大跨度钢箱拱桥缆索吊系统设计与施工研究

潘兴良

中铁七局集团有限公司 河南 郑州 450006

1 引言

钢箱拱桥具有造型美观、结构简洁、受力性能良好、安全可靠等优点[1-2]，近年来在我国桥梁领域快速发展。在钢箱拱桥的施工中，拱肋架设是风险最高、难度最大的关键工序，传统拱肋架设方法有整体提升法、缆索吊机法、转体施工法、支架法等[3-4]，其中，缆索吊因其效率高、适应性广、跨越能力强及对环境影响小等优点，在大跨径拱桥施工中应用最为广泛。据统计，我国已建及在建拱桥中约有60%采用缆索吊装法施工[5]。

缆索吊系统安全性是保障拱肋架设顺利实施的关键，目前针对缆索吊系统设计与施工受力分析的研究已较为全面。黎卓勤等[6]设计了主扣合一的独立式钢管塔架，并通过实例论证了其可行性。刘巍等[7]设计采用双向缆索吊装系统，实现了宽幅拱桥的无死角吊装拼接。郭常瑞等[8]充分考虑承重索的滑移，建立了静力平衡方程和迭代计算方程，更为准确地计算了缆索吊跨中起吊高度。施洲等[9]考虑了主索滑移及塔架偏位，通过有限元模型分析了缆索施工支架非线性受力特征。孙九春等[10]利用有限元软件建立仿真模型，分析了缆-拱-索-塔在整个施工过程中的力学特性，为结构设计提供了有效参考。

现有研究中的缆索吊系统大多采用对称布置形式，且索塔为主塔、扣塔分离结构，各体系均具有良好的独立工作条件，而少有研究关注到主扣塔合一的复杂受力特点。本文以新滩溪特大桥为背景，依据大桥所处地形、地貌、地质条件，设计单索塔不对称式缆索吊系统和主扣塔一体化索塔，并基于上述研究对缆索吊装系统的安全性、稳定性进行计算分析，为缆索吊系统布设和钢箱拱桥拱肋架设提供了先决条件。

2 工程概况

2.1 工程简介

新滩溪特大桥位于水富至绥江二级公路新滩溪道路修复工程段，是为跨越新滩溪淹没区而设的重要控制性工程。大桥设计采用中承式钢箱拱桥，桥面全长179.45 m，宽10 m，矢高37.778 m，矢跨比1/4.5，拱轴线为悬链线，拱轴系数1.37。全桥拱肋计算跨径170 m，采用等截面钢箱型截面，宽度2.0 m，高度3.0 m（内轮廓），全桥拱肋设五道I型风撑，两片拱肋通过5道一字型风撑连为一体，大桥总体布置如图1所示。

图1 大桥总体布置图

2.2 工程难点

新滩溪特大桥所处区属河流侵蚀堆积地貌，地势起伏较大，地质复杂，上覆第四系覆盖层厚度变化大，下伏岩体为灰岩、泥质粉砂岩，受地质构造影响，其风化差异明显，造成岩体破碎、岩层软硬不均，施工场地狭小，索塔布置困难。桥梁跨越向家坝水库区沟谷段，在蓄水期沟谷水位较高，给缆索吊施工与拱肋架设带来了极大的不便。

3 缆索吊方案设计

3.1 总体设计

根据详细的地质勘查报告发现，新滩溪特大桥水富岸桥台一侧地形较平缓，而绥江岸桥台一侧自然坡度陡。为充分利用地形地貌条件，大桥拱肋架设采用单索塔不对称式布置的无支架缆索吊系统，在水富岸一侧布置主扣塔一体化索塔，绥江岸则利用山体的岩锚技术将地锚设置在隧道洞顶的山体上。缆索吊装系统总体布置如图2所示。

图2 缆索吊装系统总体布置

3.2 缆索吊系统组成

新滩溪特大桥缆索吊系统由主索、工作索、索塔及锚固体系等部分组成，具体内容如下：

（1）主索。全桥设计两组主索，布置于拱肋正上方，主索设计跨径为120 m+260 m，横向间距12.6 m，缆索在施工中的最大荷载垂度为18.7 m，垂跨比为1/14，最大吊重300kN。

（2）工作索。工作索主要包含起重索、牵引索、缆风索、扣索等部分。起重索与牵引索布置在两拱肋上方靠内侧位置，以保证工作吊篮能够上下起吊；缆风索分别布置于索塔高度26 m处、38 m处和索塔顶，通过上下三层缆风绳有效控制塔架位移和拱肋偏位，提高索塔稳定性；扣索设计采用破断强度为1860MPa的高强低松弛钢绞线，由于大桥每半跨拱肋分为10个吊装节段，故设计采用交替布置的5组临时扣索和5组永久扣索来避免扣索间产生相互干扰，以保障结构安全。其中，临时扣索可循环使用，采用4根钢绞线张拉设置，永久扣索则根据设计方案采用不同根数的钢绞线张拉设置。

（3）索塔。通过实地考察地形地貌，设计仅在水富岸一侧设置主扣塔一体化索塔，以解决施工场地狭小的问题，并通过设置铰支座消除主扣塔高差与塔架偏位对缆索吊系统安全性的影响。索塔设计高为64.04 m，主塔架采用Q345钢管作为主承重结构，其中每半幅塔采用4根间距为3m×3m的立柱矩形布置，且立柱间采用钢管杆件进行水平与交叉斜撑布置，以构成格构体系，增强索塔稳定性。

（4）地锚。水富岸主地锚布置于索塔后方120m处的路基上，扣索地锚分别布置于索塔后方52 m处和105 m处，锚碇均位于桥梁轴线上；绥江岸地锚采用山体岩锚，锚碇位于桥梁轴线方向隧道顶上，与水富岸索塔顶标高一致。

4 缆索吊系统计算分析

4.1 扣索计算分析

新滩溪特大桥缆索吊系统采用主扣塔一体化索塔进行布设，扣索索力的准确计算可有效保障施工质量与安全，对索塔及拱肋稳定性具有重要意义。根据设计及现场实际情况分析，该桥采用单肋合龙安装方案，两岸按顺序对称安装，最后安装合龙段。

采用Midas Civil软件对单拱肋扣索进行有限元分析，将其简化为平面杆系结构，拱肋节段离散为梁单元，扣索采用桁架单元建模，其有限元模型如图3所示。

图3 扣索有限元模型

大桥每半跨拱肋分为1 0个吊装节段，编号为CS01～CS10。拱肋安装过程中，设置5组临时扣索和5组长久扣索，由拱脚向拱顶依次编号，临时扣索编号依次为T1、T3、T5、T7、T9，长久扣索编号依次为T2、T4、T6、T8、T10。通过有限元法分别计算分析水富岸和绥江岸两岸拱肋吊装过程中各扣索的索力值，分析结果如表1、表2所示。

表1 水富岸扣索索力分析表

表2 绥江岸扣索索力分析表

通过上述计算分析可知，合龙段施工时其扣索力值最大，其中水富岸最大扣索力为771.0kN，安全系数为2.01；绥江岸最大扣索力为1018.9kN，安全系数为2.03。拱肋架设时各扣索安全系数均大于2.0，满足《公路桥涵施工技术规范》JTGT 3650-2020要求。

4.2 索塔计算分析

大桥索塔采用主扣塔合一的结构形式，受力复杂，而其作为缆索吊系统中的主要承重构件，强度、刚度、稳定性与施工质量和安全息息相关。因此，准确计算分析其受力特性至关重要。运用Midas Civil有限元软件对索塔进行模拟分析，模型节点个数311，单元数量470个，塔架缆风索采用只受拉桁架单元，其余均采用梁单元进行数值模拟分析，塔底部采用固结约束，索塔有限元模型如图4所示。

图4 索塔有限元模型图

4.2.1 索塔强度分析

索塔在各工况下受到自重、主索、扣索、起重索、牵引索、缆风索及纵向风力的共同作用，根据桥区风力研究成果与《公路桥梁抗风设计规范》JTG/T 3360-01-2018计算桥梁设计基本风速为28.2m/s。分别对不同位置拱肋节段吊装时索塔的受力情况进行计算分析，工况一：跨中重载状态；工况二：安装1号节段，即CS01施工阶段。索塔受力情况如表3所示。

表3 索塔受力情况

由表3数据可以看出，索塔竖向力在跨中重载情况下（工况一）最大，索塔构件强度、刚度由荷载工况一控制。表中水平力出现负值表示塔柱向跨中偏移，可利用扣索和风缆承担索塔上的不平衡水平力，以增强索塔的安全性。进一步利用有限元法对塔架的强度进行计算分析，在强度计算荷载组合工况下，主塔架承重钢管组合应力分析结果如图5所示，主塔架水平杆、斜联杆组合应力分析结果如图6所示。

图5 塔架承重钢管组合应力云图

图6 塔架水平杆、斜联杆组合应力云图

分析图5、图6可知，主塔架承重钢管最大压应力为136.7MPa＜[f]=305MPa，主塔架水平杆、斜联杆最大拉应力为54.2MPa＜[f]=215MPa，索塔构件强度均满足《钢结构设计标准》GB50017-2017的要求。

图6 索塔前4阶失稳模态

4.2.2 索塔稳定性分析

索塔的一体化将会加剧塔架的失稳变形，采用线性屈曲理论对该索塔进行特征值稳定分析，在自重、主索、牵引索、起重索、缆风索、扣索等作用下进行索塔整体稳定性分析计算。索塔在不变荷载和可变荷载工况组合下，前4阶失稳模态分析结果如图7所示。

分析图7可知，索塔1阶失稳模态至4阶失稳模态的稳定系数分别为5.6、31.8、34.5、35.3，1阶失稳系数大于3，即塔架有较高的整体稳定安全系数，塔架整体稳定性满足《公路桥涵施工技术规范》JTGT 3650-2020的要求。

5 缆索吊系统施工研究

5.1 施工流程

新滩溪特大桥采用无支架缆索吊系统进行施工，缆索吊系统为单索塔不对称式布置，即只在水富岸桥台处设置索塔，绥江岸直接锚固在隧道洞顶上方的山体上。钢箱拱肋、风撑、吊杆、格构梁、桥面板等构件均采用缆索吊系统安装。缆索吊系统的施工流程如图7所示。

图7 缆索吊施工流程

5.2 施工要点

5.2.1 索塔施工

索塔构件主要分为立柱钢管、斜撑及横撑格构杆件、交叉横向连接杆件，所有构件单元均在厂内生产加工，后运输至施工现场吊装安装，且每个构件端头均设置法兰盘，以便于现场施工。索塔底部作为受力薄弱位置，通过设置斜撑和横连杆来提高索塔的稳定性，且为了控制索塔的水平位移，分别在索塔上设置三层缆风绳，以承担索塔的不平衡水平力，保障索塔的安全性。

5.2.2 扣索施工

根据拱箱安装节段划分，全桥拱肋共计42个吊装节段，每侧设置10个扣段吊装合龙，鉴于缆索吊系统采用主扣塔一体化索塔，索塔空间有限，故设置5组可循环使用的临时扣索和5组永久扣索交替布置，以避免扣索间相互影响。扣索的张拉、放松按照分级、对称、同步的原则进行，以标高控制为主，同时兼顾索力。为了有效控制扣索的安装精度，每一扣段安装后需及时进行调索作业，包括拱肋轴线、拱肋高程的调整，以避免拱肋线形与标高的误差过大，影响结构安全。

5.2.3 缆索吊系统试吊

缆索吊系统安装后，需进行试吊检验其工作性能，确保缆索吊系统可顺利投入施工使用。试吊项目包括空车调试、静载试验和动载试验三部分，通过空车调试检验缆索吊系统安装误差及设备性能状况；通过静载试验对缆索吊系统进行全面检查，并采用逐步加载的方式进行动载试验，检验缆索吊系统各部位的受力情况。通过缆索吊试吊工作全面检验了系统的结构安全性与稳定性，为新滩溪特大桥拱肋架设高效施工提供了有利保障。

5.2.4 钢箱拱吊装施工

拱肋吊装由工厂加工成吊装节段，运输至现场后从绥江岸桥台处起吊安装，全桥拱肋架设均采用缆索吊系统，且按照两点抬吊、正吊正扣、斜拉扣挂、悬拼小竖转的原则进行吊装施工。拱肋安装由拱脚向跨中对称、同步安装，待左、右幅同一节段安装就位后，及时连接临时横撑以形成稳定结构，并采用扣索和缆风索进行固定。

6 结束语

本文以新滩溪特大桥为背景，充分利用桥区所处地形地貌，设计了一套缆索吊系统，通过建立有限元模型分析扣索、索塔等系统的受力特征及安全性，为后续缆索吊施工与拱肋架设提供理论与实践支撑。具体的研究结果如下：

(1)根据大桥桥址地形、地貌、工程地质条件，缆索吊系统设计采用单索塔不对称式布置，仅在水富岸一侧设置主扣塔一体化索塔，节约施工场地，减少了塔架设备的投入，提高施工效率。

(2)为避免扣索之间相互影响，每侧拱肋设置5组永久扣索、5组可循环使用的临时扣索，通过有限元分析得出所有扣索的安全系数均大于2，扣索安全性良好。

(3)索塔采用主扣塔一体化结构，索塔构件的强度、刚度由跨中重载情况控制，在荷载组合工况下，索塔的强度、刚度、稳定性均满足规范要求，且有一定的安全余量。

(4)基于工程重难点与缆索吊施工流程详细分析了缆索吊系统的施工要点，保障缆索吊施工安全，为后续类似工程施工提供了一定参考。