊機結構形式，通過比選采用纜扣分離、雙塔三跨結構；針對拱肋扣掛方式，通過比較確定取消扣掛分配梁和臨時索、全部采用正式索扣掛張拉方式作為最終方案。鄭萬鐵路奉節梅溪河雙線特大橋按此方案實施，于2019年6月20日開始首節段安裝，10月30日順利完成合龍，施工快捷、質量良好，成拱線形滿足要求，最終合龍口對接精度偏差控制在±2mm。本工程通過比選確定的最終實施方案可供以后同類工程參考借鑒。