苏家浩长江大桥拱箱缆索吊装方案设计与应用

余鸿飞，朱晓波

（1重庆巨能建设集团有限公司，重庆401120；2重庆巨能建设集团路桥工程有限公司，重庆400700）

苏家浩长江大桥拱箱缆索吊装方案设计与应用

余鸿飞1，朱晓波2

（1重庆巨能建设集团有限公司，重庆401120；2重庆巨能建设集团路桥工程有限公司，重庆400700）

该文根据重庆苏家浩长江大桥拱箱缆索吊装方案的设计及应用，为了优化施工时拱箱吊装的扣挂方式，调整拱上建筑的施工顺序，通过先施工墩上排架，利用墩上排架满足拱箱的扣挂要求，完成拱箱吊装后再施工拱上建筑物。通过该文可为类似工程的缆索吊装设计及施工提供参考。

缆索吊装；主塔；主索；扣索；工作索；锚碇

1　工程概况

重庆木洞苏家浩长江大桥起于茶涪路，与茶涪路平交，横跨长江河汊，止于江心桃花岛；其中引道长度约25m，桥梁长度469m，桥梁全宽23m。

主桥采用的是上承式混凝土拱桥，净跨73.8m。主桥跨径组成为4×80m+87m，主拱圈采用箱形板拱形式，引桥采用36.4m空腹式拱桥，桥梁总长469m。主桥桥墩为空心薄壁墩，主墩基础为钻孔灌注桩基础和扩大基础，如图1。

图1　苏家浩大桥总体布置图

主拱圈的总高度D=1.5m，其中预制高度1.4m。主拱圈单跨净跨径为73.8m，净矢高为13m，净矢跨比为1/5.68，拱轴系数为2.0。拱圈采用C40钢筋混凝土。

拱圈分左右两幅设置，单幅桥主拱圈由7片拱箱组成，位于每幅拱圈外侧的两片拱箱为边箱，中间各片为中箱。其中，拱箱顶底板厚度均为15cm，中腹板为10cm，边腹板为15cm，各拱箱纵缝间浇灌混凝土填塞。

2　现场自然条件

2.1地形地貌

苏家浩大桥桥位处蓄水前地貌形态属构造剥蚀、河流冲蚀堆积低山丘陵地貌。桥位区北岸坡为一顺向斜坡，坡向约130°，坡角为6～25°，斜坡带为农田，地貌上177m以上以剥蚀堆积为主，177m以下以河流侵蚀、堆积为主。南岸公路上方为陡坡地段，坡度30～45°，山体较宽厚，地表多覆盖植物，临江峰顶高程多大于400m。

2.2气候条件

重庆木洞苏家浩大桥区域内属中亚热带季风气候，主要特点是冬暖夏热，日照少，无霜期长，湿度大，冬季多雾，降雨充沛，分配不均。据市气象站资料，多年平均气温为17.8OC，8月平均最高气温32.8OC，12月平均最低气温6.3OC，极端最高气温43OC。多年平均相对湿度79%。多年平均风速1.3m/s，最大风速26.7m/s，风向WN。多年平均降雨量为1141.8mm，集中在4-9月，其间降雨量高达866.2mm，日降雨量大于25mm的大雨、暴雨日数占年降雨日数的62%，降雨量占总降雨量的40.8%，日最大降雨量可达225.7mm。

3　拱箱吊装设计方案

根据施工图设计及现场实际情况，苏家浩大桥拱箱采用无支架缆索吊装施工，将吊装完成后进行箱段之间的纵横连接和浇筑纵横缝及顶板现浇层混凝土，使拱圈形成整体。

缆索吊装索跨布置［1］为138m（桃花岛岸后拉索）+531.5m（主索跨）+75m（木洞镇岸后拉索）。结合现场地形地貌，缆索吊装设计为主塔与扣塔合二为一，主缆锚碇因受地理条件影响，木洞镇岸后拉索为了控制主索倾角采用岩锚，其岸后拉索水平夹角控制为23°；桃花岛岸后拉索为重力式锚定，其岸后拉索水平夹角控制为20°，如图2。

缆索吊装设计由主塔、主索、工作索、牵引索、扣索、锚碇、浪风绳等组成。全桥预制拱箱共210片，其单跨拱箱分为3段预制吊装，即先吊装拱脚的两段，再吊装拱顶箱梁合拢。拱箱合拢温度按设计控制在10～25℃范围内。该方案设计计算时，按照边箱拱脚段最大吊装净重量70.8t进行考虑。主索、工作索计算程序采用《缆索吊装主索计算程序》［2］，扣挂系统及索塔计算程序，采用《通用结构分析与设计软件SAP2000》版本V14.1进行计算。

3.1主索设计

根据静力平衡原理进行计算［3］，先假定主索初始垂度来计算重索垂度。按照现场实际情况，在主塔顶部布置1组6Φ56mm（6×37S+FC）的合成纤维芯钢索作为主索，主索中心正对所安装拱肋轴线。主索公称抗拉强度1670MPa，单根钢丝绳破断拉力为1730kN。悬索跨度L=531.5m，空索垂度f0=25m，当吊运至索跨跨中时，主索垂度为fmax=41.002m，矢跨比L/13.0，主索最大张力Tmax=3462.277kN。根据计算结果，拉力安全系数K=3.0≥3，张力安全系数满足要求；考虑弯曲作用的主索应力σ= 752.35MPa，安全系数K=2.22＞2；考虑接触作用的主索应力σ= 517.48MPa，安全系数K=3.23＞2；应力安全系数满足要求。

3.2工作索

在主塔顶部主索旁布置1组1∮47.5mm（6×37+1）工作索（距主索中心1m），工作索公称抗拉强度1700MPa，破断拉力= 1175kN，工作索安装垂度f0=22m，按最大计算吊重80kN（含吊具、工作起吊牵引绳、配重及冲击系数）进行控制。根据计算，吊重索跨跨中垂度fmax=37.347m，最大张力Tmax=364.942kN，拉力安全系数K=3.22＞3。

3.3扣索

扣索采用2Φ52mm（6×37+FC）的麻芯钢丝绳，公称抗拉强度1700MPa，钢丝绳破断拉力总和为1705kN，单根钢丝绳的破断拉力Tp=1705×0.82（6×37+FC钢丝绳破断拉力折减系数）=1398.1kN。

拱箱安装共计需设置2道（4根）扣索，扣索长短采用40t滑车组及8t卷扬机进行调整。桃花岛岸扣索单根长620m（含回头锚固长度），木洞镇岸扣索单根长470m（含回头锚固长度），全桥扣索布置如3图所示。

图2　苏家浩长江大桥拱箱缆索吊装布置图

图3　全桥扣索布置及荷载作用简图

通过计算，各阶段扣索力见表1。扣索张力安全系数：K= Tp/Tmax。从成果表中可以看出，1-2号墩之间边跨靠桃花岛侧扣索与水平面夹角最小，扣索力最大，在合拢段安装阶段为最大Tmax=796.498kN，此时扣索安全系数最小K=3.51。张力安全系数计算结果列于表1中，可见，各扣索安全系数皆满足大于3，满足施工规范要求。

表1　各阶段扣索力计算成果表（kN）

3.4主塔

两岸塔架皆采用常备M型万能杆件组拼成三柱式钢桁架结构。塔顶设上、下分配梁来支承主索、扣索、牵引千斤索及工作索座滑轮，并将悬索系统传递来的荷载分配到塔顶各节点上。

为克服塔架纵横向水平力，两岸主塔架分别设置4道6∮24mm后风缆、3道8∮24mm前风缆和两侧各一道6∮19.5mm横风缆。利用微机结构分析通用程序SAP2000按空间杆系结构进行计算，风缆作为杆单元进入计算模型（如图4），利用Ernst公式考虑风缆垂度的非线性影响，利用等效弹性模量代替风缆弹性模量。

图4　缆索吊主塔计算模型图

通过以上建模，对两岸主塔架在外侧边箱起吊、跨中、内侧边箱就位等全过程共7个工况进行模拟计算。计算时综合考虑了主索、扣索、工作索、起吊牵引索及风缆索的共同作用；同时还计算了塔架的初始安装位移（即仅考虑风缆初张力和塔架自重），以控制塔架的安装位移。计算结果如下。

（1）桃花岛岸侧主塔架在边箱起吊（塔前20m）时，产生的塔顶最大竖直压力为2879.419kN，纵向水平力为-276.85 kN（向后），最大横向水平力为107.649kN；在边箱运输至索跨跨中时，产生的塔顶最大竖直压力为2609.564kN，纵向水平力为167.19kN（向河方向），最大横向水平力为152.742kN。

（2）木洞镇岸侧主塔架在边箱拱脚段就位时，产生的塔顶最大竖直压力为3071.731kN，纵向水平力为-218.054 kN（向后），最大横向水平力为197.803kN；在边箱运输至索跨跨中时，产生的塔顶最大竖直压力为2723.583kN，纵向水平力为304.092kN（向河方向），最大横向水平力为270.207kN。

（3）安装阶段两岸主塔架最大纵向位移为-181.9mm（负值表示向后），最大横向位移为-10.1mm，最大竖向位移为-25.4mm。

3.5后锚碇

桃花岛岸主锚碇采用钢筋混凝土桩式锚碇，设计由4根直径1.6m的C40钢筋混凝土锚桩来承受悬索系统外力，构件运输至索跨跨中时锚桩受力最大，以此阶段控制计算。考虑主索、工作索、牵引索、扣索、风揽等对锚碇的共同作用，锚碇合外力为5273.49kN，则锚碇总上拔力5273.49×sin20°=1803.640kN。

经过计算，锚桩抗弯承载力为4079.3kN·m，大于锚桩承受的最大计算弯矩3324.7kN·m，锚桩抗弯能力满足要求。抗剪计算，取桩内接正方形按矩形截面进行验算（偏于安全），内接正方形边长为160×sin45°=113.2cm，混凝土为C40。箍筋配置双肢Φ10I级钢筋，间距15cm，计算得斜截面抗剪承载力为2004.09kN，大于实际最大剪力1301.82kN，满足抗剪要求。

木洞镇岸塔后67m以后为较陡峭的斜坡，平均坡角约55O，斜坡基岩局部裸露，若设计成桩锚或重力式锚碇，开挖量非常大，且上部边坡较陡，易于垮塌，且防护工程量大。因而木洞镇岸主锚碇设计为锚索分配梁结构，通过锚索锚固型钢分配梁，再在分配梁上焊接拉板固定转向滑轮来锚固钢索；木洞镇岸主锚碇用于主索、工作索、扣索、塔架后风缆及牵引千斤索的锚固。

锚索采用12Φj15.24钢绞线制作，强度标准值1860MPa；钻孔直径130mm，注浆采用M35高标号水泥砂浆，每相距1m间隔设置扩张定位环和收缩定位环，锚具采用OVM15-10锚具。

分配梁为两根I45b工字钢梁，材料为Q235钢，弹性模量E= 2.1×105MPa，抗弯惯性矩I=2×33800cm4=67600cm4，抗弯模量W=2×1500=3000cm3。

根据以上实际受力工况进行计算，其结果如下。

（1）分配梁截面弯曲应力σmax=112.9MPa＜［σw］=145MPa。其剪应力为τmax=75.962MPa＜［τw］=85MPa。可见锚梁强度符合规范要求。

（2）经过计算，每束锚索最大抗拉力为3124.8kN，则锚索受拉安全系数K=TP/Tmax=3124.8/1400.4=2.23＞2。可见锚索抗拉安全系数满足要求。

4　工程应用

4.1改变扣挂方式

拱箱缆索吊装设计方案在进行专家评审论证时提出扣索安全系数基本合理，但原扣索方案存在长度大、倾角小的不利因素，施工中扣索较多容易产生交叉，再加上施工中的其它绳索，使现场绳索过于密集、混乱，可能会给施工安全造成不利。

为了减少干扰，工程施工中将扣索扣挂方式进行了优化，利用各墩拱上建筑排架做为扣塔，扣索翻过排架盖梁顶上扣索鞍部座滑轮后（如图5、图6），锚固于各墩承台的后锚环上。并利用滑车组及卷扬机收紧和调整扣索，以满足施工时拱箱吊装的要求。

图5　调整后的扣索布置及荷载作用简图

图6　扣索鞍部座滑轮加工图

4.2改变拱上建筑施工顺序

由于拱箱吊装时扣索悬挂方式的改变，施工中［4］及时组织对拱上建筑的施工顺序进行调整。即为了满足扣挂要求，先施工墩上的排架，利用墩上排架满足拱箱的扣挂要求，待桥梁所有拱箱都吊装完成后，再施工余下部分的拱上建筑物。

4.3主缆绳的调整

苏家浩长江大桥拱箱吊装中，发现当吊运至索跨跨中时，主索垂度为fmax＝37.2m，小于设计垂度41.002m。经认真分析后得出结论，造成此种现象应该是主缆绳在吊装中经过前期受力预拉，改变了钢丝绳的弹性模量。为了拱箱吊装时更接近于计算的受力状况，以及满足吊装时的安全，施工中采取折中的办法，就是吊装前调整主缆绳的空垂度，使其在吊装中接近设计计算垂度。

5　总结

（1）方案优化后，扣索利用拱上建筑的排架进行挂扣，避免了施工现场各种绳索交叉混乱的不利影响，其受力明确、合理、简洁。

（2）利用拱上建筑的排架作为挂扣，在吊装边箱时排架处于偏心受力，此时为最不利状态。为了结构及施工的安全，需按照实际工况进行计算其桥墩顶最大纵向位移和竖向位移（经计算，桥排架分别为1.48mm与-0.26mm），经与设计单位沟通，其位移能够满足施工要求。

［1］包立新，喻远良，林惠瑜.索道吊装技术在悬索桥施工中的应用［J］.重庆交通学院学报，2001，20（3）∶4-6，271.

［2］王德荣.中国综合运输体系发展全书：下册［M］.北京：人民交通出版社，1999：971.

［3］杨文渊.起重吊装常用数据手册［M］.北京：人民交通出版社，2004：8-25，255-268.

［4］交通运输部.JTG/T F50—2011公路桥涵施工技术规范［S］.北京：人民交通出版社，2011：167-178.

责任编辑：孙苏，李红

施工安全

沥青洒布机作业的安全常识

沥青洒布机作业应做哪些安全检查？

工作前应将洒布机车轮固定，检查高压胶管与喷油管联接是否牢固，油嘴和节门是否畅通，机件有无损坏。检查确认完好后，再将喷油管预热，安装喷头，经过在油箱内试喷后，方可正式喷洒。

满载沥青的洒布车在路途中应注意哪些安全？

满载沥青的洒布车在路作中应中速行驶。遇有弯道，下坡时应提前减速，尽量避免紧急制动。行驶时严禁使用加热系统。

喷洒沥青时应注意哪些安全？

喷洒沥青时，手柄的喷油管部分应加缠旧麻袋或石棉绳等隔热材料。操作时，喷头严禁向上。喷头附近不得站人，不得逆风操作。

沥青混合料摊铺机应遵守哪些规定？

（1）驾驶台及作业现场要视野开阔，清除一切有碍工作的障碍物。作业时无关人员不得在驾驶台上逗留。驾驶员不得擅自离位。

（2）运料车向摊铺机卸料时，应协调动作，同步行进，防止互撞。

（3）换挡必须在摊铺机完全停止进行，严禁强行挂挡和在坡道上换挡或空挡滑行。

（4）熨行板预热时，应控制热量，防止因局部过热而变形。加热过程中，必须有专人看管。

（5）驾驶力求平稳，不得急剧转向。弯道作业时，熨平装置的端头与路缘石的间距不得小于10cm，以免发生碰撞。

（6）用柴油清洗摊铺机时，不得接近明火。

Design and Application of Cable-hoisting Scheme for Arch Box of Sujiahao Yangtze River Bridge

Based on the design and application of cable-hoisting scheme for arch box of Sujiahao Yangtze River Bridge in Chongqing，the paper shows how to optimize the buckling of arch box hoisting in construction and adjust the above-bridge construction order by firstly constructing pier bents to meet the buckling requirements of arch boxes and then completing above-arch construction.It can offer some references for similar projects.

cable-hoisting；main tower；main cable；buckle cable；working cable；anchorage

［TU997］，U445

A

1671-9107（2016）09-0037-04

10.3969/j.issn.1671-9107.2016.09.037

2016-04-05

余鸿飞（1975-），男，重庆人，本科，高级工程师，主要研究方向为公路、桥梁和隧道。