單塔式纜索吊在大跨度鋼拱橋吊裝施工中的應用

王洛洛 WANG Luo-luo

（中鐵十五局集團第三工程有限公司，成都 641418）

0 引言

在跨越深谷或較寬江河時，鋼拱橋是理想的橋型選擇，該類型橋梁不但整體受力良好滿足較大跨徑需求，而且鋼拱肋采用分段制作分段拼裝，可以大大縮短施工工期。由于拱肋重量較大，拱肋的吊裝是拱橋施工中的重難點。當橋址區域地形平緩、無水或少水時，可采用支架法進行拱肋吊裝和拼裝，但對于地形復雜、深水及其他復雜情況時，纜索吊是拱肋吊裝的最佳選擇。

新安江大橋鋼拱橋主跨為270m，通過對橋址區域及河道兩岸進行充分調查論證以及對施工方案的詳細比選，項目部決定采用單塔式纜索吊進行鋼拱肋的吊裝，與傳統雙塔纜索吊不同，該類型纜索吊充分利用有利地形，在安全性、經濟性以及拱肋精度上具有明顯優勢，通過現場實際使用，該類型纜索吊在大跨度鋼拱橋吊裝施工中取得很好的效果。

1 工程概況

新安江大橋起點位于歙縣街口鎮新門村接省道F007處，終點位于新溪口鄉塔坑村接省道S348 處。全長270 延米，橋梁跨度為14.5m+ 218m+13.5m（不含橋臺），橋梁主橋結構為中承式系桿拱橋，其中兩側引橋橋面寬度13m，主橋橋面全寬15m。

拱肋橫采用矩形截面結構，分別設置在橋梁左右兩側。主橋計算跨徑為236m，矢高50m，矢跨比為1/4。拱軸采用m=1.3 的懸鏈線線形。左右兩側拱腳中-中距離為20.8m，主拱肋均設置8°內傾角。拱肋采用等高度箱形截面，寬20m，高35m。批腳G1 和G1′節段頂、底板厚度為40mm、腹板厚度為32mm，拱腳G2-G3 和G2′-G3′節段頂、底板厚度均為40mm、腹板厚度均為24mm，G4-G14 和G4′-G13′節段頂、底板采用28mm 厚度鋼板，腹板采用20mm 厚度鋼板；頂板和底板各自設2 道縱向加勁肋，腹板設6 道縱向加勁肋，根據母板的厚度，頂板和底板加厚鋼板為24mm，高為280mm，腹板加厚鋼板為20mm，高為200mm。沿拱助軸線縱向每隔約2m（平面投影間距）設一道橫隔板，板厚20mm。單側拱肋共分為13 個節段，另加一個拱頂節段，最大節段重量約為57t。

2 鋼拱肋吊裝施工方案比選

新安江大橋鋼拱肋吊裝施工考慮以下兩個方案實施，方案一：雙塔纜索吊吊裝，方案二：單塔纜索吊吊裝。

2.1 方案適用性比選

新安江大橋兩岸地形狀況差別較大，其中小里程側河岸坡度較小，距離河岸邊范圍處較為平緩，大里程側河岸坡度較大，大型機械設備無法進入。采用單塔纜索吊吊裝，則只需要在小里程側河岸設置一處索塔，大里程河岸由于基巖較好，可將主索直接錨固于錨碇上。這樣使得纜索吊受力更加明確，不但降低了施工措施費用，而且避免了對河岸兩側生態環境的破壞。

2.2 方案安全性比選

由于新安江大橋大里程側河岸坡度較大，若在此進行大范圍施工時，施工機械及施工人員會作業環境比較危險，如機械傾覆、落石等。若采用單塔式纜索吊，則只涉及到大里程側錨碇小范圍施工，大大降低了施工難度和安全風險。

2.3 方案經濟性比選

新安江大橋小里程側河岸坡度較小，距離河岸邊范圍處較為平緩，大里程側河岸坡度較大，若兩側均設置索塔，則大里程處索塔安裝較為困難，需對河岸地形進行較大規模改造。不但增加了施工成本，而且對環境產生較大影響，同時也增加了施工安全風險。而采用單塔式纜索吊，則只需對小里程側河岸進行簡單處理即可進行施工，不但降低施工成本，而且對周邊環境影響減少到最低。經初步測算，采用雙塔式纜索吊總費用約1000 萬元，而采用單塔式纜索吊總費用只需680 萬元，節約施工成本約320 萬元。

綜合上述比選，新安江大橋鋼拱橋拱肋選擇單塔式纜索吊裝。

3 單塔式纜索吊設計結構及簡算

3.1 單塔式纜索吊設計結構

新安江大橋主橋塔纜索吊為單塔雙跨式結構，跨度為174m＋486m，索塔設在小里程岸，設計最大起吊重量65t。纜索吊裝系統由索塔、主索、起重索、牽引索、索鞍、行走天車、吊具、起重及牽引卷揚機、錨碇、風纜等主要系統組成。

索塔設置在橋臺小里程方向24m 處，大里程岸主索直接錨固于錨碇上，索塔采用貝雷門式結構，塔架高76.6m，采用“纜扣合一”結構，采用橫梁將其聯為一個整體，纜塔鉸接于扣塔頂部。大里程岸設計主索錨碇2 個，扣索錨碇4 個，采用預應力錨索錨碇。小里程岸設計主索錨碇2 個，扣索錨碇4 個，采用預應力錨索錨碇。

主索采用2×7Φ56（6×37S+FC）鋼繩；起重索采用4×2Φ26（6×37S+FC）鋼繩；牽引索采用4×2Φ28（6×37S+FC）鋼繩；纜塔纜風繩采用Φ15.24 鋼絞線；采用Φ32 鋼繩做為扣塔纜風繩，起重索由10t 卷揚機帶動工作，牽引索由16t 卷揚機帶動工作。

①扣塔基礎：基礎采用明挖擴大基礎，基礎尺寸6.4m（長）×6.4m（寬）×3m（高），基礎承載力不小于250kPa；基礎開挖完畢后綁扎鋼筋澆筑混凝土。

②索塔：索扣塔塔高57.38m，所有索塔平面尺寸均為4m×4m，單側采用4×4 組貝雷桁架組成格構式，纜塔高度19.557m，由8 組貝雷桁架按“一”字布置。索塔分節分段進行安裝，每層安裝完畢后要及時校核其垂直度及平面位置，及時安裝纜風繩確保其穩定性。

③索鞍：索鞍主要零部件有底座、立板、銷軸及主索輪，索鞍必須在工廠進行加工組裝然后整體吊裝至塔頂位置。

④繩索部分：纜索吊機索道部分包括：主索，起重索，牽引索。

單套65t 纜索吊機繩索規格如下：

主索為7Ф56mm 鋼絲繩（6×36S+FC）；

起重索為2Ф26mm 鋼絲繩（6×37S+FC），走8 布置；

牽引索為2Ф28mm 鋼絲繩（6×37S+FC），走4 布置。

⑤錨碇：大、小里程岸設計主索錨碇2 個，扣索錨碇4個，采用預應力錨索錨碇。兩岸主索錨碇及扣索錨碇均位移橋位兩岸山坡上。扣索錨碇兩岸均為預應力錨索錨碇，但是小里程錨索與錨碇連接方式采用鋼絞線連接器連接，大里程扣索直接錨固到錨碇錨梁上。

3.2 纜索吊受力驗算

3.2.1 荷載取值

纜索吊纜索受力主要是起吊重物和運送重物時，其中將重物吊起后運送至纜索吊跨中位置處時是各構件受力最大的情況。此時是纜索吊受力最不利情況，不但承受本身自重荷載，還要承受吊件的自重荷載及沖擊荷載。本文主要考慮纜索吊在吊物時最不利的受力情況，因此需對集中荷載進行受力計算分析。

鋼箱梁節段重：Q1=650kN（最重節段）

吊裝系統：Q2=100kN

扁擔梁：Q3=100kN（單個吊點下扁擔梁重50kN）

起重鋼絲繩重：Q4=37kN（鋼絲繩同起重索，起吊高度90m，走8）

單組索合計：∑Q=887kN

3.2.2 受力荷載分析

①主索計算。

當跑車吊最大吊重位于跨中時，主索張力及垂度為最大，為最不利工況。

初擬跨度與最大垂度之比：

則主索最大水平拉力Hmax可由下式計算而得：

Hmax=ql2/（8fmaxcosβ）+QL/（4fmax）=3994.85（kN）

主索最大張力時對A 轉向索鞍的豎向壓力VA為：

VA=ql/（2cosβ）+Q/2-Hmaxtanβ=382.24（kN）

主索最大張力時對B 轉向索鞍的豎向壓力VB為：

VB=ql/（2cosβ）+Q/2+Hmaxtanβ=1013.53（kN）

則根據力的三角關系得出主索的最大張力為：

單根Tmax=573.30（kN）

同時得出主索最大張力時主索與水平線的夾角α 值：

A 轉向索鞍處：

αA=arctan（VA/H′max）=0.0954（rad）=5.466°

B 轉向索鞍處：

αB=arctan（VB/H′max）=0.2485（rad）=14.236°

②主索強度、拉應力及接觸應力校核。

強度校核：Tmax=4013.09（kN）（主索的最大張力）

Tn=12810.00（kN）（主索的極限拉斷力）

則安全系數K=3.19（≥3.0，滿足要求）

拉應力校核：

σ=Tmax/F+（Q/n）（Ek/（Tmax×F））1/2=788.68（MPa）

則安全系數K=2.2（≥2.0，滿足要求）

式中：F=1240（mm2）（一根鋼絲繩截面積，為鋼絲總斷面積）

N=4.0（個）（一根主索上的行車輪數）

接觸應力校核：

σ=Tmax/F+Ekd/Dmin*cos2θ*cos2φ=855.21（MPa）

（θ 為骨股間捻角18 度，φ 為絲間捻角18 度）

則安全系數K=2.07（≥2.0，滿足要求）

式中：d=2.6（mm）（組成主索的鋼絲直徑）

Dmin=500.0（mm）（平滾最小直徑）

③索塔計算。

纜扣塔整體建模，扣背索索力為整體模型，纜索吊荷載采用上述主纜荷載，直接加載在纜塔頂部。（圖1、圖2）

圖1 纜扣塔整體模型圖

圖2 纜扣塔整體計算應力圖

纜扣塔整體計算結果：纜扣塔貝雷梁最大應力為163MPa＜210MPa（16Mn 鋼材容許應力），滿足要求。

4 纜索吊施工工藝及注意事項

4.1 纜索吊施工工藝流程

索塔基礎及主錨碇施工→安裝主、扣塔→安裝索鞍、行走天車、吊具 →安裝風纜、過江循環索→安裝主索→安裝牽引索、起重索→安裝電氣控制系統→吊裝系統調試成型→載荷試驗。

4.2 纜索吊安裝

4.2.1 索塔基礎及主索、錨索錨碇施工

對索塔基礎范圍內的表層土進行清理，采用風鎬去除松散巖石確保地基承載力應不小于250kPa。錨碇施工先開挖表土露出新鮮巖層面，將巖層面鑿成滿足鋼筋砼墊梁高度的垂直（或根據設計或為斜坡）面并清理干凈，然后緊貼巖層面澆筑墊梁，錨碇上部開挖斜坡面若較高，應進行邊坡防護，防止邊坡垮塌事故。

4.2.2 主、扣塔拼裝

①扣塔基礎施工完成后，先安裝好QTZ63（5013）塔吊，采用塔吊安裝第一、二節，安裝穩定花架，調整垂直度；首節驗收合格后方可繼續安裝后續節段。②索塔各桿件必須按圖施工，每安裝一層要及時進行檢查和復核，確保桿件位置及垂直度復核圖紙要求及有關規定。③索塔上的連接螺栓必須采用高強螺栓，不得采用沖擊安裝方法，需采用扭矩扳手來確保螺栓最終力矩滿足要求。④塔身安裝過程中要安排專人進行檢查，尤其是關鍵受力桿件必須仔細檢查并形成檢查記錄。

4.2.3 索鞍安裝

索鞍為移動式索鞍，其安裝在索塔頂部滑道上。索鞍的主要構件有索鞍分配梁、起重及牽引轉向輪以及各支撐結構，索鞍必須在工廠進行加工安裝，然后整體吊裝至滑道上。

索鞍安裝工序流程為：分配梁的下料→塔吊運輸分配梁→分配梁就位→焊接分配梁限位塊→塔吊運輸索鞍→索鞍就位→焊接索鞍與分配梁的連接處→焊接起重索、牽引索的轉向裝置。

4.2.4 主索安裝

每組主索為7 根Ф56mm 鋼絲繩（6×37S+FC），主索牽引經過索塔橫梁后一端錨固在索塔錨固梁上，另一端錨固在河岸錨點碇上，然后采用千斤頂進行張拉收緊，從而調整主索索力及垂度值。

主索安裝施工工序流程為：卷揚機布置→先導索過河→安裝牽引索循環系統→將主索放入放索架中→將主索的一個端頭放出→把放出的主索端頭與牽引循環索用繩卡固定→起動卷揚機將主索往大里程岸牽引→牽引至大里程岸主錨處→將主索錨固在錨梁上→回拉小里程岸主索至主索垂度基本達到空索垂度→將小里程岸主索頭子系在調節滑車組上錨固→調節小里程岸滑車組松緊繩使主索的垂度達到設計空索垂度→1 根主索安裝完畢。

4.3 纜索吊試吊

纜索吊試吊需對兩組起吊系統單獨進行，每組按65t進行試吊，試吊時按照如下原則進行：①試吊重量逐級加載，按照32.5t（50%）→65t（100%）→71.5t（110%）→81.25t（125%）四級加載，其中前三級為動載實驗，第四級為靜載試驗。②試吊時安排專人對塔頂位移進行監測，并對主索下垂度、后錨點受力情況及各部件受力情況進行檢查，發現數據超限時要立即停止，組織專項會議進行分析，待問題解決后方可進行。

5 安全質量控制要點

①當纜索吊安裝出現較大誤差或錯誤時或出現材料不合格情況時應立即停止施工，項目部需組織有關人員進行調查，并根據調查結果采取糾正措施，防止類似情況再次發生。②項目部必須安排專人對纜索吊加工安裝進行檢查，及時將檢查記錄進行整理歸檔，任何人不得隨意修改檢查記錄。檢查記錄除填寫檢查項目外，還必須有檢查人員簽字及相關負責人簽字。③在索塔安裝過程中要及時設置纜風繩進行固定，當整個塔身安裝完畢后對各纜風繩統一調整，使得各層纜風繩受力均勻。④高空焊接施工中，綜合考慮各種因素，采用一套合理的焊接方法，這樣不但減少施工周期，也可降低工人作業強度，要求對現場所用焊接方法進行工藝評定試驗，現場焊縫探傷檢測結果應能滿足圖紙要求。

6 結束語

通過使用單塔式纜索吊對鋼拱橋拱肋進行吊裝，拱肋安裝質量及線性都有很大提高，并且采用單塔纜索吊，不但降低了施工費用，而且減少了對周邊地形的擾動，最大限度地保護了新安江兩岸的生態環境。此方法為后續類似施工提供了借鑒和參考。