2100米跨上承式钢筋砼箱拱缆索吊安装

中铁十八局集团第五工程公司 樊秋林

摘 要 结合万梁高速公路土地潭特大桥吊装的施工，介绍

锚系统。

2×00m跨钢筋砼箱拱缆索吊装及扣

关键词 箱拱 缆索吊运 扣锚系统锚扣 松索合拢成拱

一、工程概况

土地潭特大桥拱圈为预制拱箱，采用缆索吊运安装，通过纵横连接构造形成箱形拱圈，净跨100m，矢跨比为1／5，且主拱圈由2片边拱肋和4片中拱肋横向组成，而每片拱肋又由两个拱脚段、两个中间段和一个拱顶段五段拱箱组成。由于全桥共有拱箱120段，每段长达22m-22.7m，重达32t～36t，且整个桥又位于曲线上，经过各种方案比选优化，选用无支架施工――缆索吊装，扣锚系统锚扣，松索合拢的施工方案，解决了拱箱吊段繁多，地势高差大和曲线带来的一系列困难。 主拱圈纵向组拼图： 万县梁平 拱脚段段中间拱顶端中间段段中间拱顶端中间段 拱脚段 段脚拱拱墩段脚拱拱台拱台二、施工方案 本桥采用缆索吊分段吊运，扣锚系统分段锚扣，最后松索合拢成拱的施工方法。 （一） 缆索吊设计与安装 土地潭特大桥为两跨各100米拱桥，每半幅主拱圈横向组拼达9米宽，为直接吊装各桥跨的拱箱，减小塔架高度，方便施工，特把主索塔架设于两拱台之外，主索单跨跨越此桥两孔，跨径为300米，主索中心距28米，覆盖了整个吊装范围。

作者简介：樊秋林，男（1976-），助理工程师，1999年毕业于华东交通大学土木系铁道工程专业。

1、主索挠度确定

当吊装重量p、主索自重q、主索跨径L一定时，主索挠度f值为控制主索拉力安全系数的手段。根据塔架高度不能过高，跑车运行主塔前的升角不能过大、主索弯曲应力和张力值不能过大等因素，结合施工实践经验，主索的相对挠度选择为L/18＝300／18＝16.67m较为合适。

2、主索计算

在拱箱吊装过程中，主索承重荷载为：拱箱和滑轮组、跑车、吊钩及扁担梁自重、主索自重。当拱箱偏向一组缆索吊钩，即拱箱荷载由一组缆索吊承担时，在吊重于跨中位置时主索承受水平张力H最大，则根据推导公式：

水平最大张力Hmax=ql2/(8fmax×cosβ)+pl/(4fmax×cosβ) （主索张力计算示意图如下） Hmax=ql2/(8fmax)+pl(4fmax) (本桥主索两支座A、B等高，则cosβ＝1，HA＝HB) q－主索单位自重，暂以8φ47.5mm计，取8×7.93kg/m=63.44kg/m l－主索跨径300m fmax—最大挠度取16.67m p—集中荷取751.464KN Q－每根主索承重取11.96t

hTAHAVAfxxLL-xβ集中荷载βcosqL/均布荷载VBTBHBBA主索计算示意图则：Hmax＝0.06344×9.8×3002／（8×16.67）＋751.464×300／（4×16.67）＝3800.440ＫＮ 而主索所受的最大拉力为：V＝∑G／2＝（751.464+0.06344×9.8×300）／2＝469.028KN 故每根主索所受最大拉力：T＝

(Hmax2V2)／8＝(3800.4402469.0282)／8

＝478.657KN （即T＝48.84ｔ） 拉力安全系数：K1＝159.5／48.84＝3.3 ＞ 3.0

拉应力：σmax＝T/Fk+QEK/TFK/n=48840/8.43+11960106488408.43/8=8124Kg/cm

2

则应力安全系数：K2=18500/8124=2.3>2

因此选用8根6×37φ47.5的钢丝绳承重能够满足要求。

3、工作索的设计 （1）起重索

每个跑车设起重索（φ21.5）各一根，其一端进梁平岸8T卷扬机，另一端通过跑车起重轮和吊钩动滑轮组后扣死在万县岸地锚上。

本桥起重索最大吊重Q＝29.451ｔ，以钢丝绳走六计算，则： a=6×0.983×0.98=5.424

起重卷扬机最大起重拉力：Tq＝29.451／5.424=5.4ｔ 故拉力安全系数：K1＝Tp／Tq＝29.8／5.4＝5.5 ＞ 5

起重最大拉应力：σ＝（Tｑ／F）＋（Ekd）／D=5400／1.75+10 6／500＝4800Kｇ／ｃｍ2 故应力安全系数：K2＝［σ］／σ＝17000／4800＝3.54＞ 3 因此起重索用Φ21.5的钢丝绳有效走数为六满足工作要求。 (2) 牵引索

为避免牵引索发生对拉现象，本桥两牵引索在梁平岸进同一卷气扬机（能正反向运转的8T双滚筒卷扬机）。在吊装过程中：牵引索最大张力T牵＝ｔ0+ｗ1+ｗ2+ｗ3

其中ｔ0—初张力取ｑ＇1＇2／8ｆmax＝1.66×9.8×2652／（8×16.67）＝8.526ＫＮ ｑ＇—钢丝绳（φ21.5）的单位自重取1.66Kｇ／ｍ ｌ＇—后牵引索跨度取300-35＝265ｍ

ｗ1－跑车坡度阻力取ｐsinγ＝76.68×9.8×sin9.95°＝129.850ＫＮ （γ－牵引力最大升角） ｗ2―跑车运行阻力取（η1r／R+u0／R）×pcosγ＝（0.01×25／250+0.5／250）×76.68×9.8×

cos9.95°＝0.882KN

（η1－跑车轴摩阻系数取0.01；R－跑车车轮径取250mm；r－轴半径取25mm；u0－跑车滚动摩阻系数取0.5 ） ｗ3―滚轮转动阻力＝（t0+w1+w2）×[1-f(a+b)]=(8.526+129.850+0.882) ×(1–0.987)=18.326KN (f—球轴承取.0.98 a――起重轮个数取4 b――动滑轮个数取3) 则牵引索最大张力T牵＝8.526+129.85+0.882+18.326＝157.584KN 暂以安装8T卷扬机走四计算则破断拉力：Tp＝4×23.8×9.8＝932.96KN 又8T卷扬机有效拉力为6.3t

故拉力安全系数：K1＝Tp／T牵＝932.96／157.584＝5.92 > 5

应力σz＝T牵／4F+Ekds／D＝（157.584×103／9.8×4×1.75）+（106／500）＝4297Kg／cm3

2

故应力安全系数：K2＝［σ］／σ引＝17000/4297＝3.9> 3

所以牵引索采用8T卷扬机(钢丝绳6×37Φ21.5）走四满足工作要求。

4、主索架设，工作索工作原理和跑车安装

（1）主索架设以“拖拉法”为方便 ，因本桥主索每根自重为7.93×10×420＝3.33T，经计算主索安装拉力小于5T，故在万县方向和梁平方向各安装一台5吨卷扬机即可。首先在两塔间用二根Φ19.5的细钢丝绳串通，两头分别卷进万县和梁平的卷扬机中，并在二根细钢丝绳接头处用夹头连接千斤绳，随着卷扬机的收紧放松，把主索拖拉经过塔顶主索鞍直至主锚，再用卷扬机紧索，使8根主索垂度一致。其判断依据：①、主索在风力作用下会发生横向碰撞响声。②、主索受载后出现较强的抖动现象。 在主索工作过程中，因主索的新旧不一样和受力不均匀等原因，常出现主索垂度不一致，则应经常对其垂度进行调整。 （2） 跑车安装与工作原理

在主索收紧后，利用安装于塔顶的9米长的辅助扒杆（吊重3T）将跑车零件分别吊于塔顶工作平台上的主索上再进行安装。（工作原理如下图） （3） 工作索工作原理

由于本桥跨度大，所用牵引索和起重索均较长，故安装时必须通过对岸卷扬机拖拉安装好的跑车（钢丝绳盘好后放于其上）穿钢丝绳，具体运行原理如下图： 缆索吊运行示意图-3

地锚万县牵引索梁平主索号跑车2号跑车地锚起重索进同一牵引卷扬机 1号起重卷扬机2号起重卷扬机5、主塔（N型万能杆件塔架）设计

根据桥面行车道板吊装高度和主索垂度及扁担梁、吊钩工作高度等因素，确定主索的高度比桥面高出35 m，即主塔比桥面高出33m（主索鞍高2m）。主搭按截面4m×4m进行拼装，且下部截面进行加宽，以保证主塔稳定性。

① 吊重状态下主索对塔架产生垂直压力：

V＝ql/2+p/2=(9.8×63.44×10×300)/2+(76.68×9.8)/2=469.028KN

② 起重索和牵引索对塔架产生的垂直压力： V2＝（Tq+T牵）(sina1+sina2) 其中 a1--塔后主索与水平线夹角取45º a2--塔前主索与水平线夹角取6.4º

则V2＝（4.9×9.8+157.584）（sin45º+ sin6.4º）＝168.266KN ③ 后背索对塔架产生的垂直压力

V3＝（T后索×sina1）＝1545.460×sin45º＝1092.805KN

④ 塔架自重及其上设备重力荷载对塔架产生的垂直压力V4取1715KN 则一个支架所受的轴向压力为：V＝V1+V2+V3+V4＝3515.3KN

而允许轴力Nr=12FrσP=12×23190×14000=38959.2KN ，考虑不稳定折减，取2.0为折减系数，则轴向压力安全系数K＝［N］/V＝19379.6/3515.3＝5.5 > 4 （满足要求） 塔架稳定主要靠后背稍索进行平衡，侧面和前面配有相应的缆风。 6、主锚受力计算。

① 抗拔稳定系数K1＝（G+Hf）/V

G－地锚自重取5×6×9×2.3+1.2×（Л/4）×8×4×2.3＝704.2t Hf—地锚摩擦力取387.8×0.5＝193.9t V－上拔力取387.8t

则K1＝2.3 > 2 （满足要求）

② 抗拉稳定系数：K2＝［E+（G-V）×f2］/H E－土压力＝E被-E动＝1082.5t

2-3

则K2＝［1082.5+（704.2-387.8）×0.5］/387.8＝3.2 > 2 （满足要求） （二） 扣锚系统设计与布置

土地潭特大桥需扣索之拱箱有96段，针对吊装过程扣索无须重复下料、频繁移位，以及锚固，松索安全、快捷的要求，本桥特设计钢绞线作为扣索，以P锚系统将钢绞线转换成精轧螺纹钢作为连接器，再以穿过扣索锚碇或锚固箱的精轧螺纹钢通过千斤顶进行张拉或放张，紧松螺母自由收放。 1、扣索系统设计与布置 ① 索力计算

在以下各图中：Aˊ、Bˊ－索力计算简化扣点；P1、P2、P3－分别为拱脚、中间、拱顶边段拱箱自重；T11、T21、T31－分别为三个阶段拱脚段索力：T22、T32－分别为二、三阶段的中间段索力。 A吊装第一段

力矩平衡∑M0＝0，即P1×（LOA/2）cosβ1-T11 LOAˊsin(a1+β1)=0 Oβ1T11α1AP1T22α2BB吊装第二段

NT21AAVβ2P2力平衡∑XA=0 即-N21+T22cosa2=0 ∑YA=0 -V21+T22sina2-P2=0 Oβ1α1P1力矩平衡∑MA＝0 即T22sin（a2+β2）×LABˊ- P2×（LAB/2）. cosβ2＝0 ∑M0＝0 N21×LOAsinβ1+T21 LOAˊ×sin(a1+β1)- P1×（LOA/2）cosβ1-V21×LOA cosβ1=0 吊装第三段

T32N32BV32P2BγP3力平衡∑XB=0 即-N32-(P3/2)sinγcosγ=0 T31N3AV3Aβ2α2 ∑YB=0 (-P3/2)sinγcosγ-V32=0 力矩平衡∑MA＝0

Oβ1α1P1即 N32×LAB sinβ2+T32 LAB sin(a2+β2)-P2(LAB/2) ×cosβ2-V32 LABcosβ2=0 力平衡 ∑XA=0 即-N32-T32cosa2-N31=0 ∑YA=0 -V32+T32sina2+V31-P2=0 力矩平衡∑M0＝0 N31×LOAsinβ1+T31 LOAˊ×sin(a1+β1)- P1（LOA/2）cosβ1-V31LOA cosβ1=0 则根据以上吊装三个阶段可得扣索索力

分阶段索力计算值（t） 墩号 索力编号 拱脚段索力Tx-1 万县中间段索力Tx-2 拱脚段就位值（T11） 中间段就位值（T21） 合拢段就位值（T31） 最大值 17.94 0 17.95 0 17.49 0 17.72 0 20.76 26.79 22.91 24.32 20.85 27.35 20.92 27.78 9.3 49.07 10.49 47.08 2.64 54.7 6.34 53.76 20.76 49.07 22.91 47.08 20.85 54.7 20.92 57.76 方向 拱脚段索力Tx-1 中间段索力Tx-2 中墩 拱脚段索力Tx-1 中间段索力Tx-2 梁平 拱脚段索力Tx-1 中间段索力Tx-2 注：梁平台和中墩处左、右两半幅扣索角度和长度基本一致，故只计算半幅

② 扣索布置

由上表中数据可知拱脚段索力最大值为22.91t，采用1860型钢绞线三根计算，拉力安全系数K＝3.3；中间段索力最大值为57.76t，采用1860型钢绞线六根计算，拉力安全系数K＝2.8，均满足要求．

a、 扣索转换连接

在拱箱吊装时为方便扣索的松索和紧索采用P锚连接器，通过P锚连接实现钢绞线与拱箱吊点处绳套及锚碇处的精轧螺纹钢的转换。 钢绞线 滑轮组螺母 复式锚φ32精轧螺纹钢螺母轴销墙板P锚垫板钢绞线钢绞线复式锚φ32精轧螺纹钢P锚P锚 b、P锚与钢绞线通过挤压机挤压连成一整体，挤压后做其破坏性试验达到22T，所以完全符合要求。为了使每根钢绞线受力均匀，等长下料十分关键。 ③ 扣索排架及扣索锚碇 本桥在万县方向利用Y4、Z5盖梁和塔架上横梁作为扣索索鞍支承；在中墩处用万能杆件拼装截面8m×2m的扣索且锚固箱焊于扣架上，利用Yck65或Yck100千斤顶张拉从锚固箱中穿出的精轧螺纹钢，以达到扣索放张需要。梁平方向同样利用万能杆件拼成8m×2m排架，其上焊接索鞍，钢绞线通过索鞍直到扣索锚碇，通过Yck65或Yck100千斤顶张拉精轧螺纹钢达到扣索收紧放张需要。 连接器钢绞线P锚锚固箱连接器P锚锚固箱钢绞线 千斤顶螺母精轧螺纹钢螺母千斤顶精轧螺纹钢（三） 缆索吊运、扣锚系统锚扣、合拢松索成拱 1、拱箱吊装前准备工作 ① 缆索吊试运行，首先进行空钩运行两循环，然后逐级加载至最大吊重的120％（44t），再模拟缆索吊与扁担梁滑轮组同时工作时检查缆索吊卷扬机的性能、主索垂度和受力均匀情况，塔架的倾斜度，跑车、吊钩、扁担梁受力后的变形情况及主锚、风缆、地锚的稳定状态，以确保拱箱吊装时的绝对安全。

② 必须通过对扣索进行张力120％试验来检查扣索、扣锚受力情况及P锚连接的安全性和张拉千斤顶的使用效果。

③ 拱座检查和预制拱箱质量检查：拱座检查包括：砼面的平整度和倾斜度，中线标定和净跨测量。预制拱箱的质量检查包括：裂缝情况、端头尺寸和角度、轴线高程测定、内外弧长丈量。

2、拱箱吊运安装

本桥采用单跨双基肋合拢，即一孔桥首先吊装两片拱肋的所有拱箱。拱箱吊装顺序：万县方向拱脚段→梁平方向拱脚段→ 万县方向中间段→ 梁平方向中间段→ 合拢段（其中一种吊装顺序）。

①将拱脚段、中间段拱箱喂于缆索吊钩下，安装好吊具（Φ25精轧螺纹钢穿过拱箱预留吊点与吊具用螺母拧死），由缆索吊垂直提升至相应高度上，再由缆索吊牵引至拼装位置（注：拱箱的平面位置由扁担梁上的移动吊架来实现，竖向倾角由扁担梁上的吊钩调整竖向高度来实现），待拱箱拼装就位后，再将扣索挂于扣具上，用卷扬机收紧扣索并将其锚固于锚碇上，再用千斤顶预张紧索（预张力拱脚段7t，中间段11t）。初步调整拱箱轴线、标高，随着缆索吊钩的逐渐放松，扣索索力逐渐增大，拱箱的

标高也得根据测量结果不断调整，直至缆索吊钩完全放松，扣索索力最大。此时拱箱前端不能低于设计标高值（加预拱度张拉伸长量和预抬高量），同时吊装过程中中墩处要通过平衡索平衡，每片拱箱前端配有横向缆风2根拉至相应锚碇固定。

② 合拢松索成拱

在中间段和拱脚段就位后，拱箱前端按拱脚段与中间段1：2的比例预留一定抬高值形成上张口以便拱箱就位。然后缓慢地放松缆索吊起重绳，使拱顶段拱箱连接角钢轻轻地落于两边中间段的横连钢板上，使拱顶基本就位。再按1：2的比例分别缓慢松御拱脚段和中间段拱箱扣索的同时，拱顶段拱箱相应下降。直至拱箱接头标高误差调至：梁平方向拱脚段+10mm，中间段拱箱+20mm，万县方向拱脚段拱箱+15mm，中间段拱箱+30mm(因为万县方向比梁平方向拱座起拱线标高高，故合拢时对梁平方向拱箱的推力较大)，拱箱轴线调至≤17mm，再填垫并嵌紧填缝钢板，缓慢对称地减少扣索索力和吊索索力至零，成为一片拱肋。此时的合拢温度应严格控制在10～20度。

主拱圈安装应达到如下要求

项次 1 2 3 4 5 三、结束语

缆索吊系统中扁担梁的使用，解决了桥梁曲线和拱箱吊段位置频繁变动对吊装带来的一系列困难，在类似的桥梁施工中值得借鉴。而扣锚系统中的特殊布置（如利用P锚连接将钢绞线转换成精轧螺纹钢，再利用千斤顶对其张拉或放张，使扣索收放自如），方便了施工，缩短了工期，也节省了投入。

检查项目 轴线横向偏位（L>60m时，≤L/6000） 拱圈标高（L>60m时，±L/3000） 两对称接头相对高差（L>60m时，≤L/3000） 同跨各拱肋相对高差（L>60m时，≤L/3000） 同跨各拱肋间距 ≤33 ±10 规定值或允许偏差值 ≤17 ±33 ≤33