缆索吊机及扣挂法在大跨度拱桥中的施工方法建

　1 工程概况
　　汉阳河特大桥位于湖北省五峰县渔洋关镇，桥平面部分位于曲线上，部分位于直线上，纵断面位于直线上。主桥为上承式钢管混凝土桁架拱桥，拱肋净跨171m，净矢高33m，矢跨比1/5.18，拱轴系数m=1.65。
　　全桥共四片桁架，两道拱肋中心距8.6米；两道拱肋之间设有13道风撑以保证拱肋横向稳定；拱上立柱采用钢管混凝土结构，管内灌注自密实C50混凝土，桥址区属构造冲蚀侵蚀低山地貌区，拟建大桥跨越一北西-南东向峡谷，峡谷剖面呈开阔的“U”字型，上缓下陡。区内谷岭标高216.0～310.0m，相对切割深约94m。
　　具体布置详见“图1 汉阳河特大桥总体布置图”。
　　2 总体施工方案确定
　　采用缆索吊机扣挂法施工钢管混凝土拱桥，常规做法是缆索吊布置两座索塔作为缆索吊机支墩，后方采用锚锭锚固缆索吊机承重索，在两座索塔之间对称布置两座扣锚塔作为扣索支撑，后方布置锚锭锚固扣索。缆索吊机分节段吊装拱肋，安装到位后分别通过锚固于扣索锚锭，使拱肋处于悬臂状态。无特殊受地形限制情况，缆塔与扣塔做分离设计。在汉阳河特大桥中，主跨为171米，桥址所在地形相对较好，采用主扣塔分离的方案。
　　3 缆索吊机系统设计
　　3.1 缆索吊机系统总体布置
　　主桥采用缆索吊机作为上部结构施工的起吊设备。缆索吊机由绳索系统、塔架系统、锚固系统、缆风系统、机械和电气系统等组成，其纵桥向跨径布置为：116m+346m+71.18m。具体布置详见“图2缆索吊机总布置示意图”。
　　3.2 缆索吊机系统的组成
　　（1）缆塔稳定系统：即风缆，由缆塔通风缆以及缆塔后风缆组成。在两侧山体设置锚碇，风缆在塔顶锚固。（2）绳索系统：由主索，起重索，牵引索组成。主索为2-4φ56mm钢丝绳（6×37S+IWR），并跨过两缆塔主索鞍连接于两岸锚锭外侧的锚固梁上；起重索为4-1φ21.5mm钢丝绳（6×37S+FC），锚固端设置于对岸的缆塔锚锭中；牵引索为4-1φ26mm钢丝绳（6×37S+FC），锚固端设置于同岸的缆塔锚锭中。（3）吊点系统：分为跑车、上下天车挂架、吊点扁担梁三部分，全桥共设置四套跑车、吊点，两套扁担梁。（4） 索鞍：索鞍由限位块、底部分配梁、连接横梁、横梁、绳索转向及绳索导向装置等构件组成。（5）卷扬机系统：卷扬机系统由牵引卷扬机、起重卷扬机、地锚转向滑轮三部分组成。卷扬机及地锚转向滑轮均布置在缆塔锚碇位置正前方，单侧分别布置一台8t起重卷扬机、一台12t牵引卷扬机及若干转向滑轮。（6）锚固系统：主索及缆塔后风缆均锚固于锚碇上，锚固梁采用无缝钢管制造，钢管内填充混凝土。（7）电气系统：主要包括电路控制系统、限位装置、避雷装置等。
　　3.3 缆索吊机系统设计参数
　　（1）额定起重重量为60t。（2）最大吊重垂跨比：1/14.5。（3）提升速度：0～4m/min。（4）牵引速度：0～4m/min。（5）最大提升高度50m。（6）主索索鞍最大横移距离为5.2m（从桥中线计算）。（7）最大吊重时的起吊盲区：距两岸缆塔中心18m范围内。
　　4 扣锚体系
　　4.1 扣锚体系总体布置
　　拱肋悬臂拼装施工过程中，每拼装一个节段，张拉一组（两束）扣锚索以平衡拱肋自重，并调整拱肋高程至目标位置。在交界墩顶设置扣塔及扣锚梁，拱肋上设置扣点，两岸设置锚锭。具体布置详见“图3扣锚体系总布置示意图”。
　　4.2 扣锚体系的组成
　　4.2.1 锚碇
　　扣塔锚碇KM1位于左侧0#桥台前，沿桥中线两侧各布置一个，用以锚固左侧锚索钢绞线，单个锚碇设计抗拉拔力为260kN。其混凝土锚碇体厚1.6m，横桥向宽3.5m，呈68°倾角背靠山坡，利用4束9-ΦS15.20斜向预应力锚索锚固于山体岩层。
　　扣塔锚碇KM2位于右侧引桥中心线上，用以锚固右侧锚索钢绞线，单个锚碇设计抗拉拔力为520kN。其混凝土锚碇体厚1.6m，横桥向宽5m，呈62°倾角背靠山坡，利用6束9-ΦS15.20斜向预应力锚索锚固于山体岩层。
　　4.2.2 扣索、锚索
　　扣、锚索材料均为ΦS15.2mm的钢绞线。扣索下端通过钢绞线P锚连接在拱肋扣点的锚箱上，锚箱与扣点锚拉板间销接；扣索上端在交界墩顶或扣塔顶的扣锚梁上通过钢绞线张拉端锚具整束张拉、锚固；每束扣索均对应挂设、张拉一束锚索以平衡扣索水平力，使交界墩墩身或扣塔在施工过程中主要承担竖向力。锚索钢绞线下端每2根1组通过连接锚板和P锚与扣塔锚碇预埋无粘结钢绞线的外露部分连接。锚索上端也在交界墩顶或扣塔顶的扣锚梁上通过钢绞线张拉端锚具整束张拉、锚固。每个拱肋节段的每根上弦杆钢管上各设置一束扣索，同时相应设置一束锚索，扣索、锚索编号与拱肋的节段编号对应。全桥共设扣索、锚索各24束。
　　4.2.3 扣塔及扣锚梁
　　在左侧3#交界墩顶设置一座扣塔用以将左侧3#扣索、锚索的竖向荷载及不平衡水平力传递给交界墩。扣塔高约6.8m，采用焊接钢管结构。扣塔单幅桥设4根Φ320×8的立柱钢管，布置于交界墩上方及附近。立柱钢管间通过Φ219×6钢管联结系连接为整体。立柱钢管底部通过预埋件与帽梁固结。交界墩帽梁顶单幅桥布置4根扣锚梁，1#～2#扣索和锚索分别锚固于对应编号的扣锚梁两端。在扣塔顶直接设置纵桥向3#扣锚梁，用以锚固左侧3#扣锚索。
　　在右侧4#交界墩帽梁顶单幅桥布置6根扣锚梁，1#～3#扣索和锚索分别锚固于对应编号的扣锚梁两端。扣锚梁下部通过分配梁、支架以及预埋件与交界墩焊接固结。
　　4.2.4 扣点
　　扣点是扣索与拱肋上弦杆钢管的连接结构。扣点主要由锚拉板、钢管加劲板、锚箱等组成。所有扣点均绕弦杆轴线横桥向旋转一定角度焊接，以适应扣索的横向角度。
　　5 钢管拱肋吊装
　　主跨拱肋分7个节段吊装，共计14吊。采用运输车运至起吊平台，为了方便构件起吊，避免构件起吊后的横向移动，缆索吊机在构件起吊前利用索鞍横移装置将主索索鞍横移至待安装节段的横桥向位置，使得待安装拱肋构件位于构件待安位置正下方或天车顺桥向走行线上，然后采用缆索吊机起吊安装。
　　拱肋吊装节段重量分别为：第一节50.57t，第二节44.56t，第三节42.01t，第四节34.75t。
　　6 缆索吊机检算
　　6.1 主索计算
　　施工工况计算如下：
　　综合考虑上述荷载（见表1），计 算的工况及对应的单根主索计算参数（见表2）。主索计算成果表（见表3）。（表中左、右所指方向与主体结构设计图纸所规定的左、右方向相同；索鞍横移的y坐标，以桥梁中心线处为原点，指向左侧为正，指向右侧为负，下同。）
　　6.2 风缆设计参数
　　缆塔风缆配置如下：
　　后风缆：宜昌侧：2×6φs15.2钢绞线；来凤侧：2×9φs15.2钢绞线。
　　通风缆：左右侧各2φ39钢丝绳。
　　6.3 计算模型
　　缆塔立柱、横梁、横撑均采用梁单元，缆塔底部铰结于基础。后风缆采用桁架单元，通风缆均采用只受拉索单元。主索、牵引索、起重索对塔架的作用简化为节点荷载。建立的计算模型见图4。
　　（1）缆塔顶荷载
　　将作用于缆塔顶的主索、牵引索、起重索索力换算成作用于索鞍的节点荷载。根据第三章主索相关计算，得到各工况下缆塔顶荷载如表 4。其中Fx为顺桥轴线方向水平力，以指向大里程方向为正；Fy为横桥向水平力，以指向左侧为正；Fz为竖向力，以指向上方为正。索鞍横移的位置参见第三章。
　　（3）风荷载
　　作用于缆塔的风荷载按工作状态风压152N/m2及非工作状态风压550N/m2考虑正（大里程方向）反（小里程方向）两个方向分别计算。
　　（4）工况组合
　　工作状态取自重、额定吊重时缆塔顶荷载、风缆初张力与工作风荷载组合；非工作工作状态取自重、空车时缆塔顶荷载、风缆初张力与非工作风荷载组合。具体工况组合见表6。
　　6.4 计算结果
　　按上述计算模型及荷载计算得各工况下缆塔顶纵桥向位移及单根风缆最大索力见表7，其中纵桥向位移以指向大里程方向为正。
　　依据缆索吊装系统设计布置，各项工况受力均满足受力要求。缆索吊装系统按工艺要求拼装完成后进行试吊。
　　7 缆索吊装系统安装要点
　　缆塔采用钢管拼装，底部设置铰座及分配梁，顶部设置万能杆件横梁，横梁上布置分配梁、滑道梁及索鞍，缆塔立柱间设置横撑。
　　（1） 缆塔底节铰座及分配梁安装时，设置临时支柱。临时支柱与缆塔立柱间抄垫紧密，待缆塔体系转换时拆除临时支柱。
　　（2） 缆塔立柱间通过螺栓连接，安装时保证法兰间密贴、螺栓紧固。
　　（3） 在立柱杆件及节段吊运过程中，需采取抄垫、临时连接等有效措施，防止钢管立柱变形。
　　（4） 吊装用钢丝绳每次吊装前进行检查，确保使用安全，其最小破断力满足吊装安全系数要求。
　　（5） 塔顶万能杆件横梁严格按施工设计图拼装，节点处的螺栓连接用扳手拧紧后再用扭矩扳手来校正拧紧力矩。
　　（6） 缆塔安装过程中，每拼装一节，均应对结构进行检查，并满足以下要求：a.平面轴线对理论位置的最大偏移量，不大于被测长度的1/1000。b.立柱轴线对基准平面的垂直度误差不得大于高度的1/500。c.在纵、横截面内，两对角线长度的允许最大误差为最大边长的1/1000。d.塔顶横梁节间弦杆和腹杆的倾斜度控制在长度的1/750以内。
　　（7） 缆塔第四节拼装完成后，在顶部设置临时风缆。缆塔全部拼装完成后及时安装永久风缆。
　　（8） 塔身安装完毕后，按施工设计拼装工作平台，并做好安全防护。
　　8 缆索吊装系统技术保障
　　（1） 缆索吊装系统所有受力结构要求进行认真计算，并进行复核，在技术上确保结构安全。
　　（2） 进场的机械设备及钢丝绳，钢绞线均要进行全面检查。检查项目包括：生产许可证、型号规格和数量、保养情况、有无磨损等等。对钢绞线和钢丝绳还应进行破断拉力试验。
　　（3） 塔基和地锚所使用的混凝土应保证混凝土的强度达到设计要求。
　　（4） 根据本桥的缆索吊装施工特点建立无支架缆索吊装系统施工监测系统，以便保证缆索吊装系统在后期运行期间的安全性，使整个缆索吊装系统施工过程处于可控状态。
　　（5） 施工过程中各职能部门均进行技术交底，及时分析解决现场问题。
　　（6） 缆索吊装系统安装完成后必须进行检查和试吊。
　　9 应用与效果
　　湖北省五峰县汉阳河钢管拱桥采用了缆索吊机及扣挂法的施工技术已于2014年10月30日完工。缆索吊机及扣挂法在大跨度钢管拱桥中的施工技术又一次得到成功的验证。本桥为缆索吊机及扣挂法拱桥施工技术在同类桥梁施工中积累了宝贵经验。  
　　参考文献
　　吴进明.缆索吊装斜拉扣挂法在钢管混凝土拱桥施工中的应用.宁夏工程技术，2007，6（1）：57-60.
　　 陈宝春.钢管混凝土拱桥实例集（一）.北京：人民交通出版社，2002.

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