許建文，陳召桃

（1．廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029；2．廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530200）

0 引言

無(wú)支架纜索吊裝施工法作為跨越河流峽谷工程施工的主要方法，已被應(yīng)用于越來(lái)越多的大跨徑拱橋的拱肋安裝。在已建的數(shù)座鋼管混凝土拱橋中，尤其是跨徑超過(guò)150 m的拱橋，大多都采用該方法安裝拱肋[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋼管混凝土拱橋拱肋的架設(shè)主要采用轉(zhuǎn)體施工法、纜索吊裝法和支架施工法，也有少數(shù)橋梁采用了懸臂拼裝等方法，目前近70%的鋼管混凝土拱橋拱肋架設(shè)方法采用纜索吊裝施工技術(shù)[2]。

新圩紅水河特大橋斜拉扣掛體系扣塔設(shè)計(jì)為裝配化鋼管格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，塔架縱向、豎向設(shè)計(jì)模數(shù)為4 m，橫向?yàn)?．9 m，桿件均為標(biāo)準(zhǔn)件，采用螺栓連接，立柱主管采用法蘭盤(pán)連接，水平桿、水平斜桿及立面斜桿與豎向主管采用節(jié)點(diǎn)板連接。塔架可依據(jù)受力狀態(tài)進(jìn)行排列組合，通用性強(qiáng)，周轉(zhuǎn)使用率高，安拆便利。本文主要介紹新型纜索吊機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，開(kāi)展快速安拆裝配化塔架設(shè)計(jì)及智能化纜索起重機(jī)控制系統(tǒng)研究和優(yōu)化斜拉扣掛一次張拉計(jì)算理論深化研究。

1 工程概況

1.1 工程概況

YK109+102新圩主線紅水河特大橋是武宣—來(lái)賓—合山—忻城公路一座特大型中承式鋼管混凝土拱橋，位于來(lái)賓市忻城縣新圩鄉(xiāng)丹靈村和紅渡鎮(zhèn)馬蹄村天六屯，橋梁橫跨紅水河，上跨省道S510和縣道X652，主橋長(zhǎng) 354 m（計(jì)算跨徑 325 m），拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數(shù)為1．5，計(jì)算矢跨比為1/4．513 888 89，主拱采用鋼管混凝土桁式結(jié)構(gòu)，整束擠壓鋼絞線吊索體系，橋面主梁采用格構(gòu)式鋼-混凝土組合梁，兩岸拱座為重力式抗推力結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。主線橋主線橋面寬31．4 m，雙向4車道布置。

下游側(cè)新圩連接線紅水河特大橋同橋型、同跨徑、同懸鏈線并列布置，主墩基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)，兩橋橋面間凈距5．02 m，兩橋共用基礎(chǔ)。連接線主橋橋面寬18．9 m，采用雙向2車道。

1.2 新型纜索吊機(jī)塔架設(shè)計(jì)

1.2.1 塔架總體設(shè)計(jì)

纜索吊裝系統(tǒng)塔架采用大型鋼管搭設(shè)，塔腳固結(jié)，扣掛合一，裝配化鋼管格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，塔架縱向、豎向設(shè)計(jì)模數(shù)為4 m，橫向?yàn)?．9 m。

圖1 塔架總體布置圖（武忻高速新圩岸左、紅渡岸右） （單位：mm）

1.2.2 塔架快速安拆設(shè)計(jì)

塔架安裝使用C7036型塔吊，采用塔吊進(jìn)行立桿鋼管、水平桿、斜桿、橫聯(lián)、塔頂?shù)鹊陌惭b，地面拼裝成單元后，高空進(jìn)行單元吊裝。安裝單元?jiǎng)澐郑喊惭b單元為立桿片裝單元、橫聯(lián)單元、平臺(tái)單元、塔頂單元，安裝快捷。吊裝單元設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 吊裝單元設(shè)計(jì)圖

1.3 新型纜索吊機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含電源系統(tǒng)、拖動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整套纜索起重機(jī)集成控制，提高纜索起重機(jī)運(yùn)行速率及安全性。

電源系統(tǒng)：重機(jī)兩岸各自采用獨(dú)立供電方式。供電電源為 AC 380 V，50 Hz 三相五線，控制電源為 AC 220 V，50 Hz 和 DC24 V。安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置UPS 電源，滿足斷電情況下工作30 min的工作時(shí)間。動(dòng)力系統(tǒng)：采用變頻卷?yè)P(yáng)機(jī)，運(yùn)行更穩(wěn)定。電機(jī)末端設(shè)有速度編碼器，將電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋給變頻器，實(shí)現(xiàn)精確速度控制。控制系統(tǒng)：系統(tǒng)選用可編程控制器 PLC 作為控制核心，南北兩岸集裝箱均設(shè)有 CPU，CPU 之間、CPU與各分站之間通過(guò)通信連接。通信系統(tǒng)：系統(tǒng)在通信中斷時(shí)纜機(jī)能自動(dòng)停機(jī)，并具有通信中斷的自診斷功能。安全監(jiān)控系統(tǒng)：包括監(jiān)控參數(shù)設(shè)計(jì)、處理單元設(shè)計(jì)、可視監(jiān)控設(shè)計(jì)、安全保護(hù)設(shè)計(jì)。

1.4 優(yōu)化斜拉扣掛一次張拉計(jì)算設(shè)計(jì)方案

拱肋安裝采用CFST 拱橋斜拉扣掛施工優(yōu)化計(jì)算方法，基于Midas Civil2020、AcrOPT-2．0 廣西路橋斜拉扣掛優(yōu)化計(jì)算程序進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)扣索一次張拉成型，且安裝過(guò)程各扣索力變化不大，拱肋線形接近裸拱目標(biāo)線形，整體安裝快捷、安全、精準(zhǔn)。

基于《CFST 拱橋斜拉扣掛施工優(yōu)化計(jì)算方法》（韓玉，秦大燕， 鄭健）“過(guò)程最優(yōu)，結(jié)果可控”斜拉扣掛施工優(yōu)化一次調(diào)索計(jì)算理論，對(duì)各吊裝施工過(guò)程中的線形和各扣索索力隨著封拱鉸時(shí)機(jī)的變化規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行深化研究。

1.4.1 影響矩陣法原理

如圖3所示的CFST拱為例，進(jìn)一步介紹影響矩陣法的計(jì)算分析原理。

圖3 CFST拱

CFST拱橋施工過(guò)程中各扣索索力荷載主要包括結(jié)構(gòu)恒荷載產(chǎn)生的荷載效應(yīng)、其他扣索張拉和索自身變形產(chǎn)生的荷載效應(yīng)等部分?；诏B加原理，可得到式（1）所示影響矩陣方程：

式中，Euser指各控制點(diǎn)的目標(biāo)位移向量；f為各扣索初拉力荷載向量；Econst為考慮施工階段恒載作用下各拱段控制節(jié)點(diǎn)的位移向量；M為各單位扣索力單獨(dú)作用下形成的影響矩陣，即當(dāng)1號(hào)扣索索力為1時(shí)，各控制點(diǎn)位移為{i1}（i=1，2，…，11，12），同理扣索j索力為1時(shí)，各控制點(diǎn)位移為{ij}（i=1，2，…，11，12），因此，該影響矩陣M如下：

然后，結(jié)合方程式（2）和線性代數(shù)的相關(guān)理論，可得到各扣索初拉力荷載向量f：

1.4.2 拱肋吊裝施工優(yōu)化模型

其優(yōu)化模型如下：

式中：x為扣索初拉力荷載；u1（x）為當(dāng)前安裝拱肋節(jié)段并張拉扣索所對(duì)應(yīng)的懸臂端控制點(diǎn)位移；u2（x）為安裝橫聯(lián)后的各懸臂端控制點(diǎn)位移向量；un（x）為各控制點(diǎn)合龍松索位移向量；ut為目標(biāo)位移向量；M1，M2，Mn為不同施工階段下的影響矩陣；C1， C2，Cn為已知荷載量對(duì)狀態(tài)變量的影響向量；T0為安裝預(yù)抬高值為0時(shí)的荷載向量；u為合龍松索后各控制點(diǎn)位移偏差限值；uh（x）為各拱肋拼裝階段各控制點(diǎn)的預(yù)抬高值。

所有扣索力均按一次張拉進(jìn)行計(jì)算，以成拱松索后的變形與裸拱自重變形差在可控范圍內(nèi)為控制目標(biāo)，同時(shí)將安裝過(guò)程中拱肋線性控制在最小。

1.4.3 深化研究

合攏松索后，各控制點(diǎn)位移 Un與目標(biāo)線形Ut位移差的絕對(duì)值u直接決定優(yōu)化效果，根據(jù) CFST 拱橋斜拉扣掛施工優(yōu)化計(jì)算方法計(jì)算優(yōu)化目標(biāo)函數(shù) f（x）與u的關(guān)系曲線如圖4所示，由于u 表示合攏松索后實(shí)際線形與目標(biāo)線形的偏差， 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù) f（x）表示各施工過(guò)程中實(shí)際線形偏離目標(biāo)線形的程度， f（x）與u分別表示“過(guò)程偏離程度”和“結(jié)果偏離程度”。

如圖4所示，在保障線形的前提下且施工方案實(shí)施經(jīng)濟(jì)性良好的情況下，后續(xù)索力優(yōu)化均取u=10 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的允許值L/3000=108 mm（《鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB 50923—2013）第 11．2．7 規(guī)定“鋼管拱肋架設(shè)拱圈高程允許偏差±L/3 000，其中L為拱肋的計(jì)算跨徑”）。

圖4 norm_T 與u 關(guān)系曲線

根據(jù)f（x）函數(shù)修正計(jì)算模型（圖5），計(jì)算出拱肋線形變化及索力變化（圖6、圖7），結(jié)果顯示吊裝線形與目標(biāo)線形接近，且初張索力與最大索力變化較小，表明整個(gè)線形良好且結(jié)構(gòu)安全。

圖5 主線橋與連接線橋計(jì)算模型

圖6 拱肋線形分析（左主線，右連接線）

圖7 拱肋扣索力分布分析（左主線，右連接線）

分析結(jié)果顯示，拱肋線形、索力變化均符合預(yù)期目標(biāo)。

2 實(shí)施效果

2.1 纜索起重機(jī)裝配化塔架安裝

紅渡岸塔架高132．9 m，塔架桿件共7 126個(gè)桿件、84 272個(gè)螺栓，自2022年5月中旬開(kāi)始安裝，至7月31日封頂，其間由于雨天、大風(fēng)等停工18 d，實(shí)際施工時(shí)間59 d，塔架安裝快捷，塔頂偏位未超12 cm，無(wú)墜物事件，較同期一項(xiàng)目萬(wàn)能桿件塔架快50%，受雨天影響有所窩工，較一般萬(wàn)能桿件節(jié)省勞務(wù)費(fèi)、設(shè)備費(fèi)64．3萬(wàn)元。

2.2 智能化纜索起重機(jī)設(shè)計(jì)及斜拉扣掛優(yōu)化算法

目前纜索起重機(jī)控制系統(tǒng)已進(jìn)場(chǎng)，完成部分系統(tǒng)安裝，斜拉扣掛一次張拉成型優(yōu)化計(jì)算方法已復(fù)核完成，技術(shù)方案實(shí)施過(guò)程中也取得較好效果。

3 新型纜索吊機(jī)特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)及主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 新型纜索吊機(jī)特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)

新型纜索吊機(jī)利用若干標(biāo)準(zhǔn)單元件和索鞍單元件拼裝而成，塔架各桿件通過(guò)螺栓連接，易于安裝與拆除，在搭設(shè)速度及最大高度上都優(yōu)于傳統(tǒng)塔架。裝配化鋼管格構(gòu)式結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)的萬(wàn)能桿件優(yōu)勢(shì)在于以下4點(diǎn)。

（1）纜索吊機(jī)裝配化塔架較萬(wàn)能桿件節(jié)省50%工期，無(wú)墜物事故，較一般萬(wàn)能桿件節(jié)省勞務(wù)費(fèi)、設(shè)備費(fèi)省至少79萬(wàn)元，塔架垂直度滿足H/600需求。

（2）在地面拼裝成片裝再起吊至高空安裝，每個(gè)8 m高的片裝體的立柱高空安裝施擰螺絲只有32個(gè)螺栓，安全系數(shù)大幅度提高。

（3）利用智能系統(tǒng)及斜拉扣掛一次張拉成型優(yōu)化計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)1天安裝1個(gè)拱肋節(jié)段實(shí)效。拱肋安裝斜拉扣掛一次張拉成型，安裝后無(wú)須再次調(diào)索，應(yīng)用CFST 拱橋斜拉扣掛施工優(yōu)化計(jì)算方法，就兩岸塔架遠(yuǎn)離拱肋、連接線拱肋上下游扣索不對(duì)稱特殊性進(jìn)行深化研究，提出最佳控制索力及節(jié)段安裝預(yù)抬高值。

（4）纜索起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)集成化設(shè)置，電信號(hào)協(xié)調(diào)控制32臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)，提高纜索起重機(jī)運(yùn)行的安全性。

本項(xiàng)目主要以深化研究新型纜索起重機(jī)設(shè)計(jì)、拱肋懸臂拼裝斜拉扣掛設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)快速、優(yōu)質(zhì)、安全施工，提高施工效率，解決密集村落環(huán)境中鋼管混凝土拱橋建設(shè)“拱肋安裝”核心復(fù)雜問(wèn)題，提高拱橋核心競(jìng)爭(zhēng)力。目前，所研究的項(xiàng)目在世界第一拱天峨龍灘特大橋及已開(kāi)工的多座拱橋上同步應(yīng)用，對(duì)推動(dòng)拱橋發(fā)展具有戰(zhàn)略性意義。

3.2 主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

技術(shù)創(chuàng)新需求主要來(lái)源于現(xiàn)場(chǎng)施工組織難題，本項(xiàng)目著重解決項(xiàng)目位于密集村落修建大跨徑拱橋安全性的需求，先后進(jìn)行大體積快速澆筑方案研究、纜索吊機(jī)塔架模塊化單元化快速安拆研究、纜索吊機(jī)控制系統(tǒng)集成化研究、斜拉扣掛一次張拉深化研究。

（1）纜索吊機(jī)裝配化塔架水平桿、水平斜桿及立面斜桿與豎向主管采用螺栓連接，可以實(shí)現(xiàn)自由排列組合，滿足任何工序要求。結(jié)構(gòu)安裝在地面拼裝為單元后再進(jìn)行吊裝，塔架結(jié)構(gòu)螺栓安裝施工工作量70%以上在地面完成，有效降低高空施工安全風(fēng)險(xiǎn)，塔架安裝效率提高近50%。

（2）纜索吊機(jī)電氣控制系統(tǒng)，可集中控制復(fù)雜纜索起重機(jī)，具備完善的安全保護(hù)系統(tǒng)。一是采用變頻起動(dòng)和制動(dòng)，減少設(shè)備機(jī)械沖擊，穩(wěn)定多擋速度運(yùn)行，延長(zhǎng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的壽命；二是采用光纖以太網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作、集中操控；三是PLC強(qiáng)大故障診斷及判斷功能，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確識(shí)別控制系統(tǒng)運(yùn)行故障，及時(shí)發(fā)出預(yù)警并進(jìn)行停機(jī)保護(hù)；四是PLC配合工控機(jī)與人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控同步向操作人員展示功能的同時(shí)，便于操作人員快速查詢系統(tǒng)運(yùn)行情況；五是通過(guò)可編程控制器編程建立邏輯控制，實(shí)現(xiàn)纜索起重機(jī)多模式運(yùn)行，操作簡(jiǎn)便，大幅度提高工作效率，降低施工難度，實(shí)現(xiàn)智能化施工，提升本質(zhì)安全性；六是減員增效，相對(duì)傳統(tǒng)接觸器、繼電器，整套系統(tǒng)操作人員由30人縮減至1～2人。

（3）斜拉扣掛優(yōu)化計(jì)算理論，扣索張拉一次成型，吊裝過(guò)程無(wú)須進(jìn)行調(diào)索，且吊裝過(guò)程各節(jié)段扣索力變化均勻，結(jié)構(gòu)安全，線形變化與裸拱線形目標(biāo)值接近，線形安裝精度高。

4 結(jié)語(yǔ)

新圩紅水河特大橋整個(gè)塔架通過(guò)連接板用高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行連接，塔架標(biāo)準(zhǔn)段的拼裝和拆卸簡(jiǎn)單、速度快，拼裝效率高，有利于工程質(zhì)量控制，大大縮短工期，降低施工成本，效益顯著[3]。索塔作為纜索吊的主要承重構(gòu)件之一，理論計(jì)算強(qiáng)度須滿足規(guī)范要求，按方案拼裝完成后須經(jīng)施工單位公司驗(yàn)收和特種設(shè)備檢測(cè)研究院檢測(cè)合格并試吊完成，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)索塔的應(yīng)力及變形監(jiān)測(cè)，方能保障新型纜索吊機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

拱橋用纜索起重機(jī)塔架常規(guī)為萬(wàn)能桿件式，安裝基本在高空進(jìn)行且安裝效率低、高空作業(yè)量大、結(jié)構(gòu)強(qiáng)勁性較弱。本項(xiàng)目裝配式塔架的研究，采用標(biāo)準(zhǔn)桿件，重型結(jié)構(gòu)立柱及通用性腹桿，實(shí)現(xiàn)地面拼裝再吊裝，使得至少60%的塔架安裝作業(yè)量在地面完成，減少高空作業(yè)強(qiáng)度及時(shí)間，配合內(nèi)爬升免拆施工平臺(tái)，有效降低安全風(fēng)險(xiǎn)。由于結(jié)構(gòu)按8 m每個(gè)格構(gòu)進(jìn)行單元設(shè)計(jì)，安全速率較萬(wàn)能桿件提升50%以上，采用塔吊分單元吊裝，設(shè)備、人員投入減少，施工機(jī)械化程度提升，較同類型工程建設(shè)投入降低20%左右。本項(xiàng)目纜索起重機(jī)控制系統(tǒng)及斜拉扣掛系統(tǒng)正運(yùn)行中，結(jié)合其他項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，具有技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、效益明顯等特點(diǎn)。