悬索吊贝雷片塔架设计与实施

王俊辉

(中铁二十局集团第二工程有限公司 陕西西安 710014)

1 引言

受地形条件限制，峡谷地貌地区修建桥梁时往往面临着深切峡谷、岸壁陡峭、跨越宽度大的挑战，大型起重设备进入困难[1]。在桥型设计时，往往选择箱形拱桥以节约造价，提高跨越能力，同时选择缆索吊装施工，满足高落差的构件和原材料运输，以克服因地形、气候限制导致的施工难度增加，发挥缆索吊装高效的施工工效，减少投资额度[2-3]。但是采用缆索吊装对大跨度拱桥施工时，对缆索吊装系统主体的要求极高，塔架作为缆索吊装系统的关键设备，其设计、安装直接关系到吊装的稳定性和安全性。设计一种高效、可装配化、结构合理、安全性高的塔架体系，满足缆索吊装承载力、稳定性和抗变形能力，成为桥梁吊装施工关注的重点[4]。

郭俊峰[5]根据格鲁吉亚B3拱桥为例，展开了施工阶段不同工况下的吊装塔架受力进行计算分析，指出塔架的受力在跑车运行至跨中时最大；林鹏[6]研究了塔架二次横移技术，解决了吊装作业空间限制问题，并将成果应用于成贵铁路鸭池河特大桥施工；郑鹏鹏等[7]研究了精密传感器和云数据技术在拱桥缆索吊装中的应用，实现了缆索轴力、索塔沉降以及锚碇滑移等施工自动化监测；蒋玮等[8]综合应用理论推导和数字仿真的研究手段，分析了跑车移动对塔架的影响。

本文以厦蓉高速贵州境毕节至生机段磨刀沟大桥为背景，针对场区地形条件和工程设计背景，基于既有制式器材，设计了贝雷片组拼成人字型桅杆式结构的塔架体系，对塔架承力结构展开了研究，采用有限元程序对缆索吊装系统受力、整体稳定性和位移进行验算；依据设计的塔架体系，明确了塔架安装工艺和横向移动工艺，并将其成功应用于拱肋吊装和合龙施工。

2 工程背景

厦蓉高速贵州境毕节至生机段磨刀沟大桥位于毕节市生机镇田坝村，桥轴线近垂直跨越磨刀沟，桥址区为峰丛山地的峡谷地貌区，峡谷两岸为悬崖，桥轴线经过的最大切割深度98.23 m，毕节岸为陡斜坡，坡度50°～60°，生机岸为近直立岩壁。

磨刀沟大桥由左、右两幅组成，每幅桥梁宽度为12 m，左右幅桥之间的净距离为50 cm，左幅中心里程桩号为K78+012.20，起止桩号为 K77+885.96～K78+158.44，由2联25 m预应力混凝土T梁、120 m钢筋混凝土箱形拱、4联25 m预应力混凝土T梁构成；右幅中心里程桩号为K77+999.70，起止桩号为K77+894.96～K78+106.44，由1联25 m预应力混凝土T梁、120 m钢筋混凝土箱形拱、2联25 m预应力混凝土T梁构成；拱上结构为13.0 m×9.8 m钢筋混凝土空心板。

如图1所示，确定悬索吊系统的总体布置为80 m(毕节岸后拉索)+337 m(主索跨)+85 m(生机岸后拉索)。毕节岸塔架中心桩号为K77+826.00 m，距离0＃桥台台背为39.96 m；生机岸塔架中心桩号为K78+163.00 m，距离19＃桥台台背为4.56 m。毕节岸和生机岸塔架高均为35 m。

图1 左幅桥梁缆索吊装系统总体布置

3 悬索吊贝雷片塔架设计

如图2所示，塔架体系采用既有制式器材贝雷片组拼成“人”字形桅杆式结构，由左右两个对称的斜向支撑架组成，塔底设置塔脚铰构造将塔身与C25混凝土基础铰接，塔顶则依靠风缆和主索进行位移控制。该塔架结构为针对此工程独特的峡谷地貌和施工荷载而设计的塔架体系，塔架采用了既有制式器材贝雷片搭接，具有施工方便、成本较低、可装配式和重复利用等特点，并已成功申请专利(专利号:CN204325940U)[9]。

图2 贝雷塔架立面图

塔架每个节段为4片贝雷片①组拼成矩形截面的贝雷桁架，并在四角利用连接件④(M38 mm螺栓)在支撑架连接孔位置连接两贝雷桁架形成整体受力，同时在柱内每间隔3 m设置水平支撑架⑤。在塔架顶部设置横向支撑架⑥、⑦、⑧、⑩、[11]，用于左右侧立柱间平面和立面连接；在塔架底部设置横向支撑架⑨、[12]，用于左右侧立柱间下部平面和立面连接。塔顶设工字钢上、下分配梁③，用于支承主索鞍及扣索、工作索座滑轮，并将悬索系统传递来的荷载分配到塔顶各节点上。塔脚设置滑槽，滑槽利用地脚螺栓进行固定，塔架正对所安装箱肋设置，每安装完成一肋(5段)拱箱，进行一次塔架的横向移动，移动时的动力依赖千斤顶顶升力，推动塔脚在滑道内滑移，并通过收紧和放松纵横向风缆维持塔架的垂直和稳定；横移到位后，将塔脚用钢销锁死。所提出的索塔体系具有拼装简单、施工速度快、受力明确等优点，对峡谷地貌大跨度的垂直运输提供了有力的支撑。

塔顶设计标高确定为拱顶标高、主索垂度fmax、工作高度三者之和，即987.708+24.904+9.000＝1 021.612 m。生机岸塔顶的实际标高为1 021.50 m，C25混凝土基础顶面的实际标高为986.50 m，塔高35 m；毕节岸塔顶的实际标高为1 029.00 m，C25混凝土基础顶面的实际标高994.00 m，塔高35 m。两岸塔架顶部横桥向宽度均为3.77 m，塔脚横桥向宽度均为5.272 m，塔架纵桥向宽度均为1.50 m。索塔钢材总重61.4 t，贝雷桁架材质为16 Mn，上、下分配梁及塔脚铰材质为Q235钢材[10]。

由于两岸塔架结构一致，且毕节岸塔架竖直作用力较大，因此，按最不利原则选取毕节岸塔架做位移、受力和稳定性控制计算。贝雷片塔架属于空间杆系结构，可建立有限元模型(见图3)进行计算。按最大受力控制原则，分别对3种工况进行塔架受力分析，即整个悬索吊系统的运输状态分别为毕节岸塔前15 m起吊工况、拱箱运输至缆索跨中工况、生机岸拱脚段就位工况。除此之外，还对每个工况条件下吊运边箱时后拉索对塔架的最大横向水平力进行了计算。计算综合考虑了主索、扣索、工作索、起吊牵引索及风缆索的共同作用[11-12]。计算结果表明，毕节岸塔架在拱箱运输至主索跨跨中时由主索、工作索、扣索等产生的塔顶竖向压力最大，最大竖直压力为3 133.678 kN(水平力由风缆和主索后拉索克服)，塔架各单元轴力计算结果见图4。

图3 塔架计算模型

图4 塔架轴力

贝雷桁架最大受力计算结果:弦杆2 10槽钢:Nmax＝-342.493 kN＜[N]＝560 kN；斜杆 8工字钢:Nmax＝-37.610 kN＜[N]＝171.5 kN；竖杆 8工字钢:Nmax＝-86.556 kN＜[N]＝210 kN。可见，贝雷桁架强度满足要求。

另根据《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)，对塔架(取单肢)按格构式中心受压构件进行了整体稳定性计算，计算结果:Nmax/(φxA)＝119.720 MPa＜[σ] ＝200 MPa；Nmax/(φyA) ＝109.298 MPa＜[σ] ＝200 MPa。整体稳定性也满足要求。

塔顶位移根据主索和塔架后风缆的弹性伸长量按几何关系进行换算得到。当最重段拱箱吊运至索跨跨中时，不考虑配重及冲击系数的情况下，毕节岸计算塔顶最大纵向位移348.3 mm，生机岸计算塔顶最大纵向位移378.9 mm。

4 悬索吊贝雷片塔架实施

4.1 贝雷片塔架塔脚临时固结

缆索吊塔架为制式器材贝雷片组拼结构，塔架拼装时必须对塔脚进行临时固接，如图5所示。用15 cm×20 cm方木搭成井字架，对塔脚铰进行支撑固接，方木与方木之间用φ12 mm抓钉固定。拼装至8 m以上高度后，应设置临时风缆对塔架进行稳定，然后每升高8 m，调整一次临时风缆，上端风缆设置完成后，才能解除下端风缆。

图5 塔脚临时固结措施

4.2 贝雷片塔架拼装

贝雷片塔架安装分为塔身节段安装、横向支撑架、塔顶上下分配梁安装。

如图6所示，在拼装区域将贝雷桁架杆件人工拼接成塔身吊装节段，运输至吊装区域，利用独脚拔杆配合卷扬机滑车组提升贝雷桁片，通过立柱四角连接件(M38 mm螺栓，图2中④)在支撑架连接孔位置连接上下两个贝雷桁架，按照图2的结构设计，依次循环拼装至塔顶；横向支撑架⑥～[12]也采用人工散拼方式预先拼接完成，按照塔身阶段相同的提升方式，从塔脚向塔顶依次安装横向支撑架；最后安装塔顶设上、下分配梁，上分配梁为2 32b工字钢并在外翼缘用12 mm厚钢板封焊成箱形截面，下分配梁为2 28b工字钢，内侧两根下分配梁上下翼缘各焊接2块16 mm厚钢板加强，腹板各焊接10 mm厚钢板加强。下分配梁下端与贝雷桁架通过钢销(贝雷架标准钢销)连接，上分配梁连续弹性支承于下分配梁上。

图6 贝雷片塔架塔身节段横截面

塔架拼装完成后，检测各塔架的垂直度，调整永久缆风绳，使各塔架垂直。接着将各塔架底临时支腿脱空，所有塔底转换成铰接。再调整塔架倾斜度，塔顶可向后锚碇方向预倾10 cm左右。

4.3 贝雷片塔架横移

由于千斤顶顶推比卷扬机牵引更平稳，因此在塔架横移时，塔脚通过千斤顶顶推进行横移(见图7)，塔顶通过横向风缆稳定和调整轴线。具体横移步骤如下:

图7 塔脚千斤顶顶推示意

(1)拆除塔脚定位钢销(在拆除前，在塔架两侧60 cm左右应设置限位保险钢销，防止塔脚突然滑移失稳)，在滑槽内表面涂抹黄油以减小滑动摩擦力。

(2)安装反力座并用定位钢销限位，然后安装ZDL60连续顶推千斤顶，在千斤顶与塔脚之间，垫硬质杂木垫块使其保持整体平面接触，同时在各塔脚之间设置20 cm×20 cm临时木撑以保证顶升力的传递并避免顶坏塔脚结构。

(3)开动千斤顶油泵慢慢顶推塔脚，同时慢慢收紧前进方向侧横向风缆和放松另一侧横向风缆，使塔架横轴线基本保持竖直，并随时通过经纬仪观测塔架横向竖直度，若塔顶横向偏移大于15 cm，应暂时停止顶推，通过风缆调正后再进行顶推横移作业；若千斤顶行走到最大行程，可暂时停止横移，将反力座前移一定距离后继续横移作业，至塔架横移到位为止。

(4)拆除千斤顶和反力座，用钢销定位塔脚，通过风缆调正塔架纵横轴线，准备下一肋拱箱的安装。

横移过程中应注意塔架所有风缆的调整，以保持塔架的稳定；横移到位后，应通过风缆调正塔架的纵横轴线，若调正较困难，必要时可放松塔顶主索索卡(但不取螺帽)，调正塔架后，再将主索在塔顶卡紧。

5 结论

以厦蓉高速贵州境毕节至生机段磨刀沟大桥为背景，对峡谷地区大跨度拱桥的贝雷片塔架设计和施工进行研究，得出以下几个结论:

(1)基于既有制式器材贝雷片，针对此工程独特的峡谷地貌和施工荷载设计了塔架体系，采用有限元程序对塔架受力、整体稳定性和塔顶位移进行验算。研究表明，提出的索塔体系安全可靠、受力明确、稳定性强、拼装简单、施工速度快，有力地保障了拱桥的顺利施工。

(2)采用提出的贝雷片塔架体系，明确了索塔的塔脚临时固结、塔架拼装及横移等施工技术关键点，工程实践表明，贝雷片塔架体系运行状态良好，经济高效地完成了磨刀沟大桥的吊装作业，并将塔架结构成功申请专利，有利于该贝雷片塔架的应用推广。