中央索面钢箱梁整体式桥面吊机研究

李拔周

中交武汉港湾工程设计研究院有限公司

1 引言

中央索面钢箱梁斜拉桥采用分离式桥面吊机施工，难以保证钢箱梁的匹配精度，同时会在施工期间增加钢箱梁的附加应力。

图1 斜拉桥总体布置图

2 工程概况

南京第五长江大桥为纵向钻石型索塔中央双索面三塔组合梁斜拉桥，桥跨布置为80+218+600+600+218+80=1 796 m，总体布置见图1。索塔采用钢-混凝土组合索塔，索塔基础采用钻孔灌注桩基础，主梁采用含粗骨料UHPC为桥面板的流线型扁平整体箱型组合梁，采用钢绞线斜拉索。中塔处设置纵向双排竖向刚性支座，并设置支座约束纵向位移及横向位移；边塔索塔处设置纵向双排竖向支座，并设置横向抗风支座；辅助墩设置刚性竖向支座和纵向抗震耗能装置及横向抗风支座；过渡墩设置刚性竖向支座和横向抗风支座。

主梁采用扁平流线型整体箱形钢混组合梁，两侧路肩区为底部开放的悬臂结构，主梁标准宽度35.6 m，梁高3.6 m(组合梁中心线处)，斜拉索在钢箱梁上横桥向间距为4.58 m～4.84 m，钢箱梁标准节段长度14.6 m，重424.7 t，其标准横断见图2。

图2 钢箱梁横断面图

该工程的主要特点为：

(1)钢箱梁结构尺寸和自重均较大，钢箱梁宽35.6 m，重量424.7 t。

(2)主梁为中央索面，斜拉索间距仅4.58 m～4.84 m，为整体式桥面吊机提供的空间较小。

(3)0#块长度空间仅12.925 m，作为桥面吊机安装的空间。

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(4)斜拉索为钢绞线形式，安装相对平行钢丝斜拉索复杂。

根据桥梁施工工艺安排，桥面吊机需从1#节段开始采用桥面吊机施工，此时0#节段距塔柱的净距较小，仅有12.925 m。标准节段桥面吊机支、锚点距离为16.425 m。本项目在空间上对桥面吊机要求较高，给桥面吊机的设计和安装带来了一些限制[1]。

3 桥面吊机总体研究

根据施工需要，桥面吊机需满足以下要求：

(1)满足1#节段及标准节段吊装的需要。

(2)桥面吊机形式上必须采用整体式结构。

(3)能够辅助进行斜拉索的挂设。

(4)满足合拢段抬吊的空间要求。

国内目前尚无类似的工程案例，桥面吊机设计尚无类似的成功经验可参考。

根据钢箱梁结构上支锚点的分布，若将桥面吊机整体结构放置在两索面之外，主体结构则可以不受主塔的限制，有足够空间可以满足1#节段吊装。但存在的问题是主体结构之间的所有联系杆件将受斜拉索的阻挡，桥面吊机前移过程将会非常繁琐，施工效率会大幅降低。若将桥面吊机整体结构放置在两索面之间，主体结构虽然在1#节段吊空间存在问题，但后续节段施工操作则相对简单，因此将主体结构设置在两索之间，桥面吊机总体布置见图3。

1.后锚固分配梁 2.承重桁架 3.提升机构 4.吊具 5.前支点分配梁图3 桥面吊机总体布置图

桥面吊机由承重架、前支点装置、后锚固装置、起升机构、行走机构、吊具及安全保护装置等组成。桥面吊机总体结构采用2组菱形承重桁架结构，将2片菱形承重桁架放置在两索之间，桁架之间距离为3.2 m，2片桁架间通过连杆连接为整体。承重桁架前端设置前支点分配梁，满足支点横向间距5.6 m的要求，后端通过设置锚固分配梁，满足锚点横向间距5.6 m的要求。

吊装首节段钢箱梁时，前支点和后锚点之间的间距为16.425 m，0#节段长度仅12.925 m，则标准段的承重桁架与主塔存在干涉。因此，在吊装首节段时将主桁后部局部加宽以避开主塔，锚固点横向间距6.8 m，前支点和后锚点之间的间距调整为16.4 m(边塔)和16.8 m(中塔)，接近标准段施工的支锚间距(见图4)。在相应部位设置接口，待首节段钢箱梁吊装完成并将桥面吊机移出足够空间后，将主桁尾部进行替换，使后续节段吊装时前支点和后锚点之间的间距满足16.425 m的要求，且主桁全设置在两主桁之间。

图4 首节段吊装状态图

承重桁架底部设置前支点分配梁和后锚固分配梁，分别与主梁上的前支点和后锚点对应，将起吊荷载传至主梁上。前支点分配梁和后锚固分配梁长度超过了斜拉索的横向间距，为避开斜拉索的阻挡，分配梁在过索时先采用油缸横移，再通过旋转将梁调整为顺桥向状态(见图5)。

图5 分配梁过索状态图

承重桁架横向间距3.2 m，吊点的横向间距为5.6 m，通过在承重桁架上设置分配梁，使提升系统满足钢箱梁吊点要求。通过将吊具扁担梁设计为变截面，并将斜拉杆与扁担梁的连接锚头前移，避开斜拉索的干扰，同时保证能够顺利实现钢箱梁角度的调整。

为了辅助进行斜拉索的挂设作业，在桥面吊机承重桁架前端设置了电动葫芦，用于对斜拉索钢绞线的牵引。通过对承重主桁架结构进行优化，确保在施工合拢段时两侧桥面吊机能实现抬吊而不出现干涉(见图6)。

图6 合拢段施工状态

4 整体计算分析

1#节段吊装是桥面吊机施工相对危险的工况，主要的计算工况见表1[3-4]。

表1 计算工况

采用有限元软件Ansys进行桥面吊机主体结构的计算分析，1#节段吊装状态主体结构最大应力为224.4 MPa，最大竖向变形为-71.3 mm；标准节段吊装状态主体结构最大应力为175.2 MPa，最大竖向变形为-54.5 mm。从上述计算可看出，吊装首节段时相对标准节段更加危险。

1#节段吊装完成后，桥面吊机行走时前后支锚点间距相对较小，此时尾部行走小车受力最大。1#节段行走时行走小车反力438 kN，此反力为行走小车设计的控制工况。

桥面吊机位于两索之间，横向宽度相对较小，因此侧向稳定性需进行分析验证，计算模型见图7。起吊初时，在工作风速13.8 m/s作用下，钢箱梁刚刚脱离船面，控制两边吊点载荷相差50 t，即F吊1=275.69 t，F吊2=225.69 t，桥面吊机自重G桥=142.6 t，F风=16.8 kN。

图7 起升平台受力简图

风载荷、F吊1位倾覆力矩，桥面吊机自重、F吊2位抗倾覆力矩，桥面吊机的抗倾覆比为3.59>2，因此桥面吊机在吊装过程中的侧向稳定性满足要求。

桥面吊机主体材质为Q345，桥面吊机主体结构的整体强度、刚度能满足规范和使用要求[5-6]。

5 结语

中央索面整体式桥面吊机为国内首次开发，桥面吊机结构放置在两索面之间，避免了主体结构前移与斜拉索的干涉，极大地提高了桥面吊机的施工效率。承重结构尾部设置接口，可在不重新组装的情况下进行尾部更换，快速实现支锚点间距调整要求。通过设置平动和转动装置，使前支点和后锚点分配梁在行走时方便地避开与斜拉索的干涉，操作简便，降低了工人的劳动强度，提高了施工效率。新型吊具不仅避开了斜拉索的干扰，同时能够顺利实现钢箱梁角度的调整。设置电动葫芦辅助进行斜拉索挂设，拓展了桥面吊机的功能。该桥面吊机的成功应用，填补了国内该型桥面吊机的空白，提高了钢箱梁节段的匹配精度，为国内类似桥梁的施工提供了更多的选择。