新型纜索吊機在武忻高速新圩紅水河特大橋中設(shè)計及應(yīng)用

許建文，陳召桃

（1．廣西新發(fā)展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029；2．廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530200）

0 引言

無支架纜索吊裝施工法作為跨越河流峽谷工程施工的主要方法，已被應(yīng)用于越來越多的大跨徑拱橋的拱肋安裝。在已建的數(shù)座鋼管混凝土拱橋中，尤其是跨徑超過150 m的拱橋，大多都采用該方法安裝拱肋[1]。據(jù)統(tǒng)計，鋼管混凝土拱橋拱肋的架設(shè)主要采用轉(zhuǎn)體施工法、纜索吊裝法和支架施工法，也有少數(shù)橋梁采用了懸臂拼裝等方法，目前近70%的鋼管混凝土拱橋拱肋架設(shè)方法采用纜索吊裝施工技術(shù)[2]。

新圩紅水河特大橋斜拉扣掛體系扣塔設(shè)計為裝配化鋼管格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，塔架縱向、豎向設(shè)計模數(shù)為4 m，橫向為4．9 m，桿件均為標準件，采用螺栓連接，立柱主管采用法蘭盤連接，水平桿、水平斜桿及立面斜桿與豎向主管采用節(jié)點板連接。塔架可依據(jù)受力狀態(tài)進行排列組合，通用性強，周轉(zhuǎn)使用率高，安拆便利。本文主要介紹新型纜索吊機的設(shè)計及應(yīng)用，開展快速安拆裝配化塔架設(shè)計及智能化纜索起重機控制系統(tǒng)研究和優(yōu)化斜拉扣掛一次張拉計算理論深化研究。

1 工程概況

1.1 工程概況

YK109+102新圩主線紅水河特大橋是武宣—來賓—合山—忻城公路一座特大型中承式鋼管混凝土拱橋，位于來賓市忻城縣新圩鄉(xiāng)丹靈村和紅渡鎮(zhèn)馬蹄村天六屯，橋梁橫跨紅水河，上跨省道S510和縣道X652，主橋長 354 m（計算跨徑 325 m），拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數(shù)為1．5，計算矢跨比為1/4．513 888 89，主拱采用鋼管混凝土桁式結(jié)構(gòu)，整束擠壓鋼絞線吊索體系，橋面主梁采用格構(gòu)式鋼-混凝土組合梁，兩岸拱座為重力式抗推力結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。主線橋主線橋面寬31．4 m，雙向4車道布置。

下游側(cè)新圩連接線紅水河特大橋同橋型、同跨徑、同懸鏈線并列布置，主墩基礎(chǔ)為擴大基礎(chǔ)，兩橋橋面間凈距5．02 m，兩橋共用基礎(chǔ)。連接線主橋橋面寬18．9 m，采用雙向2車道。

1.2 新型纜索吊機塔架設(shè)計

1.2.1 塔架總體設(shè)計

纜索吊裝系統(tǒng)塔架采用大型鋼管搭設(shè)，塔腳固結(jié)，扣掛合一，裝配化鋼管格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，塔架縱向、豎向設(shè)計模數(shù)為4 m，橫向為4．9 m。

圖1 塔架總體布置圖（武忻高速新圩岸左、紅渡岸右） （單位：mm）

1.2.2 塔架快速安拆設(shè)計

塔架安裝使用C7036型塔吊，采用塔吊進行立桿鋼管、水平桿、斜桿、橫聯(lián)、塔頂?shù)鹊陌惭b，地面拼裝成單元后，高空進行單元吊裝。安裝單元劃分：安裝單元為立桿片裝單元、橫聯(lián)單元、平臺單元、塔頂單元，安裝快捷。吊裝單元設(shè)計如圖2所示。

圖2 吊裝單元設(shè)計圖

1.3 新型纜索吊機電氣控制系統(tǒng)設(shè)計方案

起重機電氣控制系統(tǒng)設(shè)計包含電源系統(tǒng)、拖動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)整套纜索起重機集成控制，提高纜索起重機運行速率及安全性。

電源系統(tǒng)：重機兩岸各自采用獨立供電方式。供電電源為 AC 380 V，50 Hz 三相五線，控制電源為 AC 220 V，50 Hz 和 DC24 V。安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置UPS 電源，滿足斷電情況下工作30 min的工作時間。動力系統(tǒng)：采用變頻卷揚機，運行更穩(wěn)定。電機末端設(shè)有速度編碼器，將電機轉(zhuǎn)速反饋給變頻器，實現(xiàn)精確速度控制?？刂葡到y(tǒng)：系統(tǒng)選用可編程控制器 PLC 作為控制核心，南北兩岸集裝箱均設(shè)有 CPU，CPU 之間、CPU與各分站之間通過通信連接。通信系統(tǒng)：系統(tǒng)在通信中斷時纜機能自動停機，并具有通信中斷的自診斷功能。安全監(jiān)控系統(tǒng)：包括監(jiān)控參數(shù)設(shè)計、處理單元設(shè)計、可視監(jiān)控設(shè)計、安全保護設(shè)計。

1.4 優(yōu)化斜拉扣掛一次張拉計算設(shè)計方案

拱肋安裝采用CFST 拱橋斜拉扣掛施工優(yōu)化計算方法，基于Midas Civil2020、AcrOPT-2．0 廣西路橋斜拉扣掛優(yōu)化計算程序進行分析，實現(xiàn)扣索一次張拉成型，且安裝過程各扣索力變化不大，拱肋線形接近裸拱目標線形，整體安裝快捷、安全、精準。

基于《CFST 拱橋斜拉扣掛施工優(yōu)化計算方法》（韓玉，秦大燕， 鄭?。斑^程最優(yōu)，結(jié)果可控”斜拉扣掛施工優(yōu)化一次調(diào)索計算理論，對各吊裝施工過程中的線形和各扣索索力隨著封拱鉸時機的變化規(guī)律進行計算，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行深化研究。

1.4.1 影響矩陣法原理

如圖3所示的CFST拱為例，進一步介紹影響矩陣法的計算分析原理。

圖3 CFST拱

CFST拱橋施工過程中各扣索索力荷載主要包括結(jié)構(gòu)恒荷載產(chǎn)生的荷載效應(yīng)、其他扣索張拉和索自身變形產(chǎn)生的荷載效應(yīng)等部分。基于疊加原理，可得到式（1）所示影響矩陣方程：

式中，Euser指各控制點的目標位移向量；f為各扣索初拉力荷載向量；Econst為考慮施工階段恒載作用下各拱段控制節(jié)點的位移向量；M為各單位扣索力單獨作用下形成的影響矩陣，即當1號扣索索力為1時，各控制點位移為{i1}（i=1，2，…，11，12），同理扣索j索力為1時，各控制點位移為{ij}（i=1，2，…，11，12），因此，該影響矩陣M如下：

然后，結(jié)合方程式（2）和線性代數(shù)的相關(guān)理論，可得到各扣索初拉力荷載向量f：

1.4.2 拱肋吊裝施工優(yōu)化模型

其優(yōu)化模型如下：

式中：x為扣索初拉力荷載；u1（x）為當前安裝拱肋節(jié)段并張拉扣索所對應(yīng)的懸臂端控制點位移；u2（x）為安裝橫聯(lián)后的各懸臂端控制點位移向量；un（x）為各控制點合龍松索位移向量；ut為目標位移向量；M1，M2，Mn為不同施工階段下的影響矩陣；C1， C2，Cn為已知荷載量對狀態(tài)變量的影響向量；T0為安裝預(yù)抬高值為0時的荷載向量；u為合龍松索后各控制點位移偏差限值；uh（x）為各拱肋拼裝階段各控制點的預(yù)抬高值。

所有扣索力均按一次張拉進行計算，以成拱松索后的變形與裸拱自重變形差在可控范圍內(nèi)為控制目標，同時將安裝過程中拱肋線性控制在最小。

1.4.3 深化研究

合攏松索后，各控制點位移 Un與目標線形Ut位移差的絕對值u直接決定優(yōu)化效果，根據(jù) CFST 拱橋斜拉扣掛施工優(yōu)化計算方法計算優(yōu)化目標函數(shù) f（x）與u的關(guān)系曲線如圖4所示，由于u 表示合攏松索后實際線形與目標線形的偏差， 優(yōu)化目標函數(shù) f（x）表示各施工過程中實際線形偏離目標線形的程度， f（x）與u分別表示“過程偏離程度”和“結(jié)果偏離程度”。

如圖4所示，在保障線形的前提下且施工方案實施經(jīng)濟性良好的情況下，后續(xù)索力優(yōu)化均取u=10 mm，遠小于規(guī)范要求的允許值L/3000=108 mm（《鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB 50923—2013）第 11．2．7 規(guī)定“鋼管拱肋架設(shè)拱圈高程允許偏差±L/3 000，其中L為拱肋的計算跨徑”）。

圖4 norm_T 與u 關(guān)系曲線

根據(jù)f（x）函數(shù)修正計算模型（圖5），計算出拱肋線形變化及索力變化（圖6、圖7），結(jié)果顯示吊裝線形與目標線形接近，且初張索力與最大索力變化較小，表明整個線形良好且結(jié)構(gòu)安全。

圖5 主線橋與連接線橋計算模型

圖6 拱肋線形分析（左主線，右連接線）

圖7 拱肋扣索力分布分析（左主線，右連接線）

分析結(jié)果顯示，拱肋線形、索力變化均符合預(yù)期目標。

2 實施效果

2.1 纜索起重機裝配化塔架安裝

紅渡岸塔架高132．9 m，塔架桿件共7 126個桿件、84 272個螺栓，自2022年5月中旬開始安裝，至7月31日封頂，其間由于雨天、大風等停工18 d，實際施工時間59 d，塔架安裝快捷，塔頂偏位未超12 cm，無墜物事件，較同期一項目萬能桿件塔架快50%，受雨天影響有所窩工，較一般萬能桿件節(jié)省勞務(wù)費、設(shè)備費64．3萬元。

2.2 智能化纜索起重機設(shè)計及斜拉扣掛優(yōu)化算法

目前纜索起重機控制系統(tǒng)已進場，完成部分系統(tǒng)安裝，斜拉扣掛一次張拉成型優(yōu)化計算方法已復核完成，技術(shù)方案實施過程中也取得較好效果。

3 新型纜索吊機特點優(yōu)勢及主要技術(shù)創(chuàng)新點

3.1 新型纜索吊機特點優(yōu)勢

新型纜索吊機利用若干標準單元件和索鞍單元件拼裝而成，塔架各桿件通過螺栓連接，易于安裝與拆除，在搭設(shè)速度及最大高度上都優(yōu)于傳統(tǒng)塔架。裝配化鋼管格構(gòu)式結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)的萬能桿件優(yōu)勢在于以下4點。

（1）纜索吊機裝配化塔架較萬能桿件節(jié)省50%工期，無墜物事故，較一般萬能桿件節(jié)省勞務(wù)費、設(shè)備費省至少79萬元，塔架垂直度滿足H/600需求。

（2）在地面拼裝成片裝再起吊至高空安裝，每個8 m高的片裝體的立柱高空安裝施擰螺絲只有32個螺栓，安全系數(shù)大幅度提高。

（3）利用智能系統(tǒng)及斜拉扣掛一次張拉成型優(yōu)化計算方法，實現(xiàn)1天安裝1個拱肋節(jié)段實效。拱肋安裝斜拉扣掛一次張拉成型，安裝后無須再次調(diào)索，應(yīng)用CFST 拱橋斜拉扣掛施工優(yōu)化計算方法，就兩岸塔架遠離拱肋、連接線拱肋上下游扣索不對稱特殊性進行深化研究，提出最佳控制索力及節(jié)段安裝預(yù)抬高值。

（4）纜索起重機電氣控制系統(tǒng)集成化設(shè)置，電信號協(xié)調(diào)控制32臺卷揚機，提高纜索起重機運行的安全性。

本項目主要以深化研究新型纜索起重機設(shè)計、拱肋懸臂拼裝斜拉扣掛設(shè)計，以實現(xiàn)快速、優(yōu)質(zhì)、安全施工，提高施工效率，解決密集村落環(huán)境中鋼管混凝土拱橋建設(shè)“拱肋安裝”核心復雜問題，提高拱橋核心競爭力。目前，所研究的項目在世界第一拱天峨龍灘特大橋及已開工的多座拱橋上同步應(yīng)用，對推動拱橋發(fā)展具有戰(zhàn)略性意義。

3.2 主要技術(shù)創(chuàng)新點

技術(shù)創(chuàng)新需求主要來源于現(xiàn)場施工組織難題，本項目著重解決項目位于密集村落修建大跨徑拱橋安全性的需求，先后進行大體積快速澆筑方案研究、纜索吊機塔架模塊化單元化快速安拆研究、纜索吊機控制系統(tǒng)集成化研究、斜拉扣掛一次張拉深化研究。

（1）纜索吊機裝配化塔架水平桿、水平斜桿及立面斜桿與豎向主管采用螺栓連接，可以實現(xiàn)自由排列組合，滿足任何工序要求。結(jié)構(gòu)安裝在地面拼裝為單元后再進行吊裝，塔架結(jié)構(gòu)螺栓安裝施工工作量70%以上在地面完成，有效降低高空施工安全風險，塔架安裝效率提高近50%。

（2）纜索吊機電氣控制系統(tǒng)，可集中控制復雜纜索起重機，具備完善的安全保護系統(tǒng)。一是采用變頻起動和制動，減少設(shè)備機械沖擊，穩(wěn)定多擋速度運行，延長傳動機構(gòu)的壽命；二是采用光纖以太網(wǎng)通信，實現(xiàn)遠程操作、集中操控；三是PLC強大故障診斷及判斷功能，實現(xiàn)準確識別控制系統(tǒng)運行故障，及時發(fā)出預(yù)警并進行停機保護；四是PLC配合工控機與人機界面，實現(xiàn)視頻監(jiān)控同步向操作人員展示功能的同時，便于操作人員快速查詢系統(tǒng)運行情況；五是通過可編程控制器編程建立邏輯控制，實現(xiàn)纜索起重機多模式運行，操作簡便，大幅度提高工作效率，降低施工難度，實現(xiàn)智能化施工，提升本質(zhì)安全性；六是減員增效，相對傳統(tǒng)接觸器、繼電器，整套系統(tǒng)操作人員由30人縮減至1～2人。

（3）斜拉扣掛優(yōu)化計算理論，扣索張拉一次成型，吊裝過程無須進行調(diào)索，且吊裝過程各節(jié)段扣索力變化均勻，結(jié)構(gòu)安全，線形變化與裸拱線形目標值接近，線形安裝精度高。

4 結(jié)語

新圩紅水河特大橋整個塔架通過連接板用高強度螺栓進行連接，塔架標準段的拼裝和拆卸簡單、速度快，拼裝效率高，有利于工程質(zhì)量控制，大大縮短工期，降低施工成本，效益顯著[3]。索塔作為纜索吊的主要承重構(gòu)件之一，理論計算強度須滿足規(guī)范要求，按方案拼裝完成后須經(jīng)施工單位公司驗收和特種設(shè)備檢測研究院檢測合格并試吊完成，同時應(yīng)加強索塔的應(yīng)力及變形監(jiān)測，方能保障新型纜索吊機系統(tǒng)的正常運行。

拱橋用纜索起重機塔架常規(guī)為萬能桿件式，安裝基本在高空進行且安裝效率低、高空作業(yè)量大、結(jié)構(gòu)強勁性較弱。本項目裝配式塔架的研究，采用標準桿件，重型結(jié)構(gòu)立柱及通用性腹桿，實現(xiàn)地面拼裝再吊裝，使得至少60%的塔架安裝作業(yè)量在地面完成，減少高空作業(yè)強度及時間，配合內(nèi)爬升免拆施工平臺，有效降低安全風險。由于結(jié)構(gòu)按8 m每個格構(gòu)進行單元設(shè)計，安全速率較萬能桿件提升50%以上，采用塔吊分單元吊裝，設(shè)備、人員投入減少，施工機械化程度提升，較同類型工程建設(shè)投入降低20%左右。本項目纜索起重機控制系統(tǒng)及斜拉扣掛系統(tǒng)正運行中，結(jié)合其他項目的實際應(yīng)用來看，具有技術(shù)先進、安全可靠、效益明顯等特點。