虎跳峡金沙江大桥复合索鞍安装关键技术

代荣威,魏家旭,张崇厚,李明欢,朱小京

(1.清华大学 土木工程系，北京 100084；2.云南省建设投资控股集团有限公司，云南 昆明 650000；3.中铁大桥局集团 第八工程有限公司，重庆 400025)

0 前言

喻成刚[1]等为吊装润扬大桥索鞍设计了塔顶门架和锚碇门架吊装系统。龚毅[2]结合澧水特大桥，提出把主索鞍吊装门架和缆索支撑门架进行一体化设计，方便施工，缩短了工期。王春明[3]针对清水河大桥索鞍吊装难点，设计一套安全可靠的索鞍吊装系统。屈加林[4]结合驸马大桥的特点，优化了索鞍吊装流程，并对吊具进行了改进，把双机抬吊改为单机吊装，取得了良好的社会效益。童俊豪[5]等对跨径为1 688 m的虎门二桥坭洲水道桥，提出采用“桥塔承台顶面转放平台移运+塔顶门架承载+连续提升液压千斤顶垂直起吊+重物移运器纵移”的方式安装主索鞍各构件。

以上是常规的索鞍安装方法，适用于有桥塔、且现场施工条件比较好的情况，采用塔顶门架和起吊系统结合的方法直接安装索鞍，安装步骤如下：①在桥塔顶部安装门架和卷扬机，同时将索鞍构件移运至索塔内侧吊装平台上；②试吊合格以后，依次把索鞍构件垂直起吊；③当索鞍构件高于塔顶位置时，卷扬机停止提升，并缓慢横移至塔顶的安装位置；④释放卷扬机，将索鞍构件缓慢下放至塔顶设计位置。常规的索鞍安装方法同样适用于虎跳峡金沙江大桥丽江岸主索鞍和散索鞍的安装，然而，并不适用于陡峭且无桥塔的香格里拉岸复合索鞍的安装，复合索鞍的安装是根据其特殊的索鞍构造和地形条件，采用的一种新的索鞍安装方法。

1 工程概述

云南省虎跳峡金沙江大桥是香丽(香格里拉-丽江)高速公路全线的控制性工程之一，大桥设计行车速度80 km/h，双向4车道。大桥全长1 017 m，主桥采用(766+160)m独塔单跨地锚式钢桁梁悬索桥(图1)。该桥仅在丽江岸设置门形钢筋混凝土桥塔(高82 m，设2道横梁)，丽江岸采用重力式锚碇；香格里拉岸未设置桥塔，以山为塔，采用隧道式锚碇，主缆直接锚固于山脊的岩层。加劲梁采用钢桁梁，钢桁梁跨径671 m，高6 m、宽26 m。全桥共设2根主缆，2根主缆间距26 m，主缆矢跨比1/10。主缆采用预制平行钢丝索股，每根主缆包含97根索股，每根索股由127根直径5.4mm、抗拉强度1 770 MPa的镀锌钢丝组成。单侧主缆设57根吊索(吊索间距11.5 m)，每根吊索含91根钢丝(抗拉强度1 670 MPa)，且在香格里拉岸设置两对地锚吊索。

图1 虎跳峡金沙江大桥总体布置图(尺寸单位：cm，标高单位：m)

该桥的缆索系统由主缆、主索鞍、散索鞍、复合索鞍、吊索和索夹构成，大桥共计6个索鞍，包括2个主索鞍、2个散索鞍和2个复合索鞍。其中，主索鞍位于丽江岸桥塔塔顶，可改变主缆的方向并对主缆起支承作用[6]；散索鞍位于丽江岸的重力式锚碇处，主要起散索作用；复合索鞍为滚轴式新型索鞍，位于在香格里拉岸的隧道锚处，同时起到主索鞍的转索和散索鞍的散索作用[7]。

2 复合索鞍的构造和安装施工方案

2.1 复合索鞍的构造

与一般索鞍不同，复合索鞍鞍体下面设置不锈钢板-辊子-耐磨钢板滚动副，在施工和运营时，复合索鞍可以滚动来消除索鞍两侧主缆水平方向的不平衡力。复合索鞍长5.46 m、宽3.7 m、高2.5 m，由鞍体、上承板、辊轴、下承板、联板、框架、压梁、挡块、格栅、导向平键和辊轴连接轴等构件组成，其结构如图2所示。鞍体采用铸焊组合结构，其中，鞍槽为铸钢件；鞍座为组焊件。为了增加主缆和鞍槽之间的摩阻力，在鞍槽内顺桥向设置竖向散索隔板，所有主缆索股安装完毕并调股后，在顶部用锌块填平[8]。鞍体下面设置26根辊轴(分为4组，编号1～7、8～13、14～19、20～26)，通过框架限制平动的联动，每一组辊轴组端部设置限位榫。

图2 复合索鞍结构示意图(单位：mm)

2.2 复合索鞍的安装方法

由于香格里拉岸无索塔，复合索鞍设计位置位于香格里拉岸的高陡斜坡之上，且施工道路陡峭、崎岖，不具备运输复合索鞍的条件，故复合索鞍不能直接从香格里拉岸安装。丽江岸斜坡相对较缓，有着良好的施工平台，经过研究论证，本桥采用一种新的索鞍安装方法，即“缆索吊机跨江吊运+拽拉到滑移支架+横向顶推+门架提升、滑移+调整就位”：先把复合索鞍构件运输到施工条件较好的丽江岸吊装平台上，利用缆索吊机依次将复合索鞍构件从丽江岸跨江吊运至香格里拉岸，再结合滑移支架顶推系统和门架起吊系统完成复合索鞍的精确安装。

复合索鞍的具体安装步骤如下：

a.准备吊装转运装置。进行缆索吊机、门架及滑移支架等吊装转运装置的安装和试验，现场检查验收复合索鞍构件。

b.跨江吊运复合索鞍构件。将复合索鞍构件运输至丽江岸桥塔内侧吊装平台上，利用缆索吊机分别将复合索鞍构件垂直起吊，上升至一定高度后，跨江吊运至香格里拉岸支墩前10 m左右。

c.拽拉复合索鞍构件。缆索吊机跨江吊运复合索鞍构件后，利用拽拉方法把缆索吊机上的复合索鞍构件依次拽拉到滑移支架上。

d.顶推复合索鞍构件。由于拽拉后的复合索鞍构件和门架中心线有一定的偏移距离，通过滑移平台侧方的卷扬机反拉，将复合索鞍构件横向顶推至门架正下方。

e.提升、滑移复合索鞍构件。利用门架的千斤顶将复合索鞍构件提升、滑移至设计位置，并用倒链进行微调，直至达到设计位置。

复合索鞍构件拽拉至滑移支架时的立面图和侧面图如图3和图4所示。

图3 复合索鞍安装立面图(横桥向)

图4 复合索鞍安装侧面图(顺桥向)

复合索鞍整个安装过程分为安装设备装置准备和复合索鞍构件安装两个阶段，具体的安装流程为：缆索吊机设计和校核→门架的设计和校核→滑移支架的设计→格栅安装→下承板安装→滚轮组件安装→上承板安装→鞍体安装。

3 复合索鞍安装设备装置准备

3.1 缆索吊机设计和校核

缆索吊机(图5)分上下游两组，每组最大额定吊重65 t，主要用于钢桁架节段的吊装和复合索鞍构件的跨江吊运。缆索吊机主要由缆索、塔架、索鞍、跑车、电机设备以及锚固系统组成[9]。其中，缆索包括主索、牵引索和起重索，各2组，主索选用6Φ56 mm麻芯钢丝绳(公称强度1 870 MPa，破断力1 940 kN)，每组主索各设1台跑车，双向牵引；牵引索选用Φ28 mm麻芯钢丝绳；起重索选用Φ30 mm麻芯钢丝绳。电机设备包括卷扬机和控制柜，设置15 t双向牵引索卷扬机2台，15 t起重卷扬机2台，5 t收紧卷扬机2台，均布置在丽江岸的散索鞍支墩基础上。

图5 缆索吊机跨江吊运

复合索鞍组件依次通过峡谷，所以要同时考虑复合索鞍构件的自重和风荷载来校核缆索吊机承载力。复合索鞍构件自重引起缆索吊机主索的最大竖向力为540 kN；桥位处设计基本风速为28 m/s，只考虑等效静阵风荷载，根据《公路桥梁抗风设计规范》[10]，有以下计算方法：

Ug=GvUd

式中：Fg为构件的风荷载,N/m；ρ为空气密度,kg/m3；Ug为构件等效静阵风风速,m/s；CD为构件的阻力系数；An为构件顺风向的投影面积,m2；Gv为等效静阵风系数；Ud为设计基准风速,m/s。

根据设计资料，上述参数取值为：ρ=1.25 kg/m3,CD=2,Gv=1.56,Ud=28 m/s,An最大取值为12 m2。计算得，Fg为29 kN，即风荷载引起缆索吊机主索的最大横向力为29 kN，远小于自重产生的竖向力，因此，复合索鞍构件跨江吊运时满足缆索吊机的承载力要求。

3.2 门架的设计和校核

利用门架将复合索鞍构件提升、滑移至设计位置。考虑到施工的经济性和便利性，门架取用桁架式结构[11]，采用Q235B钢材，并与支墩顶部的预埋件连接固定。门架顶长14.1 m、宽5.37 m、高4.4 m，伸入隧道锚前锚室一部分。复合索鞍门架布置如图6所示。门架上的提升系统采用4台50 t的连续液压千斤顶，对称分布于门架顶的吊梁上。在门架两侧布置2台10 t的卷扬机，为复合索鞍的滑移和顶推提供动力。

图6 复合索鞍门架布置图(单位：mm)

复合索鞍门架设计时，根据施工顺序，考虑复合索鞍安装、猫道和主缆架设两个施工阶段门架的支承作用，主要考虑两个工况：工况1，门架自重+索鞍自重+卷扬机自重+卷扬机牵引力；工况2，门架自重+猫道门架支承索索力+牵引索索力+卷扬机自重+索股横移力。采用Midas有限元软件对门架进行计算分析[12]，在最不利工况下，门架应力如图7所示，最大拉应力为37.2 MPa，最大压应力为60.7 MPa，门架结构的强度、刚度和稳定性均满足要求。

图7 最不利荷载作用下门架应力图(单位：MPa)

在复合索鞍安装前对门架试吊，进行了空载试验，取额定吊装重量的10%，做3次完整的起吊、滑移、下放等工作，各机构运行平稳，没有出现颤抖、冲击等现象；进行额定荷载试验，按额定荷载将吊物提升0.5 m停止，门架没有发生变形，各焊点和焊缝均无异常；进行超载试验，取复合索鞍重量的1.2倍进行试验，缓慢吊起吊物脱离地面30 cm后，停留约1 h，各构件正常运行，在离地面1～3 m范围内起降两次检验卷扬机性能，结构未出现永久变形、可见裂纹、油漆脱落以及连接损坏、松动等现象，试吊结果符合要求。

3.3 滑移支架的设计

由于缆索吊机中心线和门架中心线有一定的偏移距离，拽拉到滑移支架的复合索鞍构件并不在门架的正下方，需要通过滑移平台利用顶推方法将复合索鞍构件顶推至门架正下方。滑移平台采用Q235B钢材，长9 m、宽2.44 m、高3.62 m，顶推平台上设置转向滚轮，并与卷扬机相连，组成滑移平台的顶推系统，滑移平台底部与支墩基础预埋件相连，滑移平台布置如图8所示。

图8 滑移支架立面图和侧面图(单位：mm)

4 复合索鞍安装施工技术

4.1 格栅安装

格栅安装在复合索鞍支墩上，在浇筑支墩混凝土前，预留出安装格栅的槽口，并预埋钢筋。格栅吊装前将混凝土表面打毛，在支墩的中心设置纵、横向中心标志[5]。

利用缆索吊机垂直起吊位于丽江岸索塔内侧的格栅，格栅吊装采用4点起吊，每个吊点各采用2根吊索，且吊索与水平方向的夹角为70°；缓慢进行格栅跨江吊运，格栅吊运至香格里拉岸后，拽拉格栅至滑移支架上，利用顶推系统把格栅顶推至门架的正下方；利用门架提升格栅，高于支墩的高度后，停止卷扬机提升，释放前端倒链，收拉后端倒链，缓慢将格栅横移至支墩顶的安装位置。格栅安放到支墩顶预留槽内后，千斤顶继续提供一部分的拉力，以便于格栅的微调整。格栅安装平整、满足规范后，将小钢块垫在格栅底部脱空的位置，使其顶面高差小于0.5 mm/全平面，并与预埋钢筋焊接[13]，在格栅顶面画出纵、横向的中心线。

4.2 下承板、滚轮组件和上承板安装

格栅安装后，依次吊装下承板、滚轮组件和上承板。

a.下承板安装。下承板的衬板较薄，面外刚度较小。衬板在工厂内通过M20×60 mm栓钉安装在承板上，然后进行整体运输。将下承板吊装至格栅上后(下承板的吊装过程和要求与格栅相同)，与格栅上的Φ50 mm销孔对齐，并安装Φ50 mm×220 mm的销轴。

b.滚轮组件安装。辊轴、框架和联板在工厂组装后整体运输和吊装。滚轮组件采用专用吊具吊装，吊具尺寸和滚轮组件框架尺寸相同。在滚轮组件框架上焊接吊耳，吊具采用4点起吊，每个吊点采用2根吊索，且吊索与水平方向的夹角为70°。经过跨江吊运、滑移顶推和门架提升等过程，将滚轮组件下放至下承板顶端指定位置，辊轴上的限位榫与下承板的限位孔对齐，完成滚轮组件的安装。

c.上承板安装。上承板安装前，先安装衬板和导向平键，两者通过M20×60 mm螺钉连接。上承板安装时将导向平键与辊轴上的导向槽口对齐，并使上承板的限位孔与辊轴上的限位榫对齐。

4.3 鞍体的安装

复合索鞍鞍体分为两部分安装，先吊装锚跨侧鞍体，再吊装中跨侧鞍体。鞍体采用4点起吊，鞍体两侧设置吊耳，每个吊点采用2根吊索，吊索和水平面的夹角为80°。复合索鞍鞍体的安装如图9所示。鞍体提升至支墩顶指定的安装位置后，采用千斤顶缓慢下放；在距离上承板顶端距离10 cm处停止下放，调整鞍体角度，使其与上承板的定位销对齐。两部分鞍体安装就位后，通过高强螺栓使之连接为一个整体[14]，并与上承板带动辊轴向香格里拉岸锚跨侧完成83.3 mm的预偏。

图9 复合索鞍鞍体的安装

5 结语

虎跳峡金沙江大桥采用新型滚轴式复合索鞍，复合索鞍同时起到转索和散索作用。香格里拉岸无桥塔的设置，且施工条件较差，复合索鞍无法直接运输，不能采用常规的索鞍安装方法。因此，香格里拉岸的复合索鞍安装是依托丽江岸的吊装平台，结合缆索吊机跨江吊运、滑移支架顶推和门架系统起吊共同完成的。复合索鞍各构件采用“缆索吊机跨江吊运+拽拉到滑移支架+横向顶推+门架提升、滑移+调整就位”的方式进行安装，依次完成了格栅、下承板、滚轮组件、上承板和鞍体的安装工作。最终，两套复合索鞍的轴线偏位和高差均在±2 mm范围内，符合规范要求。这种索鞍安装方法，克服了山区高陡斜坡、环境差等施工难题，为山区同类无桥塔悬索桥索鞍的安装提供参考。