澧水特大桥主索鞍吊装门架及缆索吊塔架一体化设计及施工

龚 毅

（湖南省高速公路管理局，湖南 长沙410000）

1 工程概况

澧水特大桥为张家界至花垣高速公路上的一座特大型桥梁，地处张家界永定区与湘西自治州永顺县的交界处，横跨澧水河峡谷，谷顶宽约420m，谷底宽约50m，谷顶与谷底高差达280m 左右。该桥总体布置如图1所示。

图1 澧水特大桥总体布置图（单位：cm）

澧水特大桥主桥采用单跨简支钢桁架悬索桥，主缆跨径为（200+856+190）m。

2 主索鞍吊装门架及缆索吊塔架一体化设计

2.1 设计思路

澧水特大桥主索鞍鞍体的制作和吊装分块进行，吊至塔顶后采用高强螺栓连接，其最大吊装重量为48.3t，安装高度超过120m，故采取在索塔塔柱顶面设置吊装门架的方式进行吊装；钢桁梁采用缆索吊机安装，缆索吊承重绳线形根据大桥主缆矢跨比确定，需在索塔顶设置缆索吊承重绳支撑塔架。

澧水特大桥的索塔塔柱顶结构尺寸为：5.5m×8.8m，施工空间非常狭小，为确保结构安全的同时方便施工，施工时将主索鞍吊装门架和后期钢桁梁缆索吊装系统支撑塔架一并综合考虑，进行一体化设计。

2.2 主索鞍吊装门架及缆索吊塔架设计

2.2.1 主索鞍吊装门架[1-2]

主索鞍吊装门架考虑单次最大吊装重量48.3t，设计为门式桁架结构，上弦杆、立柱、斜撑采用HW400×400型钢，下弦杆和腹杆采用[28型钢。门架设计起吊高度为8.15m，计算跨径为4.85m，上弦杆长18.7m，前端悬臂长8.6m，后端悬壁长3.5m，立柱间距为3.3m，通过立柱底座固定在索塔塔柱顶面上，具体构造如图2所示。

图2 主索鞍吊装门架构造图（单位：mm）

2.2.2 缆索吊塔架

塔架采取塔上矮塔的方案，为独立的空间体系，每个塔架采用4 根HW400×400 的型钢作为立柱，横杆采用HW400×400 的型钢，斜撑采用[28 的槽钢组成的空间格构体系，支撑在主塔塔顶和侧面上，塔架总高为12m（含缆索吊系统索鞍）。

缆索吊塔架的具体构造如图3所示。

2.2.3 一体化设计

由于澧水特大桥的索塔塔柱顶面空间有限，缆索吊塔架安装时，主索鞍吊装门架尚不能拆除。吊装门架和支撑塔架在位置上冲突，安装时间上不能错开，单独设计显然不能满足现场施工需要。因此，设计时考虑缆索吊塔架和主索鞍吊装门架一体化，有效解决两构件的位置冲突问题，便于施工的同时又减少了材料的用量，且增加了塔架的整体稳定性。

主索鞍吊装门架及缆索吊塔架一体化结构形式如图4所示。

2.3 结构计算

2.3.1 主索鞍吊装门架计算

主索鞍吊装门架采用Midas 程序计算[3]。立柱、斜杆、腹杆采用梁单元进行模拟，计算模型如图5 所示。材料选用Q235，参数的取值如下：弹性模量E=2.1×105MPa，密度ρ=7.85×103kg/m3，泊松比μ=0.3[4]。

图5 门架有限元模型图

门架吊装主索鞍及起吊系统总量（考虑冲击系数）按照80t考虑。按照集中力施加，考虑到起吊系统的移动，共计算8个工况，从右到左依次为工况1～工况8（见图6）。

图6 门架荷载工况示意图

通过计算得出各工况的应力值（见表1）。其中工况1为最不利工况，杆件受到的最大应力值为88.9 MPa，工况1应力如图7所示。

表1 主索鞍门架计算结果汇总表

根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025—1986）[3]，Q235钢材容许应力为140MPa。从表1 可以看出，主索鞍吊装门架应力满足要求，结构安全可靠。

2.3.2 缆索吊塔架计算

塔架计算采用Midas程序。立柱、斜杆、腹杆采用梁单元进行模拟，计算模型如图8所示。材料选用Q235，参数的取值如下：弹性模量E=2.1×105MPa，密度ρ=7.85×103kg/m3，泊松比μ=0.3。

图8 塔架有限元模型图

模型中施加的荷载为结构自重及缆索传递给索鞍的力，最大水平力H＝50.3t，最大竖向力V＝339.6t，按照集中力施加（如图9所示）。

图9 塔架加载示意图

塔架各杆件的应力如图10 所示。图中压应力为负，拉应力为正。根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025—1986），Q235 钢材容许应力为140MPa。从图10可以看出，门架应力满足要求。

图10 塔架应力图

3 主索鞍吊装门架及缆索吊塔架施工

主索鞍吊装门架和缆索吊塔架均采用塔吊从下往上依次安装。为减少塔顶焊接量，可根据吊装设备参数，考虑在加工场区进行门架片体焊接施工，在塔顶完成组装焊接。

结合现场实际施工进度情况，主索鞍吊装时，仅需完成门架部分杆件安装，如图11所示。

缆索吊系统安装时，在主索鞍吊装门架的基础上安装缆索吊塔架部分杆件，并在连接处栓接或焊接牢固，如图12所示。

4 结语

本文以澧水特大桥施工为例，介绍了在索塔顶狭小空间内同时考虑两大吊装门架系统的设计及施工，并采用Midas Civil软件对结构受力情况进行建模复核验算，确保结构安全的同时方便了施工、节约了材料、缩短了工期，取得了较好的经济效果，可供同类型桥梁工程技术人员参考。

[1] 喻胜刚，沈良成，牛亚洲.润扬大桥悬索桥索鞍吊装施工技术[J].桥梁建设，2004（4）：21-24.

[2] 蒋剑虹.自锚式悬索桥主索鞍分块及吊装施工技术[J].铁道建筑技术，2009（10）：10-13.

[3] 葛俊颖. 桥梁工程软件Midas Civil 使用指南[M]. 北京：人民交通出版社，2013.

[4] JTJ 025—1986，公路桥涵钢结构及木结构设计规范[S].