聶 東，陶 龍，李清培，鄧亨長，徐國挺，唐中波

(1.四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，成都 610000； 2.四川路橋華東建設(shè)有限公司，成都 610000)

主索鞍的吊裝施工是大跨懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工的第一步，其施工方法大致分為起重機(jī)吊裝法和塔頂門架吊裝法2類。起重機(jī)吊裝具有施工效率高、勞動強(qiáng)度低的優(yōu)點(diǎn)，但起重機(jī)對吊裝高度、吊裝重量有限制；塔頂門架吊裝法結(jié)合了懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工特點(diǎn)，利用塔頂門架的提升、行走系統(tǒng)進(jìn)行主索鞍吊裝工作，是目前大跨度懸索橋索鞍吊裝最常用的施工方法，由于塔頂門架不僅可用來吊裝主索鞍，還可配合后續(xù)貓道架設(shè)、主纜索股架設(shè)等施工，因此該方法可提高施工設(shè)備的綜合利用率，降低施工成本。

雖然業(yè)界對懸索橋索鞍吊裝已有一定工程經(jīng)驗(yàn)，如清水河大橋采用塔頂門架和卷揚(yáng)機(jī)對主索鞍進(jìn)行吊裝[1]，駙馬長江大橋利用塔頂門架采用單機(jī)吊裝的方式進(jìn)行主索鞍施工[2]，虎門二橋泥洲水道橋主索鞍采用塔頂門架和提升液壓千斤頂進(jìn)行吊裝[3]，但對大跨度懸索橋主索鞍的施工仍存在吊裝重量大、高度大、工藝復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)高等問題[4-5]。為此，本文以赤水河紅軍大橋索塔主索鞍吊裝施工為例，探討塔頂門架吊裝+卷揚(yáng)機(jī)+行走小車在該橋主索鞍吊裝工程中的應(yīng)用。

1 工程概況

赤水河紅軍大橋?yàn)榻?渝黔界)經(jīng)習(xí)水至古藺(黔川界)高速公路控制性工程。主橋?yàn)殇撹炝簡慰珉p塔懸索橋，跨度布置為(325+1 200+205) m，塔高243.5 m，如圖1所示。主索鞍由主索鞍系統(tǒng)和格柵系統(tǒng)組成，其中主索鞍系統(tǒng)由鞍體、上下承板、安裝板等組成。主索鞍構(gòu)造示意如圖2所示。最大吊裝重量為主索鞍的半個鞍體，單件重40.6 t，吊裝尺寸(順×橫×高)為2.920 m×3.54 m×2.83 m；格柵系統(tǒng)由格柵和反力架構(gòu)成，為鋼板組焊件，單件重30.145 t，最大吊裝尺寸(順×橫×高)為10.46 m×3.21 m×2.7 m。

2 門架及其起吊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 門架設(shè)計(jì)

塔頂門架在上部施工中，不僅承擔(dān)著索鞍及其附屬構(gòu)件的吊裝工作，而且在牽引系統(tǒng)、貓道架設(shè)、索股架設(shè)、纜索系統(tǒng)吊裝、貓道拆除等工作中發(fā)揮著極其重要的作用[6-8]。

(a) 總體布置

(b) 索塔立面

(a) 立面 (b) 構(gòu)件分解

赤水河紅軍大橋索塔門架設(shè)計(jì)主要考慮的因素有：塔頂水平面尺寸、索鞍吊裝方式、索鞍運(yùn)輸方式、運(yùn)輸車輛?？课恢谩⑺靼氨旧泶笮〕叽?、索股入鞍操作、吊裝角度、主塔施工過程中留下的施工平臺伸出尺寸、空纜線形、滑輪組運(yùn)行時所占空間高度、纜索吊裝系統(tǒng)在主塔上所占空間高度。

經(jīng)綜合考慮，索塔門架采用型鋼裝配式結(jié)構(gòu)，如圖3所示。門架主體結(jié)構(gòu)采用HW400×400×13×21和HW400×200×8×12型鋼組成，主塔門架橫橋向?qū)?.07 m，高8.5 m，塔頂正上方順橋向跨度6 m，順橋向長20.5 m，懸臂長11.9 m，最大設(shè)計(jì)吊重荷載50 t。單個門架橫橋向由2片桁架組成，頂部通過HW400×400×13×21型鋼連接，底部與預(yù)埋件之間采用鋼拉桿固接。在前端橫梁上焊接定位板安裝楔套作Φ4起吊鋼繩固接端，后端橫梁布設(shè)輪徑630 mm的滑輪作起吊鋼繩轉(zhuǎn)向輪。門架各部分的桿件具有足夠的強(qiáng)度和剛度，相互間采用法蘭連接。

(a) 索塔門架立面 (b) 索塔門架側(cè)面

單位：m

圖3 索塔門架結(jié)構(gòu)示意

Fig.3 Diagram of portal frame structure

2.2 起吊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

門架起吊系統(tǒng)由縱移天車、起吊滑車組和起吊卷揚(yáng)機(jī)組成，如圖4所示?？v移天車橫梁為3I56b組合工字梁，一根橫梁由3根焊接工字梁通過加勁肋連接成整體。天車橫梁兩端放置在墊有四氟板的行走小車上，依靠行走小車在門架承重梁頂?shù)牟垆撥壍郎闲凶摺?/p>

圖4 起吊系統(tǒng)

根據(jù)文獻(xiàn)[9]，起重索張力計(jì)算公式為

(1)

式中：P為卷揚(yáng)機(jī)收緊力，kN；Q為起吊荷載，kN；n為工作線數(shù)；t為導(dǎo)向滑輪數(shù)；K為滑輪阻力系數(shù)，一般滾動軸承K=1.02。

起重索安全系數(shù)應(yīng)滿足下式：

(2)

式中：K1為鋼繩安全系數(shù)；T為鋼繩破斷拉力。

主索鞍吊裝階段，起吊荷載包含主索鞍最大吊裝重量、滑車組中動滑輪組的重量、起重繩重量、吊具重量。鋼繩驗(yàn)算參數(shù)及結(jié)果如表1所示。由表1可知，鋼繩安全系數(shù)滿足要求。天車橫梁中段懸掛6輪80 t定滑車，通過Φ4起吊鋼繩繞12線與下端6輪80 t動滑組形成起吊滑車組。Φ4起吊鋼繩一頭通過門架前端橫梁的楔套進(jìn)行固定，牽引頭繞過門架后端橫梁的轉(zhuǎn)向輪進(jìn)入布設(shè)在地面上的10 t卷揚(yáng)機(jī)。

表1 鋼繩驗(yàn)算參數(shù)

2.3 門架結(jié)構(gòu)仿真驗(yàn)算

采用Midas/Civil有限元軟件對門架結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真驗(yàn)算[10-11]，門架結(jié)構(gòu)件采用梁單元模擬，門架柱腳底部固接。針對主索鞍吊裝過程中吊點(diǎn)位置在門架頂不斷移動的過程，分8個位置進(jìn)行計(jì)算，如圖5所示。主索鞍吊裝階段，門架所承受的荷載包含結(jié)構(gòu)自重、行走軌道自重、門架頂部工作平臺及施工人群荷載、卷揚(yáng)機(jī)鋼繩張力、卷揚(yáng)機(jī)鋼繩錨固端張力、移動天車加載在縱梁上的荷載、移動天車行走與軌道摩擦產(chǎn)生最大縱向水平荷載、風(fēng)荷載。

圖5 吊裝過程中吊點(diǎn)計(jì)算示意

主索鞍吊裝階段門架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果如表2所示。由表2可知，移動天車在8個不同位置處，門架結(jié)構(gòu)受力及穩(wěn)定性均滿足要求。

表2 門架驗(yàn)算結(jié)果

3 門架安裝及荷載試驗(yàn)

3.1 門架安裝

橋塔門架安裝采用現(xiàn)場塔吊進(jìn)行。結(jié)合塔吊(F0/23B塔式起重機(jī))的吊裝能力，將單片桁架在加工廠試拼后拆分，運(yùn)至現(xiàn)場吊裝。拼裝原則如下：1) 保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性；2) 先安裝的桿件不得妨礙后安裝桿件的安裝和吊運(yùn)；3) 承重梁最后安裝，避免其懸臂過長而產(chǎn)生過大的繞度，影響其它桿件與之連接；4) 擰螺栓的扳手采用帶扭矩的電動或手動扳手。

F0/23B塔式起重機(jī)起重臂距離塔頂中心距離17 m，距離塔頂最遠(yuǎn)端20 m，最近段14 m。根據(jù)F0/23B性能表，遠(yuǎn)端起重能力6.9 t，近端起重能力10 t。門架安裝順序如圖6所示。

(a) 安裝塔頂正上方桁架

(b) 安裝懸臂段桁架

(c) 安裝塔頂正上方對應(yīng)的承重梁

(d) 安裝懸臂段承重梁并完善門橋其它構(gòu)件安裝

安裝過程中，需要重點(diǎn)控制組合構(gòu)件的總重量和調(diào)運(yùn)距離。同時，在安裝門架桁架之間的橫向聯(lián)系之前，要通過測量觀測，確保門架單側(cè)桁架的頂標(biāo)高及坐標(biāo)均處于設(shè)計(jì)位置，調(diào)整2個桁架的頂標(biāo)高和坐標(biāo)，控制其誤差在允許范圍之內(nèi)。

3.2 荷載試驗(yàn)

門架拼裝完成后，在其承重梁頂面設(shè)置軌道、平車等行走系統(tǒng)；在地面上布置提升卷揚(yáng)機(jī)，安裝提升系統(tǒng)，并對整個吊裝、行走系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)檢測、調(diào)試，檢查整個系統(tǒng)全長范圍內(nèi)有無絞繞或其它設(shè)備故障，確保所有機(jī)具設(shè)備安全、正常工作。隨后，進(jìn)行超載提升試驗(yàn)，進(jìn)一步檢查門架及吊裝提升系統(tǒng)的安全和運(yùn)行情況[12]。

門架的試吊分3次完成，每次加載的重量分別為設(shè)計(jì)吊重的80%、100%和120%，其中80%和120%加載時為靜載試驗(yàn)，100%加載時做動載試驗(yàn)，確保提升系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)工作正常，并且在每次試吊過程中對門架鷹嘴位置(圖5中位置1)進(jìn)行變形觀測。

根據(jù)實(shí)際工程情況，門架荷載試驗(yàn)利用格柵系統(tǒng)和配重進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可知，試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果吻合較好，表明門架結(jié)構(gòu)能夠滿足吊裝工作要求。

表3 門架荷載試驗(yàn)結(jié)果 mm

4 主索鞍組件吊裝施工

4.1 工藝流程

赤水河紅軍大橋主索鞍采用“塔頂門架+卷揚(yáng)機(jī)+行走小車”的方式進(jìn)行吊裝。其主要施工步驟如下：1) 塔頂門架拼裝及荷載試驗(yàn)；2) 吊裝格柵及反力架，并縱移到設(shè)計(jì)位置，定位后澆筑格柵混凝土；3) 吊裝上下承板、安裝板及上承板；4) 吊裝主索鞍并縱移至設(shè)計(jì)位置；5) 將2個半鞍體拼裝成整體，完成主索鞍吊裝。

4.2 吊裝施工

赤水河紅軍大橋主索鞍構(gòu)件吊裝直接采用平板車運(yùn)輸至橋塔下方的施工平臺上。由于橋塔下方施工平臺與門架吊點(diǎn)正下方在順橋向存在一定的偏位，因此在起吊開始的一段高度范圍內(nèi)，實(shí)際起吊存在蕩移。具體吊裝要求為：起吊高度244 m，蕩移高度8 m，最大偏移距離6 m，蕩移角度為1.4°。

根據(jù)工程需求，主索鞍及其附屬構(gòu)件起吊時，除在橋塔左右幅塔柱均采用各自完整的一套起吊系統(tǒng)，在塔底施工平臺上還需要各布置1臺5 t輔助起吊卷揚(yáng)機(jī)，用于起吊歪拉輔助。

由于主索鞍構(gòu)件起吊高度高，鞍體、格柵及反力架等構(gòu)件尺寸大，起吊過程中，為防止構(gòu)件受風(fēng)的作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)進(jìn)而引發(fā)起重繩扭轉(zhuǎn)，需要采取一定的空中防扭措施。

本次吊裝采取的措施是：1) 在利用橋塔門架進(jìn)行吊裝作業(yè)時，2個橋塔門架同步作業(yè)；2) 起吊準(zhǔn)備時，利用抗風(fēng)繩采用交叉方式將2個吊裝構(gòu)件連接；3) 在橋塔兩側(cè)的施工場地上各布置1臺5 t的卷揚(yáng)機(jī)，且各自側(cè)的構(gòu)件相連接，以防止整體扭轉(zhuǎn)。構(gòu)件吊裝空中防扭措施示意如圖7所示，空中防扭措施實(shí)圖如圖8所示。

圖7 防扭措施示意

圖8 防扭措施實(shí)圖

4.3 施工注意事項(xiàng)

1) 在門架安裝時，嚴(yán)格按照門架構(gòu)件的設(shè)計(jì)安裝順序進(jìn)行。同時，各構(gòu)件之間采用法蘭連接，其中高強(qiáng)螺栓的施擰是控制要點(diǎn)，構(gòu)件間法蘭連接完成后須進(jìn)行檢查，門架全部安裝完成后，須再次對高強(qiáng)螺栓進(jìn)行檢查。

2) 吊裝高度大，安裝起吊系統(tǒng)過程中，須防止滑車組扭轉(zhuǎn)；具體作業(yè)時，滑車組穿線采用中進(jìn)中出，穿線完成后吊裝開始前，滑車組需兩邊配重，再用防扭鋼繩控制。

3) 格柵吊裝前，將塔頂混凝土表面鑿毛，并根據(jù)塔基中心，在塔頂混凝土表面設(shè)置縱橫向中心標(biāo)志，同時確保格柵下支撐型鋼高程精準(zhǔn)。在格柵頂面上畫出縱橫向中心線，在格柵整體吊運(yùn)至塔頂就位，與塔頂標(biāo)志線對齊。吊裝過程中保持2臺起吊卷揚(yáng)機(jī)同步作業(yè)。格柵安裝完成后，觀測3 d，位置穩(wěn)定后，再進(jìn)行混凝土澆筑。

4) 為提高功效，在格柵混凝土澆筑強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，利用2臺5 t的鏈條葫蘆將下承板、安裝板、臨時安裝板、上承板連接成整體，進(jìn)行整體吊裝。

5) 鞍體吊裝完成后，將兩半鞍體用高強(qiáng)螺栓連接，主索鞍安裝就位后，將主索鞍安裝在預(yù)偏位置上臨時固定，在主橋上部結(jié)構(gòu)安裝過程中，隨著鋼桁梁的吊裝和橋面鋪裝的完成，索鞍采用2臺800 t千斤頂逐步頂推到位。

4.4 主索鞍安裝質(zhì)量檢驗(yàn)

主索鞍安裝質(zhì)量檢驗(yàn)如表4所示。由表4可知，檢驗(yàn)結(jié)果顯示主索鞍安裝質(zhì)量滿足要求[13]。

表4 主索鞍安裝質(zhì)量 mm

5 結(jié)論

赤水河紅軍大橋索塔高度大，主索鞍結(jié)構(gòu)件質(zhì)量大，吊裝風(fēng)險(xiǎn)高，因此，合理的吊裝方案是保證施工質(zhì)量和安全的關(guān)鍵。本次主索鞍吊裝實(shí)際設(shè)計(jì)和施工表明：

1) 門架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用性能滿足施工要求，其荷載試驗(yàn)與仿真計(jì)算結(jié)果吻合較好。

2) 起吊系統(tǒng)中采用6輪80 t定滑車，通過Φ4鋼繩繞12線與6輪80 t動滑車形成滑車組，動力系統(tǒng)采用10 t卷揚(yáng)機(jī)，能夠滿足吊裝施工需求。

3) 采用同步起吊的方式及施加抗風(fēng)繩的措施很好地解決了構(gòu)件吊裝過程中高空扭轉(zhuǎn)的問題。

4) 主索鞍安裝質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果顯示施工質(zhì)量滿足規(guī)范要求，為大橋后續(xù)施工建立了基礎(chǔ)。