核桃沟大桥拱箱吊装施工技术

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摘 要：本文以重庆市云阳县的核桃沟大桥为例，从悬索吊装系统的总体布置、试吊装前的准备工作、试吊方案、拱肋安装方法等方面详细介绍了拱箱吊装施工技术。

关键词：桥梁；拱桥；缆索吊装；施工技术

中图分类号：U416 文献标识码：A

1. 工程概况

核桃沟大桥位于重庆市云阳县，是云万高速公路云阳互通连接线上的一座大型桥梁。主桥结构为净跨100m钢筋混凝土箱形板拱桥，引桥为20m简支预应力带翼小箱梁，桥跨组合为4×20m（黄石岸）+100m+2×20m（双江岸），桥总长236m。桥面净宽：2.0m人行道+净-8.0m+2.0m中央分隔带+净-8.0m+2.0m人行道，桥梁全宽22m。核桃沟大桥总体布置如图1和图2所示。

在其结构中，主桥上部所采用的结构是钢筋混凝土等截面悬链线箱形板拱。它的主孔的跨度为100m，净矢跨比1/4，拱轴系数m=1.543。它的主拱圈内，有一个高度为1.8m的拱箱。在这个拱箱内，预制拱箱的高度为1.7m，现浇顶板厚0.1m；拱圈顶宽19.6m，由11片1.5m宽中箱及2片1.55m宽边箱构成，图2为拱圈横断面尺寸图。在设计当中，每片箱肋分5段预制吊装合拢，节段最大吊装净重量45t。全桥共需预制安装拱箱65段。拱箱节段全部吊装完成，等完成接头焊接之后，对纵横接缝及顶板现浇层混凝土进行浇筑，保持拱圈的整体性。

2. 悬索吊装系统的总体布置

参考核桃沟大桥实际的地形状况，将吊装主索跨设计为282.77m。其中，黄石岸塔被架设在①号桥台的台尾旁边；双江岸塔被架设于⑧号桥台台后42m处。将拱箱预制场设置在⑧号桥台与索塔之间，利用轨道平车，可以将预制好的拱箱节段横移至天线下方起吊。两岸主锚碇为钢筋砼桩式锚碇，用于主索、二扣扣索、工作索及塔架后风缆等的锚固；两岸一扣扣索分别利用引桥墩进行锚固。在拱箱安装系统中，使用的是单组主索，同时按照吊箱肋位置在塔顶进行横移。在这个过程中，由于桥梁的宽度比较大，所以在主索横移后，拉索会给塔架造成较大的横向水平力。为减少这种荷载力，需要主索在主锚碇上的锚固位置上横移3次，之后产生的后拉索横向水平分力也需要采取一定的措施解决，通常需要借助塔架的刚度或者是设置塔架横向风缆的方式来解决。图3为缆索系统总体布置图。

（1）主索

运输主索采用4φ56.5mm（6×37+ FC）钢索，公称抗拉强度1670MPa。主索正对所安装肋布置，并随安装程序进行横移。主索跨径L=282.77m，空索垂度f0=14m，按引桥主梁计算重量66.4t（含吊具及冲击系数），吊重最大垂度fmax=22.905m，最大张力Tmax= 215.530t，安全系数K=3.04>[3]；拱肋计算重量60t（含吊具及冲击系数），吊重最大垂度fmax=22.412m，最大张力Tmax=200.960t，安全系数K=3.26>[3]。

（2）扣索

单肋合拢共4道扣索，扣索采用（6×37+FC）钢索，公称抗拉强度1670MPa；两岸一扣采用1φ43mm钢索，二扣采用2φ43mm钢索，扣索张力安全系数按大于3控制。

扣索张力利用《微机结构分析通用程序SAP2000》按空间梁单元计算，拱脚与各分段点按铰接考虑，风缆用两端铰接梁单元模拟，每道风缆按初始张力5t进入计算，风缆初张力用单元初始应变模拟。在计算过程中，每岸按扣挂拱脚段、第二段和拱顶合拢段分别进行计算，每道扣索按各阶段的最大索力控制设计。计算合拢状态时，按规范合拢段计入一半重量。

扣挂系统计算模型如图4所示，各阶段扣索力计算结果见表1。可见，各扣索安全系数皆满足大于3的规范要求。

两岸一扣及黄石岸二扣扣索与扣点捆绑千斤绳的连接采用H板及转向轮；双江岸为拱箱起吊岸，为便于单肋合拢拱箱出台，二扣扣索利用扣架将两根钢索分开，拱箱从两根扣索之间吊运通过。扣索采用滑车组卷扬机调整。

（3）起吊、牵引索

拱箱两个吊点抬吊，起重索采用φ19.5mm（6×37+FC）的麻芯钢索，公称抗拉强度1670MPa，钢绳破断拉力为19.65t。起吊滑车组走12线布置，跑头拉力F=3.276t，安全系数K=6.0>[5]，采用5t中速卷扬机做起吊动力。

吊拱箱阶段最大牵引力W=14.041t，选用φ24mm钢索，滑车组穿4线布置（不含来回线通线），跑头最大拉力F=3.767t，安全系数K=7.79>[5]，采用8t中快速卷扬机作为牵引动力。

（4）拱箱浪风绳

在使用2φ19.5mm钢索的过程中，要控制好风缆和地面的夹角，一般以30°左右为宜，而水平面投影与桥轴线夹角则以控制在50°左右为宜；为减少风缆垂度的影响和风力作用下的拱肋的横向位移，每道风缆安装张力按5t控制。

（5）塔架

塔架用M型万能杆件组拼，考虑塔架较宽，设计塔架为三柱式；两岸塔架高皆为29.207m，塔脚全宽20m，塔顶全宽24m，纵向宽度2m；因后拉索倾角较大，构件在安装过程中塔架将产生较大的向前的水平力，为克服这种水平力的作用，在塔头分别设置了3道10φ19.5mm后风缆，后风缆拉于每笼立柱顶部，并进入主锚碇锚固；在这个过程中，为控制好扣索之后的横向水平力，使它保持在一定范围内，需要在每岸塔架两侧设置横向风缆绳，绳子的参数为5φ19.5mm。横向风缆与地面夹角按30%%D左右布置，并设置抗拉力不小于30t的风缆锚碇锚固。

（6）锚碇

双江岸主锚碇总索拉力为352.696t，黄石岸主锚碇总索拉力为350.630t；按索拉力由3根φ1.6m钢筋混凝土锚桩承受进行设计，同时考虑主索横移后塔架横向水平力因素，每岸设置6根φ1.6m钢筋混凝土锚桩，根据所安装箱肋的位置缆索在锚碇上的锚固位置共进行3次横移。

吊装系统索道与云开路交叉位置应设置保护棚，以保证施工期间过往行人和车辆的安全。

3. 拱箱的吊装

3.1 吊装前的准备工作

等到吊装系统安装完成之后，在开始正式吊装之前，要做好以下准备：①复核跨径、起拱线标高，放样拱脚对位大样并画线；②对拱脚预埋件进行检查，找出设置不妥当的地方并且进行纠正；③在吊装段拱箱内，测量好它的几何尺寸，检测其施工是否符合施工标准；④等吊装系统安装后，做一个全面的检查，有必要的情况下可需要开展试吊工作，这样做的主要目的是为了观察系统的工作情况。其中，试吊的内容有：确定吊重、选择重物、系统观测等等。

3.2 试吊装

3.2.1 试吊装前的准备工作

在全面地对缆索系统进行检查的过程中，需要检查以下的项目，具体如下：

①保证卷扬机的安装合理、锚固结实、排绳顺畅、机械电器稳定运行（尤其是刹车系统）；②全面地检查钢丝绳（牵引、起重）的质量，具体如下：材料的性能、钢丝绳磨损程度、断丝程度、布局和摩擦情况，并且观察穿索的方式是否正确；③检查转向滑车、索鞍、滑车组等转动是否流畅，和钢丝索的联接是否符合施工标准；④检查塔架，检测螺栓的结实程度、杆件安装的方式是否正确，同时观察初始位移、线形合理是否满足实际情况；⑤对缆风索进行检查，主要检查内容有：初张力、锚固牢固、钢丝绳磨损等等；⑥观察主索，做主索的保护工作、锚固、联接的稳定性、它的垂度是否满足实际状况；⑦砼、钢筋、结构尺寸、锚固深度等与施工设计是否相一致；⑧对试吊过程中的每个物件以及工具做好检查，并且观察吊点连接、观察跑车、塔顶、塔架、索鞍、卷扬机等等的工作状态，一旦发现错误必须立马校正。如果有条件，还可以对缆索系统进行一定的试验，确保施工的安全；⑨指挥系统（通信）、准备工作检查；⑩检查复核拱肋安装接头及控制点坐标及高程计算数据的准确性，并对测量设备进行必要的检查和校核。

3.2.2 试吊方案

（1）根据有关技术规范，并结合本桥的实际，以本桥最大设计吊重G=50.305吨为100%试吊重量，按60%G（30.183t）100%G（50.305t）120%G（60.366t）确定。

吊重物分别选用：主桥7m空心板中板n块（约30t）引桥20m小箱梁边梁（50.305t）引桥20m小箱梁边梁+10t钢材（60.3t）。

（2）试吊的目标：①和施工设计相比较，观察加载起吊后至跨中主索的垂度情况有无发生变化。②仔细检查主塔受力之后，有无发生变形、塔架基础状况以及施工的安全性等状况。③检查内容还应包括：倒拐滑车、跑车、滑车轮组等的运行状况。④此外，还需要观察整个系统的协调合作能力。

（3）试吊需检查项目和检查方法

①主索的吊重最大垂度：在最大重量节段，开展试吊工作。跑车运行至跨中后，利用全站仪等工具，实施悬高测量任务。测量结果中，参考标高就是两岸塔架顶连线标高；②塔架顶位移情况：根据测量任务，可以将塔架位移分成两个过程进行测量。开始测量的是风缆初张力作用下，塔架能够产生的最大位移；然后就是在加载之后塔架产生的位移。通常，以下两种测量方式比较常见：第一，将吊坠下放在塔架顶两侧边沿横向中轴线，测量出塔架中心的纵、横向轴线和吊坠中心的距离，同时分别计算出塔架的纵、横向位移量；第二，在塔顶的两边，沿桥纵轴方向以及上分配梁上沿桥纵横轴线方向，把标尺捆绑好，使用经纬仪直观地测量塔架的位移情况。然后把数据交给指挥的人员，及时做出对应的调整措施；③ 塔架基础沉降量：计算出塔架基础沉降的多少，在完成塔架的基础施工之后，先测量出基础顶面标高，之后用工具记录作为备案。值得注意的是，安装好缆索及塔架安装后，要再次测量基础顶面标高。做好上述的工作后，再将这个数据与试吊中的测量基础标高加以比较，算出沉降量；④地锚位移量：这就需要使用到一个重要的计量工具――千分表。开始正式试吊之前，必须对千分表进行固定，一般是安装在地锚的锚桩后侧。一段时间后，千分表顶杆和地锚会完全接触，这时只需要把各个千分表的初读数读出来并且做好记录就行。还需指出的是，试吊时不能忽视吊运阶段千分表的读数。最后，工作人员还需要把这些信息递交给指挥人员；⑤塔顶结构、塔架杆件、紧固件的局部变形情况：这需要进行人工检查，主要方式是敲击、目测等；⑥ 对塔架顶座滑轮、起重索等的动作进行检查，与此同时，测量出卷扬机组的行走和跑车的运转速度。主要途径有：目测、计时试运行等等；⑦在缆索吊装系统设备满负荷运行状态下，检查它的供电系统以及用电设备，能否满足实际的需要，这就要利用电表读数以及每个电路的电压来进行检测；⑧观察通讯设备的数量是否满足施工需要，要保持对话的清楚。

3.3 拱肋安装方法

整个安装过程主要是按照每肋分五段吊装的方式。预制好的拱箱利用轨道平车横移至主索垂直下方位置，通过检查节段的一些参数达到施工标准后，进行吊装工作。

在拱肋吊装过程中，需要使用千斤绳辅助吊架捆绑。具体的吊点，最好是安排在端头第二块横隔板处。它的扣点主要是使用捆绑连接的方式，扣点则位于端头第二块横隔板处；两岸一扣通过35tH板及转向轮与扣索连接，黄石岸二扣通过60tH板及转向轮与扣索连接；双江岸为起吊岸，二扣设置70t扣架将两根扣索分开，以利在单组主索吊运的情况下后续拱箱从两根扣索之间通过，以免与扣索发生干扰。

（1）拱肋合拢施工工艺

①对两个拱脚段进行吊装，将施工预抬高值控制在10cm以上；②在安装两个第二段时，也需要对施工预抬高值进行控制，应控制在20cm以上；③ 最后吊运拱顶段至跨中并下放至约高于设计标高，同时两岸对称循环逐渐下放拱脚段扣索、第二段扣索和拱顶段滑车组，使接头慢慢抵紧，尽量避免拱顶段简支搁置冲击第二段。

④合拢松索控制

令第二段前接头下放，直到它和拱顶段端头标高接近时，在拱顶段把一端接头螺栓先弄好，再对接头标高和拱顶进行观察。如果它们比设计标高低，还大于规范容许值，则需要采取措施对其进行调整。具体操作为：在另一接头处加垫钢板进行调节至设计标高后上好螺栓完成合拢，将加垫钢板点焊于连接角钢上。

在扣索及起吊滑车组松索时，要做好第二段扣索、拱脚段扣索和拱顶段滑车组的下放，按照两岸对称循环逐渐下放原则进行。要尽可能缩小各扣索一次松索长度、拱顶段起吊滑车组，利用增多循环的次数可以使扣索实现基本放松，保证工程顺利进行。在松索过程中，选择的是定长松索方法，扣索一次松索量可2cm～3cm，起吊滑车组跑头可25cm～35cm，同时使用粉笔做好一定的标记；在松索（对称）的过程中，需要观测各接头及拱顶的标高。每松一次索，进行一次观测，并且按照收集的标高动态调整松索的次数。通过滑车组以及卷扬机，可以调整扣索。

进行多次松索循环之后，各扣索及起吊滑车组都几乎放松（保持10%～20%左右索力），加上拱肋标高达到施工标准，对拱肋轴线再次调整至准确位置。

⑤拱肋轴线控制

吊装拱肋的控制指标为拱肋轴线横向偏位、标高，这个过程相对复杂。进行吊装时，测量人员必须进行跟踪观察，利用拱肋侧风缆调整轴线偏位。在两岸的陆地上，需要进行风缆锚固。

调整拱肋轴线标高，需要使用到扣索调节。保证拱肋轴线达到施工标准，是进行扣索调节的目的。然而在实际安装时，过多地调索容易导致拱肋结构内力以及施工进度的变化。为降低这种负面作用，必须使得调整次数减少。因此，在安装阶段，对拱肋设置预抬高量十分必要。

通过调节拱肋侧风缆长度，可以对拱肋轴线横向偏位进行调整。在扣索收紧、放松（合拢）的过程中，工作测量人员必须对这个过程实施动态观察，并且把全部已经安装拱肋的标高和轴线横向偏位观测数据进行记录，之后递交给有关人员。等技术组整理分析数据之后，做出一定的调整办法，以保证吊装节段又快又好地完成对接就位工作，并且切换为完全扣挂状态。等拱肋基本放松并且调节好其标高后，还需继续利用侧风缆，再次调节拱肋横向偏位以保证它的准确度，之后再进行焊接工作。

⑥拱肋接头焊接：在进行每项接头焊接时，通过在拱肋上设置吊架保证施工顺利进行。这种吊架的材料可以是脚手架管，也可以是钢筋焊接成的。但是，必须验算吊架的受力，保证吊架具备一定的安全性，并采取相应的安全保护举措。

⑦单肋合拢的稳定性措施

因为拱肋的本身单肋的横向稳定性不好，也没有较大的横向宽度，根据《公路桥涵设计手册》（拱桥）下册的部分内容观察，受风力作用和自重的影响，拱肋无法适应横向稳定的需要（不考虑风缆的稳定作用）。

为保证拱肋的横向稳定性，需要借助一道缆风索来保证，将其设置在各吊装段上下游。这样以来，缆风索会对拱肋产生一定的作用力，这就等同于拱肋在横向的多点弹性支承，使得拱肋的自由长度得以缩短。所以对风缆进行设计的过程中，不仅要分析它的强度，也要分析把它的刚度考虑进来。如此，便保证了最大设计风力作用下，拱肋的横向位移不会过度增大。计算风缆的初始张力时，以最大设计风力作用下，拱肋横向位移最小为依据，利用相对大的初张力来降低垂度等非线性因素的作用，进而约束拱肋。

根据计划，在安装拱肋的每个过程中，它的受力需要风缆的参与，在拱肋的自重作用和最大风力下，稳定安全系数满足规范不小于4的要求。

另外，布置风缆的过程中，要根据一定的原则进行，即保证上下游对称布置。同时，要参照《公路桥涵施工技术规范》，使得它的风缆角度尽量接近标准。

（2）拱箱总体吊装顺序

①先吊装中肋，单肋合拢控制好标高以及拱肋轴线后，保证接头螺栓拧紧，吊、扣索松而不解（保持10%～20%左右索力），收紧拱肋浪风，并进行拱肋纵向接头焊接；完成接头焊接工作之后，除去起吊索，扣索暂时保存。②之后，完成左侧次中肋的吊装及合拢。③双肋合拢。④同理，用一样的方式将剩下的拱肋安装好。等到纵横向焊接好之后，除去扣索和全部浪风索即可。完成好拱肋的安装工作后，需要检查补焊、加强悍每个接头角钢、垫塞钢板，同时把焊接过程中产生一些渣滓清理干净，之后对纵横接头及顶板现浇层混凝土进行浇筑。具体的吊装顺序如图5所示。

3.4 塔架风缆张力及塔顶位移控制

核桃沟大桥所采用的塔架是塔脚固接式。使用这种塔架，塔顶水平的荷载力会导致塔脚的弯矩过大。所以，为使得塔架受力平衡，必须令塔顶的位移和水平荷载在合理范围内。要把握好塔架的水平位移，一方面需要保证风缆索截面够大，另一方面需要稳定风缆的初张力。

据统计，在风缆初张力、空索（主索及工作索等）和塔架自重力作用下，塔架纵向位移为-10.47cm（负值表示向后）。考虑风缆作为单元参与共同受力，在塔顶吊重索外力（含主索、工作索、扣索、起吊牵引索等）、风缆初张力及索塔自重作用下，计算各工况塔架杆件受力皆满足规范要求；边箱拱顶段运输至索跨跨中时塔架最大纵向位移为9.99cm；最大横向位移为0.90cm。对拱肋进行安装时，控制两岸塔顶的纵向位移在一定范围内，以保持在±10.5cm范围内为最佳状态。除此之外，它的横向位移应该保持在±2cm范围内，要参照塔顶位移的实际情况调整好风缆张力，确保塔架位移不超过此控制范围。

结语

核桃沟大桥拱箱吊装施工过程中，严格执行规范，进度明显加快，在保障安全的基础上，施工质量优良，实现了快速高效的施工目的。在监理和业主的全力配合下，拱箱和预应力空心梁吊装圆满安全完成，确保了施工质量和工程进度，为该项目如期通车提供了坚实基础。

参考文献

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