山区大跨径悬索桥加劲梁旋转就位方法及设备研究

山区大跨径悬索桥加劲梁旋转就位方法及设备研究

陈辅一， 毛科强， 曹淑龙， 李胡涛

(长安大学公路学院，陕西 西安 710064)

摘 要：悬索桥因跨越能力强、施工技术成熟、抗震性能好等优点成为修建山区大跨径桥梁时经常采用的桥型，但因山区地形环境复杂，地势陡峭险峻，限制了悬索桥的新建和推广。为实现大跨桥梁施工全过程的桥上作业，提高工程在恶劣地形条件下施工的安全性，云南省普立大桥采用新型的加劲梁旋转就位设备和方法，提高了工程施工的安全保障与可靠性，并有效的节省了工期。对普立大桥加劲梁吊装技术和设备及吊装程序等进行了详细的研究，为大跨径桥梁的施工提供参考。

关键词：悬索桥；加劲梁；吊装；缆索吊机；旋转吊具

悬索桥因其跨越能力强、传力明确、造型优美，施工技术较为成熟，成为修建大跨径桥梁时的首选桥型。随着我国经济的快速发展，越来越多的高速公路和跨海连岛工程得以修建，在山谷深沟、急流江河、浪高海域和繁忙航道之上建造大跨径悬索桥的项目逐渐增多，但在上述工况下进行加劲梁吊装工作，成为悬索桥建设的一大瓶颈。为此，研究和设计方便可行、快速高效的加劲梁吊装设备和方法，对建设和发展悬索桥具有非常重要的意义。

1 工程概况

普立大桥位于云南省宣威市，跨越普立大沟深切峡谷，桥梁全长1 040 m，主桥为628 m单跨简支的钢箱加劲梁悬索桥，主缆边跨为166 m，桥面全宽28.5 m，桥面至普立大沟谷底最大深度为388 m。两岸分别采用隧道式锚碇和重力式锚碇锚固，索塔为直塔柱门式框架结构，群桩基础。该项工程是普宣高速公路控制性工程之一。

在综合考虑了节段拼装的技术难度、运输及场地存放及缆索吊承重和起吊能力等因素后，全桥钢箱梁共划分53个梁段，其中标准梁段51个，特殊梁段2个。标准梁段长度为12 m，特殊梁段长6.6 m，梁段最大节段重量约为146 t。

普立大桥钢箱加劲梁架设有以下的技术难点：

(1)桥梁跨越普立大沟，地形复杂，深切沟谷两侧谷坡地形陡峭，呈“V”形深谷。施工机械无法到达谷底，钢箱梁无法运至设计位置进行垂直起吊安装。

(2)桥址区最大风速25 m/s，风向多为南风，频率29%，平均风速5.2 m/s。钢箱梁吊装过程中，在遇到较大的风荷载时，对吊装质量和安全控制的要求较高，必须制定严格的控制措施应对。

(3)因桥址特殊，钢箱梁仅在桥位一侧进行加工和存放。钢箱梁吊装需要在缆索上进行长距离的水平移动，施工控制和管理难度要求较高。

2 吊装方法比选

目前国内外已建或在建悬索桥项目，针对不同的加劲梁形式、场地条件、施工条件及吊装重量等因素，常用的加劲梁架设方法主要有缆索吊机架设法、跨缆吊机架设法、桥面吊机架设法和顶推架设法，其中后两种方法因技术复杂，施工难度大而较少采用[1-6]。

2.1 跨缆吊机架设法

目前，大跨径钢箱梁悬索桥的加劲梁架设较多采用跨缆吊机架设法，如广东虎门大桥、润扬大桥、江阴大桥、西堠门大桥和丹麦大海带东桥等。跨缆吊机架设法是将标准梁段运至加劲梁设计位置正下方，利用主缆上的跨缆吊机垂直起吊进行梁段安装。跨缆吊机架设法的特点是吊装质量大，具有垂直起吊和沿顺桥向水平移动的能力，但顺桥向移动速度慢，移动距离有限。加劲梁节段通常为垂直吊装，适用于跨江河或梁段易于运至桥位下方的工况。

2.2 缆索吊机架设法

缆索吊机架设法因其适用性较强，起吊能力大，沿顺桥向水平行走能力强、可进行加劲梁梁段的整体吊装、施工速度快等优点，近年来被广泛用于钢桁加劲梁悬索桥的加劲梁的施工架设，如西藏角笼坝大桥、贵州北盘江大桥、重庆万州长江二桥和沪蓉西四渡河大桥等。采用缆索吊机架设法进行加劲梁的吊装，其架设方向一般为从跨中向两侧索塔对称吊装。

2.3 吊装方法确定

根据普立大桥的桥址地势，结合普立大桥施工方法和钢箱梁存放场地的限制，总结出普立大桥钢箱梁吊装具有以下特点：①无法将梁段运至设计位置下方进行垂直吊装；②梁段吊装只能从桥位单侧位置进行全部梁段的吊装，为此，吊装设备需要具有很强的顺桥向行走和控制能力；③主塔为门式框架结构，其内侧净宽小于加劲梁宽，加劲梁需以垂直设计方向穿过主塔进行起吊，待吊运至设计位置后再进行水平旋转至设计方向。基于以上特点，本工程项目采用缆索吊机架设方法，在主塔处起吊时，采用平衡索配合起吊的荡移法，为解决加劲梁吊运至垂直位置进行旋转至设计方向的技术难题，特别设计了新型的旋转吊具。

3 缆索吊机总体布置

本缆索吊机主要由绳索系统(承重索、起重索系统、牵引索系统及背索)、吊运系统、塔顶索鞍、锚碇预埋件等组成，如图1所示。缆索吊选用双塔三跨方案：普立岸边跨跨度为157.57 m，高差80 m，主索弦倾角26.917°；中跨跨度为628 m，其中，宣威侧主索高程为1 900.666 m，普立侧主索高程为1 890.481 m，高差为10.185 m，主索弦倾角0.929°；宣威岸边跨跨度为158.87 m，高差80 m，主索弦倾角26.811°。主索采用两组索布置，两组索中心间距9 m；鞍座设置在主桥两岸塔柱顶部，后锚设置在两岸散索鞍支墩上；两组索以桥梁中心线对称布置。最大吊重按250 t设计；最大吊重在跨中时垂跨比f/L=1/14.5；单根主索最大索力约770 kN。离索鞍15 m范围内为天车盲区，天车需在距离主塔15 m外移动。

图1 缆索吊机总体布置

3.1 绳索系统

缆索吊机绳索系统包括承重主索、起重索系统、牵引索系统及背索。承重主索采用两组索方案，塔顶处两组索中心间距为9 m，以桥梁中心线对称布置。每组主索分别锚固在对应侧的散索鞍支墩上，塔顶靠近桥梁中心线处主索为1#索，依次向外侧编号，离桥梁中心线最远处为8#索，1#～8#索在预埋件上从上到下锚固。

每组承重主索上布置2组起重索，起重索一端锚固在预埋件上，绕过一个起重装置，另一端连接卷扬机，两岸分别布置两台起重卷扬机和2个锚固预埋件。每组主索上布置一组牵引索，牵引索布置成循环的形式，4台牵引卷扬机均布置在宣威岸。背索设置在塔顶索鞍上，两岸分别布置12根钢绞线，一个预埋件上锚固6根背索，单根背索预拉力设计值为67 kN。绳索系统总体构造如图2所示。

图2 绳索系统构造

3.2 吊运系统

吊运系统由行走天车、上吊具、下吊具、扁担梁及旋转吊具组成，一组承重索上分别有两台天车相互连接协同作业。行走天车与上吊具组装为一体，上吊具与下吊具之间绕起重钢丝绳，扁担梁将4个下吊具连接，使其共同参与吊重，旋转吊具上部连接扁担梁，下部起吊主桥箱梁节段。

3.3 塔顶索鞍

塔顶索鞍作为主塔顶部缆索吊机绳索系统的转向部件，并且承受缆索系统传递的较大的局部压力，应具备足够的强度。塔顶索鞍直接安装在主桥塔柱顶部，两组索鞍距桥梁中心线距离均为4.5 m，主塔浇筑混凝土时在设计位置设置预埋件，用以对索鞍的安装定位。

3.4 锚碇预埋件

两岸锚碇预埋件均设置于主桥散索鞍支墩上，预埋件采用Q235B钢，主索锚固预埋件设计拉力值为800 kN，牵引索、起重索预埋件设计拉力值为200 kN，背索预埋件与主索相同。连接件通过销轴连接预埋件及锚固轮，连接件材质Q235B钢，销轴材质45#钢，锚固轮材质ZG45钢，钢丝绳锚固在锚固轮上。

4 旋转吊具设计

普立大桥因其主塔内侧净距小于桥面宽度，并且钢箱梁需在桥面上吊运，考虑已安装梁段的吊杆影响，钢箱梁节段只能以垂直设计方向由运梁小车运至桥塔处进行吊装，待缆索吊机将钢箱梁节段吊运至设计位置处，再旋转至设计方向。普立大桥在施工中，首次采用缆索吊机旋转吊装方法，并为此设计加工了旋转吊具。旋转吊具主要由承载吊梁、箱形梁吊具、遥控式电机、旋转轴、万向铰等部件组成，如图3所示。

图3 旋转吊具构造

承载吊梁由吊索和滑轮系统连接在承重索上，承载吊梁作为旋转吊具的主要承重结构，成为连接缆索系统和钢箱梁的关键，必须保证其安全可靠。承载吊梁分为主梁和辅梁，采用不同规格的H型钢，为保证钢梁的局部稳定性，在H型钢两翼缘板内设置竖向和横向加劲肋，在承担箱梁吊具处，应增大竖向加劲肋的数量，提高局部受压能力。箱梁吊具作为吊具动力系统的工作平台，采用型钢组合焊接而成并组装连接在承载吊梁之上。为节省材料和降低工作区高度，箱梁吊具采用变截面。电机为旋转吊具提供动力，通过齿轮与旋转轴齿轮连接，为方便操作，采用遥控式，提高工作效率和安全度。遥控电机可通过调节电极实现正反向转动。旋转轴采用销钉限位，可实现任意角度定向转动，减少人工校正钢箱梁安装角度，提高操作精度。图4为加劲梁吊装现场施工图。

5 加劲梁吊装方案

5.1 吊装准备

加劲梁吊装开始前，应当按设计要求架设承重轨索，将行走天车和上吊具吊装至承重轨索上，安装好牵引索和起重索，将下吊具通过起重索与上吊具连接，通过挂钩钢丝绳吊装扁担梁及旋转吊具，在引桥工作平台安装卷扬机和平衡索。缆索吊系统安装完成后，分别进行吊装荷载为25%设计荷载、50%设计荷载及100%设计荷载的静动力试吊，120%设计荷载的静力试吊，确保缆索吊机运行的安全性和可靠性。

图4 缆索吊机吊装施工

5.2 吊装程序

准备工作完成后，运梁小车将预制拼装好的加劲梁节段以垂直于设计方向运至桥塔外侧引桥处；将平衡索与扁担梁进行临时连接，启动平衡索卷扬机，将旋转吊具牵引至加劲梁节段上方，将旋转吊具下端吊绳按要求与加劲梁节段连接。制动起重索，配合制动平衡索，将加劲梁节段缓慢起吊并穿过桥塔至竖直位置。制动遥控式电机，带动齿轮轴进行水平转向，将加劲梁水平转向90°至设计方向后，通过制动起重索和牵引索，调整加劲梁节段至设计位置。待加劲梁节段与相邻节段临时连接后，解除旋转吊具与加劲梁的连接，本节段吊装完毕。重复上述操作，完成剩余加劲梁吊装工作。吊装流程见图5。

普立大桥加劲梁吊装顺序为：首先将桥塔处27#与27′#加劲梁节段吊装至临时托架上，然后由跨中向两边对称吊装1#～25#和1′#～25′#加劲梁节段，最后吊装合龙段6#节段。所有节段吊装完成后，测量、调整梁面线形至设计要求，对所有钢箱梁进行永久连接。

5.3 吊装注意事项

(1)钢箱梁吊装前，猫道承重索全部改吊至主缆；同时，将猫道承重索两端锚固处留出足够的富余量，确保猫道与主缆的线形一致，避免发生主缆变形下沉而猫道由于锚固端的原因无法随之下沉，造成主缆压在猫道上的危险情况。

(2)梁段吊装就位后，与相邻梁段进行临时连接，利用销钉调平板件错边，并拧紧顶板临时连接对拉螺杆至设计缝宽后固定。吊装初期，各梁段临时连接为铰接状态，梁段上翼缘顶紧，下翼缘张口将逐渐减小。因此，在吊装阶段严禁拉近底板上的临时连接件使张口闭合，以免增大上翼缘的压力。

图5 普立大桥加劲梁吊装流程图

(3)加劲梁节段间临时联结采用临时连接匹配件，方法是吊装一段连一段，先将顶板D1、D2进行连接，底板先松连，待梁段缝隙闭合后再行连接其底板上的临时连接件。

6 结束语

为加快施工进度和保证施工过程的安全可靠，普立大桥钢箱梁采用新型吊装方法和吊具，完成了在山区复杂地形条件下的大型桥梁结构的吊装。该吊装方法和设备具有以下优点：

(1)旋转吊具结构设计简单，加工制作技术要求低，投入成本较低。

(2)缆索吊机适应能力强，配合旋转吊具，完全实现桥上作业，可以适用于各种桥下作业不便的工况，例如山区深谷、通航河道等。

(3)加劲梁吊装方法操作步骤简便、可操作性强且使用效果好，适用于大跨径桥加劲梁的架设，并且施工难度低、安全可靠性高、经济实用。

(4)不需要将加劲梁运输到设计位置下方，通过吊机在桥端位置起吊沿桥梁纵向吊运至设计方向，吊装速度快、节省工期。

参考文献：

[1]刘 高，彭运动，周 平，等.坝陵河大桥钢桁加劲梁施工架设方案研究[J].公路交通科技，2009(5)：80-85

[2]张 平，李靖华，上官兴.山区悬索桥钢桁主梁施工研究[J].中外公路，2009，29(1)：135-139

[3]杜忠军.大跨径钢桁梁悬索桥施工工艺研究[D].重庆：重庆交通大学，2011

[4]陈明宪.矮寨特大悬索桥建设新技术研究[J].中外公路，2011，31(6)：1-5

[5]栗金营，陈 淮，李 杰.哪吒大桥钢桁加劲梁架设方案研究[J].施工技术，2011，40(9)：35-38

[6]刘小飞.北盘江大桥悬索桥钢桁加劲梁施工技术[J].贵州工业大学学报(自然科学版)，2008，37(3)：184-187

A Study of the Method of and the Equipment for Rotating the Stiffening Girder into Place for a Large-Span Suspension Bridge in Mountainous Regions

CHEN Fuyi, MAO Keqiang, CAO Shulong, LI Hutao

(Highway College,Changan University,Xi'an 710064,China)

Abstract：Having the merits of being powerful in spanning rivers and valleys,ripe in construction techniques and strong in anti-earthquake performance,the suspension bridge is the commonest type of bridge for large-span projects of bridge in mountainous regions.However,because of the complexity of the landscape and the steep and dangerous topography of mountainous regions,the newly-building and popularization of it is limited. In order to realize the full-deck operation of the construction of the large-span bridge, and to improve the security of the construction of the project in poor geological conditions,the new-type equipment for and the new method of rotating the stiffening girder into place is adopted for the construction of the Puli Bridge in Yunnan Province,with the security and reliability of the construction of the project ensured,and the construction duration effectively saved.A detailed study is made of the lifting and erecting technique of,and equipment for and the lifting processes of the stiffening girder of the Puli Bridge in the paper,which may serve as a useful reference for the construction of the large-span bridge.

Key words：suspension bridge;stiffening girder;lifting and installing;cablecrane;rotary lifting device

收稿日期：2016-06-22

基金项目：云南省交通运输厅科技项目(云交科2013(A)02)

作者简介：陈辅一(1994—)，男，硕士研究生，研究方向为大跨桥梁动力性能。[e-mail]

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.06.006

中图分类号：U448.25

文献标识码：B

文章编号：1672-3953(2016)06-0023-04