郑万铁路奉节梅溪河双线特大桥钢拱肋缆索吊机斜拉扣挂安装方案比选

王海峰，李 明，李国华

(中铁上海工程局集团建筑工程有限公司，上海 201906)

0 引言

对于大跨度拱桥，施工方法通常有原位支架拼装法、低位拼装提升法、悬臂拼装法、转体对位法、无支架缆索吊机斜拉扣挂法等。本文结合工程实例，在缆索吊机斜拉扣挂法的基础上，针对缆索吊机结构形式及拱肋扣挂方式进行比选研究，在解决工程实际问题的同时，进一步丰富该领域施工技术。

1 工程背景

1.1 工程概况

新建郑万铁路重庆段土建4标奉节梅溪河双线特大桥，全长687.8m，设计速度350km/h。主桥为劲性骨架钢筋混凝土上承式提篮拱桥，拱跨340m，一孔跨越梅溪河，无铰拱结构，拱圈设计劲性骨架，主弦管内压注C60混凝土，拱圈外包C55混凝土。

1.2 钢拱肋设计概况

钢拱肋为变宽变高钢桁拱架，拱轴立面为悬链线，拱轴系数m=3.2，计算跨径340m，矢高74m，矢跨比1/4.595。拱圈平面呈提篮形布置，分拱脚分叉段和拱顶合并段，分叉段半跨采用3道横梁连接；竖面整体内倾3.48°，形成拱脚分叉的X形结构，拱脚中心距16m，拱顶轴线中心距7m，分叉段单肢弦管水平中心距3.8m。拱肋高度按1.5次抛物线变化，上、下弦管中心高度从拱脚10m过渡到拱顶5m。拱肋主要由8根主弦管及相关连接系杆件组成，上、下主弦管各4根，主弦管φ750×24，横梁弦管φ560×16，连接系为4∟200×20等规格的四肢组合角钢结构。拱肋用钢量4 083.3t，弦管材质Q390D，连接系及节点板Q345D，填板等小型零件Q235，拱肋横断面如图1所示。

图1 拱肋横断面

1.3 自然条件

梅溪河为U字形河谷地貌，地面高程140.000～480.000m，地形起伏大，两岸边坡陡峭，自然坡度25°～60°，河面宽度约为280m。梅溪河为II级航道，受长江三峡蓄水倒灌影响，每年9月至次年4月底为三峡库区蓄洪期，蓄水后最高水位为173.450m，5—9月中旬回落至低水位，维持在143.000～145.000m。

2 总体施工组织

受地形限制，本工程采用缆索吊机吊装钢拱肋，并辅助后续工程施工。综合考虑后选用额定起重150t缆索吊机，并据此将拱肋半跨划分16个节段，共计32个节段、48个吊装单元(拱脚预埋段及拱顶合龙段除外)。钢拱肋在厂内分段加工，主弦管以折代曲制作，整体轮次匹配拼装后，船运至现场通过缆索吊机吊装，从两岸拱脚向跨中拱顶对称安装拱肋节段，在拱顶实现强迫合龙。总体遵循主桥拱肋及引桥平行施工、缆索吊机设计及施工与主引桥互不干涉原则。

钢拱肋最大节段重150t，采用缆索吊机斜拉扣挂法安装，缆索吊机系统、扣挂系统设计是本工程重难点。拱肋节段安装精度直接影响成桥线形效果，是本桥建造成败的关键，而尺寸庞大的变宽变高钢桁拱架结构及双向曲线造型使拱肋节段空中安装定位困难，因此拱肋安装精度及成桥线形控制是本工程重点也是难点，高空大悬臂拱肋安装及合龙施工难度大、安全风险高。

3 缆索吊机结构形式比选

在确定150t额定起重的基础上，根据主桥结构特点及现场条件，针对缆索吊机的索跨布置及结构形式，经咨询考察、分析研究，提出缆扣共塔与缆扣分离、单塔式与双塔式等多种形式，初步拟定以下3种方案进行比选。

3.1 方案1：缆扣共塔，索跨布置(145.9+356.8+196.8)m

本方案为设计推荐方案，缆扣共塔布置于两岸交界墩墩顶，采用钢管桁架门式结构，缆塔和扣塔通过活动转轴连接(见图2)。

图2 方案1(缆扣共塔)总体布置示意(单位：cm)

优点：只有2个塔架结构，材料用量较少。

缺点：①缆索系统拼装需在交界墩施工完毕后才能进行，严重制约工期；②交界墩宽度只有9m，其上布置缆塔空间有限，施工难度大；③第1段拱肋安装处于缆索吊机盲区(距缆塔15～20m)，需设置辅助牵引装置才能就位；④缆索吊机覆盖范围小，对引桥区域无法提供帮助；⑤扣索、锚索安装困难，无法利用工作吊一次提升到位，需设置辅助牵拉机械。

3.2 方案2：缆扣分离单塔式，索跨布置(10.3+726.5+115)m

缆扣分离单塔结构，郑州端设计无缆塔，万州端为门式缆塔，缆塔高100m，缆扣分离，扣塔布置于两岸交界墩墩顶(见图3)。

优点：①缆索系统与主桥拱座、交界墩可平行施工，总工期明显提前；②扣索、锚索安装方便，可用工作吊一次提升到位；扣塔拼装工艺简单，整体组装后利用缆索吊机整体安装到位；③缆索系统覆盖范围大，可辅助引桥区域施工材料倒运。

图3 方案2(缆扣分离单塔式)总体布置示意(单位：cm)

缺点：①有1个缆塔、2个扣塔，材料用量较多；②郑州端主索锚碇处地方民用电力线路密集，征拆难度大，费用高；③若万州端设置为无塔式，该处位于本标段以外，用地协调困难。

图4 方案3(缆扣分离双塔式)总体布置示意(单位：m)

图5 3种缆索吊机结构形式模型

3.3 方案3：缆扣分离双塔式，索跨布置(96.1+492.95+123.15)m

缆扣分离双塔结构，郑州端缆塔位于1号墩附近，万州端缆塔位于2号墩与3号墩之间，扣塔布置于两岸交界墩墩顶，缆塔为门式框架结构，扣塔为格构式结构(见图4)。

优点：①缆索系统与主桥拱座、交界墩可平行施工，主桥与引桥可同时施工，总工期明显提前；②扣索、锚索安装方便，可用工作吊一次提升到位；扣塔拼装工艺简单，地面组装后利用缆索吊机整体一次安装到位；③缆索系统覆盖范围大，可辅助引桥区域施工材料倒运；④充分考虑现场地形条件，缆塔布置在红线范围内，场地较平整，施工较方便。

缺点：双缆塔、缆扣分离结构，材料用量最多。

3.4 方案比选分析

3种方案的缆索吊机结构形式模型如图5所示，方案比选以充分利用缆索吊机使用功能为原则，要求缆塔及绳索系统不影响引桥施工，在保证总工期的基础上，充分考虑地形条件的限制。

经比选发现，方案3虽临时结构投入多、成本较高，但其能最大限度地利用缆索吊机的使用功能并明显缩短工期，综合考虑后最终选择方案3的缆扣分离双塔式结构。

4 扣挂方式比选

钢拱肋采用斜拉扣挂法安装，扣挂系统主要由扣塔、锚索锚碇、侧风缆、扣锚索及扣挂锚固结构等组成(见图6)。根据节段划分及施工特点，半跨拱肋共设置16组扣锚索，锚索与扣索对应设置，前5组扣索锚固于交界墩身上，其余扣索均锚固于扣塔上。两岸交界墩上设置4层锚点，底层锚索固定于拱座承台上，其上3层锚索固定于缆塔基础上；扣塔上设置3层锚固平台，其锚索均锚固于锚索锚碇上。

图6 扣挂系统立面布置

针对拱肋扣挂方式，从是否设置扣挂分配梁及临时索方面考虑，提出方案1(设置扣挂分配梁、采用临时索与正式索交替扣挂张拉)和方案2(取消扣挂分配梁和临时索、全部采用正式索扣挂张拉)，通过咨询研究、分析论证，综合考虑国内该领域施工技术水平，对两种方案作如下比选。

4.1 方案1：设置扣挂分配梁、采用临时索与正式索交替扣挂张拉

半跨拱肋共设置16组扣索，每组2束，其中K1，K3，K5，K7，K9，K11为临时索(共6组)，其余10组为正式索。在每节段上弦管前端节点设置扣挂吊耳，采用横向扣挂分配梁连接扣挂吊耳及扣索，每束扣索锚固于扣挂分配梁中间，扣挂分配梁构造如图7所示。施工过程随拱肋节段安装，逐一安装并张拉扣索，在下一节段扣索张拉完成后拆除前一节段的临时扣索，拱顶节段12～16逐一安装张拉正式索，无须在过程中拆除。临时索与正式索交替扣挂张拉流程：安装节段1→张拉1号临时索→安装节段2→张拉2号正式索并拆除1号临时索→安装节段3→张拉3号临时索→安装节段4→张拉4号正式索并拆除3号临时索→依次安装后续节段并交替扣挂张拉扣锚索→拱顶合龙。

图7 方案1扣挂分配梁

4.2 方案2：取消扣挂分配梁和临时索，全部采用正式索扣挂张拉

半跨16组扣索中，每组扣索包含4束(每束扣索配置钢绞线具体根数由对应索力确定)，分别对应同一节段的,4根上弦管，拱肋节段制作时在每根上弦管前端节点位置焊接扣挂吊耳，采用扣挂锚箱将扣挂吊耳与每束扣索直接相连。扣挂连接构造如图8所示，节段安装时，扣挂张拉本节段对应扣索，之前已安装的扣索无须拆除。

图8 方案2扣挂连接构造

4.3 比选分析

方案1设置临时索与正式索交替扣挂张拉，主要因为随着节段安装，拱脚1/4跨处会逐渐出现反拱现象(具体反拱值与扣塔高度、扣索角度等因素相关)，尤其在合龙前的大悬臂状态反拱较明显，设置部分临时索用于当前节段安装时调整线形、之后拆除，以避免后续反拱现象出现。但设置扣挂分配梁，增加临时结构投入，且因传力路径复杂致使施工风险增大。扣挂分配梁采用单束扣索进行张拉，在调整当前节段空间扭曲时较麻烦，无法对内、外侧弦管进行单独张拉作业。此外，由于各类扣锚索在空中交织，拆除临时索易碰触已参与受力的正式索，整体扣挂体系存在风险隐患，且拆除临时索占用关键线路，致总工期延长。

方案2全部采用正式索参与全过程扣挂施工，采用未知荷载系数法求解优化扣锚索力，实现一次张拉的目标。针对大悬臂状态出现的反拱现象，索力优化时，设置拱肋合龙状态的线形约束条件(一般设置为±10mm)，在施工阶段分析中，人为调节反拱区域的部分扣索索力，以保证整体拱度线形满足要求。不设扣挂分配梁，优化传力路径，在减少临时结构投入的同时，降低了因临时结构加工质量缺陷可能导致的施工风险，并且内外侧独立挂索张拉也有利于对节段的线形调整。

从安装线形控制、施工风险、工作量、临时结构投入及总工期等方面对比分析两种扣挂方式，发现方案2更优，因此最终选用方案2。

5 关键技术探索

5.1 缆索吊机系统设计

缆索吊机选用缆扣分离、双塔三跨结构，主要由绳索系统、缆塔塔架系统、基础锚碇系统、起重吊挂系统、自动化控制系统组成，设2套75t固定式主吊机和2套20t横移式工作吊机，工作吊机位于主吊机中间，主吊机中心间距20.8m。塔架采用门式框架结构，立柱为φ630×20钢管。郑州端缆塔高95m，万州端缆塔因地形影响不等高，右幅高92m、左幅高85m。利用MIDAS Civil软件建立缆塔塔架整体模型，分析其受力状态及结构稳定性，根据吊装质量计算配置主索、起重索、牵引索等绳索系统，再由绳索系统的受力设计自动化控制系统及基础锚碇。

5.2 扣挂索力优化思路

根据拱肋节段划分及扣锚索一次张拉的目标，建立拱肋和扣锚索整体模型，设置施工阶段模拟拱肋安装顺序，通过限制拱肋及扣塔关键节点位移约束，采用未知荷载系数法正装迭代计算，并根据计算结果结合实际工况手动调整优化部分索力，最终得出1组最优索力，真实指导现场施工。

5.3 拱肋节段扣挂安装

缆索吊机主吊钩下设横向吊装扁担梁，分叉段上、下游两肢独立吊装，单肢设4个吊点，合并段整体吊装设8个吊点。起吊后，调整拱肋空中姿态、安装就位，两侧设置侧风缆进行横向精调，主管对接口采用匹配件及螺栓临时固定，安装扣索并根据监控指令进行张拉，保证安装线形满足要求。在斜拉索扣挂状态下实现主管环缝零弯矩焊接，依次安装拱肋节段，环缝焊接滞后不得多于2个节段。

6 结语

针对缆索吊机结构形式，通过比选采用缆扣分离、双塔三跨结构；针对拱肋扣挂方式，通过比较确定取消扣挂分配梁和临时索、全部采用正式索扣挂张拉方式作为最终方案。郑万铁路奉节梅溪河双线特大桥按此方案实施，于2019年6月20日开始首节段安装，10月30日顺利完成合龙，施工快捷、质量良好，成拱线形满足要求，最终合龙口对接精度偏差控制在±2mm。本工程通过比选确定的最终实施方案可供以后同类工程参考借鉴。