江汉三桥缆索吊机与钢管拱架设.doc

大跨度钢管砼拱桥新型缆吊拼装斜拉扣挂系统设计

杜官民

1、前言
近年来200米以上的大跨度钢管混凝土拱桥已修建了很多座，其施工方法也逐渐呈现多样化，诸如：悬索吊挂法、转体法、缆吊拼装斜拉扣挂法等。每一施工方法中又有许多细节处理各不相同。比如，缆吊拼装斜拉扣挂法，在已有的国内、外资料来看，均采用了缆索吊机塔架与扣、锚索塔架分离的方式，锚碇均采用了重力式锚碇。而江汉三桥由于所处的特殊地理环境，其缆吊拼装斜拉扣挂法则采用了缆索吊机塔架与扣、锚索塔架合二为一的方式，锚碇则采用了桩基承台式锚碇。现将江汉三桥2×60t缆索吊机系统及扣、锚系统的构造与设计作一简要介绍，供大家参考、指正。
2、工程概况
武汉市江汉三桥位于汉江出口处，连接汉阳、汉口两镇。其主桥为净跨280m的钢管砼下承式系杆无铰拱，拱轴线为悬链线，拱轴系数m=1.543，净矢跨比f0/L0=1/5，计算跨径283.598m，主桥全长302.926m。
主桥钢管拱为双拱肋，中心间距19.0 m，两肋间设置11道横撑，其中10道K撑，一道H撑，另设两道临时横撑。单拱肋为等截面钢管砼桁架结构，由4根Ф1000×12mm钢管（16Mn）组成，平面内两钢管由上下平联板连结，立面内两钢管由钢管腹杆焊接，截面高5.5m，宽2.4m。
钢管拱采用缆索吊机吊装施工、悬臂扣挂，单拱肋顺桥向分11个吊装节段，节段长25~30m不等，节段重47.54~57.04t。横撑重8.72~29.73t。整个钢管拱共分35个吊装节段，吊装总重约1500t。
3、缆索吊机构造说明
3.1承重索
江汉三桥缆索吊机的一组承重索选为：6Ф52钢芯钢丝绳（6x37+7x7）共设两组，上、下游各设一组，中心间距19.0m。
载重控制垂度取为：fmax= L / 14 = 290.126 m / 14 = 20.723 m
计算跨径为：95.0 m （汉阳）+ 290.126 m + 134.0 m（汉口）
3.2起重索
起重索选为：Ф26麻芯钢丝绳（6 x 37 + 1）采取定5动4走8的方式穿绕，跑头过塔架顶索鞍进汉阳岸的起重卷扬机，固定端过塔架顶索鞍进汉口岸锚碇与预埋件连接。
3.3牵引索
牵重索选为：Ф28麻芯钢丝绳（6 x 37 + 1），走2，采用对拉方式牵引。
3.4缆风索
由于塔架为空间h型桁架结构，自身是很稳定的，因此不设侧向缆风索及跨中压塔索，只设后缆风索，其作用是平衡承重索吊重产生的水平力，控制塔顶位移。
后缆风索选为：Ф47.5麻芯钢丝绳（6x37+1），每岸设置8根。
3.5扣索、锚索
拱肋安装时的扣索、锚索均选用φ15.24mm高强、低松弛钢绞线，其极限应力为1860Mpa。扣索靠拱肋端设置P型固端锚，塔架顶设置群锚，用于张拉收紧及调整；锚索靠锚碇端设置P型固端锚，塔架顶设置群锚，用于张拉收紧及调整。
3.6塔架
塔架采用N型万能杆件及局部新制杆件组拼而成，塔架顺桥向分为前、后塔架，通过三道横梁联结，前、后塔架横桥向为门式结构，整个塔架形成为空间h型桁架结构，两岸前塔架均支承在拱座上，两岸后塔架均支承在临时墩上，汉阳岸前塔架高90.0 m（距拱座顶），后塔架高72.0m，汉口岸前塔架高88.0m（距拱座顶），后塔架高72.0m，两岸前塔架均比后塔架高30.0m，前、后塔架根部与基础焊接固接。承重索跨中载重状态下距拱顶高差为7.93m。
3.7锚碇
锚碇为承台桩基锚，汉阳岸、汉口岸各设两个分离式锚碇，每个锚碇布置7根Ф1.5m钻孔桩，桩长22.0m，前排3根受压桩，后排4根受拉桩；承台尺寸为：14.2m （横桥向） x 7m （顺桥向）x 3.5 m（深度），承台顶面要求低于地面1.5m，保证承台侧面有足够的土抗力及不影响地貌，所有预埋件均须保证预埋深度及预埋夹角。
3.8电动卷扬机
选用4台15t牵引卷扬机，汉阳岸、汉口岸各设置2台，对拉牵引，牵引速度为7.0~9.0m/分；4台起重卷扬机，均布置在汉阳岸，起升速度为2.0~2.5 m/分。
各种缆索的选定
项 目
主 索
起重索
牵引索
型 号
６×３７+7×7
６×３７+1
６×３７+1
根数—直径（mm）
2×6φ52
2×2φ26
2×2φ28
单位重量（kg/m）
10.30
2.359
2.768
钢丝直径（mm)
2.4
1.2
1.3
钢丝断面积（cm2）
12.08
2.5095
2.9452
公称抗拉强度（MPa）
1670
1670
1670
钢丝绳换算弹性模量(Mpa)
1.3×105
7.56×104
7.56×104
钢丝破断拉力总和（t）
196.31
42.65
50.05
折　减　系　数（ψ）
0.94
0.82
0.82
破　断　拉 力（t）
184.53
34.97
41.04
该种类安全系数
3.0~4.0
5.0~6.0
3.0~4.0
注：GB1102-74
4、缆索系统计算
4.1承重索计算
以一组主索（6φ52）跑车至跨中吊合拢段拱肋进行计算。
基本假定
a) 承重索两端固定于锚碇，中间支承于两塔架上，按三跨连续钢索计算。
b) 对承重索进行安全强度校核时，考虑动力冲击影响（计1.2倍冲击系数）；在吊装每一节段时进行的索力计算不计动力冲击的影响；对塔架、锚碇进行的受力计算不计动力冲击的影响。
c) 由于承重索最大垂度fmax与跨径之比为L/14，属于小垂度范围，故假定承重索的自重沿承重索的弦长均匀分布，其荷载强度等于g。
d) 由于钢丝绳有较好的柔性，除在行车车轮及平滚支座（索鞍）等处须验算承重索的弯曲应力外，通常假定承重索只承受张力（轴向拉力）。
荷载确定：
6φ52钢芯钢丝绳：q1 =0.0618 t/m 跑车加下挂： 12.0 t
起吊拱肋重： 57.9 t φ26起重索： 4.08136 t
φ28牵引索： 0.8031 t
则有均布荷载： q= q1 = 0.0618 t/m 集中荷载： Q =74.79t
注：未设支索器，牵引索、起重索的重量均作为集中荷载加在跑车上。
基本数据的确定
L=290.126m L1= 94.88 m L2= 133.88 m α1 = 48.189 0 β=00 α2= 37.8496 0
承重索的控制载重垂度fmax =L/14=290.126/14=20.723m
l1= L1/cosα1=142.318m l= L/cosβ=290.126m l2= L2/cosα2=169.549m
Σl= l1+ l + l2=601.993m
承重索的跨长比为η=L/Σl=0.482
承重索的最大张力：（X=L/2）
水平张力； Hmax=qL2/8fmax + QL/4fmax=31.378+261.769=293.15 t
垂直张力： V=VA =VB=(qL+Q)/2 =46.36 t
最大张力： Tmax=(H2max + V2 )1/2 =296.79 t
安全度验算：
6φ52钢芯钢丝绳破断拉力为：Tp=1107.19t
其提供的静力安全系数： K静 = Tp / Tmax =3.73 >3.0
其提供的动力安全系数： K动 = Tp / 1.2Tmax =3.11 >3.0，满足要求。
弯曲应力验算：
бmax=Tmax/An+Q×[Ek/( Tmax×An)]1/2/n=456.92 Mpa
ξ=[б]/ бmax =1670 / 456.92 = 3.655 >2.0，满足要求。
An——钢丝绳的截面积
接触应力验算：
бmax=Tmax/An+ Ek×d/Dmax=296.79×103 / 72.48 +1.3×106×2.4/554=992.51 Mpa
ξ=[б]/ бmax =1670 / 992.51 = 1.68，满足要求。
d——组成钢丝绳的钢丝直径 Dmax——塔顶索鞍滑轮的直径
承重索安装张力与安装垂度的确定
根据张力普遍方程：Hx3+ AHx2—B—C(L—X)X=0进行计算
安装张力 H0=59.485 t 安装垂度 f0= G0L/8 H0=10.931 m
4.2起重索计算
起重索采用φ26(6×37+1)普通钢丝绳，Tp=34.97 t，设起重索进入卷扬机卷筒时的单头拉力为T。
根据吊点平衡条件法可得：
T=（（f–1）/（fn–1））×fn-1×fk×Q= 5.647 t
Q——起重量，近似取(0.7+0.5+1.7+28.95) ×1.2（冲击系数）=31.85t×1.2 =38.22t
下挂架：0.7 t，配重：0.5 t，走8钢丝绳：3.4 t/2=1.7 t
构件重：57.9×1/2=28.95t
f——滑轮的阻力系数，取1.02 n——起重滑轮组中的有效绳数，取8
K——起重钢丝绳从定滑轮绕出后通往卷扬机卷筒间的导向滑轮数目，取5
起重索安全系数为： K= Tp / T = 34.97/5.647=6.193，满足要求。
4.3牵引索计算
牵引索采用φ28(6×37+1)普通钢丝绳走2线。
跑车沿承重索运行时最大升角的确定：
跑车中心线至主塔中心线最近距离：
X=16.642m (吊装汉口岸拱脚节段)
爬升角公式为： tgr=(2X—L)(q+Q/L)/2H
根据承重索张力普遍方程： Hx3+ AHx2—D =0 得 Hx =164.32t
将Hx =164.32t代入爬升角公式可得： r = 13.8670
跑车阻力计算
跑车运行时的坡度阻力 W1 =Q×sinr=73.71×sin13.8670=17.67t
跑车运行时的摩擦阻力 W2 = fmQcosr
其中：
fm= u1r/R+ u0/R
u1—行车走行轮的轴承摩擦系数，滚珠轴承u1=0.01~0.02， 取u1=0.02。
R—走行轮的半径(mm)，R=405/2=202.5mm。 r —走行轮轴承半径(mm)，取r=80/2=40mm。
u0—走行轮与承重索之间的滚动摩擦系数，如采用敞露式钢丝绳u0=0.5~0.6 取u0=0.55。
fm= 0.02×40/202.5 + 0.55/202.5=0.0067
∴ W2 =0.0067×73.71×cos13.8670 = 0.48t
∴ W1+ W2=17.67+0.48=18.15t
跑车牵引力确定
Wmax = 1.2×(W1+ W2)=1.2×18.15=21.78 t 注：1.2为增大系数
牵引索采用走2滑车组，不计摩擦，
则牵引索的跑头拉力： t = 21.78/2 =10.89t
牵引索的安全系数 K = Tp / t =41.04 t /10.89t =3.73 >3.0，满足要求。
5、塔架、扣索、锚索计算
关于模型的建立
1）、汉阳、汉口两岸塔架与扣、锚索、缆索吊机吊装各节段组合为整体模型进行计算。
2）、取吊装单侧拱肋塔架（即横桥向1/2塔架）为模型，不考虑另一半的共同作用。
3）、不计横桥向风力的影响，将空间塔架简化为平面模型计算。
4）、将桁架模拟为梁单元计算，即一根塔柱划分为一组梁单元。
计算原则：
塔架尽量只承受竖向力，扣索及承重索产生的水平力由后锚索平衡，塔架仅承受较小的弯矩。
根据江汉三桥钢管拱吊装的过程，将其分解为74个工况逐步计算。
整个计算过程均采用Sup91计算机程序进行。
计算结果分析可知塔架、扣、锚索均满足受力要求。
6、锚碇计算
锚碇承受最大力的受力工况为第五段扣挂好，缆吊跨中起吊合拢段。
汉阳岸锚碇受力
水平力之和ΣH=576.89t 竖向力之和ΣV=614.44t
汉口岸锚碇受力
水平力之和ΣH=597.83t 竖向力之和ΣV=436.17t
6.1地基承载力计算
锚碇承台结构尺寸：14.2m（横桥向）×7.0m（顺桥向）×3.5m（深度）
每个锚碇布置7根Ф1.5m钻孔桩，桩长22.0m，跨内侧3根受压桩，跨外侧4根受拉桩。
锚碇承台重量：g1=14.2×7.0×3.5×2.5=869.75t(不计浮力)
g1=14.2×7.0×3.5×1.5=521.85t(计浮力)
单根Ф1.5m钻孔桩重量：g2=1.52×(π/4)×22.0×2.4=1.767×22.0×2.4=93.3t
单桩承载力计算
a、 单桩受压：[P]=(1/2) ×(ULτp+AбR)
бR=2m0λ{[б0]+K2γ2(h-3)}=2×0.7×0.7×{20+2.5×0.7×(22-3)}=52.185t
[P]=(1/2)×(1.55π×22×3.9+1.52×(π/4)×52.185)=255.0t
1.25[P]=1.25×255.0=318.75t
b、 单桩受拉：[P]l=0.3 ULτp+G=0.3×1.55π×22×3.9+93.3=218.64t
6.2荷载组合
考虑到两岸锚碇均有一些外力因素未计入，将锚碇承台面所受外力增大为：水平力650t、竖向力650t进行计算。外力作用点偏中线1.0m(偏跨内)，其作用是使上拔力产生抵抗倾覆力矩。
将所有荷载转化为承台底荷载。
荷载组合如下：
组合一：
计浮力： ΣH=650t， ΣV=521.85-650=-128.15t， ΣM=650×3.5-650×1.0=1625.0tm
组合二：
不计浮力：ΣH=650t， ΣV=869.75-650=219.75t， ΣM=650×3.5-650×1.0=1625.0tm
6.3单桩受力计算
采用电算程序进行计算，结果如下：
荷载组合一作用下：
a、 受压桩
竖向压力：V=152.2t， 水平力：H=44.64t， 桩顶弯矩：M=123.13tm，
桩顶水平位移：3.42mm， 桩顶竖向位移：0.4mm
b、 受拉桩
竖向压力：V=-146.1t， 水平力： H=44.64t， 桩顶弯矩：M=123.13tm
桩顶水平位移：3.42mm， 桩顶竖向位移：-0.4mm
荷载组合二作用下：
a、受压桩
竖向压力：V=209.1t 水平力： H=44.41t 桩顶弯矩：M=121.65tm
桩顶水平位移：3.43mm 桩顶竖向位移：0.5mm
b、受拉桩
竖向压力：V=-101.82t 水平力： H=44.41t 桩顶弯矩：M=121.65tm
桩顶水平位移：3.42mm 桩顶竖向位移：-0.2mm
4)、单桩承载力比较
单桩受压：V=209.1t<1.25[P]= 318.75t，满足要求。
单桩受拉：V=146.1t<[P]l=218.64t，满足要求。
6.4桩身材料强度校核（略）
7、缆索吊机试吊
为了检验缆索吊机的设计参数、强度、刚度、稳定性及保证缆索吊机的正常运行，确保使用安全，根据国标《起重机试验规范和程序》(GB5905-86)中的有关规定，特制定了详细的试吊工艺，进行了试吊工作。
7.1试吊项目
静载试验、动载试验
7.2荷载分级
跑车至跨中空载——0.5P——1.0P——1.1P(动载)——1.25P(静载 )
注：P——额定起吊荷载60t
7.3加载方式
采用2只中-60浮箱，各备一台水泵，通过计量加水达到荷载分级的要求。
7.4试吊结果
上游侧60t缆索吊机试吊结果汇总表
项目
塔顶位移mm
承重索垂度
m
汉阳岸
汉口岸
空载
-119(预偏)
-116(预偏)
15.5
0.5P
-21.0
-10.0
18.6
1.0P
73.0
131.0
21.3
1.1P
83.0
154.0
22.0
1.25P
137.0
177.0
22.4
注：塔架位移以理论中线为准，向跨外为负、向跨内为正。
下游侧60t缆索吊机试吊结果汇总表
项目
塔顶位移mm
承重索垂度
m
汉阳岸
汉口岸
空载
-153(预偏)
-126(预偏)
16.0
0.5P
-50.0
-53.0
19.0
1.0P
102.0
52.0
21.7
1.1P

1.25P
181.0
94.0
23.0
注：塔架位移以理论中线为准，向跨外为负、向跨内为正。
7.5试吊小结
江汉三桥2台60t缆索吊机的试吊时间为99年6月18、19日，由于准备工作比较充分，整个试吊过程进行顺利，实测各项技术参数基本吻合理论计算的各项技术参数，其结论是可以进行下一阶段的钢管拱吊装作业。
8、缆索吊机的安装施工
8.1塔架的拼装
由于江汉三桥桥址所处的特殊地理位置，两岸施工场地狭窄，空中电力线路密集，难以设置塔架缆风绳，塔架结构不能按常规做法设计为扣塔、缆塔分离的纯压杆结构，经过多种方案的比较，确定为扣塔、缆塔合二为一的空间桁架结构。
由于其独特的空间桁架结构，如果采用散拼，施工难度大，安全与进度均难以保证，经过经济比较，两岸各设置了一台F023b塔吊辅助拼装，汉口岸塔架拼装用了二个月时间，汉阳岸塔架拼装用了一个半月时间，在整个拼装过程中，安全、质量、进度均取得了很好的效果。
8.2锚碇施工
两岸锚碇的桩基础均采用旋转钻钻机施工，进度较快。由于两岸锚碇的承台顶面须在地面以下1.0-2.0米，即承台开挖深度在4.5-5.5米，在承台开挖过程中，正逢雨季，遇到了大范围的坍塌和积水，给施工造成了较大的困难。同时，由于汉口岸开挖后的地质状况与理论计算不符，又补钻了两根桩，并将分离式锚碇承台连为整体。两岸锚碇承台受力侧面进行了大范围的开挖回填三合土夯实。保证了锚碇承台受力侧面地基提供较大的土抗力。
8.3缆索系统的安装
首先用船舶将Ф28钢丝绳拖拉过河架置空中，绳头进两岸15t 卷扬机，形成空中导索，其他绳：承重索、起重索、牵引索均通过空中导索拖拉过河。12根Ф52承重索架设及调整到位用了8天左右的时间，4台跑车的安装，包括4根起重索、4根牵引索的穿绕用了一个星期左右的时间。整个安装均为高空作业，由于全体施工人员高度重视，安全、质量均未出现事故。
考虑到Ф52承重索为新购钢丝绳，存在较大的非弹性变形，在空索垂度调整时，将理论设计值抬高了1.231米，即由10.931米调整为9.70米，通过试吊实测承重索载重控制垂度与理论计算承重索载重控制垂度比较，其结果非常吻合，达到了预期的效果。
9、总结
江汉三桥钢管拱吊装从1999年8月22日开始吊装第一节段，至11月25日吊装最后一节段，历时96天。在整个吊装过程中，缆索系统、塔架、扣索、锚索、锚碇均未出现异常状况，特别是其独特的空间塔架结构受力极为复杂，经受了很大的考验。由此可见，在任何特定的地理环境条件下，任何特定的桥型结构均可找到一个较优的施工方案。