无支架缆索吊装系统可靠性验证技术

邢俊平，黄树强

(广西路桥工程集团有限公司，广西 南宁 530200)

0 引言

无支架缆索吊装施工在水深较深的河流和峡谷，或在需要满足船只通航的航道上应用广泛，具有跨越能力大，水平垂直吊装灵活，施工快捷等特点[1-2]。但在实际工程中，设计人员往往对无支架缆索吊装系统的设计计算进行简化[3-6]，且对吊装过程中索塔的摆动和索鞍滑移也未做深入研究。不少学者对无支架缆索系统做过试吊试验，但未对相关结果进行系统化的数据分析[7-8]。试吊目的主要是为了验证缆索系统起吊能力，检查各工况下最大垂度与设计是否相符；观测塔架、塔架基础、地锚的变形数据和安全稳定情况；检查起重索、牵引索、跑车、下挂、卷扬机组、滑车组等设备运转情况；测试各工作组与指挥系统的协调配合能力。

1 工程概况

本文以金钗红水河特大桥缆索吊装系统为研究对象。该缆索吊装系统中跨为400.9 m，忻城岸边跨为267.5 m，马山岸边跨为344 m，采用主扣合一塔架，塔底固结。该缆索吊装系统设置两组索道，设计吊重100 t，采用两组主索抬吊。主索布设有10根φ50 mm密封钢丝绳，每个主索鞍布设5根。塔架采用钢管桁架式结构，忻城岸塔架横向塔顶宽60.7 m，纵向宽4 m；马山岸塔架横向塔顶宽55.8 m，纵向宽4 m。忻城岸主扣地锚均采用重力式地锚，马山岸主地锚采用桩锚，扣地锚采用重力式地锚。缆索吊装系统的整体布局如图1所示。

图1 缆索吊装系统整体系统示意图

2 试吊方案

2.1 试吊方案

试吊以缆索系统设计吊重100 t为基准重量，依次按50%G(动载)→100%G(动载)→120G%(静载)的顺序进行(G为最大设计吊重100 t)。试吊配重采用绑挂钢绞线进行。本次试吊塔架的主索鞍位于塔顶上游侧。试吊方案如表1所示。

表1 缆索吊装系统试吊步骤表

2.2 测量控制量及测量方法

根据缆索吊装系统各个组成部位进行系统分解，各控制点如下页表2所示。

表2 观测控制点一览表

2.3 测点布置

将忻城岸塔架的塔顶和第二道横联位置、马山岸塔架的塔顶和第三道横联位置作为监测截面，每个监测截面布置3个测点，全桥共布置12个测点。测点布置在塔架靠河一侧，其中塔顶测点尽可能布置在靠近塔架外侧边缘且不影响缆索吊装系统正常工作的位置；塔架横联上的测点布置在外侧立柱的横杆中心且不影响斜拉扣挂系统工作的位置。测点布置如图2所示。

上下游主跑车上各布置1个360°棱镜，利用全站仪监测试吊过程中主索的垂度。在基础对角点布置沉降观测点，通过水准仪进行观测。

忻城岸主地锚采用重力式地锚，马山岸主地锚采用桩锚，施工过程中主要关注其沿顺桥向的水平位移情况。在忻城岸主地锚后方布置3个测点，在马山岸主地锚后方布置4个测点，在不受其位移影响的硬化层上搭设辅助安装支架，通过电子百分表对主地锚背包的位移进行监测，百分表通过磁性表座固定在支架上，如图3所示。

(a)忻城岸

(b)马山岸图2 塔架偏位观测棱镜布置示意图

(a)忻城岸主地锚立面

(b)忻城岸主地锚平面

(c)马山岸主地锚侧视

(d)马山岸主地锚后视图3 主地锚位移观测百分表布置示意图(cm)

塔架应力的监测主要是对竖杆的轴向应力进行监测。监测截面选取塔架底部和塔架中部(第二道横梁)，其中，塔底监测截面布置4个测点，塔架中部截面布置4个测点，测点分别布置在中柱和边柱的竖杆外侧，采用振弦式表面应变计进行应力监测，如图4所示。

(a)忻城岸

(b)马山岸图4 塔架应力测点布置示意图(cm)

3 试吊过程

3.1 试吊实施过程

马山岸起吊场空载→空载行至跨中→忻城岸起吊场空载→忻城岸起吊场加载至50%G起吊→50%G运行至跨中→50%G运行至马山岸起吊场→马山岸起吊场加载至100%G→100%G运行至跨中→跨中加载至120%G→100%G运行至忻城岸起吊场。

3.2 监控量测结果与分析

在试吊工况运行条件下两岸塔架位移偏位统计结果如图5所示。

从图5可知，忻城岸塔架塔顶最大偏位发生在塔架上游，工况为忻城岸起吊场起吊100%G荷载时，最大偏位为-95 mm；忻城岸塔架塔腰最大偏位发生在塔架上游，工况为跨中起吊120%G荷载时，最大偏位为60 mm。马山岸塔架塔顶最大偏位发生在塔架上游，工况为跨中起吊100%G时，最大偏位为-80 mm；马山岸塔架塔腰最大偏位发生在塔架下游，工况为跨中起吊50%G时，最大偏位为-46 mm。实测偏位与预计基本吻合。

(a)忻城岸塔顶测点

(b)忻城岸塔腰测点

(c)马山岸塔顶测点

(d)马山岸塔腰测点图5 试吊各工况下两岸塔架位移偏位监测结果曲线图

在两岸主地锚试吊过程中，最大位移发生在工况为跨中起吊120%时，下游最大位移为1.063 mm，上游测最大位移为0.103 mm，塔架基础的沉降最大值为3 mm。

图6 主索垂度实测与设计对比曲线图

由图6可知主承载索观测结果，空载工况下主索跨中最大实测垂度与设计主索跨中最大垂度误差为8.8%；50%G荷载工况下主索跨中最大实测垂度与设计主索跨中最大垂度误差为8.1%；100%G荷载工况下主索跨中最大实测垂度与设计主索跨中最大垂度误差为7.8%；120%G荷载工况下主索跨中最大实测垂度与设计主索跨中最大垂度误差为7.3%。

(a)忻城岸

(b)马山岸图7 主塔架应力监测结果曲线图

由图7可知，忻城岸塔架最大应力为-24.36 MPa。马山岸塔架最大应力为34.57 MPa，满足塔架安全使用要求。

4 缆索吊装系统试吊结果

(1)两岸塔架在试吊工况作用下实测偏位与预计基本吻合，两岸主地锚最大位移数值在可控范围内。塔架基础最大沉降为2 mm，在容许范围内。忻城岸塔架最大应力为-24.36 MPa；马山岸塔架最大应力为34.57 MPa，远未达材料的屈服强度。

(2)在吊点行走过程中，主索鞍滑轮、牵引索滑轮及起重索滑轮均能正常转动。

(3)实测主索跨中最大垂度比计算主索跨中最大垂度大2 m左右，这是因为两岸塔架存在高差，初始安装垂度采用目测安装，存在一定误差；同时马山岸边跨主索趋于水平，且较长，主索向跨中滑动，偏差值在可控范围内。主索安全系数满足要求。

(4)在试吊期间，风力大部分时间为4级，温度整体呈现平稳趋势，最高温度为40 ℃。

(5)整个试吊过程中机械运行正常、人员协调良好、通信畅通，所有数据均未出现较大偏差，符合设计要求，说明金钗红水河特大桥缆索吊装系统具备进行正式吊装施工的能力。

5 结语

(1)缆索系统吊装过程中，当吊装荷载在跨中时，两岸塔架有向跨中倾斜趋势，当荷载靠近某一岸塔架时，则该岸塔架有向主地锚倾斜的趋势。

(2)缆索吊装系统的可靠性及是否达到设计要求，可通过模拟实际吊装情况进行验证，试吊方案应能系统地模拟正式吊装的所有工况。本项目的试吊方案对缆索吊装系统的验证具有一定的指导意义，为大跨度缆索吊装系统的检验积累了宝贵的经验。