山区大跨度悬索桥钢桁加劲梁架设方法研究

2014-01-09凌胜春

城市道桥与防洪 2014年7期

凌胜春

（湖南省交通规划勘察设计院，湖南长沙 410008）

0 前言

悬索桥因其受力合理，跨越能力大，造型优美，是山区修建跨越峡谷桥梁时非常有竞争力的桥型[1-3]。就承重构件而言，悬索桥由以下几个主要部分组成：桥塔、锚碇、主缆、吊索、加劲梁和鞍座。目前悬索桥加劲梁常见的形式有钢桁梁和钢箱截面，两种加劲梁各有其优缺点，如钢桁梁加劲梁适用于双层桥，透风性能好，抗扭性能好；而钢箱梁适用于单层桥面的情况，可以在顶板上直接铺设桥面铺装，无需纵横梁，因此可以节省钢材，箱梁风的阻力系数小，容易发生涡流振动，但抵抗弯扭耦合振动的效果好。在选择悬索桥加劲梁的形式时，要从桥梁的场地条件、施工条件、桥梁设计、桥梁抗风等多方面考虑。在我国西部山区修建大跨度悬索桥时，考虑到山区运输条件的不便和现场拼装的困难[4，5]，悬索桥的加劲梁多采用钢桁加劲梁方案。

目前，山区悬索桥钢桁加劲梁架设方法有多种，国内900 m以下的山区悬索桥常采用缆索吊装法工艺来架设加劲梁，如湖北四渡河大桥（主跨900m），贵州北盘江大桥（主跨636 m）等；贵州坝陵河大桥（主跨1 088 m）采用了桥面吊机法来架设加劲梁。在修建湖南湘西矮寨特大悬索桥时，为克服地形条件等诸多不利施工因素的影响，创造性的提出了轨索滑移法来架设钢桁加劲梁。本文以此为背景，综述了各种适合于架设山区悬索桥钢桁加劲梁的各种方法和工艺，着重研究了山区大跨度悬索桥采用轨索滑移法施工的原理，过程和重点。

1 工程概况

矮寨大桥是新建长沙至重庆高速公路通道的控制性工程，桥位距湖南省吉首市市区约20km，跨越风景秀丽的德夯大峡谷和著名的“公路奇观”矮寨盘山公路，见图1。大桥桥面与桥底地面高差达330 m，山谷两侧悬崖距离最窄处约900 m，最宽处约1 300 m。主桥采用1 176 m跨度的悬索桥。

图1 矮寨大桥立面布置图（单位：cm）

矮寨大桥主桥采用双向4车道高速公路标准，设计车速为80 km/h。钢桁加劲梁包括钢桁架和桥面系两部分，其中钢桁架梁梁宽27 m，梁高7.5 m，桥面系全宽为24.5 m，见图2。钢桁架由主桁架、主横桁架、上下平联及抗风稳定板组成。主桁架为带竖腹杆的华伦式结构，由上、下弦杆，竖向、斜向腹杆组成。上、下弦杆均采用箱形截面，腹杆在支座处采用箱型截面，其余各处均采用工字型截面。主桁桁高7.5 m，桁宽27 m，节间长度7.25 m。一个标准节段由2个节间组成，长度为14.5 m，在每节间处设置一道主横桁架。

主横桁架采用单层桁架结构，由上、下横梁及竖、直腹杆组成。上下横梁均采用箱形截面，腹杆均采用工字型截面。上、下平联均采用K形体系，箱型截面。根据风洞试验结果，在桥面系以上和桥面系以下两个部位布置上、下纵向抗风稳定板。

图2 钢桁加劲梁的横断面（单位：mm）

2 施工方法比选

悬索桥的钢桁加劲梁是由众多杆件组成[6]，按照钢桁梁架设单元的不同，可将钢桁加劲梁的施工方法分为单根杆件架设、平面构件架设和立体节段架设三种。单根杆件架设和平面构件架设对施工起吊设备要求低，施工灵活，但现场施工速度慢，不太适合大跨度悬索桥建设的需要，如建设矮寨特大桥就选用了立体节段架设方法。

常用于大跨度悬索桥钢桁加劲梁的架设方法有以下几种[7-9]：浮吊架设法、悬臂拼装法、桥面吊机法、缆索吊装法和跨缆吊装法。其中浮吊架设法只应用于跨水面且具备水运条件的悬索桥。对于山区而言，钢桁梁架设条件与普通跨水面的悬索桥存在较大差异：一是无法运用浮吊架设；二是桥面距山谷底部高达数百米，如用缆索吊装法起吊高度远超过一般吊机能力；三是山区悬索桥往往桥下地形崎岖，不能进行水平运梁，现有缆索吊机一般不能解决大节段重量移动问题。因此矮寨特大桥在架设加劲梁时，综合考虑各种因素，借鉴货运索道及林业运输索道的工作原理，通过大量计算分析和试验研究，提出了一种全新的架梁方案即轨索滑移法[10-13]。

3 轨索滑移法

3.1 轨索滑移法基本原理

矮寨大桥是典型的大跨度山区悬索桥，其加劲梁架设采用轨索滑移法，该方法总体思路如下：主缆架设完成后，利用猫道安装吊索和吊鞍，在各吊索吊点架设通长的平行轨索；将轨索与两岸的锚固系统连接，调整吊鞍的纵向位置并张拉轨索力到设计值；加劲梁在两端桥头完成拼装后，将其通过运梁小车悬挂于轨索上；通过牵引系统，使加劲梁从桥塔处向安装位置运输，再通过跨缆吊机将其安装就位。

3.2 轨索滑移法设备基本构造

轨索滑移法所用的机具设备主要包括运梁和吊机安装两个部分。包括主缆，吊索、轨索、牵引索、运梁小车、吊鞍、跨缆吊机，见图3。其中，钢桁加劲梁的横向两侧各设4根轨索，则两侧共计8根，每根轨索为Ф50 mm的封闭钢丝绳，轨索的初张拉力为700 kN，安全系数为3.15。每片钢梁由4台运梁小车运输。小车负载设计能力为600 k N，牵引力为200 k N。永久吊索与吊鞍直接相连，在吊鞍鞍体顶面、永久吊索两侧设置轨索鞍座，轨索放置于吊鞍的鞍座上。吊鞍的作用是给轨索提供支承，同时将轨索的荷载传递至吊索和主缆。

图3 轨索运梁系统总体构造

3.3 轨索滑移法试验验证

为验证索轨滑移法的可靠性，进行了全桥缩尺模型试验[14,15]，选定模型的几何缩尺比λ=33，实际桥梁跨径布置为242 m+1 176 m+116 m，则缩尺模型布置为7.333 m+35.636 m+3.515 m，见图4。吊索顺桥向间距为439 mm，两主缆中心间距为818 mm。全桥缩尺模型试验结果表明：试验中，实测轨索力均匀性较好，变化一般在4%以内，少数工况大于4%，最大值小于6%；横向干扰力引发的轨索横向变形在相邻吊索区间分布均匀，不会引发小车运行困难，但值得注意的是在实际施工中应该加强横向强风对小车运梁的影响控制；在运梁过程中，吊索区间发生的轨索局部扰曲变形对小车的平稳运行影响不大。

图4 试验模型整体布置图（单位：mm)

3.4 轨索滑移法施工步骤及要点

总体施工布置见图5。

图5 轨索滑移法假设主梁示意图

施工主要步骤如下：

（1）按既定施工方式完成桥塔浇筑、主缆架设等施工；

（2）在桥塔附近的主缆上安装跨缆吊机，在索夹处安装吊索；

（3）从猫道侧面将轨索下放到吊索下端位置；

（4）利用跨缆吊机下放的工作平台安装吊鞍，将轨索安装到吊鞍上；

（5）将轨索两端安装在两岸锚固系统上，张拉轨索，使其达到所要求的内力和线形状态；

（6）布置移梁牵引系统；

（7）将在两岸拼装平台上已经完成拼装的梁段安装到轨索上，从两岸开始往跨中方向依次移梁；

（8）当梁段移动到位后，利用跨缆吊机起吊梁段，将梁段安装到吊索上；

（9）重复第七、八步，每次梁段移动到位后，利用跨缆吊机安装梁段，每次梁段安装完成后再对称移动下一对梁段，直至将全部梁段临时连接、安装完成；

（10）解除轨索与吊鞍的连接并拆除轨索，进行桥梁后续施工。

4 结论

（1）在山区修建大跨度悬索桥时，由于地形、运输等施工条件的限制，钢桁梁是非常有竞争力的加劲梁设计方案。在选择架设加劲梁的工艺方法时，应该充分考虑工艺可行性，先进性以及经济性等各方面的影响。

（2）矮寨特大桥地处深山峡谷，传统的悬索桥加劲梁架设方法难以实施或者经济性不高，故创造性地提出了轨索滑移法架设加劲梁的新方法。大桥采用该方法架设加劲梁，系统运行平稳，安全可靠，架梁速度迅速，为山区大跨度悬索桥钢桁加劲梁的架设提供了一种全新的施工工艺，也是近年来我国悬索桥建设领域技术大的突破，具有重要的推广应用价值，该方法将会推动我国山区悬索桥的发展。

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