单塔式缆索吊在大跨度钢拱桥吊装施工中的应用

王洛洛 WANG Luo-luo

（中铁十五局集团第三工程有限公司，成都 641418）

0 引言

在跨越深谷或较宽江河时，钢拱桥是理想的桥型选择，该类型桥梁不但整体受力良好满足较大跨径需求，而且钢拱肋采用分段制作分段拼装，可以大大缩短施工工期。由于拱肋重量较大，拱肋的吊装是拱桥施工中的重难点。当桥址区域地形平缓、无水或少水时，可采用支架法进行拱肋吊装和拼装，但对于地形复杂、深水及其他复杂情况时，缆索吊是拱肋吊装的最佳选择。

新安江大桥钢拱桥主跨为270m，通过对桥址区域及河道两岸进行充分调查论证以及对施工方案的详细比选，项目部决定采用单塔式缆索吊进行钢拱肋的吊装，与传统双塔缆索吊不同，该类型缆索吊充分利用有利地形，在安全性、经济性以及拱肋精度上具有明显优势，通过现场实际使用，该类型缆索吊在大跨度钢拱桥吊装施工中取得很好的效果。

1 工程概况

新安江大桥起点位于歙县街口镇新门村接省道F007处，终点位于新溪口乡塔坑村接省道S348 处。全长270 延米，桥梁跨度为14.5m+ 218m+13.5m（不含桥台），桥梁主桥结构为中承式系杆拱桥，其中两侧引桥桥面宽度13m，主桥桥面全宽15m。

拱肋横采用矩形截面结构，分别设置在桥梁左右两侧。主桥计算跨径为236m，矢高50m，矢跨比为1/4。拱轴采用m=1.3 的悬链线线形。左右两侧拱脚中-中距离为20.8m，主拱肋均设置8°内倾角。拱肋采用等高度箱形截面，宽20m，高35m。批脚G1 和G1′节段顶、底板厚度为40mm、腹板厚度为32mm，拱脚G2-G3 和G2′-G3′节段顶、底板厚度均为40mm、腹板厚度均为24mm，G4-G14 和G4′-G13′节段顶、底板采用28mm 厚度钢板，腹板采用20mm 厚度钢板；顶板和底板各自设2 道纵向加劲肋，腹板设6 道纵向加劲肋，根据母板的厚度，顶板和底板加厚钢板为24mm，高为280mm，腹板加厚钢板为20mm，高为200mm。沿拱助轴线纵向每隔约2m（平面投影间距）设一道横隔板，板厚20mm。单侧拱肋共分为13 个节段，另加一个拱顶节段，最大节段重量约为57t。

2 钢拱肋吊装施工方案比选

新安江大桥钢拱肋吊装施工考虑以下两个方案实施，方案一：双塔缆索吊吊装，方案二：单塔缆索吊吊装。

2.1 方案适用性比选

新安江大桥两岸地形状况差别较大，其中小里程侧河岸坡度较小，距离河岸边范围处较为平缓，大里程侧河岸坡度较大，大型机械设备无法进入。采用单塔缆索吊吊装，则只需要在小里程侧河岸设置一处索塔，大里程河岸由于基岩较好，可将主索直接锚固于锚碇上。这样使得缆索吊受力更加明确，不但降低了施工措施费用，而且避免了对河岸两侧生态环境的破坏。

2.2 方案安全性比选

由于新安江大桥大里程侧河岸坡度较大，若在此进行大范围施工时，施工机械及施工人员会作业环境比较危险，如机械倾覆、落石等。若采用单塔式缆索吊，则只涉及到大里程侧锚碇小范围施工，大大降低了施工难度和安全风险。

2.3 方案经济性比选

新安江大桥小里程侧河岸坡度较小，距离河岸边范围处较为平缓，大里程侧河岸坡度较大，若两侧均设置索塔，则大里程处索塔安装较为困难，需对河岸地形进行较大规模改造。不但增加了施工成本，而且对环境产生较大影响，同时也增加了施工安全风险。而采用单塔式缆索吊，则只需对小里程侧河岸进行简单处理即可进行施工，不但降低施工成本，而且对周边环境影响减少到最低。经初步测算，采用双塔式缆索吊总费用约1000 万元，而采用单塔式缆索吊总费用只需680 万元，节约施工成本约320 万元。

综合上述比选，新安江大桥钢拱桥拱肋选择单塔式缆索吊装。

3 单塔式缆索吊设计结构及简算

3.1 单塔式缆索吊设计结构

新安江大桥主桥塔缆索吊为单塔双跨式结构，跨度为174m＋486m，索塔设在小里程岸，设计最大起吊重量65t。缆索吊装系统由索塔、主索、起重索、牵引索、索鞍、行走天车、吊具、起重及牵引卷扬机、锚碇、风缆等主要系统组成。

索塔设置在桥台小里程方向24m 处，大里程岸主索直接锚固于锚碇上，索塔采用贝雷门式结构，塔架高76.6m，采用“缆扣合一”结构，采用横梁将其联为一个整体，缆塔铰接于扣塔顶部。大里程岸设计主索锚碇2 个，扣索锚碇4 个，采用预应力锚索锚碇。小里程岸设计主索锚碇2 个，扣索锚碇4 个，采用预应力锚索锚碇。

主索采用2×7Φ56（6×37S+FC）钢绳；起重索采用4×2Φ26（6×37S+FC）钢绳；牵引索采用4×2Φ28（6×37S+FC）钢绳；缆塔缆风绳采用Φ15.24 钢绞线；采用Φ32 钢绳做为扣塔缆风绳，起重索由10t 卷扬机带动工作，牵引索由16t 卷扬机带动工作。

①扣塔基础：基础采用明挖扩大基础，基础尺寸6.4m（长）×6.4m（宽）×3m（高），基础承载力不小于250kPa；基础开挖完毕后绑扎钢筋浇筑混凝土。

②索塔：索扣塔塔高57.38m，所有索塔平面尺寸均为4m×4m，单侧采用4×4 组贝雷桁架组成格构式，缆塔高度19.557m，由8 组贝雷桁架按“一”字布置。索塔分节分段进行安装，每层安装完毕后要及时校核其垂直度及平面位置，及时安装缆风绳确保其稳定性。

③索鞍：索鞍主要零部件有底座、立板、销轴及主索轮，索鞍必须在工厂进行加工组装然后整体吊装至塔顶位置。

④绳索部分：缆索吊机索道部分包括：主索，起重索，牵引索。

单套65t 缆索吊机绳索规格如下：

主索为7Ф56mm 钢丝绳（6×36S+FC）；

起重索为2Ф26mm 钢丝绳（6×37S+FC），走8 布置；

牵引索为2Ф28mm 钢丝绳（6×37S+FC），走4 布置。

⑤锚碇：大、小里程岸设计主索锚碇2 个，扣索锚碇4个，采用预应力锚索锚碇。两岸主索锚碇及扣索锚碇均位移桥位两岸山坡上。扣索锚碇两岸均为预应力锚索锚碇，但是小里程锚索与锚碇连接方式采用钢绞线连接器连接，大里程扣索直接锚固到锚碇锚梁上。

3.2 缆索吊受力验算

3.2.1 荷载取值

缆索吊缆索受力主要是起吊重物和运送重物时，其中将重物吊起后运送至缆索吊跨中位置处时是各构件受力最大的情况。此时是缆索吊受力最不利情况，不但承受本身自重荷载，还要承受吊件的自重荷载及冲击荷载。本文主要考虑缆索吊在吊物时最不利的受力情况，因此需对集中荷载进行受力计算分析。

钢箱梁节段重：Q1=650kN（最重节段）

吊装系统：Q2=100kN

扁担梁：Q3=100kN（单个吊点下扁担梁重50kN）

起重钢丝绳重：Q4=37kN（钢丝绳同起重索，起吊高度90m，走8）

单组索合计：∑Q=887kN

3.2.2 受力荷载分析

①主索计算。

当跑车吊最大吊重位于跨中时，主索张力及垂度为最大，为最不利工况。

初拟跨度与最大垂度之比：

则主索最大水平拉力Hmax可由下式计算而得：

Hmax=ql2/（8fmaxcosβ）+QL/（4fmax）=3994.85（kN）

主索最大张力时对A 转向索鞍的竖向压力VA为：

VA=ql/（2cosβ）+Q/2-Hmaxtanβ=382.24（kN）

主索最大张力时对B 转向索鞍的竖向压力VB为：

VB=ql/（2cosβ）+Q/2+Hmaxtanβ=1013.53（kN）

则根据力的三角关系得出主索的最大张力为：

单根Tmax=573.30（kN）

同时得出主索最大张力时主索与水平线的夹角α 值：

A 转向索鞍处：

αA=arctan（VA/H′max）=0.0954（rad）=5.466°

B 转向索鞍处：

αB=arctan（VB/H′max）=0.2485（rad）=14.236°

②主索强度、拉应力及接触应力校核。

强度校核：Tmax=4013.09（kN）（主索的最大张力）

Tn=12810.00（kN）（主索的极限拉断力）

则安全系数K=3.19（≥3.0，满足要求）

拉应力校核：

σ=Tmax/F+（Q/n）（Ek/（Tmax×F））1/2=788.68（MPa）

则安全系数K=2.2（≥2.0，满足要求）

式中：F=1240（mm2）（一根钢丝绳截面积，为钢丝总断面积）

N=4.0（个）（一根主索上的行车轮数）

接触应力校核：

σ=Tmax/F+Ekd/Dmin*cos2θ*cos2φ=855.21（MPa）

（θ 为骨股间捻角18 度，φ 为丝间捻角18 度）

则安全系数K=2.07（≥2.0，满足要求）

式中：d=2.6（mm）（组成主索的钢丝直径）

Dmin=500.0（mm）（平滚最小直径）

③索塔计算。

缆扣塔整体建模，扣背索索力为整体模型，缆索吊荷载采用上述主缆荷载，直接加载在缆塔顶部。（图1、图2）

图1 缆扣塔整体模型图

图2 缆扣塔整体计算应力图

缆扣塔整体计算结果：缆扣塔贝雷梁最大应力为163MPa＜210MPa（16Mn 钢材容许应力），满足要求。

4 缆索吊施工工艺及注意事项

4.1 缆索吊施工工艺流程

索塔基础及主锚碇施工→安装主、扣塔→安装索鞍、行走天车、吊具 →安装风缆、过江循环索→安装主索→安装牵引索、起重索→安装电气控制系统→吊装系统调试成型→载荷试验。

4.2 缆索吊安装

4.2.1 索塔基础及主索、锚索锚碇施工

对索塔基础范围内的表层土进行清理，采用风镐去除松散岩石确保地基承载力应不小于250kPa。锚碇施工先开挖表土露出新鲜岩层面，将岩层面凿成满足钢筋砼垫梁高度的垂直（或根据设计或为斜坡）面并清理干净，然后紧贴岩层面浇筑垫梁，锚碇上部开挖斜坡面若较高，应进行边坡防护，防止边坡垮塌事故。

4.2.2 主、扣塔拼装

①扣塔基础施工完成后，先安装好QTZ63（5013）塔吊，采用塔吊安装第一、二节，安装稳定花架，调整垂直度；首节验收合格后方可继续安装后续节段。②索塔各杆件必须按图施工，每安装一层要及时进行检查和复核，确保杆件位置及垂直度复核图纸要求及有关规定。③索塔上的连接螺栓必须采用高强螺栓，不得采用冲击安装方法，需采用扭矩扳手来确保螺栓最终力矩满足要求。④塔身安装过程中要安排专人进行检查，尤其是关键受力杆件必须仔细检查并形成检查记录。

4.2.3 索鞍安装

索鞍为移动式索鞍，其安装在索塔顶部滑道上。索鞍的主要构件有索鞍分配梁、起重及牵引转向轮以及各支撑结构，索鞍必须在工厂进行加工安装，然后整体吊装至滑道上。

索鞍安装工序流程为：分配梁的下料→塔吊运输分配梁→分配梁就位→焊接分配梁限位块→塔吊运输索鞍→索鞍就位→焊接索鞍与分配梁的连接处→焊接起重索、牵引索的转向装置。

4.2.4 主索安装

每组主索为7 根Ф56mm 钢丝绳（6×37S+FC），主索牵引经过索塔横梁后一端锚固在索塔锚固梁上，另一端锚固在河岸锚点碇上，然后采用千斤顶进行张拉收紧，从而调整主索索力及垂度值。

主索安装施工工序流程为：卷扬机布置→先导索过河→安装牵引索循环系统→将主索放入放索架中→将主索的一个端头放出→把放出的主索端头与牵引循环索用绳卡固定→起动卷扬机将主索往大里程岸牵引→牵引至大里程岸主锚处→将主索锚固在锚梁上→回拉小里程岸主索至主索垂度基本达到空索垂度→将小里程岸主索头子系在调节滑车组上锚固→调节小里程岸滑车组松紧绳使主索的垂度达到设计空索垂度→1 根主索安装完毕。

4.3 缆索吊试吊

缆索吊试吊需对两组起吊系统单独进行，每组按65t进行试吊，试吊时按照如下原则进行：①试吊重量逐级加载，按照32.5t（50%）→65t（100%）→71.5t（110%）→81.25t（125%）四级加载，其中前三级为动载实验，第四级为静载试验。②试吊时安排专人对塔顶位移进行监测，并对主索下垂度、后锚点受力情况及各部件受力情况进行检查，发现数据超限时要立即停止，组织专项会议进行分析，待问题解决后方可进行。

5 安全质量控制要点

①当缆索吊安装出现较大误差或错误时或出现材料不合格情况时应立即停止施工，项目部需组织有关人员进行调查，并根据调查结果采取纠正措施，防止类似情况再次发生。②项目部必须安排专人对缆索吊加工安装进行检查，及时将检查记录进行整理归档，任何人不得随意修改检查记录。检查记录除填写检查项目外，还必须有检查人员签字及相关负责人签字。③在索塔安装过程中要及时设置缆风绳进行固定，当整个塔身安装完毕后对各缆风绳统一调整，使得各层缆风绳受力均匀。④高空焊接施工中，综合考虑各种因素，采用一套合理的焊接方法，这样不但减少施工周期，也可降低工人作业强度，要求对现场所用焊接方法进行工艺评定试验，现场焊缝探伤检测结果应能满足图纸要求。

6 结束语

通过使用单塔式缆索吊对钢拱桥拱肋进行吊装，拱肋安装质量及线性都有很大提高，并且采用单塔缆索吊，不但降低了施工费用，而且减少了对周边地形的扰动，最大限度地保护了新安江两岸的生态环境。此方法为后续类似施工提供了借鉴和参考。