峽谷陡峭地形250t 下河吊機設計與建造關鍵技術?

周 文，王 保，朱志鋼

（1.中南大學土木工程學院，湖南 長沙 410075； 2.中鐵廣州工程局集團有限公司，廣東 廣州 511459）

1 工程概況

1.1 工程簡介

新建拉林鐵路藏木雅魯藏布江雙線特大橋（以下簡稱“藏木特大橋”）位于西藏自治區加查縣桑加峽谷內。 大橋主跨采用中承式提籃鋼管混凝土拱橋，計算跨徑430m、矢高112m、矢跨比1 ∶3.84，提籃拱結構采用4.609 1°內傾角。 拱肋采用變管徑、變厚度耐候鋼材質鋼管，四肢桁式截面，每隔8m 設平聯桿橫向連接，上下鋼管組合截面按懸鏈線方程變高度設計。 藏木特大橋橋式布置如圖1 所示。

圖1 藏木特大橋橋式布置（單位：cm）Fig.1 Layout of Zangmu Grand Bridge（unit：cm）

大橋鋼管拱肋由下而上采用1.6 ～1.8m 變管徑、24～52mm 變厚度耐候鋼材質鋼管，四肢桁式變桁高截面。 全拱由56 個拱肋節段、2 個合龍段、2 個支撐橫梁及多種一字形、N 形、K 形及米字形相結合的橫撐等組成，最大節段吊重250t。

1.2 鋼管拱肋施工方案

主橋鋼管拱肋安裝采用纜索起重機及扣掛法施工［1］，即從兩岸拱座向跨中方向分節段懸臂扣掛拼裝，跨中合龍。 在工廠將拱肋、橫撐等桿件分節段制造完成后，運到預拼場進行節段拼裝，利用250t下河吊機裝船，通過船舶沿雅魯藏布江向下游運輸至橋位，拋錨定位，纜索起重機起吊安裝。

1.3 鋼管拱肋拼裝場設置

在橋位附近沒有場地設置鋼管拱肋拼裝場。在橋位上游7.5km 峽谷頂巖石堆爆破平整后作為拱肋拼裝場，場內設拱肋片狀啞鈴形長段和單元件存放區、拼裝區、拱肋存放區、下河吊機區等。 拼裝區按“2＋1”臥拼模式［2］設置2 幅胎架，每幅胎架長60m、寬16m、高1.3m。 2 臺門式起重機沿軌道拼裝四肢桁式拱肋節段，驗收后轉至拱肋存放區存放。拱肋拼裝場布置如圖2 所示。

圖2 拱肋拼裝場地布置（單位：m）Fig.2 Layout of on-site assembly yard for arch ribs（unit：m）

2 下河吊機設計

2.1 設計方案比選

橋址位于藏木水電站大壩上游1.2km 位置，跨越水深達66m 的雅魯藏布江，橋下水流湍急，河床下切較深。 下河吊機選址處存在地形復雜多變、山體花崗巖風化嚴重且破碎、懸崖陡斜和峽谷內12 級大風、晝夜最大溫差達3℃的不利工況，為解決大橋鋼管拱肋節段翻身和下河運輸裝船難題，因地制宜設計建造出一種下河吊機，最大控制吊重為250t。在吊機建造前，針對橋位實際地形地貌，對鋼管拱肋節段翻身和下河運輸裝船所用的下河吊機（常規2 臺碼頭桅桿式重機［3］抬吊方案和特殊下河吊機方案）進行設計比選，下河吊機設計方案比選如表1所示。

表1 下河吊機設計方案比選Table 1 Comparison and selection of design schemes for lower river crane

經比選，藏木特大橋鋼管拱肋下河吊機選用方案2。

2.2 下河吊機概況

下河吊機長73m、寬42m、高31m，最小凈寬34.2m，最小凈高23.1m，由樁基、承臺、鋼管立柱、鋼管斜壓桿、斜拉桿、主縱梁、縱梁連接系及起重橫梁等組成；其中主縱梁和連接系的弦桿均采用2H700×300、腹桿采用2［40b、平聯采用2H390×300，各桿件均通過節點板連接。 下河吊機立柱和斜壓桿為矩形結構，主縱梁及橫向連接系為矩形桁架結構，起重橫梁截面為雙三角桁架結構，中間設置8 道連接系用于連接和限制起重天車起重區域。下河吊機如圖3 所示。

圖3 下河吊機（單位：cm）Fig.3 Lower river crane（unit：cm）

下河吊機起重橫梁采用雙起重天車（150＋150）t，吊點中心距離≥6m；起重天車橫移速度0 ～6.0m／min，2 臺起重天車可單獨動作或同時往同一方向動作；起升高度達60m；起重天車主鉤起升電動機采用雙速繞線電動機，起升速度為一檔1.0m／min，二檔2.0m／min；縱移臺車軌距2.0m，縱移速度0 ～7.0m／min（變頻調速，縱移距離為70m）；驅動機構布置在走行輪箱內側，并設計專用分配裝置和機構確保輪壓均勻。 起重橫梁橫斷面如圖4 所示。

圖4 起重橫梁橫斷面Fig.4 Cross section of lifting crossbeam

為加強下河吊機橫向穩定性及抗風穩定性，設置斜向鋼支撐。 斜向鋼支撐位于立柱Ⅰ上游側橫向12m 處，鋼支撐下端錨固在深嵌入巖體的混凝土基礎，基礎尺寸為3.2m×2m×2m。 斜向鋼支撐使用?630×8 鋼管，與立柱焊連。 斜向鋼支撐設置3 個連接系增強穩定性。

2.3 下河吊機計算

2.3.1 計算荷載

1）下河吊機分級 A3。

2）常規荷載 ①起重機自重PG支架部分質量PG1＝823.6t，起重橫梁質量PG2＝112t， 縱移臺車質量PG3＝50t，起重橫梁上卷揚機等附屬結構質量PG4＝50t， 吊具質量PG5＝20t， 自重振動系數?1＝1.1；②起重機起升荷載 最大吊重PQ＝250t，起升動荷載系數?2＝1.1，沖擊荷載系數?4＝1.1；③水平慣性力 縱向走行慣性力PQX1＝46.27t，橫向走行慣性力PQX2＝ 30.27t， 加速度a＝0.064m／s2，水平慣性力荷載系數?5＝1.5。

3）偶然荷載為風荷載 工作狀態最大風力6級，包括橫向風荷載PW1及縱向風荷載PW2。 10min時距平均風速Vp＝13.8m／s，3s 時距平均瞬時風速Vs＝19.32m／s，計算風壓P＝233.29N／m2。

4）特殊荷載 風荷載。 非工作狀態最大風力為12 級，包括橫向風荷載PW3及縱向風荷載PW4。10min 時距平均風速Vp＝36.9m／s，3s 時距平均瞬時風速Vs＝51.66m／s，計算風壓P＝1 667.97N／m2。

2.3.2 計算工況及荷載組合

采用容許應力設計法計算，不考慮相關荷載在計算時對應的分項荷載系數。 計算時分7 種工況（見表2）：①工況1 無風提升吊重；②工況2 無風吊重走行，考慮制動；③工況3 無風吊裝走行，考慮軌道不平所帶來的沖擊；④工況4 有風提升吊重；⑤工況5 有風吊重走行，考慮制動；⑥工況6有風吊裝走行，考慮軌道不平所帶來的沖擊；⑦工況7 空載，考慮特殊風荷載。

表2 計算工況及荷載組合Table 2 Calculation conditions and load combination

2.3.3 計算結果

下河吊機結構計算采用Midas Civil 有限元軟件，針對每種工況分別建模計算［4］，構件按實際結構用梁單元模擬。 鋼管樁底部采用剛接，斜壓桿及斜拉桿采用鉸接，分配梁與分配梁之間采用剛接，主縱梁與分配梁之間采用剛接，起重橫梁與主縱梁之間采用鉸接。 結構自重由程序自動生成，起升荷載簡化為節點荷載加在起重橫梁上，慣性力作用在各相應質量上，起升重物的慣性荷載施加到吊重節點上，結構風荷載按線荷載作用在結構上，吊重物體風荷載施加到起升荷載節點上。

經計算，起重橫梁、主縱梁桁架、分配梁、斜壓桿、斜拉桿及立柱鋼管斜壓桿鉸接處在最不利工況下均滿足要求。

3 下河吊機建造關鍵技術

3.1 下河吊機安裝流程

下河吊機各構件均在工廠加工，陸運至拱肋預拼場進行分段拼裝，具體安裝流程：擋墻基礎施工及場地回填→下部結構施工（鋼管立柱、斜壓桿、斜拉桿、柱頂分配梁）→上部結構施工（主桁架梁、橫向連接系、起重橫梁）。

3.2 擋墻基礎、場地回填及下河吊機基礎施工

為擴大下河吊機處的施工場地，在傾斜岸面上先修建混凝土擋墻，再回填平整土石。 混凝土擋墻采用C20 混凝土，高2 ～7m，截面尺寸為頂部寬1.5m，底部寬2.0m，擋土墻底部向花崗基巖內植入70cm 深、2 排?28、長度1.5m 螺紋鋼筋加強連接，縱向間距50mm 布置。 分層回填土石后碾壓密實，確保地基承載力≥200kPa。 下部結構桿件安裝前，先施工下河吊機的樁基礎、承臺，樁基礎采取人工挖孔樁施工，承臺頂面準確設置預埋件。

3.3 下部結構安裝施工

下部結構含鋼管立柱、斜壓桿、斜拉桿、柱頂分配梁，均采用大型汽車式起重機進行安裝。

1）鋼管立柱及斜向鋼支撐安裝 鋼管立柱包含鋼管、樁頭、連接系等部件，分為立柱I，II，III。 除靠江側鋼管立樁I 因較長分2 次吊裝外，其余鋼管立柱均使用130t 汽車式起重機一次性整體吊裝。吊裝到位后與預埋件全接觸焊接固定，焊接加勁板。 靠山側立柱III 下部管內灌注1.5m C30 混凝土。 斜向鋼支撐設置在鋼管立柱上游側，以增強下河吊機的橫向穩定性。 鋼支撐采用?630×8 鋼管，上端與鋼管立柱焊接，下端錨固于深嵌入巖體的混凝土基礎，基礎尺寸為3.2m×2m×2m。

2）斜壓桿安裝 上、下游側斜壓桿均分2 節吊裝，現場使用130t 汽車式起重機吊裝。 斜壓桿第1節豎直吊裝后在承臺頂預埋件上穿上鋼銷軸，并用型鋼臨時焊接固定在預埋件上，豎直吊裝第2 節并在第1 節上方焊接成整體。 通過設置2 臺小型卷揚機用2 根鋼絲繩交叉捆住斜壓桿并受力，切除臨時型鋼固定桿件，控制鋼絲繩使斜壓桿繞立柱下部銷軸轉動，調整角度達到設計要求，固定鋼絲繩和纜風繩。 纜風繩采用重力式混凝土基礎，尺寸為2m×2m×2m，基礎上預埋3 個?30×200 地腳螺栓作為纜風繩連接點，連接3 根?21.5 鋼絲繩，可承受180kN 拉力。 斜壓桿安裝步驟如圖5 所示。

圖5 斜壓桿安裝（單位：m）Fig.5 Installation of slant support（unit：m）

3）斜拉桿、樁頂分配梁、連接系等安裝 斜拉桿共2 根，單根質量15.8t。 斜拉桿在現場使用50t汽車式起重機一次吊裝固定。 樁頂分配梁在現場焊接成整體后使用50t 汽車式起重機吊裝至立柱頂安裝。 分配梁與鋼管立柱樁頭采用全接觸焊接，焊高8mm。 安裝臨時連接系，并焊接限位鋼板防止轉動。 斜壓桿頂部的墊座采用130t 汽車式起重機機吊裝焊接。

3.4 上部結構施工

上部結構含主縱梁、連接橫梁、起重橫梁等結構。 主縱梁以斜壓桿頂部的縱梁墊座處鉛垂線為分隔，劃分為江側主縱梁、山側主縱梁。 單側主縱梁質量為273.5t，江側主縱梁、山側主縱梁分別長16，57m。 現場場地狹小，無法滿足大型起重機站位后整體安裝，只能采用分節段吊裝后再接長的方案進行施工［5］。 上、下游山側主縱梁從山側往江側分段利用大型汽車式起重機吊裝接長；江側主縱梁在加工場拼裝后，水運至下河吊機下方，采用自制的提升架分2 次從駁船上分段起吊后拼裝接長；每段焊接完成后再進行下一段吊裝，主縱梁安裝過程中設置纜風繩及橫向限位，保證結構穩定。 連接橫梁、起重橫梁與主縱梁協調同步安裝。

3.4.1 主縱梁（山側）安裝

安裝步驟：①吊裝山側首節主縱梁 首節長23m，使用2 臺130t 汽車式起重機放置于II，III 立柱上；②吊裝第2 節主縱梁 第2 節長16m，使用2 臺130t 汽車式起重機放置于I，II 立柱頂面，考慮吊裝第3 節主縱梁時下撓，第2 節主縱梁吊裝時在江側立柱I 上抄墊25mm 厚鋼板進行預抬高；③吊裝第3 節主縱梁 第3 節主縱梁位于江側立柱I 與斜壓桿頂部之間，上、下游側第3 節主縱梁均使用180t 汽車式起重機吊裝，第3 節從山側往江側吊裝主縱梁，上游側分為3 段，（12 ＋4 ＋2） m；下游側分為5 段，（8＋4＋2＋2＋2）m。 主縱梁節段之間通過焊接連接，每吊裝一節段須與前一節段焊接牢固后才能繼續下一節段吊裝。

3.4.2 連接橫梁（山側）安裝

連接橫梁（山側）的桿件、節點板、加勁板等在加工場制造完成后，運至鋼管拱肋預拼場進行拼裝焊接。 連接橫梁制造時在上游側留0.5m 長度空間以方便吊裝。 連接橫梁使用2 臺130t 汽車式起重機提升安裝，預留的0.5m 長度空間通過精制螺栓連接［6］，預留處斜桿件最后進行焊接。

3.4.3 主縱梁（江側）安裝

1）自制提升架及設備安裝 自制提升架用于江側段主縱梁的提升安裝，可沿已布置在山側段主縱梁頂的軌道進行移動［7］。 提升設備在現場組拼完成后使用汽車式起重機吊放至自制提升架，安裝提升架配重塊，進行提升架試吊，利用水平布置的卷揚機拖動至已安裝的主縱梁江側前端。

2）主縱梁（江側）安裝 江側主縱梁為雙層桁架懸臂段，上、下游側均劃分為2 段（8m＋8m），使用自制的提升架進行提升安裝。 江側首節段與山側已安裝節段精確對位后進行焊接，再前移提升架進行下一節段安裝。 江側主縱梁懸臂節段安裝如圖6 所示。

圖6 江側主縱梁懸臂節段安裝Fig.6 Installation of cantilever segments of the main longitudinal girder on the river side

3）自制提升架及設備拆除 主縱梁節段全部安裝完成后，向山側方向拖動自制提升架及設備，使用130t 汽車式起重機將提升設備整體吊至地面運走，將提升架吊至地面拆解運走。

3.4.4 起重橫梁及天車安裝

1）走行軌道安裝 在主縱梁頂面上通長鋪設20mm 厚鋼板，上面安裝50 型鋼軌，鋼軌對接面需焊接并將焊縫磨平，再在鋼軌兩側焊接限位型鋼進行鋼軌限位。

2）起重橫梁和起重臺車安裝 下河吊機設置2根起重橫梁，在橫梁兩端通過8 根連接系連接。 起重橫梁構件在鋼管拱肋預拼場組裝并焊接。 向主縱梁鋼軌上安裝縱向移動大車并臨時固定，使用2臺130t 汽車式起重機將2 根起重橫梁前后分別抬吊至移動大車上安裝固定，焊接8 根連接系，在起重橫梁頂面安裝起重臺車所用的走行軌道，最后吊裝起重臺車，解除臨時固定設施。

3.4.5 連接橫梁（江側）安裝

江側連接橫梁位于江面上方遠端，無法使用大型汽車式起重機進行安裝，使用下河吊機已安裝的起重橫梁從江面的運輸駁船上垂直起吊安裝。 江側連接橫梁現場組拼時在一側預留0.5m 長度空間以方便吊裝，駁船運輸江側連接橫梁至安裝位置的正下方，此時起重橫梁已停放在主縱梁的前端，向山體側上、下游方向分別設置橫向纜風繩以增強2根穩定性。 橫梁提升到位后焊接上游端至上游的主縱梁側面，下游端缺口處使用配切段進行焊連，焊接完成后拆除纜風繩。

4 下河吊機試吊

下河吊機設計最大吊重250t，吊裝工況下最大風載為6 級，非吊裝工況下最大風載為12 級。 試吊分為空載試運轉、靜載試運轉和動載試運轉3 個階段［8］。 靜載試運轉最大荷載為額定起重量的125%，采取雅魯藏布江中的156t 運輸駁船＋156.5t 型鋼配載；動載試運轉最大荷載為額定起重量的110%，采取鋼管拱肋第3 節段＋32.5t 型材鋼筋配載。

5 下河吊機吊裝拱肋節段翻身及下河

拱肋節段在預拼場進行臥式拼裝后轉移存放，安裝時從存放區移運至下河吊機下方，再將拱肋節段由臥式翻身為立式［9］，方便吊運下河、運輸和安裝。 具體方法如下：拱肋翻身區設翻身底座，在底座上鋪設厚橡膠抗沖擊，防止拱肋下弦管損傷。 拱肋臥躺運至下河吊機下方，起重橫梁的2 個吊鉤分別捆綁在上弦2 肢鋼管的兩端，下河吊機提升拱肋轉動至接近豎立狀。 起重橫梁向江側方向行走，至與拱肋翻身完成時重心對應的位置后停止，此時稍微起升吊鉤，使拱肋節段重心越過支點，依靠自身重力完成節段翻身。 重新調整4 根鋼絲繩位置，起重橫梁提升，使4 根鋼絲繩共同受力，吊起拱肋移動至下河吊機前端，將拱肋節段下放到運輸駁船甲板上固定。

6 結語

結合峽谷實際地形將下河吊機設計成前端大懸臂結構形式，利用前端的斜壓桿承受壓力并傳至承臺和樁基礎上，后端的斜拉桿承受拉力并轉移到抗拔樁上，采用橫向斜撐增加其抗風穩定性；安裝時主縱梁采用大型汽車式起重機進行分段吊裝，前端大懸臂主縱梁采用自制提升架分節段從江中駁船上提升安裝，江側連接橫梁采用下河吊機的起吊系統在加設臨時纜風繩的工況下從江中駁船上提升安裝。 拉林鐵路藏木特大橋因地制宜設計了大懸臂下河吊機，有效解決了陡峭地形下鋼管拱肋節段翻身和下河難題，加快了施工速度，降低了大量成本，創造了良好的經濟及社會效益，保證了國內外鐵路第一大跨中承式提籃鋼管拱橋的順利施工。