缆索式起重机悬拼轻型钢拱架施工技术研究

许适

摘要：通过下牢溪大桥建设实例，认真研究缆索式起重机悬拼轻型钢拱架施工过程中缆索式起重机的稳定性及轻型钢拱架的荷载承受能力，具体分析采取措施的可行性，总结类似拱桥施工过程的施工工艺、方法及控制措施和关键技术，对相关类似结构的横跨峡谷、江河等不利地质条件下拱桥施工提供可参考的科学实例。

关键词：缆索式起重机；型钢拱架；承式箱型拱桥

引言：

拱桥是一种受力性能良好、结构稳定的工程结构，具有较强的美观性，在跨河、峡谷及风景区建设中较为常见，而大跨度拱桥或者多孔连拱拱桥施工工艺复杂、施工风险大、技术要求高，以往的施工方式往往会增加施工造价成本造成资源浪费，本文主要研究一种专利性较强的轻型钢拱架悬拼施工工艺，主要分析研究缆索式起重机稳定性能和钢拱架悬拼过程稳定性控制。

1.工程概况

本项目为宜巴线下牢溪桥危桥改造工程，主要工程内容为原有桥梁左侧新建上承式箱型拱桥，新建下牢溪桥型为上承式箱型拱桥，左幅桥梁起点桩号K9+191.96，终点桩号K9+341.04，全长149.08m。主桥为单跨90m箱型拱桥，拱轴线为悬链线，拱轴系数m=1.5，矢跨比为1/5.233，无铰拱体系。引桥为8m简支实心板，桥面连续；桥梁全宽22.0米。

2.缆索式起重机稳定验算

吊装系统由主索、索鞍、跑车、起重滑车组、牵引索、卷扬机、锚锭等组成。两岸塔柱基础设置拱座基础上，莲坨岸塔柱高42m；宜昌岸塔柱高24m。本案例最不利工况为：缆索单侧在拱架拼装期间最大吊重量124.068KN，安装8m实心板时最大吊量为104KN。

主索采用4φ47.5（6×37+1）钢丝绳，起重索采用φ19.5（6×37+1）钢丝绳走6线，牵引索采用φ21.5（6×37+1）钢丝绳走2线，钢拱架风缆采用φ26（6×37+1）钢丝绳，塔架风缆采用4φ32.5和φ32.5（6×37+1）钢丝绳，扣索采用3φ32.5（6×37+1）钢丝绳。

2.1均布荷载

主索自重：q1=4×792.9×10-2×9.8×10-3=0.3108KN/m；起重索自重：q2=1×132.7×10-2×9.8×10-3=0.0130KN/m；牵引索自重：q3=2×163.3×10-2×9.8×10-3=0.0320KN/m；支索器自重：q4=18×18×9.8×10-3/188=0.0168KN/m；则均布荷载总量=q1+q2+q3+q4=0.3726KN/m。

2.2集中荷载

1）拼装拱架阶段：整段拱架每节约7.8t，考虑两组缆索同时吊两节，则单组起吊 Q1=2×7800/2x9.8×10-3=76.44 KN

最不利工况满足安全施工生产要求。

2.3轻型钢拱架基本受力情况

钢架拼装过程：可调试钢拱架由基本节段和联结系组成，基本节段分为标准段、调节段、拱顶段和拱脚段四种类型，整个施工吊装过程控制为多阶段连拼逐块吊装完成。

本案例重点分析钢拱架的良好受力性能，通过实例分析，钢架基本承重如下：钢拱架自重：240t（包括基本节段及所有联结系）；全桥模板及其垫块重量：100t；全桥满布其余施工荷载：50t；拱肋底板及下马蹄混凝土重：593.20t；拱肋腹板及横隔板混凝土重：51.25t；拱肋顶板及上马蹄混凝土重：593.20t；钢拱架均匀温度：±15oC；风荷载：取风速20m/s的风力值。

3.钢拱架整体稳定性验算

为了评估钢拱架的稳定性，我们通过采用稳定安全系数加以量化。本案例仅对钢拱架进行第一类稳定分析即线弹性稳定分析，即屈曲分析。进行线弹性稳定分析时，不考虑结构的几何与材料非线性影响，基本计算公式为：（[K ]λ[Kd ]）δ0式中：[K]—结构的整体弹性刚度矩阵；[Ka ] —结构的整体几何刚度矩阵；δ—节点的位移矩阵；λ—稳定安全系数，P 承载力= λ ×（G 拱架自重+F 拱架上总荷载）。结构的整体弹性刚度矩阵[K ]仅与单元构形、单元抗压刚度 EA、抗弯刚度 EI及抗扭 GJ 刚度有关；结构的整体几何刚度矩阵[Ka ] 仅与单元长度和单元轴力有关，因此可以将钢拱架的稳定计算模型简化。简化原则：将每片基本节段简化为一个单元，保证单元的长度、抗压、抗弯及抗扭刚度与原结构相等，这样就能保证整体刚度矩阵与原结构相等，从而保证[K]相同，再加上相同的载荷，单元轴力也必相同，故[Ka]也相同，最后解出的特征值λ 必然相同。

各基本节段的截面特性计算如下：

（1）标准节段（B）、调节节段（T）和拱顶节段（D）

A=0.022212m2；Ix=0.0237526m4；Iy=0.00229292m4；J=2.387232E-6 m4；A、Ix、Iy 和 J 分别表示节段截面面积、对 x、y 轴的抗弯惯矩和截面抗扭惯性矩，下同。

（2）拱脚节段（J）

截面 1：A=0.0416m2；Ix=0.04201432m4；Iy=0.00354968m4；J=1.89E-4 m4；

截面 2：A=0.0416m2；Ix=0.000624m4；Iy=0.00354968m4；J=1.89E-4 m4；

（3）平联（P）A=0.002752cm2；Ix=0.00274636m4；Iy=0.00073332m4；J=2.25E-8 m4；

（4）横联（H）

截面 1：A=0.001376m2；Ix=0.00093446m4；Iy=1.14E-6m4；J=1.125E-8 m4；

截面 2：A=0.002752m2；Ix=0.00201608m4；Iy=6.108E-5m4；J=2.25E-8 m4；

采用 Midas Civil 2012 进行结构分析，并用桥博 3.1.0 进行复核；采用 Ansys 10.0进行局部分析。

最小稳定安全系数远远大于4，因此整体稳定性满足规范要求。

钢材的弹性模量E= MPa，则钢拱架的抗弯刚度

查《桥梁设计与计算》，本拱架按抛物线两铰拱计算稳定性。纵向稳定性，稳定临界荷载 ， ，查表得系数k=43.71，代入得

>q=211 KN/m。纵向稳定性满足要求。

4.结束語

下牢溪大桥目前已竣工通车，各项建设指标经桥梁动载、静载试验数据显示均达到规范要求，下牢溪桥建设成果是成功的。实践证实，轻型钢拱架的运用和缆索式起重机的选择成功克服了施工场地狭窄、起重吊装困难等施工难题，不仅缩短了预期的施工工期还带来了良好的社会效益，为今后类似拱桥及其他结构桥梁施工积累了显著的施工经验。

（作者单位：中铁二十局集团第三工程有限公司）