缆索吊塔架结构选型与受力性能的可行性论证

杨 玲

(中铁十八局集团第四工程有限公司，天津 300350)

0 引 言

在展开大跨径钢管拱桥建设施工时，必须借助缆索吊装系统来完成，该系统因此被广泛应用于当前的多数桥梁建设工作中，成为其中的重要技术。需要意识到的是，虽然行业内已经围绕缆索吊装系统展开了大量的研究，但是主要局限在门式塔架或分离式塔架这一层面，关于主扣合一独立式结构形式的研究相对较少。因此，有必要围绕钢管塔架展开探讨，对其可行性进行分析，由此推动大跨径桥梁施工的进展[1-3]。

1 工程概况

本文以怒江四线特大桥为背景展开探讨，它是金刚元隧道与高黎贡山隧道的关键连接通道，且桥上有怒江车站，桥上各线间距均按5 m进行布置，对应总长达到了1 024.20 m，周边为典型的V形峡谷。进一步参考工程资料可知，主桥的1～490 m采用上承式钢桁拱桥的形式，拱轴线设置为悬链线的形式，对应拱轴系数为2.0。

2 缆索吊设计概况

对缆索的运行能力进行分析，用Q指代额定起重量，经计算后得知该值达到了200 t，能够带来的起重建筑跨度L达到了685 m，但在实际运行过程中有效跨度并不能完全达到该水平，即L1=685-(L/10)×2=548 m。采用0～10 m·min-1区间内变频调速的方式，对运行速度进行分析，与此同时起升速度也需要得到控制，即在0～6.4 m·min-1区间内变频调速。

(1)塔架及塔架基础。在设置塔架结构时，需要使用4根特定的钢管，其外径均为Φ800 mm×16(12)mm，连接弦杆、腹杆、斜杆采用非制式万能杆件部分和部分型钢组成缆索吊机塔架。其中塔架顶部6节标准节利用南盘江大桥缆索吊机8 m标准塔架，大理和瑞丽侧各12节，全桥共24节。塔架中横梁在大理和瑞丽侧各设置2套，全桥共4套。上横梁2套。钢塔架高度及大理侧塔高均为120 m，瑞丽侧下游塔高132 m，上游侧高137 m。塔架承台混凝土采用C35。承台尺寸为8 m×8 m×2 m，全桥共4个。在展开承台桩基础部分施工时，选用人工挖孔灌注桩的形式，要求桩长达到20 m，每个台都需要适配4根桩结构，因此桥梁整体需要16根，并基于C30混凝土进行灌注施工。

(2)主索(承重索)。主索采用8×K36WS+PWRC-Φ58 mm面接触钢丝绳，16根组成承重索，额定荷载Q=200 t。

(3)牵引索和起重索。引入了双向螺旋摩擦的方式完成牵引工作，要求其工作中的牵引力达到200 kN。为了确保牵引机能够稳定地运行，适配了1台功率为75 kW的双筒螺栓摩擦卷扬机。关于起重索部分的设计，使用了接触不旋转钢丝绳，引入了变频调速卷扬机设备，可以为整个起重工作提供足够的牵引力(80 kN)。

(4)起吊小车。起吊小车主要由跑车与挂架两大部分构成，其中跑车主要起支撑主索的作用。为了确保小车配重与主索结构的一致性，引入了链式支索器，可以确保牵引索与起重索被稳当地支承在主索上。

(5)后锚碇。后锚碇采用岩锚与重力锚，结合成主钩、副钩横移组合锚碇，每侧各2个，共4个。混凝土等级为C40。

(6)风缆。为控制塔架位移，在大、小里程侧缆索吊机在塔架各设3道风缆，采用重力式缆风绳锚碇，全桥共8套，锚碇混凝土等级为C25。

(7)索鞍。采用横移式索鞍，全桥一共匹配4套索鞍，用于横移滑撬和导轨。利用预应力YVW100B型千斤顶和精轧螺纹钢作为横移的动力和拉具。

3 塔架基础、锚碇施工

3.1 主塔架基础概况

缆索吊塔架基础大理侧中心里程为：DK191+458.124 4，瑞丽侧中心里程为：DK192+143.124 4，2个塔架的中心间距为685 m，大理侧塔架承台顶标高为785.719 mm，瑞丽侧塔架承台为高低台，下游侧承台顶标高为773.719 mm，上游侧承台顶标高为768.719 mm。同一塔架2个承台的中心间距为31.656 m，承台均为8 m正方形截面，高2 m，承台与桩基连为一体，桩基截面均为直径1.5 m的圆形，桩长20 m，如图1所示。

图1 缆索吊塔架基础布置

3.2 桩基施工

桩基全部为直径1.5 m的挖孔灌注桩，用人工开挖的方式成孔，使用混凝土材料进行护壁施工，采用导管法完成灌注施工，如图2所示。

图2 塔架基础桩基施工

3.3 承台施工

承台施工方案与桥梁引桥承台施工方案一致，需要注意塔架预埋件的设置。

预埋件制作及安装：塔柱脚锚固架务必与桩基与承台主筋焊接为一体，焊接时先在桩基主筋上焊接定位钢筋，用塔吊将拼装合格的锚固架垂直吊入桩基钢筋中，辅以水平尺定位，最后加固焊接于桩基与承台中。

焊接塔柱脚锚固架时，在工作平台上进行拼装焊接，焊缝应符合《焊接件通用技术要求》(JB/ZQ4000.3—1986)的规定，尺寸精度为B级，形位公差为F级，严格控制焊缝高度，必须达到8 m以上水平，焊条材料以E4313为宜。

3.4 缆风绳基础

缆风绳锚碇采用重力锚，明挖基础施工使用C35钢筋混凝土，施工方法同主塔架基础。缆风绳钢拉带倾斜角度根据实际情况调整。

3.5 后锚基础

后锚基础为重力式配合岩锚，依靠自重、钢绞线岩锚及基础前侧土压力来稳定主索张力，满足倾覆和滑移稳定条件，具体施工方法与主塔架基础部分一致。在实际施工过程中，基于提升锚碇承载力的目的，需要加大开挖面的粗糙度，此举能够进一步提升锚碇与地面之间的摩擦力；还需要在锚碇前预留1 m高嵌，此举能够提升基底的抗滑水平。后锚采用重力锚配合岩锚，在施工后锚时需特别注意预留岩锚施工所需的工艺。

岩锚索采用Φ15.24带PE保护套无黏结型钢绞线，设计锚固力为160 t，张拉安装力为184 t，长度分别为30、40、50 m。在施工锚碇时将预留孔道埋设好，孔道采用194 mm×5 mm预埋钢管。钻孔前，应先在两岸用小型岩芯钻机各钻1个孔，深50 m，取岩芯，可以得知岩层卸载荷裂隙情况，进一步验证锚杆深度是否达到工程标准。

4 塔架结构计算分析

4.1 荷载组合

在施工过程中，风荷载是重要的影响因素，因此需要对缆索吊装系统进行针对性分析，包括：工作状态吊装，此时需要考虑到重力、主索力、扣挂荷载、6级风荷载这几大因素；除此之外，还有非工作状态吊装，相较于上述因素而言，仅风荷载发生了变化，此时达到了11级。当然，实际上还容易受到地震或温度荷载的影响，此处暂不考虑，经整理后得到的结果见表1。

4.2 塔架计算模型

围绕塔架部分展开建模分析，此环节需要使用midas Civil，无论是立柱钢管还是扣索锚固结构，都基于梁单元的方式进行模拟，而塔顶万能杆件则基于桁架单元的方式进行模拟分析。具体的模型如图3所示。

表1 荷载组合

图3 塔架计算模型

4.3 各荷载组合下的塔架受力分析

立柱钢管的应力情况见表2。需要指出的是，其中的负值代表压力与压应力，而正值则指拉力与拉应力。参考行业标准，得知立柱钢管应力均达到了相关标准。

通过计算，立柱钢管最在工况10下最不利，杆件最大应力值达-190.5 MPa，塔架偏位在工况9下最不利，塔架顺桥向最大偏位200.1 mm(表3)。立柱钢管应力和塔架偏位如图4所示。

表2 立柱钢管应力值

表3 塔架位移值

图4 立柱钢管应力和塔架偏位

5 塔架计算结果

通过对塔架建模进行分析与计算，得到如下结论。

(1)无论是在工作状态还是非工作状态吊装桁架单元，杆件轴力都较为良好，能够达到立柱钢管应力标准，并且塔架偏位现象也得到了良好的控制。

(2)无论是在工作状态还是非工作状态吊装梁单元，杆件应力都可以达到工程标准。

(3)塔架位移容许值达到了340 mm，受吊装荷载组合的影响，塔架会沿着桥梁发生偏位现象，该值为200.01 mm，为塔高的1.47/1 000，符合行业标准。

6 结 语

本文围绕大桥工程中使用的缆索吊装系统展开分析，重点围绕独立式钢管塔架进行讨论，基于midas Civil进行了建模分析，得知塔架各构件对应的内力等指标都达到行业标准，验证了这一方案的可行性。