懸索吊貝雷片塔架設計與實施

王俊輝

(中鐵二十局集團第二工程有限公司 陜西西安 710014)

1 引言

受地形條件限制，峽谷地貌地區修建橋梁時往往面臨著深切峽谷、岸壁陡峭、跨越寬度大的挑戰，大型起重設備進入困難[1]。在橋型設計時，往往選擇箱形拱橋以節約造價，提高跨越能力，同時選擇纜索吊裝施工，滿足高落差的構件和原材料運輸，以克服因地形、氣候限制導致的施工難度增加，發揮纜索吊裝高效的施工工效，減少投資額度[2-3]。但是采用纜索吊裝對大跨度拱橋施工時，對纜索吊裝系統主體的要求極高，塔架作為纜索吊裝系統的關鍵設備，其設計、安裝直接關系到吊裝的穩定性和安全性。設計一種高效、可裝配化、結構合理、安全性高的塔架體系，滿足纜索吊裝承載力、穩定性和抗變形能力，成為橋梁吊裝施工關注的重點[4]。

郭俊峰[5]根據格魯吉亞B3拱橋為例，展開了施工階段不同工況下的吊裝塔架受力進行計算分析，指出塔架的受力在跑車運行至跨中時最大；林鵬[6]研究了塔架二次橫移技術，解決了吊裝作業空間限制問題，并將成果應用于成貴鐵路鴨池河特大橋施工；鄭鵬鵬等[7]研究了精密傳感器和云數據技術在拱橋纜索吊裝中的應用，實現了纜索軸力、索塔沉降以及錨碇滑移等施工自動化監測；蔣瑋等[8]綜合應用理論推導和數字仿真的研究手段，分析了跑車移動對塔架的影響。

本文以廈蓉高速貴州境畢節至生機段磨刀溝大橋為背景，針對場區地形條件和工程設計背景，基于既有制式器材，設計了貝雷片組拼成人字型桅桿式結構的塔架體系，對塔架承力結構展開了研究，采用有限元程序對纜索吊裝系統受力、整體穩定性和位移進行驗算；依據設計的塔架體系，明確了塔架安裝工藝和橫向移動工藝，并將其成功應用于拱肋吊裝和合龍施工。

2 工程背景

廈蓉高速貴州境畢節至生機段磨刀溝大橋位于畢節市生機鎮田壩村，橋軸線近垂直跨越磨刀溝，橋址區為峰叢山地的峽谷地貌區，峽谷兩岸為懸崖，橋軸線經過的最大切割深度98.23 m，畢節岸為陡斜坡，坡度50°～60°，生機岸為近直立巖壁。

磨刀溝大橋由左、右兩幅組成，每幅橋梁寬度為12 m，左右幅橋之間的凈距離為50 cm，左幅中心里程樁號為K78+012.20，起止樁號為 K77+885.96～K78+158.44，由2聯25 m預應力混凝土T梁、120 m鋼筋混凝土箱形拱、4聯25 m預應力混凝土T梁構成；右幅中心里程樁號為K77+999.70，起止樁號為K77+894.96～K78+106.44，由1聯25 m預應力混凝土T梁、120 m鋼筋混凝土箱形拱、2聯25 m預應力混凝土T梁構成；拱上結構為13.0 m×9.8 m鋼筋混凝土空心板。

如圖1所示，確定懸索吊系統的總體布置為80 m(畢節岸后拉索)+337 m(主索跨)+85 m(生機岸后拉索)。畢節岸塔架中心樁號為K77+826.00 m，距離0＃橋臺臺背為39.96 m；生機岸塔架中心樁號為K78+163.00 m，距離19＃橋臺臺背為4.56 m。畢節岸和生機岸塔架高均為35 m。

圖1 左幅橋梁纜索吊裝系統總體布置

3 懸索吊貝雷片塔架設計

如圖2所示，塔架體系采用既有制式器材貝雷片組拼成“人”字形桅桿式結構，由左右兩個對稱的斜向支撐架組成，塔底設置塔腳鉸構造將塔身與C25混凝土基礎鉸接，塔頂則依靠風纜和主索進行位移控制。該塔架結構為針對此工程獨特的峽谷地貌和施工荷載而設計的塔架體系，塔架采用了既有制式器材貝雷片搭接，具有施工方便、成本較低、可裝配式和重復利用等特點，并已成功申請專利(專利號:CN204325940U)[9]。

圖2 貝雷塔架立面圖

塔架每個節段為4片貝雷片①組拼成矩形截面的貝雷桁架，并在四角利用連接件④(M38 mm螺栓)在支撐架連接孔位置連接兩貝雷桁架形成整體受力，同時在柱內每間隔3 m設置水平支撐架⑤。在塔架頂部設置橫向支撐架⑥、⑦、⑧、⑩、[11]，用于左右側立柱間平面和立面連接；在塔架底部設置橫向支撐架⑨、[12]，用于左右側立柱間下部平面和立面連接。塔頂設工字鋼上、下分配梁③，用于支承主索鞍及扣索、工作索座滑輪，并將懸索系統傳遞來的荷載分配到塔頂各節點上。塔腳設置滑槽，滑槽利用地腳螺栓進行固定，塔架正對所安裝箱肋設置，每安裝完成一肋(5段)拱箱，進行一次塔架的橫向移動，移動時的動力依賴千斤頂頂升力，推動塔腳在滑道內滑移，并通過收緊和放松縱橫向風纜維持塔架的垂直和穩定；橫移到位后，將塔腳用鋼銷鎖死。所提出的索塔體系具有拼裝簡單、施工速度快、受力明確等優點，對峽谷地貌大跨度的垂直運輸提供了有力的支撐。

塔頂設計標高確定為拱頂標高、主索垂度fmax、工作高度三者之和，即987.708+24.904+9.000＝1 021.612 m。生機岸塔頂的實際標高為1 021.50 m，C25混凝土基礎頂面的實際標高為986.50 m，塔高35 m；畢節岸塔頂的實際標高為1 029.00 m，C25混凝土基礎頂面的實際標高994.00 m，塔高35 m。兩岸塔架頂部橫橋向寬度均為3.77 m，塔腳橫橋向寬度均為5.272 m，塔架縱橋向寬度均為1.50 m。索塔鋼材總重61.4 t，貝雷桁架材質為16 Mn，上、下分配梁及塔腳鉸材質為Q235鋼材[10]。

由于兩岸塔架結構一致，且畢節岸塔架豎直作用力較大，因此，按最不利原則選取畢節岸塔架做位移、受力和穩定性控制計算。貝雷片塔架屬于空間桿系結構，可建立有限元模型(見圖3)進行計算。按最大受力控制原則，分別對3種工況進行塔架受力分析，即整個懸索吊系統的運輸狀態分別為畢節岸塔前15 m起吊工況、拱箱運輸至纜索跨中工況、生機岸拱腳段就位工況。除此之外，還對每個工況條件下吊運邊箱時后拉索對塔架的最大橫向水平力進行了計算。計算綜合考慮了主索、扣索、工作索、起吊牽引索及風纜索的共同作用[11-12]。計算結果表明，畢節岸塔架在拱箱運輸至主索跨跨中時由主索、工作索、扣索等產生的塔頂豎向壓力最大，最大豎直壓力為3 133.678 kN(水平力由風纜和主索后拉索克服)，塔架各單元軸力計算結果見圖4。

圖3 塔架計算模型

圖4 塔架軸力

貝雷桁架最大受力計算結果:弦桿2 10槽鋼:Nmax＝-342.493 kN＜[N]＝560 kN；斜桿 8工字鋼:Nmax＝-37.610 kN＜[N]＝171.5 kN；豎桿 8工字鋼:Nmax＝-86.556 kN＜[N]＝210 kN。可見，貝雷桁架強度滿足要求。

另根據《鋼結構設計規范》(GB 50017—2003)，對塔架(取單肢)按格構式中心受壓構件進行了整體穩定性計算，計算結果:Nmax/(φxA)＝119.720 MPa＜[σ] ＝200 MPa；Nmax/(φyA) ＝109.298 MPa＜[σ] ＝200 MPa。整體穩定性也滿足要求。

塔頂位移根據主索和塔架后風纜的彈性伸長量按幾何關系進行換算得到。當最重段拱箱吊運至索跨跨中時，不考慮配重及沖擊系數的情況下，畢節岸計算塔頂最大縱向位移348.3 mm，生機岸計算塔頂最大縱向位移378.9 mm。

4 懸索吊貝雷片塔架實施

4.1 貝雷片塔架塔腳臨時固結

纜索吊塔架為制式器材貝雷片組拼結構，塔架拼裝時必須對塔腳進行臨時固接，如圖5所示。用15 cm×20 cm方木搭成井字架，對塔腳鉸進行支撐固接，方木與方木之間用φ12 mm抓釘固定。拼裝至8 m以上高度后，應設置臨時風纜對塔架進行穩定，然后每升高8 m，調整一次臨時風纜，上端風纜設置完成后，才能解除下端風纜。

圖5 塔腳臨時固結措施

4.2 貝雷片塔架拼裝

貝雷片塔架安裝分為塔身節段安裝、橫向支撐架、塔頂上下分配梁安裝。

如圖6所示，在拼裝區域將貝雷桁架桿件人工拼接成塔身吊裝節段，運輸至吊裝區域，利用獨腳拔桿配合卷揚機滑車組提升貝雷桁片，通過立柱四角連接件(M38 mm螺栓，圖2中④)在支撐架連接孔位置連接上下兩個貝雷桁架，按照圖2的結構設計，依次循環拼裝至塔頂；橫向支撐架⑥～[12]也采用人工散拼方式預先拼接完成，按照塔身階段相同的提升方式，從塔腳向塔頂依次安裝橫向支撐架；最后安裝塔頂設上、下分配梁，上分配梁為2 32b工字鋼并在外翼緣用12 mm厚鋼板封焊成箱形截面，下分配梁為2 28b工字鋼，內側兩根下分配梁上下翼緣各焊接2塊16 mm厚鋼板加強，腹板各焊接10 mm厚鋼板加強。下分配梁下端與貝雷桁架通過鋼銷(貝雷架標準鋼銷)連接，上分配梁連續彈性支承于下分配梁上。

圖6 貝雷片塔架塔身節段橫截面

塔架拼裝完成后，檢測各塔架的垂直度，調整永久纜風繩，使各塔架垂直。接著將各塔架底臨時支腿脫空，所有塔底轉換成鉸接。再調整塔架傾斜度，塔頂可向后錨碇方向預傾10 cm左右。

4.3 貝雷片塔架橫移

由于千斤頂頂推比卷揚機牽引更平穩，因此在塔架橫移時，塔腳通過千斤頂頂推進行橫移(見圖7)，塔頂通過橫向風纜穩定和調整軸線。具體橫移步驟如下:

圖7 塔腳千斤頂頂推示意

(1)拆除塔腳定位鋼銷(在拆除前，在塔架兩側60 cm左右應設置限位保險鋼銷，防止塔腳突然滑移失穩)，在滑槽內表面涂抹黃油以減小滑動摩擦力。

(2)安裝反力座并用定位鋼銷限位，然后安裝ZDL60連續頂推千斤頂，在千斤頂與塔腳之間，墊硬質雜木墊塊使其保持整體平面接觸，同時在各塔腳之間設置20 cm×20 cm臨時木撐以保證頂升力的傳遞并避免頂壞塔腳結構。

(3)開動千斤頂油泵慢慢頂推塔腳，同時慢慢收緊前進方向側橫向風纜和放松另一側橫向風纜，使塔架橫軸線基本保持豎直，并隨時通過經緯儀觀測塔架橫向豎直度，若塔頂橫向偏移大于15 cm，應暫時停止頂推，通過風纜調正后再進行頂推橫移作業；若千斤頂行走到最大行程，可暫時停止橫移，將反力座前移一定距離后繼續橫移作業，至塔架橫移到位為止。

(4)拆除千斤頂和反力座，用鋼銷定位塔腳，通過風纜調正塔架縱橫軸線，準備下一肋拱箱的安裝。

橫移過程中應注意塔架所有風纜的調整，以保持塔架的穩定；橫移到位后，應通過風纜調正塔架的縱橫軸線，若調正較困難，必要時可放松塔頂主索索卡(但不取螺帽)，調正塔架后，再將主索在塔頂卡緊。

5 結論

以廈蓉高速貴州境畢節至生機段磨刀溝大橋為背景，對峽谷地區大跨度拱橋的貝雷片塔架設計和施工進行研究，得出以下幾個結論:

(1)基于既有制式器材貝雷片，針對此工程獨特的峽谷地貌和施工荷載設計了塔架體系，采用有限元程序對塔架受力、整體穩定性和塔頂位移進行驗算。研究表明，提出的索塔體系安全可靠、受力明確、穩定性強、拼裝簡單、施工速度快，有力地保障了拱橋的順利施工。

(2)采用提出的貝雷片塔架體系，明確了索塔的塔腳臨時固結、塔架拼裝及橫移等施工技術關鍵點，工程實踐表明，貝雷片塔架體系運行狀態良好，經濟高效地完成了磨刀溝大橋的吊裝作業，并將塔架結構成功申請專利，有利于該貝雷片塔架的應用推廣。