大跨度拱橋纜索吊裝系統(tǒng)施工技術(shù)分析

余永亮， 莊宏飛， 馬增權(quán)， 保云輝

(西雙版納瀾滄江黎明大橋建設(shè)指揮部，云南 西雙版納 666101)

0 引 言

纜索架橋設(shè)備具有跨越能力大、水平和垂直運(yùn)輸機(jī)動(dòng)靈活、適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，因此目前在修建公路拱橋時(shí)較多采用纜索吊裝施工法[1]。纜索吊裝方法在廣泛的實(shí)踐中積累了較為豐富的經(jīng)驗(yàn)。例如，2020年底建成并通車的“世界第一拱橋——平南三橋”[2]主跨徑達(dá)到575 m，采用纜索吊裝施工，主拱肋實(shí)現(xiàn)高精度合龍，和龍口對(duì)接誤差小于3 mm。

對(duì)于大跨度拱橋施工而言，纜索吊裝法存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工難度大等問題。本文介紹了位于西雙版納瀾滄江主跨310 m拱橋纜索吊裝系統(tǒng)施工技術(shù)，主要包括：索鞍安裝；主索、牽引索及起重索安裝；纜風(fēng)系統(tǒng)施工；錨碇系統(tǒng)施工；扣錨索系統(tǒng)施工；纜索系統(tǒng)試吊及對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)方法。

1 工程概況

云南西雙版納黎明大橋位于景洪市流沙河與瀾滄江交匯口南側(cè)，河面寬約300 m。水位波動(dòng)較大，有通航要求，兩側(cè)地形陡峭。該橋主橋結(jié)構(gòu)采用中承式鋼箱系桿拱橋，跨徑布置為(65+310+65)m；拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)m為2.2，矢高為77.5 m，矢跨比為1/4；飛燕線形采用直線段加懸鏈線，懸鏈線段跨徑為116 m，矢高28.919 3 m，拱軸系數(shù)m為8.5的半拱。道路等級(jí)為一級(jí)公路，雙向四車道布置，設(shè)計(jì)時(shí)速為60 km/h，設(shè)計(jì)荷載公路—I級(jí)。采用纜索吊裝施工方法，飛燕及主拱混凝土采用支架現(xiàn)澆，鋼箱拱肋及格構(gòu)梁采用吊裝施工。鋼箱拱及格構(gòu)梁均在鋼結(jié)構(gòu)加工廠制作，試拼組裝完成后，拆成單元件，現(xiàn)場(chǎng)通過纜索吊裝系統(tǒng)起吊、安裝。纜索吊機(jī)總體布置如圖1所示。

圖1 纜索吊機(jī)總體布置(單位：cm)

2 纜索吊裝系統(tǒng)施工

2.1 索鞍安裝

主索索鞍布置于索塔頂上，由索鞍座、索鞍、起重牽引索過輪等構(gòu)件組成，索鞍在加工廠按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行加工后運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)，采用塔吊配合人工進(jìn)行垂直、水平運(yùn)輸及安裝就位，安裝至準(zhǔn)確位置后栓結(jié)固定。索鞍結(jié)構(gòu)立面圖如圖2所示。

圖2 索鞍結(jié)構(gòu)立面圖(單位：cm)

2.2 臨時(shí)牽引施工

首先在南、北岸均布置20 t 牽引卷揚(yáng)機(jī)，將牽引鋼繩(φ36 mm)運(yùn)輸至兩岸卷揚(yáng)機(jī)處，并纏繞到容繩器上。在兩岸索塔塔頂布置5 t卷揚(yáng)機(jī)，卷揚(yáng)機(jī)中鋼繩直徑為16 mm。將鋼繩從塔頂下放到塔底，再由人工將鋼繩牽引至兩岸卷揚(yáng)機(jī)場(chǎng)處，將上述已經(jīng)備好的牽引鋼繩繞過牽引卷揚(yáng)機(jī)與φ16 mm鋼繩相連，啟動(dòng)塔頂5 t卷揚(yáng)機(jī)，將φ36 mm牽引鋼繩牽拉至兩岸各自塔頂。

將北岸φ16 mm鋼繩下放至塔底中跨側(cè)，通過拖船將φ16 mm鋼繩拖拉過江，在南岸用塔吊將過江后的φ16 mm鋼繩提升至北岸塔頂，將φ16 mm鋼繩與φ36 mm鋼繩連接。啟動(dòng)北岸塔頂5 t卷揚(yáng)機(jī)，將北岸塔頂36 mm鋼繩牽引過江至南岸塔頂，連接兩岸36 mm鋼繩形成臨時(shí)牽引系統(tǒng)。

2.3 主索安裝

主索采用Φ60(8×36WS+PFRC—1960)鋼絲繩，共16根(單幅8根)單根配置長(zhǎng)度1 000 m。為避免索塔偏載，左、右幅主索應(yīng)對(duì)稱進(jìn)行架設(shè)。上下游主索吊裝對(duì)應(yīng)側(cè)鋼箱拱，吊重格構(gòu)梁時(shí)，上下游拱肋同時(shí)起吊。纜索系統(tǒng)塔頂索鞍可橫移，鋼箱拱吊裝時(shí)，索鞍位于距離中線13.25 m的拱箱軸線上，吊裝拱肋風(fēng)撐時(shí)內(nèi)移4.45 m，吊裝格構(gòu)梁時(shí)，兩組主索分別往外側(cè)移動(dòng)2.75 m，以滿足風(fēng)撐、格構(gòu)梁的吊裝空間。主索最大張力為6 611.47 kN，單根主索最大張力為826.4 kN。

在跨中重載工況下，主索最大垂度為f=34.643 m。垂跨比為f/L=1/14，主索空載垂度為f=21.815 m。

考慮到主索在施工過程中需要多次橫移，將所有8根主索通過“U”形繩卡串聯(lián)使用，在錨碇位置設(shè)置串索滑輪組，北岸布置5個(gè)串索滑輪組，南岸設(shè)置4個(gè)串索滑輪組，如圖3所示。其中，將北岸最右側(cè)串索滑輪組設(shè)置為起始固定端，左側(cè)滑輪組設(shè)置為終點(diǎn)固定端。

圖3 主索串聯(lián)布置

2.4 牽引索與起重索的安裝

利用塔頂?shù)? t卷揚(yáng)機(jī)和φ16 mm鋼繩將起吊鋼繩按“臨時(shí)牽引施工”中提到的方法牽引至南岸索塔頂部，穿過塔頂起吊轉(zhuǎn)向滑輪后再在上、下掛架之間進(jìn)行來回繞線并將繩頭臨時(shí)錨固于上掛架上。

將臨時(shí)牽引接頭解除，牽引索按如圖4所示方式牽引滑輪和卷揚(yáng)機(jī)錨碇間繞線，并將牽引索索頭錨固于對(duì)應(yīng)岸牽引索錨碇處。

圖4 牽引索走線布置

在北岸索塔基礎(chǔ)上(中跨側(cè))安裝轉(zhuǎn)向滑輪，將塔頂φ16 mm鋼繩放下繞過轉(zhuǎn)向滑輪，用塔吊將φ16 mm鋼繩提升至塔頂與下掛架相連，放松起吊卷揚(yáng)機(jī)，收緊塔頂5 t卷揚(yáng)機(jī)將下掛架下拉至索塔基礎(chǔ)處臨時(shí)錨固，然后安裝吊點(diǎn)配重。

解除塔頂與行走小車之間的臨時(shí)連接、下掛架與索塔基礎(chǔ)的臨時(shí)連接，收緊南岸牽引卷揚(yáng)機(jī)，放松北岸起吊、牽引卷揚(yáng)機(jī)，將行走小車及吊點(diǎn)牽引至南岸塔頂處，然后根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙對(duì)牽引索進(jìn)行繞線并錨固，以及將起吊索牽引至南岸起吊索錨固處錨固。

起重索用于控制吊運(yùn)構(gòu)件的升降(即垂直運(yùn)輸)。其一端纏繞于一岸的卷揚(yáng)機(jī)滾筒上，另一端經(jīng)過滑輪組，纏繞于對(duì)岸的起重卷揚(yáng)機(jī)卷筒上，由兩臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)承載一臺(tái)跑車，可提高纜吊系統(tǒng)的工作效率。起重索走線布置如圖5所示。

圖5 起重索走線布置

2.5 纜風(fēng)系統(tǒng)施工

為控制索塔在吊裝時(shí)主索、起重索、牽引索、工作索產(chǎn)生的不平衡水平力，并控制塔頂偏位，在兩岸索塔上、下游分別設(shè)置2組縱向纜風(fēng)索。北岸索塔縱向纜風(fēng)索為28φs15.24，初始張力為700 kN，通纜風(fēng)索為10φ15.2，初始張力為560 kN，南岸索塔縱向纜風(fēng)索為26φs15.24，初始張力為670 kN。纜風(fēng)索布置如圖6所示。

圖6 纜風(fēng)索布置

2.6 錨碇系統(tǒng)施工

本項(xiàng)目錨碇采用扣吊錨合一設(shè)計(jì)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，南、北兩岸錨碇均布置為重力式錨碇形式。每岸設(shè)置2個(gè)錨碇，全橋共4個(gè)錨碇。錨碇開挖根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)情況，可采用1∶0.75放坡開挖，錨碇基坑開挖前需提前做好周邊臨時(shí)排水溝。開挖完成后，及時(shí)清理基地，檢驗(yàn)基地承載力，并做好集水坑，做好排水措施。基坑開挖完成后，及時(shí)做好臨邊防護(hù)措施及人員上下通道。

錨碇結(jié)構(gòu)尺寸確定為18.0 m×12.0 m×8.0 m，尾部設(shè)置牛腿做為主索串索滑輪錨固端。錨索及背抗風(fēng)在澆筑混凝土?xí)r預(yù)埋鋼管，混凝土澆筑前采用L75×7 mm澆鋼做定位鋼支架，施工時(shí)需仔細(xì)復(fù)核預(yù)埋鋼管的角度，鋼管具體尺寸根據(jù)錨索根數(shù)確定。由于牽引索及起重索的錨固及牽引均布置在錨碇上，錨碇澆筑前需注意相關(guān)預(yù)埋件的埋設(shè)。錨碇布置如圖7所示。

圖7 錨碇布置

2.7 扣、錨索系統(tǒng)

扣、錨索采用Φj15.24(Rby=1 860 MPa)鋼絞線，張拉端設(shè)置在索塔上。鋼絞線按對(duì)應(yīng)的扣、錨索的施工期間最大索力進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，具體扣錨索索力由監(jiān)控單位以指令形式提供。

3 纜索系統(tǒng)試吊及監(jiān)測(cè)

本吊裝系統(tǒng)以最大吊重為100 t進(jìn)行試吊工作。為了操作方便，利用鋼筋及型鋼作為試吊配重，行走完索跨全程后做各個(gè)項(xiàng)目檢查。

試吊裝前，在地錨、主纜、鋼纜接頭及索塔頂部做好標(biāo)記，派專人觀察并及時(shí)報(bào)告變形情況。吊重運(yùn)輸?shù)娇缰袝r(shí)，應(yīng)觀察并記錄各級(jí)荷載的工作垂度。若誤差較大，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

試吊步驟：卷揚(yáng)機(jī)分次受力→檢查系統(tǒng)各部位受力情況→起吊部分距基準(zhǔn)面10 cm→再次檢查各部位受力情況→牽引系統(tǒng)運(yùn)至跨中→測(cè)試數(shù)據(jù)→試吊物運(yùn)回。

地錨：在地錨上設(shè)定標(biāo)志點(diǎn)，用全站儀觀測(cè)起吊后有無位移變形。

主索：試吊前測(cè)量空載下的垂度，起吊后運(yùn)輸至1/2跨時(shí)，再測(cè)重載下的最大垂度。觀測(cè)方法是在兩岸河堤上適當(dāng)?shù)胤酱_定一控制點(diǎn)，測(cè)量控制點(diǎn)高程和距跨中距離，在控制點(diǎn)上布置全站儀，觀測(cè)主索跑車位置，讀出所測(cè)量豎直角，即可算出垂度值，與計(jì)算值進(jìn)行比較?？捎妙l譜分析儀測(cè)試主索索力，與計(jì)算值進(jìn)行比較。

索塔：在塔頂安裝水平標(biāo)尺，用全站儀分別從上、下游和主橋軸線兩個(gè)方向測(cè)量塔頂位移。根據(jù)施工規(guī)范，塔頂最大偏移應(yīng)控制在[δ]=H/400內(nèi)。可用貼電阻應(yīng)變片的方法測(cè)量索塔不利位置結(jié)構(gòu)內(nèi)力，與計(jì)算值進(jìn)行比較。

各結(jié)構(gòu)詳細(xì)監(jiān)測(cè)方法如下：

(1) 主索最大垂度：試吊采用最大節(jié)段重量，參照標(biāo)高為兩岸索塔連線標(biāo)高，采用全站儀進(jìn)行懸高測(cè)量。

(2) 索塔位移：分為兩個(gè)測(cè)量階段，一是測(cè)量纜風(fēng)索初張力作用下的最大位移情況；二是測(cè)量每次加載后索塔位移情況。將數(shù)據(jù)匯報(bào)給指揮小組，由其制定出調(diào)整措施。

(3) 索塔基礎(chǔ)沉降量：基礎(chǔ)施工完成后測(cè)量基礎(chǔ)頂面的標(biāo)高，記錄原始數(shù)據(jù)，索塔及纜索施工完成后測(cè)量一次，再與試吊過程中所測(cè)量的基礎(chǔ)標(biāo)高進(jìn)行比較，計(jì)算基礎(chǔ)沉降量。

(4) 地錨位移量：在地錨位置做好標(biāo)記，在試吊時(shí)觀測(cè)并記錄吊運(yùn)過程中地錨是否有位移，并及時(shí)將位移變化量反饋到指揮小組。

(5) 塔頂結(jié)構(gòu)、索塔桿件、緊固件的局部變形情況：通過目測(cè)、敲擊、辨別異常聲音等手段檢查。

(6) 檢查索塔頂座滑輪、橫移系統(tǒng)、牽引索、起重索、滑輪組的動(dòng)作情況，以及跑車、卷揚(yáng)機(jī)組的行走和運(yùn)轉(zhuǎn)速度。

(7) 纜索吊裝設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，檢查供電系統(tǒng)和設(shè)備線路是否滿足要求。

(8) 檢查通信設(shè)備是否足夠，并檢查是否能夠保持清晰通話。

填寫試吊及測(cè)量結(jié)果記錄表，檢查填好各項(xiàng)測(cè)量數(shù)據(jù)。各觀測(cè)小組在整個(gè)試吊過程中應(yīng)隨時(shí)用對(duì)講機(jī)與吊裝指揮臺(tái)保持聯(lián)系，以便指揮臺(tái)及時(shí)處理異常情況。試吊成功后方能正式吊裝。

4 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了黎明大橋纜索吊裝系統(tǒng)施工中索鞍安裝、臨時(shí)牽引施工、主索安裝、牽引索與起重索安裝、纜風(fēng)系統(tǒng)施工、錨碇施工、扣錨索系統(tǒng)施工。本文對(duì)吊裝系統(tǒng)試吊技術(shù)及各結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了詳細(xì)說明，可為大跨度拱橋纜索吊裝施工提供有效的工程參考。