高速铁路大跨度提篮拱桥钢拱肋缆索起重机斜拉扣挂安装技术*

孟 磊，王海峰

(中铁上海工程局集团建筑工程有限公司，上海 201906)

1 工程概况

1.1 工程简介

新建郑州—万州铁路重庆段站前工程土建4标奉节梅溪河双线特大桥，桥梁全长687.8m，主桥为劲性骨架钢筋混凝土上承式提篮拱桥，拱跨340m，矢高74m，一孔跨越梅溪河，无铰拱结构，是目前设计速度350km/h、跨度最大的无砟轨道高速铁路提篮拱桥(见图1)。

图1 奉节梅溪河双线特大桥立面(单位：m)

拱圈设计为变宽变高的钢桁拱肋劲性骨架，主弦钢管内压注C60自密实无收缩混凝土，拱圈外包C55补偿收缩混凝土。拱座采用水平桩+竖直桩分离式嵌固基础，交界墩为双柱式空心墩，拱上11根墩柱、3联连续梁(4孔1联)。郑州端引桥为2×65m T构连续梁，万州端引桥为(44+72+44)m连续梁+24m简支梁。

钢拱肋拱轴立面为悬链线，竖面整体内倾3.48°，形成拱脚分叉的X形结构；拱圈平面呈提篮形布置，分成拱脚分叉段和拱顶合并段；拱脚中心距16m，拱顶轴线中心距7m，断面高度按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。

1.2 自然条件

桥址位于山区，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°，河面宽约280m。施工区域内有多条省道穿过，附近存在较多民房、果园、电线电缆等，地形错综复杂。

2 工程难点

1)山区地形条件复杂、起伏大，加之公路、架空电缆等影响，导致总体施工规划布置难度大。

2)结合地形特点进行缆索起重机选型设计，合理布置牵引索、起重索的走线方式，据此进行绳索系统、缆塔塔架、基础锚碇等各部分的设计验算，缆索起重机结构复杂、承载力大、安全风险高，各类绳索空中交织，设计难度大。

3)钢拱肋双向曲线构造庞大，节段空中安装定位调整困难，各部位应力、索力及线形位移随各节段安装相互影响变化、效应逐次叠加，所以拱肋安装线形精度控制是本工程重点与难点。

4)钢拱肋跨中合龙施工是本工程的关键，如何采取有效措施保证合龙后最终成拱线形及应力状态满足设计意图是难点。

3 施工部署

受地形限制，本工程采用无支架缆索吊装、斜拉扣挂法施工，总体遵循主桥拱肋及引桥平行施工、缆索起重机设计及施工与主引桥互不干涉的原则。钢拱肋在厂内分段加工、船运至现场，从两岸拱脚向跨中逐节段对称安装，在拱顶实现强迫合龙。综合考虑缆索起重机额定起重力及施工特点，将拱肋半跨划分16个节段，共计32个节段、48个吊装单元，控制单次吊重≤150t。

根据现场实际条件，经综合比选后，缆索起重机采用缆扣分离、双塔3跨结构，索跨布置(96.1+492.95+123.15)m，缆塔塔架横跨引桥设置，以避免与引桥施工发生干涉，主索锚碇布置在桥梁两端的隧道洞口附近。扣塔设置在交界墩顶以减少材料投入，经比选确定拱肋的扣挂方式，取消扣挂分配梁和临时索，全部采用正式索扣挂张拉。半跨拱肋共设16组扣锚索，扣索和锚索一一对应设置，每组扣索包含4束，分别对应同一节段的4根上弦管，采用扣挂锚箱将扣挂吊耳与每束扣索直接相连。缆索起重机及扣挂体系立面布置如图2所示。

图2 总体立面施工布置(单位：m)

4 缆索起重机设计与施工

缆索起重机由绳索系统、缆塔塔架、基础锚碇、卷扬机动力系统等组成，根据使用功能要求，设计2套75t固定式主吊和2套20t横移式工作吊，主吊中心间距20.8m，工作吊位于主吊中间。

4.1 隧洞式主索锚碇

由于郑州端山坡陡峭且附近有多条民用电缆架空穿过，迁改拆除困难、费用高，导致主索锚碇只能布置在隧道洞口两侧。考虑山体表层风化严重，地质条件差，存在溶洞且裂隙较发育，不适于应用岩石锚索结构，为了减小放坡开挖对山体坡面的破坏，经研究创新采用隧洞式桩基承台组合锚碇结构(见图3)。

图3 隧洞式主索锚碇

根据地质情况，桩基采用悬挑柱模型进行保守设计，入岩嵌固≥5m。参照隧道施工工艺施作隧洞，为锚碇后续施工提供作业空间，在隧洞内按常规工艺依次施作桩基、承台及安装锚索，锚索外伸连接缆索起重机主索，以有效承受绳索系统传来的荷载。

4.2 缆塔塔架安装

两岸缆塔采用门式框架结构，郑州端缆塔高95m，万州端缆塔高92m(左幅85m)，塔架采用φ630×20钢管立柱，立柱间采用双槽钢连接杆连接。利用MIDAS Civil软件建立塔架整体模型，分析其受力性能及结构稳定性，对索鞍滑轮、塔柱节点及柱脚连接等复杂部位通过细部有限元分析其受力状态。

根据塔架结构特点，将其分解成便于运输安拆的构件进行加工，构件宜采用栓接接头，运至现场后首先在地面组拼成吊装单元，然后通过起重设备从下向上逐步安装。塔架安装过程中应根据架体安装高度合理设置侧风缆保证结构安全，并辅助调节塔架垂直度；塔架安装完成后，按设计要求在塔顶安装索鞍、天车搁置平台等。

4.3 绳索系统安装

依据《路桥施工计算手册》及相关规范计算绳索系统，首先根据索跨布置和结构物的相对高差，确定主索垂度为L/15(L为主索跨度)，根据经验或试算预估的绳索内力，确定牵引索“走4”、起重索“走10”的走线方式。然后分别计算最大吊重位于跨中、两端及空索、空载等各类工况下的绳索索力，根据计算结果合理配置主吊、工作吊的主索、起重索、牵引索及对应的卷扬机，具体配置参数如表1所示。

表1 缆索起重机绳索系统设计参数

在塔顶的天车搁置平台上临时安放固定天车，通过小船牵引先导索过河，利用先导索安装循环索、通风缆等，然后安装并预紧后风缆、调整通风缆垂度，使缆索起重机结构初步形成稳定体系后，开始利用循环索逐根安装主索。全部主索安装完成后，根据设计要求调整主索垂度及缆塔预偏，然后按计算确定的走线方式安装牵引索和起重索，最后安装支索器、吊具、扁担梁等附属结构。在绳索系统安装的同时，按方案要求布置各类卷扬机、转向滑轮、控制室等，并跟进安装索力监测、视频监控等装置。

4.4 缆索起重机试吊

缆索起重机各组成系统全部安装完成后，应首先在全跨范围内空载试运行，以检查空载垂度、绳索连接及设备运转等情况，然后按4级加载方式进行试吊。4级分别为额定起重能力的50%，100%，110%，125%，前2级均应按上游单线、下游单线和双线联动的3个工况进行全跨范围动载试吊，第3级仅按双线联动工况进行全跨范围动载试吊，第4级按双线联动工况进行跨中静载试吊。经试吊检验缆索起重机的承载力、超载力、安全性能、使用性能等，试吊合格并经申报取证后方可正式投入使用。

5 钢拱肋扣挂安装

5.1 吊装准备

1)节段摆放 根据钢拱肋的节段划分及预拱度要求，提前在厂内加工制造，同时安装现场所需的吊耳、匹配件、管口连接装置等结构，对监控点做好标识，水运至现场。现场租赁平板驳船存放拱肋节段，根据节段尺寸位置及施工特点合理确定节段的摆放状态，拱肋节段顺桥向放置，吊装前仅需将驳船上下游移动、调整待吊节段至指定位置即可，便于起吊安装操作。

2)扣塔安装 扣塔分段加工，采用缆索起重机逐段吊装连成整体，严格控制扣塔的垂直度和现场接头质量。扣塔柱脚分别坐落于交界墩墩顶和引桥连续梁上，考虑引桥在季节性温度变化时的伸缩变形对柱脚产生不利影响，故引桥梁面柱脚设置反扣滑移结构，保证柱脚可沿纵向自由滑动，有效释放附加应力。

对于锚索不对称布置导致的扣塔偏移，反向设置扣塔侧风缆调节塔偏、保证体系受力平衡，在扣塔安装过程中做好挂设侧风缆准备，待拱肋节段安装到相应工况时应及时安装预紧、分级张拉侧风缆。

5.2 节段起吊

1)带索起吊 根据配索方案提前下料钢绞线，挂设预紧锚索于扣塔和锚碇之间，通过锚箱将扣索下端连接于拱肋节段的扣挂吊耳上。缆索起重机主吊起重索下设吊装扁担梁，根据不同节段的结构尺寸及吊耳位置，在扁担梁上设置限位卡槽，以匹配固定吊装钢丝绳位置。各处吊钩连接完成后发出起吊信号，通过后台操作缆索起重机将拱肋节段和扣索同步缓慢提升(见图4，5)。

图4 扣挂锚箱连接示意

图5 起吊拱肋节段断面示意

2)调整空中姿态 提升至一定高度后，调整节段空中姿态，通过控制缆索起重机调节前后2根扁担梁的相对高差，使节段基本达到安装时前高后低的倾斜状态。

5.3 安装张拉调整

5.3.1粗调对位

通过缆索起重机缓慢移动待安装节段，使其下管口逐渐靠近已安装节段的上管口，采用工作吊牵引扣索上端并连接于对应锚梁，利用手拉葫芦横向调整节段扭偏，根据拱肋节段安装的控制坐标初步粗调节段位置，沿纵向设置手拉葫芦牵拉以缩小对接口间隙，并通过管口连接装置进行匹配对位。管口连接装置有2种(见图6)，首节段与拱脚预埋段间采用内法兰+嵌补段结构定位连接，标准节段的主弦管间采用可双向调节的外法兰匹配件结构定位连接，以方便节段安装对位。拱肋节段粗调定位后，初步施拧对接口连接螺栓。

图6 管口连接构造示意

5.3.2张拉精调

粗调定位后，在缆索起重机主钩悬吊状态下，根据监控指令的索力大小分级进行扣锚索力的对称张拉，采用高精度全站仪持续跟踪观测拱肋监控点的空间坐标变化，以精确调整拱肋安装线形。拱肋精调过程中，以线形控制为主、索力控制为辅的原则，随索力张拉加载、缆索起重机逐步卸载，在二者此消彼长过程中精确控制拱肋线形满足施工预拱度要求，实现拱肋节段由缆索起重机悬吊状态向扣锚索扣挂状态的平稳过渡，完成精调(见图7)。

图7 对接管口调整施工照片

精调过程的线形控制坐标应通过施工阶段模拟分析得到，综合考虑二期恒载+1/2运营活载作用下的最终阶段成桥拱度及安装当前节段的线形变化，推算出各节段的施工预拱度数值，然后再与设计线形坐标叠加计算出实际施工控制坐标，以此保证最终工况下的整体线形与目标值吻合，实现一次张拉的效果。施工中每安装1个拱肋节段对应张拉该组扣锚索，无须调整之前已安装的各组索力，扣锚索对称张拉必须做到扣索和锚索同比例加载、上下游同步加载。精调过程中采用千斤顶和码板调整管口错边，针对拱肋线形小范围偏差，可采用调节对接口焊缝间隙或设置拱肋侧风缆方式进行微调。

5.4 临时固结及焊接

拱肋安装精调后拧紧管口连接装置上的螺栓，将相邻管口临时固结锁定，然后及时对管口焊缝进行施焊及无损检测。根据管口连接装置的承载力，合理控制管口焊接速度、保证工序衔接，一般控制焊缝焊接滞后于节段安装≤2个节段。

管口焊接采用钢衬垫兜底，由于管内密闭空间中钢衬垫安装困难，故研究采用一种钢衬垫安装调整装置(见图8)，将管内钢衬垫沿圆周分割成多个小块，然后采用该装置逐一安装定位、拧紧螺母以保证衬垫密贴后点焊固定，操作便捷、效果良好。

图8 钢衬垫安装调整装置示意

5.5 拱顶合龙施工

1)持续观测 通过连续数天观测温度及合龙口尺寸的变化情况，选择在气温相对稳定的0:00—6:00进行合龙施工。根据观测确定的合龙温度与设计要求理想温度间的偏差，模拟计算温差导致的合龙口变形量，并考虑扣挂体系对拱肋产生的附加变形值，综合考虑温度应力和扣挂附加应力影响后最终确定合龙口尺寸，用于提前下料配切。

2)线形调整 根据已确定的合龙施工温度及合龙口配切尺寸，通过软件模拟推算出该温度下的合龙前线形坐标，以此调整拱肋大悬臂状态的线形满足合龙施工要求，具体可采用调节扣索索力或在合龙口处采用千斤顶施加外力等方式。

3)合龙施工 待拱肋合龙前大悬臂状态下的整体线形满足要求后，且等到既定的合龙温度范围时，快速安装拱顶合龙段，并及时采用码板或型钢结构进行锁定。调整对接口错边、间隙等指标符合要求后，及时施焊对接口焊缝并检测，最终完成主拱合龙。

5.6 施工监控

拱肋安装前，布置测量控制网及各类监控感应器，建立全程监控指挥信息系统，在拱肋安装过程中随时提取查看索力、应力、线形等实际信息，通过后台实时监控分析，及时有效地做出正确判断、发出施工指令，保证高精度完成拱肋安装。

6 结语

郑万高速铁路奉节梅溪河双线特大桥钢拱肋用钢量4 083.3t，共划分32个节段，采用本文所述技术施工，于2019年6月20日开始首节段安装，至10月30日顺利合龙，钢拱肋安装共用时130余d，较同类型、同等规模桥梁施工缩短工期约50d。拱肋实际的成拱线形与设计目标值较吻合，线形误差满足规范要求。施工过程安全可靠、质量良好、降低成本、提高效率。