超600 m钢管拱桥缆索吊运施工安全性分析

摘要：文章以主跨600 m的钢管混凝土劲性骨架拱桥——天峨龙滩桥为依托工程，对钢管拱肋吊装施工过程中的索鞍、跑车、塔架、地锚以及各缆索系统等关键受力结构进行安全性计算分析。结果表明，鋼管拱吊装施工具有足够的安全性，相关数据可为天峨龙滩桥安全施工提供参考。

关键词：天峨龙滩桥；缆索吊运施工；施工风险；塔架

0引言

钢管混凝土拱桥不仅继承了传统拱桥承载能力大的特点，还具备跨越能力大、经济性高、曲线优美等特点，是经济学与美学融合的最佳典范。在我国经过三十余年发展，目前已建成460余座钢管拱桥，成为大跨径桥梁中应用最多的桥型之一［1］。目前，已建成的世界最大跨径拱桥为主跨575 m钢管混凝土拱桥——广西贵港平南三桥，该桥于2018-08-07开始建设，于2020-12-28建成通车，耗时874 d，质量优异，堪称桥梁史上的又一奇迹［2］。缆索吊运斜拉扣挂施工凭借适应性好、造价低、施工风险较小等优点，成为大跨径拱桥应用最多的工艺，文献［2］统计，53座跨径＞200 m的钢管混凝土拱桥中43座采用缆索吊运斜拉扣挂施工工艺。然而，随着拱桥跨径的不断增大，拱圈吊装重量、吊装节段数量以及塔架高度等也一次次刷新记录，采用缆索吊运斜拉扣挂施工工艺也面临着更大的施工安全风险。2013年5月，四川资阳市雁江区在建拱桥沱江三桥发生缆索吊运塔架垮塌，造成5死2伤的事故［3］，人员伤亡和经济损失巨大，因此，很有必要对此开展相关研究。

在建工程天峨龙滩桥为主跨600 m钢管混凝土劲性骨架拱桥，建成后将再一次刷新世界拱桥跨径记录，其拱圈跨径大、拱肋节段数多、吊装重量大，采用缆索吊运施工技术将面临着较大的施工风险。基于此，本文以天峨龙滩桥为工程依托，对其缆索吊运施工过程进行介绍，并针对塔架、地锚、缆索系统、跑车等关键受力结构进行安全性分析，为大桥的安全施工保驾护航。

1 工程概况

1.1 项目概况

天峨龙滩桥位于广西河池市境内，是南丹至天峨下老高速公路的控制性工程。该桥全长2 488.55 m，桥面宽24.5 m，桥面主梁为12×40 m预制T梁，主桥采用上承式钢管混凝土劲性骨架拱桥，主桥跨径为600 m，矢高为125 m，矢跨比f=1/4.8。主桥横桥向为两片四肢桁式钢管混凝土拱肋，拱肋中距为16.5 m，设置13道箱型肋间横联以及20道X型横联。钢管拱采用缆索吊运斜拉扣挂施工工艺进行节段拼装施工，塔架采用“吊扣分离式”的结构形式，塔架为永临结合式的结构布置，即吊扣塔安装在桥墩0#块上，如图1所示。

1.2 缆索吊装施工工序

缆索起重机安装与调试主要施工步骤如图2所示：

（1）利用塔吊先安装索鞍，并将索鞍固定。

（2）如图3所示，[JP+2]安装通天引线。先用塔吊将索牵引过塔顶，后由交通船牵引至对岸，连接引线钢丝绳，利用卷扬机牵引至塔前，最后用对岸塔吊完成塔顶翻越，进入卷扬机，完成通天引线安装，共安装2条通天引线。

（3）如图4所示，利用往复牵引通天引线，辅以塔架起吊，安装承重主索；先安装工作索道承载索，使工作索系统快速投入使用，再利用工作索道辅助安装主承重索及弦管跑车、牵引、起重绳等。

（4）如图5所示，收放牵引往复系统两端，将承重索从一侧塔架牵引至另一岸塔架，中跨部分利用工作索系统兜吊下垂的主索，减少牵引阻力；主索绕过索鞍后，继续向下牵引至地锚进行锚固。

（5）重复上述步骤，完成所有承载索的安装。

（6）按照设计要求，调整承载索的空索垂度，最大安装垂度误差＜5 cm。

（7）利用塔架安装跑车、支索器、吊点，穿牵引绳、起重绳，绳头固定在跑车上；利用引线将跑车牵引至另一岸塔架边，安装支索器、牵引绳，将起重绳继续牵引至地锚处，进入卷扬机。

（8）同步安装缆索系统的电控系统。电控系统由专业公司进行安装。

（9）对系统进行第一次空载试运行，检查有无缺漏、错误。

（10）[JP+3]将跑车牵引至一岸塔边，精调承载索线形，复核合格后，进行第二次空载试运行，完成缆索系统安装。

2 缆索吊运施工安全性分析［4］

天峨龙滩桥钢管拱缆索吊运施工根据现场环境，先采用桅杆吊将拱肋吊至运输船只上，然后利用缆索吊运系统吊运拱肋进行拱圈悬臂拼装。整个施工过程中涉及主地锚、桅杆吊基础、各缆索系统、缆索吊塔架以及索鞍和跑车等主要受力构件的安全性，需对其进行安全性分析。

2.1 主地锚施工安全性分析

地锚安装位置、高程和埋深应精准，主地锚抗倾覆、抗滑移和抗拔等性能应满足安全要求。根据主地锚承受的主承重索、牵引索等作用下，主地锚设计采用埋深6 m，地锚长30 m，宽15.5 m，高10 m；底板厚1.5 m；压重块由两部分组成，顶压重块高4 m，宽9.9 m，采用柔素混凝土的结构形式。由于两岸地锚受力相似，以南丹岸为例，进行计算分析。根据结构的抗倾覆计算，按公式Kt=抗倾覆力矩/倾覆力矩=799 272 kN·m/171 017 kN·m=4.67，大于规范要求的2.0；抗滑移安全系数Ks=抗滑移力/滑移力=60 711 kN/21 727 kN=2.79，大于规范要求的2.0；抗拔安全系数K=自重/竖向力=78 640 kN/8 727 kN=9.01，大于规范要求的2.0，均满足规范要求。

2.2 桅杆吊基础安全性分析

如图6所示，天峨龙滩桥钢管拱肋采用220 t/100 t桅杆吊作为起重吊装设备，将各拱肋节段由岸上吊运至运输船上。塔架基础位于桅杆吊底部，用以承受桅杆吊荷载，其中立柱采用700×14 mm，横联包含245×7 mm和219×6 mm两种型号钢管杆件。为确保塔架基础的安全性，采用Midas Civil软件对桅杆吊塔架基础进行计算分析（见下页图7）。计算时，塔架基础立柱及顶部钢梁采用梁单元分析，其余各杆件采用桁架单元模拟，塔架基础立柱与地基的接触采用固结模拟。计算结果表明，钢梁最大应力为169 MPa，柱最大拉力为517 t（小于承台自重），抗拔安全系数为2.3，具有较好的安全性。

2.3 主索、起重索、牵引索安全性分析

根据各拱肋的最大吊重为169.4 t，充分考虑施工过程中的不利因素，按照220 t进行计算分析。主索采用20×50 mm密封钢丝绳，牵引索采用428 mm的6×37b-IWR，起重索为424 mm的6×37b-IWR。根据文献［4］的相关计算公式进行各索的安全性分析，计算结果表明各索安全系数均满足规范要求，如表1所示。

2.4 塔架安全性分析

天峨龙滩桥采用吊扣分离式塔架结构，塔底均采用钢梁固结。吊塔竖向、纵向均以4 m为模数设计，横桥向以4.9 m为模数设计，标准格构柱尺寸为4 m×4.9 m，塔架立柱均采用610 mm×20 mm钢管，每节段长8 m，腹杆采用114 mm～245 mm钢管，立柱和腹杆均采用直缝钢管；立柱间采用法兰盘连接，其余杆件间采用节点板栓接。塔架前后设缆风索提高塔架的稳定性。考虑结构自重+主索力（吊重）+正常工作状态风荷载+缆风初拉力，而对于塔架非正常工作状态的计算，考虑结构重力+主索力（空载）+非正常工作状态风荷载+缆风初拉力。计算结果表明，Q345钢材最大应力为181.4 MPa，小于规范要求的223 MPa；最大位移为166.4 mm，小于规范要求的限值239 mm；各工况下，弹性稳定系数最小为13.6，大于規范要求的4.0。塔架整体安全性较好，能满足各种不同工况的施工安全要求，如图8所示。

2.5 跑车、索鞍等安全性分析

进一步对缆索吊运系统的塔顶索鞍、跑车、吊具等进行有限元计算分析，主索鞍计算结果如后页图9所示。计算结果表明：Q355主索鞍体和40Cr销轴最大应力分别为114.3 MPa和121.2 MPa，最大变形量为0.39 mm，较规范限值有一定安全富余，索鞍系统的强度和刚度均满足施工要求。同理，对主跑车、工作索鞍、吊具和跑车等受力构件进行计算分析，其强度和刚度均满足规范要求，且具有一定的安全富余。

3 结语

本文以主跨600 m钢管混凝土劲性骨架拱桥——天峨龙滩桥为依托工程，对缆索吊运施工过程中各主要施工工序进行介绍，并对钢管拱肋吊装施工过程中主地锚、桅杆吊基础、主索、起重索、牵引索以及缆索吊塔架施工等进行安全性分析。计算结果表明了钢管拱吊装施工具有足够的安全性，相关数据可为天峨龙滩桥安全施工提供参考。

参考文献：

［1］Wang Q，Nakamura S，Chen K，et al.fatigue analysis of K-Joint in a half-through concrete-filled steel tubular truss arch bridges in china［C］. 8thInternational conference on arch bridges，2016.

［2］郑皆连.500米级钢管混凝土拱桥建造新技术［M］.上海：上海科学技术出版社，2020.

［3］施曙东.我国大型桥梁工程建设期内典型事故调研与原因探讨［J］.城市道桥与防洪，2017（4）：134-136，15.

［4］周水兴.路桥施工计算手册［M］.北京：人民交通出版社，2000.

作者简介：莫蓝金（1985—）工程师，主要从事道路与桥梁技术研究和施工管理工作。