寿宁坪坑拱桥缆索吊装系统方案研究

陈泳鹏，吴能森，龚灿宁，周成军，丁巧丽

(福建农林大学交通与土木工程学院，福建 福州 350002)



寿宁坪坑拱桥缆索吊装系统方案研究

陈泳鹏，吴能森*，龚灿宁，周成军，丁巧丽

(福建农林大学交通与土木工程学院，福建 福州 350002)

摘要：根据坪坑大桥桥址地形地貌、工程地质条件，设计了2套缆索吊装施工方案，并对其进行比选。综合分析得出方案采用主扣塔一体化设计能够保证拱箱吊装净空高度，塔架底部设计为铰接横移方式，满足施工要求，且提高了安全可靠度；上部采用新型贝雷桁架拼装，既节约成本又缩短工期。对拟实施方案吊装系统各绳索进行参数初选、不利工况验算，得出系统满足规范要求，并经主拱圈的实际拼装施工，顺利完成架设任务。

关键词：山区；拱桥；施工；缆索吊装系统；方案研究

1工程概况

1.1　桥梁简况

坪坑大桥(2×20 m空心板+1×120 m钢筋砼箱型拱+1×20 m空心板)，位于省道S202线寿宁犀溪至湄洲岛公路宁德市境内段寿宁城关至南托溪段托溪支线B3合同段，起点桩号K0+700.08，终点桩号K0+893.02，全长192.94 m。主桥采用净跨120 m钢筋混凝土箱型拱，矢跨比1/5，拱轴系数1.543，桥梁横断面总宽度9 m，拱上为跨径7.4 m的钢筋混凝土简支空心板梁，两岸侧引孔为跨径20 m 的预应力混凝土简支空心板。

1.2　桥址自然条件

坪坑大桥桥址跨越一南北向的近V型峡谷，属侵蚀、剥蚀形成的重丘间冲洪积沟谷地貌，峡谷最大深度与桥面高差将近90 m，不宜采用满堂支架施工，峡谷底部的水面宽度小，不具备缆载吊机或大型浮吊的施工条件。该桥址区地下水为第四系，坡积层碎石、角砾层及冲、洪积卵石层孔隙潜水、基岩强风化带、断裂破碎带、节理裂隙密集带中的裂隙水。大桥两岸地形较狭窄、陡峻，部分地段基岩裸露，表层为全风化凝灰熔岩或碎块状强风化凝灰熔岩，植被较发育，难以布置悬臂施工、转体施工所需的大型机械设备，若非得采用，则必须大量开挖山体及植被，工程量大，并可能导致大面积水土流失与土壤退化，破坏生态环境，甚至造成工程水毁失效等严重后果。

2吊装方案的确定

鉴于坪坑大桥桥址自然条件限制，考虑到该地区交通便利性差，材料及设备运输成本高，采用满堂支架、悬臂施工、转体施工等施工方法在经济上均极不合理。而缆索吊装技术，具有对复杂或特殊的地形地貌条件适应性强，高效、经济、节能，对环境影响轻微等优点[1]，因此设计阶段决定采用缆索吊装技术进行坪坑大桥施工。同时，考虑到便于桥梁线形控制及节约吊装系统成本等因素，全桥拱肋共设计为25个吊装节段，每肋分5个吊装节段。

2.1　方案设计与选型

为取得最佳的技术经济效果，根据坪坑大桥的结构特点及其桥址处地形地貌、工程地质等条件，设计了以下2个技术上可行的缆索吊装施工方案进行分析比较[2]。

2.1.1吊装方案Ⅰ

该方案采用主、扣塔分离的固定支座塔架，主塔架采用传统的门架式，由万能杆件拼装而成。为实现拱肋对中安装，在主塔塔顶安装移动式索鞍。主塔基座为独立式基础，扣塔基础则是利用两岸拱座。根据吊装施工及塔架基础与锚碇布置的要求，结合现场地形条件，吊装主索跨度为210 m，寿宁岸主塔、扣塔高度分别为25、30 m，南托溪岸主塔、扣塔高度分别为27、30 m，如图1所示。施工时利用寿宁城关岸交通条件相对较好、运输距离较短以及场地较大等优势，将寿宁岸作为构件预制和材料堆放场地，并可利用先行吊装的第一跨引桥(1×20 m空心板)作为施工平台。

图1　坪坑大桥吊装方案Ⅰ布置图(单位：m)

2.1.2吊装方案Ⅱ

该方案吊装塔架采用主、扣塔一体化形式，塔架为新型的贝雷片拼装独塔式结构。为实现各片拱圈的对中吊装，塔架基础为整体条形结构，基础顶面设置扣锁式滑槽，使塔架的铰接柱脚能够横移而实现整体移动塔架，从而满足对中吊装的需要。由于条形基础总体占地小，加上无须考虑扣塔的锚碇布置，根据现场地形条件，吊装主索跨度为200 m，寿宁岸塔架高度为27 m，南托溪岸塔架高度为39 m，其他同方案Ⅰ，如图2所示。

图2　坪坑大桥吊装方案Ⅱ布置图(单位：m)

2.2　施工方案比选及确定

方案Ⅰ采用主、扣塔分离的固定支座塔架，使得塔架成本较大，经济性较差，但分离式塔架有利于拱桥线形的控制；由于利用了桥梁结构的东岸引桥、两岸拱座，需对桥梁结构进行复核，以便确定是否可以利用桥梁结构；吊装平台利用桥梁引桥部分，施工面受到限制；由于吊装作业需要保证充足的净空高度，拱座上存在扣塔容易影响节段的运输。

方案Ⅱ在西岸利用了桥梁桥台作为塔架基础、利用东岸桥梁引桥作为吊装平台，因此施工成本较低；采用塔底横移式塔架，塔架横向尺寸较施工方案Ⅰ小，采用主、扣塔一体化塔架，施工成本低；主索跨度较施工方案Ⅰ小，使得施工安全性得到了控制，便于施工；虽然采用了主、扣塔一体结构，线形控制难度较大，但由于拱肋节段数少，其难度较方案Ⅰ增加不多。从塔架结构上看，方案Ⅱ中塔架采用的新型贝雷桁架独塔式结构相较于方案Ⅰ的传统门架式塔架，具备如下优点：其一，安全可靠性更高。独塔结构，塔底采用铰接形式，各主要受力部位传力明确可靠，塔架不承受弯矩只承受轴向力。其二，节约成本，缩短工期。传统的缆索吊装系统

使用万能杆件拼装塔架，而采用新型贝雷桁架拼装塔架大大节约材料用量及人力投入。整个塔架仅使用一种规格的贝雷桁架，一致性优于万能杆件，拼装和拆卸简单，速度更快。其三，施工灵活性更好。塔架设计为可整体移动，能够克服桥面过宽带来的吊装困难，满足正吊、正扣施工要求。

综合考虑施工安全性、简便性、经济性、工期等因素，方案Ⅱ较方案Ⅰ的整体优势强，所以选用方案Ⅱ作为坪坑大桥的缆索吊装施工方案。

3缆索吊装系统设计及计算

3.1　总体布置

坪坑大桥缆索吊装系统主要技术参数：东、西岸2个主地锚，东、西岸塔架断面均由8片贝雷片组成，分别采用6节48片、9节72片贝雷片，2台规格型号400 kN的缆索主跑车，跑车及吊具重量140 kN，最大净吊重580 kN，100 kN(慢速)卷扬机2台，50 kN(慢速)卷扬机18台，缆索索跨组合自东岸至西岸依次为(28+200+34) m，最大垂度20 m(取主索跨度1/10，能够满足吊装要求[3])，采用双吊点吊装(吊点距离14 m)。其平面布置图如图3所示。

图3　缆索吊装系统平面布置图

3.2　钢丝绳参数初选

缆绳吊装系统初选钢丝绳参数如表1所示。

表1　缆索吊装系统初选钢丝绳参数

3.3　各索索力计算

由相关公式[3]计算在最不利工况下主索各个受力值为：水平张力Hmax=1 816 kN，索鞍处垂直分力Vmax=417 kN，则Tmax=1 863 kN，主索钢丝绳6根，其总容许破断力[T]=1176×6=7056 kN，故主索安全系数K=[T]/T=7056/1863=3.8>[K]=3.5，主索强度满足要求。主索拉应力σmax=542.7 MPa，安全系数η=[σ]/[σmax]=1700/542.7=3.13>[η]=2，满足要求。主索接触应力σmax=660.7 MPa，安全系数η=[σ]/σmax=1700/660.7=2.57>[η]=2，满足要求。

起重钢丝绳活头拉力Tmax为29.1 kN，由表1知，起重索钢丝绳单根破断力Tn为197 kN，则起重钢丝绳安全系数K=Tn/Tmax=197/29.1=6.8>[K]=5~6，满足要求。

牵引索总牵引力W由跑车运行阻力W1、起重索运行阻力W2及后牵引索松弛张力W33部分组成，算得W1、W2、W3分别为181、16、5 kN，则W为202 kN。φ28 mm钢丝绳破断拉力[T]= 411 kN，牵引索每个方向牵引力由2根φ28 mm钢丝绳共同承受，因此每根牵引绳的拉力F=W/2=101 kN，牵引绳的安全系数K=[T]/F=411/101=4.1>[K]=4，满足要求。

由相关公式[4]计算拱肋缆风索承受的拉力为45.25 kN，远小于缆风索承载力294 kN，是安全可靠的。采用零弯矩法[5-6]计算扣索索力。表2给出东、西两岸不同工况下扣索索力计算值。

表2　扣索索力汇总表　kN

每组扣索均采用2φ47.5(6×37+1)，即其容许拉力为2 352 kN，从表2可知，扣索索力最大值为508 kN，据此可求得扣索安全系数K=2 352/508=4.63>[K]=3.5，故扣索选择具有一定安全储备，符合要求。

综上，经对主索、起重索、牵引索及扣索初选钢丝绳的受力进行计算分析，得到其在各最不利工况条件下，安全系数均符合规范[7-10]要求，具备足够的强度储备，满足使用要求。

4结束语

通过对2个缆索吊装施工方案进行比选分析，综合得出采用施工方案Ⅱ进行坪坑大桥缆索吊装施工整体优势更强。对缆索吊装系统的各索进行受力分析，从理论上论证吊装系统的可靠度及安全性。工程实施效果表明整个缆索吊装系统运行状态良好，达到预期目标，吊装系统的理论计算经实际验证均符合施工要求且合理可行。缆索吊装施工塔架采用主扣塔一体化形式，结构合理紧凑，在保证工程完成质量的前提下，取得了良好的经济效益。

参考文献

[1]吴能森，龚灿宁，周成军.某拱桥缆索吊装施工塔架设计分析[J].工程建设与设计，2013(12)：145.

[2]吴能森，龚灿宁，陈泳鹏.某山区拱桥缆索吊装施工方案比选分析[J].市政技术，2014(1)：72.

[3]周水兴，何兆益，邹毅松，等.路桥施工计算手册[M].北京：人民交通出版社，2001：454.

[4]公路桥涵设计通用规范：JTGD60—2004[S].2004.

[5]张玉平，李传习，董创文.“零弯矩法”应用于斜拉扣挂索力确定的讨论[J].长沙交通学院学报，2004(1)：15.

[6]陈得良，缪莉，田仲初，等.大跨度桥梁拱肋悬拼时扣索索力和预抬量计算[J].工程力学，2007，24(5)：132.

[7]一般用途钢丝绳标准：GB/T20118—2006[S].2006.

[8]重要用途钢丝绳标准：GB8918—2006[S].2006.

[9]起重机设计规范：GB3811—2008[S].2006.

[10]起重机械安全规程：GB6067.1—2010[S].2006.

(编校：叶超)

Research on Schemes of Shouning Pingkeng Arch Bridge’s Cable Hoisting System

CHEN Yongpeng，WU Nengsen*，GONG Canning，ZHOU Chengjun，DING Qiaoli

(CollegeofTransportationandCivilEngineering,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002China)

Abstract:According to Pingkeng Bridge’s site topography, engineering geological conditions, designing two sets of cable hoisting construction schemes(Ⅰ&Ⅱ), simultaneously comparison and selection between them is made. Based on comprehensive analysis, scheme that adopts the main tower integration design can ensure the required clearance height of lifting arch box, the bottom design of the tower, which utilizes hinged-joint-sliding structures, can be satisfied with the requirements of construction and improve the security and reliability. The new kinds of bailey trusses are applied to assembling the upper of the tower, not only cutting the cost, but also shortening the construction period. Primary selection parameters of all kinds of hoisting ropes are conducted for the scheme, which is intended to be performed. By unfavorable condition checking, it concludes that the cable-hoisting system meets the requirements of the standards. And the erection task has been successfully completed through the actual erection construction of main arch.

Keywords:mountain area; arch bridge; construction; cable-hoisting system; scheme study

doi:10.3969/j.issn.1673-159X.2016.01.023

中图分类号：U445.464

文献标志码：A

文章编号：1673-159X(2016)01-0108-05

*通信作者：吴能森(1964—)，男，教授，主要研究方向为岩土工程及地下结构。E-mail：fafuwns@163.com.

基金项目：福建省高校产学合作科技重大项目(2010H6003)；福建农林大学创新(培育)团队建设项目(Pytd12006)。

收稿日期：2014-10-24

第一作者：陈泳鹏(1989—)，男，硕士，主要研究方向为道路与铁道工程。

·建筑与土木工程·