山区大跨径钢管拱桥π梁缆索吊装施工技术研究

曹永（安徽省路港工程有限责任公司，安徽合肥 230000）

1 引言

随着大跨径桥梁在我国大量兴起，缆索吊广泛应用到桥梁施工的吊装中。传统架桥机架设法，采用从钢管拱桥两端位置向跨中的顺序进行架设π梁，使得线形不易控制，对主体线形影响较大，因架桥机吊重限制，施工难度极大且效率极低，同样不能满足工程建设需要。本文介绍一种在山区复杂地形环境下，极具市场广阔前景的大跨度缆索吊，进行吊装山区大跨径超高、大倾斜度、跨湖钢管拱桥π梁测控一体化的施工方法。采用本工法安装，有效克服了山区施工现场场地狭窄，路网等级较低，材料及构配件运输吊装难度大等难题，极大地节约了项目施工成本。

2 工程概况

北川羌族自治县曲山镇楼房坪村桥新建工程（楼房坪溜索改桥），其唐家山堰塞湖跨湖特大桥主桥采用上承式钢管混凝土拱桥形式，净跨径160m，净矢跨比1/5，净矢高32m，拱轴系数为1.8。4根弦管组成一片拱肋，上下弦管高3.2m，左右弦管外边缘距离为2m。两片拱肋中心距6.25m，边到边距离为8.25m，两条拱肋设横撑共同受力。拱上建筑为14m×12.25m钢筋混凝土π型梁桥。

本工程采用固定塔架缆索吊系统作为安装π梁的起重设备，设备投入少，操作方便，克服了采用传统起重设备安装费工、费时等难题。减少了现场的吊装作业量和高空作业，减少了高空作业安全风险，加快了施工进度，工作效率高、经济效益、安全效益、社会效益显著。缆索吊安装的π梁是在工厂集中预制，运输到施工现场，再用缆索吊起吊、运输、安装就位，整个结构安装过程易于保证安装安全，确保工程质量，加快施工进度，节约成本。采用本工法安装，有效克服了山区施工现场场地狭窄，材料及构配件运输吊装难度大等难题。本工法采用的缆索吊系统不仅仅能用于π梁的安装，还能用于钢管拱桥其它分部、分项工程的施工，极大地节约了项目施工成本。

3 山区大跨径超高大倾斜度钢管拱桥π梁缆索吊装测控一体化施工工艺

3.1 施工工艺流程

起吊重物通过承重索把巨大拉力传递地锚结构，地锚结构作为最主要的承载结构，是缆索吊系统成败的关键。预应力锚索＋锚墙结构地锚充分利用锚索与其周围岩体的共同作用，锚固承重索。本工法π梁主要由缆索吊系统完成起吊、运输、架梁。

MIDAS软件建模分析→缆索吊设计与施工→缆索吊机验收与试吊→测量放样定位→安装永久支座→缆索吊系统吊装π梁安装方案→监控量测及验收→横向钢筋焊接。

图1 π梁缆索吊装示意图

3.2 施工要点

3.2.1 MIDAS软件建模仿真分析

吊装π梁前期对全桥安装施工过程进行准确合理的数值模拟分析，在ANSYS软件和MIDAS软件中建模，对π梁吊装施工过程进行仿真分析，钢丝索采用索单元模拟。得出安装时拱肋横截面应力以及拱肋的变形和主桥线型，从而为π梁吊装及监控量测提供相关参数，以指导其π梁安装和监控量测。

主吊装系统主跨径313.7m，北岸后锚端跨径为45.5m，与水平线夹角9.85°。南岸后锚端跨径：45m、与水平线夹角19.5°，缆载吊机最大使用荷载50t，全桥设置两套主索吊装系统。

3.2.2 缆索吊设计与施工

π梁吊装系统由缆索起吊安装系统（索塔、主地锚、主索等）、扣索系统和稳定措施系统组成。

缆索吊装系统根据全桥吊装需要设计，分为上、下游两套缆载吊机，单侧吊机分为前后两个吊点，全桥合计四个吊点，可以单独使用，也可以组合使用以满足π梁吊装需要。

单侧缆载吊机前后吊点满足π梁节段安装吊重的需要，设计吊重41t。工作吊篮上、下游各设置一个，设计吊重5t。

①索塔设计与施工

索塔塔顶标高，主要满足拱肋安装及桥面π梁吊装需要。

拱顶标高：h1=749.166m

拱上建筑：h2=0（主拱安装不考虑此影响）

捆绑索高度：h3=2.5m下吊具高度：h4=1.5m

上下吊具间安全高度：h5=3m

上跑车高度：h6=2m

主索垂度：f=26.14m

塔顶最低标高：h=h1+h2+h3+h4+h5+f=784.306（m）

根据两岸地形，南岸塔顶标高：792.706，北岸塔顶标高：788.131m。

索塔塔柱按9m一个标准节在工厂加工，接头采用螺栓连接。采用汽车运输至施工现场，利用75t履带吊现场安装。

图2 全宽布置缆索吊系统

②缆索系统设计及施工

主索系统主跨为313.7m，全桥共设计两套主索系统（对应上、下游拱肋各一套），每套吊装系统主索由4-φ52mm（抗拉强度为1870MPa）的钢芯钢丝绳组成。

图3 主索布置示意图

为保证单组的4根主索受力均衡，两岸各设置调平滑车，再将四根主索用索卡连接成一根通绳。

图4 起重索走线示意图

图5 索引索走线示意图

图6 缆索吊起重系统

起吊系统每组主索上布置2组吊点，每组吊点采用φ24.0mm（抗拉强度为1670MPa）的钢丝绳走10线，每组吊点用1台80kN）卷扬机作为动力机械。拱肋安装时，采用前后两个吊点抬吊；桥面梁安装时，采用上下游合计4个吊点抬吊。

牵引系统每组主索上的两组吊点分别在两岸各用1台80kN的卷扬机作为牵引动力机械，每组牵引索用3φ28mm钢丝绳走3线（抗拉强度为1770MPa）。牵引索布置如图5所示。

③锚锭设计及施工

a.根据地理情况，采用预应力锚索+混凝土锚墙地锚结构，其基本构造如图7。

图7 主索地锚构造图

b.主索转向滑轮组与锚锭连接，采用大一规格的钢索连接。

c.锚碇受力分析：

该锚碇采用预应力锚索将锚梁锚固，锚梁采用3I45B工字钢组合钢箱，压梁采用2I45B型工字钢组合钢箱。

结构分析采用MIDAS建模分析，主要分析锚梁结构受力，各预应力锚点采用约束位移方法模拟。在实际施工中根据锚固点最大反力对锚索进行预张拉。

锚梁与压梁之间的连接，采用弹性连接——刚接模式。主索、后风缆、后抗风索等均锚固在主地锚锚梁上，按受力分布均衡的原则布置。整个锚固系统的受力分析，主要考虑各工况作用下预应力锚索、锚梁及压梁的受力。

图8 地锚索体分布图

3.2.3 缆索系统调试及试吊试验

目的保证吊装施工的绝对安全及必要的稳定性能，确保后续施工的顺利进行。试吊主要观测项目及方法如下。

①主索垂度：采用三角测量法用全站仪量取垂度或从两岸主塔架上测定主索垂度，用于核对设计净空高度及主索强度、安全系数。

②主地锚位移：由于主地锚采用桩式地龙，直接测位移较困难，因此采取在主索锚固端附近作标记，与地面上固定的标记作比较推算。同时派专人巡视地锚周围的土体情况及主索卡扣等有无滑动情况。

③牵引索、起重索、跑车、下挂、滑车、卷扬机等主要由经验丰富的吊装工程师，现场观察整个缆索系统的运行情况，由其判断各缆索系统的运行是否正常。试吊观测结果要填写好记录表，并认真检查；同时各观测小组在整个试吊过程中，随时用对讲机与复制发送到手机翻译情况及时采取补救措施，试吊成功后方能正式吊装。

3.2.4 π梁安装方案

基于现场作业条件，采用主桥的缆索吊装系统进行π梁吊装，考虑构件最大重量1.2倍安全系数，采用上下游缆索系统抬吊安装。π梁通过跑车运至施工现场，按顺序进行安装。

图9 缆索安装布置图

图10 扁担梁

π梁的安装（共14孔）：

①顺桥向先跨中后边跨进行吊装。

②横桥向先中板后边板。

为尽量减少π梁安装对主拱圈线形的影响，具体吊装顺序如下。

第一步：首先吊装拱上第7孔中板，第8孔中板，然后依次吊装第6孔和第9孔中板；

图11 桥孔编号

图12 钢管拱桥π梁安装完毕

第二步：然后吊装第5孔和第10孔中板；

第三步：按照第二步吊装顺序依次完成后续几孔中板的安装；

第四步：按照第一步～第三步的吊装顺序，横桥向左右对称，依次完成每孔边板的安装。

3.2.5 施工工程监控

本项目施工控制的侧重点在π梁安装各控制节段。

GPS-RTK技术用于特大桥控制测量，其作业效率高，降低了作业条件要求，可全天候作业，定位精度高，没有误差累计，操作比较简便，有极强的数据处理能力，自动化、集成化程度高，可快速测设出拱桥桥肋顶部中线上各坐标点位置。

首先施工监控各个小组进行应变和坐标等初读数的采集工作，待一切准备工作完成后，采用事先已经安装完毕的缆索吊装系统进行试吊装，试吊装过程分成两个步骤。①跑车空载往返运转试验；②进行吊重试验，施工监测监控小组在试吊装的第二步时，才需要进行各测点监测数据的采集。

在后方侧起吊位置处吊起放在吊架上的π梁，在主索的正下方使得重物离开地面lm～2m，持荷约5min后，施工监测各个小组在30min内对各测点进行观测并读数，详细记录观测值并与理论值比较。

由总开机手牵引卷扬机牵引跑车将重物吊至缆索吊跨中位置，停止5min后，施工监测各个小组在30min内，对各测点进行观测并读数，详细记录观测值并与理论值比较。

由总开机手牵引卷扬机牵引跑车将重物吊至三方侧拱座基础上方位置，停止5min后，施工监测各个小组在30min内，对各测点进行观测并读数，详细记录观测值并与理论值比较。

将试验吊重吊返至三方侧并卸载5min后，施工监测各个小组在30min内对各测点进行观测并读数，详细记录观测值并与理论值比较。

分别在两岸索塔顶上设置测点，以监测其3个方向的位移（主要是沿桥纵向的水平位移）。观测时间一般设定在气温恒定的时间段内，根据当天的天气状况确定监控测量时间。测量控制在π梁安装各控制节段。每次对线型监控量测后，进行技术分析修正。

图13 π梁安装节段缆索吊系统监控量测

图14 π梁安装节段时拱肋监控量测控制点布设

现场实际施工控制过程中结合理论分析及施工工序情况作优化调整，以确保全桥在成桥阶段符合设计线型，满足计算的拱轴系数的大小。

4 关键技术的质量控制

4.1 质量标准

严格执行《公路工程技术标准》（JTG B01-2014）、《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50-2011）、《钢筋机械连接技术规范》（JGJ 107-2016）、《钢筋焊接及验收规范》（JGJ 18-2012）、《混凝土后锚固技术规程》（JGJ 145-2013）、《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB 50204-2015）、《公路工程质量检验评定标准》第一册土建工程（JTG F80/1-2017）等相关技术规范和设计的要求。

4.2 主拱圈线形监控测量的要求

主桥线形监控量测在π梁吊装过程中全过程监控。

前期设计中采用中墩无支架缆索吊装施工方法施工时，塔架以桥梁全宽布置，起重小车可以在全跨径范围内无障碍快速移动，既可以垂直起吊又可以纵向移动。吊装π梁时在前期对施工过程进行准确合理的数值模拟分析，在ANSYS软件和MIDAS软件中建模，对π梁吊装施工过程进行仿真分析，得出安装时拱肋横截面应力以及拱肋的变形和主桥的线型，从而为π梁吊装提供相关参数和监控测量依据。确保了桥梁主体线型满足设计要求，提高了吊装的效率。

本工法采用固定塔架缆索吊系统作为安装钢管拱桥π梁的起重设备，从钢管拱桥中跨π梁对称向两边施工，大大减少了监控量测的工作量。

4.3 承重绳的热铸锚头现场浇筑质量控制

锚头浇筑完毕后全部按国标进行顶压试验，顶压荷载为1.25倍设计荷载，顶压后索体最大外移量必须符合国标中要求小于5mm的指标。

5 结语

通过对山区复杂地形大跨径钢管拱桥π梁缆索吊装施工技术的应用研究，为今后类似的山区跨越江河、湖海等地形复杂工程施工积累了宝贵的经验，并得出以下结论：

①仿真分析的应用为π梁吊装提供相关参数和监控量测依据，确保了桥梁主体线型满足设计要求，提高了吊装的效率；

②本工法克服了采用传统起重设备安装费工费时等难题，有效克服了山区施工现场场地狭窄，材料及构配件运输吊装难度大等难题，减少了监控量测的工作量，大大降低了高空作业安全风险；