山区超高索塔主索鞍吊装施工关键技术

聂 东，陶 龙，李清培，邓亨长，徐国挺，唐中波

(1.四川公路桥梁建设集团有限公司，成都 610000； 2.四川路桥华东建设有限公司，成都 610000)

主索鞍的吊装施工是大跨悬索桥上部结构施工的第一步，其施工方法大致分为起重机吊装法和塔顶门架吊装法2类。起重机吊装具有施工效率高、劳动强度低的优点，但起重机对吊装高度、吊装重量有限制；塔顶门架吊装法结合了悬索桥上部结构施工特点，利用塔顶门架的提升、行走系统进行主索鞍吊装工作，是目前大跨度悬索桥索鞍吊装最常用的施工方法，由于塔顶门架不仅可用来吊装主索鞍，还可配合后续猫道架设、主缆索股架设等施工，因此该方法可提高施工设备的综合利用率，降低施工成本。

虽然业界对悬索桥索鞍吊装已有一定工程经验，如清水河大桥采用塔顶门架和卷扬机对主索鞍进行吊装[1]，驸马长江大桥利用塔顶门架采用单机吊装的方式进行主索鞍施工[2]，虎门二桥泥洲水道桥主索鞍采用塔顶门架和提升液压千斤顶进行吊装[3]，但对大跨度悬索桥主索鞍的施工仍存在吊装重量大、高度大、工艺复杂、风险高等问题[4-5]。为此，本文以赤水河红军大桥索塔主索鞍吊装施工为例，探讨塔顶门架吊装+卷扬机+行走小车在该桥主索鞍吊装工程中的应用。

1 工程概况

赤水河红军大桥为江津(渝黔界)经习水至古蔺(黔川界)高速公路控制性工程。主桥为钢桁梁单跨双塔悬索桥，跨度布置为(325+1 200+205) m，塔高243.5 m，如图1所示。主索鞍由主索鞍系统和格栅系统组成，其中主索鞍系统由鞍体、上下承板、安装板等组成。主索鞍构造示意如图2所示。最大吊装重量为主索鞍的半个鞍体，单件重40.6 t，吊装尺寸(顺×横×高)为2.920 m×3.54 m×2.83 m；格栅系统由格栅和反力架构成，为钢板组焊件，单件重30.145 t，最大吊装尺寸(顺×横×高)为10.46 m×3.21 m×2.7 m。

2 门架及其起吊系统设计

2.1 门架设计

塔顶门架在上部施工中，不仅承担着索鞍及其附属构件的吊装工作，而且在牵引系统、猫道架设、索股架设、缆索系统吊装、猫道拆除等工作中发挥着极其重要的作用[6-8]。

(a) 总体布置

(b) 索塔立面

(a) 立面 (b) 构件分解

赤水河红军大桥索塔门架设计主要考虑的因素有：塔顶水平面尺寸、索鞍吊装方式、索鞍运输方式、运输车辆停靠位置、索鞍本身大小尺寸、索股入鞍操作、吊装角度、主塔施工过程中留下的施工平台伸出尺寸、空缆线形、滑轮组运行时所占空间高度、缆索吊装系统在主塔上所占空间高度。

经综合考虑，索塔门架采用型钢装配式结构，如图3所示。门架主体结构采用HW400×400×13×21和HW400×200×8×12型钢组成，主塔门架横桥向宽5.07 m，高8.5 m，塔顶正上方顺桥向跨度6 m，顺桥向长20.5 m，悬臂长11.9 m，最大设计吊重荷载50 t。单个门架横桥向由2片桁架组成，顶部通过HW400×400×13×21型钢连接，底部与预埋件之间采用钢拉杆固接。在前端横梁上焊接定位板安装楔套作Φ4起吊钢绳固接端，后端横梁布设轮径630 mm的滑轮作起吊钢绳转向轮。门架各部分的杆件具有足够的强度和刚度，相互间采用法兰连接。

(a) 索塔门架立面 (b) 索塔门架侧面

单位：m

图3 索塔门架结构示意

Fig.3 Diagram of portal frame structure

2.2 起吊系统设计

门架起吊系统由纵移天车、起吊滑车组和起吊卷扬机组成，如图4所示。纵移天车横梁为3I56b组合工字梁，一根横梁由3根焊接工字梁通过加劲肋连接成整体。天车横梁两端放置在垫有四氟板的行走小车上，依靠行走小车在门架承重梁顶的槽钢轨道上行走。

图4 起吊系统

根据文献[9]，起重索张力计算公式为

(1)

式中：P为卷扬机收紧力，kN；Q为起吊荷载，kN；n为工作线数；t为导向滑轮数；K为滑轮阻力系数，一般滚动轴承K=1.02。

起重索安全系数应满足下式：

(2)

式中：K1为钢绳安全系数；T为钢绳破断拉力。

主索鞍吊装阶段，起吊荷载包含主索鞍最大吊装重量、滑车组中动滑轮组的重量、起重绳重量、吊具重量。钢绳验算参数及结果如表1所示。由表1可知，钢绳安全系数满足要求。天车横梁中段悬挂6轮80 t定滑车，通过Φ4起吊钢绳绕12线与下端6轮80 t动滑组形成起吊滑车组。Φ4起吊钢绳一头通过门架前端横梁的楔套进行固定，牵引头绕过门架后端横梁的转向轮进入布设在地面上的10 t卷扬机。

表1 钢绳验算参数

2.3 门架结构仿真验算

采用Midas/Civil有限元软件对门架结构进行仿真验算[10-11]，门架结构件采用梁单元模拟，门架柱脚底部固接。针对主索鞍吊装过程中吊点位置在门架顶不断移动的过程，分8个位置进行计算，如图5所示。主索鞍吊装阶段，门架所承受的荷载包含结构自重、行走轨道自重、门架顶部工作平台及施工人群荷载、卷扬机钢绳张力、卷扬机钢绳锚固端张力、移动天车加载在纵梁上的荷载、移动天车行走与轨道摩擦产生最大纵向水平荷载、风荷载。

图5 吊装过程中吊点计算示意

主索鞍吊装阶段门架结构验算结果如表2所示。由表2可知，移动天车在8个不同位置处，门架结构受力及稳定性均满足要求。

表2 门架验算结果

3 门架安装及荷载试验

3.1 门架安装

桥塔门架安装采用现场塔吊进行。结合塔吊(F0/23B塔式起重机)的吊装能力，将单片桁架在加工厂试拼后拆分，运至现场吊装。拼装原则如下：1) 保证结构的整体稳定性；2) 先安装的杆件不得妨碍后安装杆件的安装和吊运；3) 承重梁最后安装，避免其悬臂过长而产生过大的绕度，影响其它杆件与之连接；4) 拧螺栓的扳手采用带扭矩的电动或手动扳手。

F0/23B塔式起重机起重臂距离塔顶中心距离17 m，距离塔顶最远端20 m，最近段14 m。根据F0/23B性能表，远端起重能力6.9 t，近端起重能力10 t。门架安装顺序如图6所示。

(a) 安装塔顶正上方桁架

(b) 安装悬臂段桁架

(c) 安装塔顶正上方对应的承重梁

(d) 安装悬臂段承重梁并完善门桥其它构件安装

安装过程中，需要重点控制组合构件的总重量和调运距离。同时，在安装门架桁架之间的横向联系之前，要通过测量观测，确保门架单侧桁架的顶标高及坐标均处于设计位置，调整2个桁架的顶标高和坐标，控制其误差在允许范围之内。

3.2 荷载试验

门架拼装完成后，在其承重梁顶面设置轨道、平车等行走系统；在地面上布置提升卷扬机，安装提升系统，并对整个吊装、行走系统进行系统检测、调试，检查整个系统全长范围内有无绞绕或其它设备故障，确保所有机具设备安全、正常工作。随后，进行超载提升试验，进一步检查门架及吊装提升系统的安全和运行情况[12]。

门架的试吊分3次完成，每次加载的重量分别为设计吊重的80%、100%和120%，其中80%和120%加载时为静载试验，100%加载时做动载试验，确保提升系统、刹车系统工作正常，并且在每次试吊过程中对门架鹰嘴位置(图5中位置1)进行变形观测。

根据实际工程情况，门架荷载试验利用格栅系统和配重进行，试验结果如表3所示。由表3可知，试验结果与仿真分析结果吻合较好，表明门架结构能够满足吊装工作要求。

表3 门架荷载试验结果 mm

4 主索鞍组件吊装施工

4.1 工艺流程

赤水河红军大桥主索鞍采用“塔顶门架+卷扬机+行走小车”的方式进行吊装。其主要施工步骤如下：1) 塔顶门架拼装及荷载试验；2) 吊装格栅及反力架，并纵移到设计位置，定位后浇筑格栅混凝土；3) 吊装上下承板、安装板及上承板；4) 吊装主索鞍并纵移至设计位置；5) 将2个半鞍体拼装成整体，完成主索鞍吊装。

4.2 吊装施工

赤水河红军大桥主索鞍构件吊装直接采用平板车运输至桥塔下方的施工平台上。由于桥塔下方施工平台与门架吊点正下方在顺桥向存在一定的偏位，因此在起吊开始的一段高度范围内，实际起吊存在荡移。具体吊装要求为：起吊高度244 m，荡移高度8 m，最大偏移距离6 m，荡移角度为1.4°。

根据工程需求，主索鞍及其附属构件起吊时，除在桥塔左右幅塔柱均采用各自完整的一套起吊系统，在塔底施工平台上还需要各布置1台5 t辅助起吊卷扬机，用于起吊歪拉辅助。

由于主索鞍构件起吊高度高，鞍体、格栅及反力架等构件尺寸大，起吊过程中，为防止构件受风的作用发生扭转进而引发起重绳扭转，需要采取一定的空中防扭措施。

本次吊装采取的措施是：1) 在利用桥塔门架进行吊装作业时，2个桥塔门架同步作业；2) 起吊准备时，利用抗风绳采用交叉方式将2个吊装构件连接；3) 在桥塔两侧的施工场地上各布置1台5 t的卷扬机，且各自侧的构件相连接，以防止整体扭转。构件吊装空中防扭措施示意如图7所示，空中防扭措施实图如图8所示。

图7 防扭措施示意

图8 防扭措施实图

4.3 施工注意事项

1) 在门架安装时，严格按照门架构件的设计安装顺序进行。同时，各构件之间采用法兰连接，其中高强螺栓的施拧是控制要点，构件间法兰连接完成后须进行检查，门架全部安装完成后，须再次对高强螺栓进行检查。

2) 吊装高度大，安装起吊系统过程中，须防止滑车组扭转；具体作业时，滑车组穿线采用中进中出，穿线完成后吊装开始前，滑车组需两边配重，再用防扭钢绳控制。

3) 格栅吊装前，将塔顶混凝土表面凿毛，并根据塔基中心，在塔顶混凝土表面设置纵横向中心标志，同时确保格栅下支撑型钢高程精准。在格栅顶面上画出纵横向中心线，在格栅整体吊运至塔顶就位，与塔顶标志线对齐。吊装过程中保持2台起吊卷扬机同步作业。格栅安装完成后，观测3 d，位置稳定后，再进行混凝土浇筑。

4) 为提高功效，在格栅混凝土浇筑强度达到设计要求后，利用2台5 t的链条葫芦将下承板、安装板、临时安装板、上承板连接成整体，进行整体吊装。

5) 鞍体吊装完成后，将两半鞍体用高强螺栓连接，主索鞍安装就位后，将主索鞍安装在预偏位置上临时固定，在主桥上部结构安装过程中，随着钢桁梁的吊装和桥面铺装的完成，索鞍采用2台800 t千斤顶逐步顶推到位。

4.4 主索鞍安装质量检验

主索鞍安装质量检验如表4所示。由表4可知，检验结果显示主索鞍安装质量满足要求[13]。

表4 主索鞍安装质量 mm

5 结论

赤水河红军大桥索塔高度大，主索鞍结构件质量大，吊装风险高，因此，合理的吊装方案是保证施工质量和安全的关键。本次主索鞍吊装实际设计和施工表明：

1) 门架结构设计和使用性能满足施工要求，其荷载试验与仿真计算结果吻合较好。

2) 起吊系统中采用6轮80 t定滑车，通过Φ4钢绳绕12线与6轮80 t动滑车形成滑车组，动力系统采用10 t卷扬机，能够满足吊装施工需求。

3) 采用同步起吊的方式及施加抗风绳的措施很好地解决了构件吊装过程中高空扭转的问题。

4) 主索鞍安装质量检验结果显示施工质量满足规范要求，为大桥后续施工建立了基础。