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拱箱悬索吊装方案

重庆市巫山县关门崖大桥工程

拱箱吊装施工技术方案

（文字说明）

编制：

复核：

审核：

湖南湘西路桥公司关门崖大桥项目经理部

2009年12月

重庆市巫山县关门崖大桥拱箱无支架缆索吊装施工技术方案

1.工程概况

重庆市巫山县关门崖大桥起点桩号K0+121.98，终点桩号K0+252.02，桥梁全长130.04米。

桥面宽8m，跨越洋溪河，本桥立面为-0.3%纵坡，平面位于直线上，桥面设双向2%横坡。

河岸陡峭，为典型的U型河谷。

桥位处覆盖层较薄，其下为角砾岩或灰岩。

大桥下部结构两岸主拱墩为C30砼，嵌入中风化整体角砾岩或灰岩内。

两岸桥台为重力式U型桥台，基础、侧墙及台身皆为C30细石砼砌MU100块石结构，台帽为C30砼。

主桥上部结构采用钢筋混凝土等截面悬链线箱形板拱，主孔计算跨径90米，矢跨比1/5，拱轴系数m=1.988。

主拱圈拱箱高1.8米，其中预制拱箱高1.7米，现浇顶板厚0.1米；拱圈顶宽7.6米，由3片1.5米宽中箱及2片1.55米宽边箱构成。

设计每片箱肋分五段预制吊装合拢，节段最大吊装净重量40吨。

全桥共需预制安装拱箱25段。

拱箱节段全部吊装完成，接头焊接完毕后，浇筑纵横接缝及顶板现浇层混凝土，整体化拱圈。

拱上采用垫梁、双柱式排架和悬臂盖梁来支承桥面结构，主拱上桥面板为8米跨径钢筋混凝土简支空心板。

引桥上部构造采用13米跨径钢筋混凝土预应力简支空心板。

拱箱及桥面空心板预制场考虑设置在左岸引道上，通过开挖桥头山体满足预制场的布置要求。

拱箱采用无支架缆索吊装系统进行安装，吊装系统布置见下节。

2、悬索吊装系统的布置

2.1、总体布置（图01）

根据该桥实际地形特点，确定吊装索跨为20m+217.04m+18m。

两岸利用现有地形，不设塔架，分别在K0+70.98（左岸）和K0+288.02（右岸）位置设置钢筋砼排架垫梁来支承主、扣索座滑轮滑梁，实施时垫梁位置根据现场实测地形及地质情况可进行少量调整，垫梁顶面应与该桩号处桥轴线位置的地面高度基本一致，同时立柱地面以上高度应不大于4米。

在两岸垫梁后各设置3根（Φ1.5m）单根抗拉力1159.87KN的钢筋砼主锚桩来进行主索、二扣扣索、工作索及起吊、牵引千斤绳的锚固，左岸主锚桩设于垫梁后20m处，后拉索与水平面夹角14.2257°，右岸主锚桩设于垫梁后18m处，后拉索与水平面夹角2.5044°。

另在每岸桥台基础内埋设5个圆钢锚环，一扣扣索过交界墩顶座滑轮锚固于锚环上。

拱箱安装系统采用单组主索并根据所吊箱肋位置在垫梁顶进行横移，主索在主锚碇上的锚固位置不变，所产生的后拉索横向水平分力通过在垫梁后主索上设置夹板并利用滑车组横向牵引来克服。

缆索系统总体布置见图号01。

2.2、吊重的确定

根据设计图纸提供，拱箱节段最大净重量为40吨，在吊装计算中，按拱箱40吨控制设计，计算重量Pmax＝（40+5）×1.2＝54吨，5吨为吊具、配重及施工荷载，1.2为冲击系数。

2.3、主索

主索按静力平衡原理进行计算，先假定主索初始垂度，计算重索垂度。

初始（空索）垂度（f0）自定以后，空索长度（S0）为定值，在荷载作用下必然引起弹性伸长，受载后的总长度S应等于空索长度S0加上由于荷载引起的弹性伸长值ΔS，即S=S0+ΔS。

重索长度有两个途径计算：

一是按假设重索垂度，以图形几何关系算得S；二是按假设重索垂度，以计算主索内张力得到弹性伸长ΔS算得重索长度S’=S0+ΔS。

当S≈S’（在要求的精度内），则假设重索垂度为所求解，重索垂度求出后，其它需要值即可解出。

在垫梁顶布置1组4∮56.5mm（6×37+1）的麻芯钢索作为主索，公称抗拉强度170kg/mm2。

单根钢绳破断拉力为164吨。

悬索跨度L＝217.04m，空索垂度f0＝8.5m，矢跨比为L／25.53，当吊至跨中时，主索垂度fmax＝14.834m，矢跨比L／14.63，主索最大张力Tmax＝2063.448KN，安全系数K＝3.18>[3]。

主索用量4×300米。

为使悬索受力均匀，主索通过120吨大吨位滑轮串联，使张力自动调整均匀，见图（18）～（20）。

主索按预制场起吊、右岸拱脚段就位、运输构件至索跨跨中共计算三种工况。

计算初始数据及计算结果如下：

初始数据

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

吊装跨径＝217.04米

前后两吊点间水平距离（单吊点取零值）＝13米

起吊岸主锚距塔架水平距离＝20米

非起吊岸主锚距塔架水平距离＝18米

两岸塔顶高差（起吊岸低取正值，等高取零值）＝-4米

起吊岸主索后拉索与水平面夹角＝14.2257度

非起吊岸主索后拉索与水平面夹角＝2.5044度

主索弹性模量＝75.6千牛/平方毫米

安装期与吊运期最大温差（温度升高取正值）＝0摄氏度（不考虑温度影响）

起吊结构重量（包括吊具及动力系数）＝540千牛

主索单位重量＝.444千牛/米

主索破断拉力＝6560千牛

主索截面面积＝4712.4平方毫米

拟定的主索跨中安装垂度＝8.5米

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

主索计算结果

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

空索情况:

────

空索跨中垂度F0=8.5米

空索初始长度S0=256.6125米（不含后拉索回头长度）

空索后拉索张力（较大岸）T0=312.3085千牛

起吊岸塔架空索水平力差H10=4.897429千牛

起吊岸塔架空索竖直力V10=130.608千牛

非起吊岸塔架空索水平力差H20=-2.628216千牛

非起吊岸塔架空索竖直力V20=56.09152千牛

结构后吊点距起吊岸塔架25米时的情况:

（预制场起吊）

──────────────────

1、不计温度影响

后吊点垂度F1=8.272924米

前吊点垂度F2=10.19949米

跨间主索水平张力H=1523.849千牛

主索最大张力T=1616千牛

起吊岸塔架主索水平力差H1=-42.59636千牛

起吊岸塔架主索竖直力V1=935.0219千牛

非起吊岸塔架主索水平力差H2=-1.720321千牛

非起吊岸塔架主索竖直力V2=165.2047千牛

结构后吊点距起吊岸塔架149米时的情况:

（右岸拱脚段就位）

──────────────────

1、不计温度影响

后吊点垂度F1=13.38049米

前吊点垂度F2=12.42452米

跨间主索水平张力H=1873.236千牛

主索最大张力T=1915.583千牛

起吊岸塔架主索水平力差H1=43.10965千牛

起吊岸塔架主索竖直力V1=699.7939千牛

非起吊岸塔架主索水平力差H2=-40.51717千牛

非起吊岸塔架主索竖直力V2=484.2585千牛

结构吊运至跨中时的情况:

───────────

1、不计温度影响

跨中主索最大垂度F=14.83389米

跨间主索水平张力H=2032.567千牛

跨中主索最大张力T=2063.448千牛

主索安全系数K=3.179146

起吊岸塔架主索水平力差H1=32.39443千牛

起吊岸塔架主索竖直力V1=862.727千牛

非起吊岸塔架主索水平力差H2=-17.33549千牛

非起吊岸塔架主索竖直力V2=370.3897千牛

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

（1）、考虑主索弯曲作用应力

构件运输至跨中时主索张力最大，按此阶段控制计算。

σ＝Tmax/An＋V×

其中：

主索最大张力：

Tmax＝2063.448KN。

垫梁座滑轮位置主索受到的最大垂直作用力：

V=862.727KN。

钢索截面积：

An＝4712.4mm2。

钢索弹性模量：

E＝75.6KN/mm2。

塔顶主索滑轮数量：

n＝4。

代入上式得到：

σ＝Tmax/An＋V×

＝1.0393×103MPa。

主索钢丝公称抗拉强度：

σmax＝1.7×103MPa。

则、考虑主索弯曲作用应力安全系数

K＝1.2σmax/σ＝1.2×1.7×103/1.0393×103＝1.96≈[2]。

可见，考虑主索弯曲作用应力安全系数基本满足要求。

（2）、考虑主索接触作用应力

σ＝Tmax/An＋Ce×E×δ/D

其中：

钢丝直径：

δ＝2.6mm。

滑轮直径：

D=450mm。

钢索弹性模量折减系数：

Ce=0.104+0.04×2d/D。

钢索直径d＝56.5mm。

代入上式得到：

σ＝Tmax/An＋（0.104+0.04×2d/D）×E×δ/D＝0.488×103MPa。

则、考虑主索接触作用应力安全系数

K＝σmax/σ＝1.7×103/0.488×103＝3.48>[2]

考虑主索接触作用应力安全系数满足要求。

2.4、工作索

工作索的计算原理和方法与主索相同。

考虑到吊运扣索、检修滑车及运送小型机具，在塔顶布置了1根∮47.5mm（6×37+1）工作索，公称抗拉强度170kg/mm2，破断拉力＝117.5t，工作索安装垂度f0＝6.5m，按计算重量8t进行控制，吊重跨中垂度fmax＝13.500m，最大张力Tmax＝360.434KN，安全系数K＝3.26>[3]。

工作索用量300米。

工作索按吊篮位于预制场内侧、右岸引桥台尾及索跨跨中共计算三种受力工况，计算初始数据及计算结果如下：

初始数据

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

吊装跨径＝217.04米

前后两吊点间水平距离（单吊点取零值）＝0米

起吊岸主锚距塔架水平距离＝20米

非起吊岸主锚距塔架水平距离＝18米

两岸塔顶高差（起吊岸低取正值，等高取零值）＝-4米

起吊岸主索后拉索与水平面夹角＝14.2257度

非起吊岸主索后拉索与水平面夹角＝2.5044度

主索弹性模量＝75.6千牛/平方毫米

安装期与吊运期最大温差（温度升高取正值）＝0摄氏度

起吊结构重量（包括吊具及动力系数）＝80千牛

主索单位重量＝.07943千牛/米

主索破断拉力＝1175千牛

主索截面面积＝843.47平方毫米

拟定的主索跨中安装垂度＝6.5米

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

主索计算结果

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

空索情况:

────

空索跨中垂度F0=6.5米

空索初始长度S0=256.2455米（不含后拉索回头长度）

空索后拉索张力（较大岸）T0=72.65142千牛

起吊岸塔架空索水平力差H10=1.543598千牛

起吊岸塔架空索竖直力V10=27.80107千牛

非起吊岸塔架空索水平力差H20=-.2996841千牛

非起吊岸塔架空索竖直力V20=10.45567千牛

结构吊点距起吊岸塔架20米时的情况:

──────────────────

1、不计温度影响

吊点垂度F=6.642359米

跨间主索水平张力H=242.2478千牛

主索最大张力T=256.9648千牛

起吊岸塔架主索水平力差H1=-6.837136千牛

起吊岸塔架主索竖直力V1=148.8609千牛

非起吊岸塔架主索水平力差H2=-.0425296千牛

非起吊岸塔架主索竖直力V2=22.12581千牛

结构吊点距起吊岸塔架181米时的情况:

──────────────────

1、不计温度影响

吊点垂度F=9.181421米

跨间主索水平张力H=290.1024千牛

主索最大张力T=298.426千牛

起吊岸塔架主索水平力差H1=7.657899千牛

起吊岸塔架主索竖直力V1=98.85617千牛

非起吊岸塔架主索水平力差H2=-8.038572千牛

非起吊岸塔架主索竖直力V2=83.03056千牛

结构吊运至跨中时的情况:

───────────

1、不计温度影响

跨中主索最大垂度F=13.50027米

跨间主索水平张力H=356.1845千牛

跨中主索最大张力T=360.4342千牛

主索安全系数K=3.259957

起吊岸塔架主索水平力差H1=6.802881千牛

起吊岸塔架主索竖直力V1=143.7595千牛

非起吊岸塔架主索水平力差H2=-2.131799千牛

非起吊岸塔架主索竖直力V2=57.7288千牛

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

工作索应力安全系数亦满足规范要求,计算过程略。

2.5、座滑轮支承垫梁、滑梁（见附图02～06）

根据地形的特殊性和节约施工措施费用，两岸不设置塔架，仅在锚碇前缘20m（右岸18m）位置（左岸桩号：

K0+70.98，右岸桩号：

K0+288.02）设置钢筋砼排架垫梁来支承座滑轮滑行分配梁。

座滑轮顶面标高由拱顶标高191.75+fmax+工作高度来决定，即为191.75+14.834+10=216.584m，实际左岸座滑轮顶面高程为225.17m，垫梁顶面高程224.35m，右岸座滑轮顶面高程为221.17m，垫梁顶面高程220.35m，可见工作高度很富余。

垫梁宽度1.1m，高度1.1m，垫梁下设置3根Ф1.0m钢筋混凝土立柱，基础为与立柱等直径的桩基础，桩基深度按嵌入基岩深度不小于2.5m控制，同时垫梁顶面应与该桩号处桥轴线位置的地面高度基本一致，同时立柱地面以上高度应不大于4米，否则应对垫梁顶面标高进行一定的调整。

垫梁为C30钢筋混凝土，左岸混凝土数量为23.2立方米，右岸混凝土数量为26.3立方米。

两岸垫梁横向按吊中箱、次边箱、边箱，纵向按拱箱预制场起吊、运输至索跨跨中、右岸拱脚段就位分别计算了九个工况，经比较分析，最大受力工况为左岸预制场拱箱起吊时左岸垫梁受力工况，在主索、二扣扣索、工作索及起吊、牵引千斤索的共同作用下，该工况垫梁最大承受竖直力1509.109KN，纵向水平力-91.284KN（向岸），横向水平力370.332KN。

垫梁利用《微机结构分析通用程序SAP2000》按空间梁单元计算内力（轴力N、弯矩M和剪力Q）并进行配筋设计，计算模型见图

（1）；桩基础利用同济大学启明星软件《EToolsv2.0工程计算器》按m法计算内力（轴力N、弯矩M和剪力Q），并进行配筋复核。

垫梁及立柱内力计算结果见图

（2）。

图

（1）、立柱垫梁计算模型

（拉伸模型）

图

（2）、立柱垫梁内力图

（平面内弯矩图）

（平面外弯矩图）

（轴力图）

（平面内剪力图）

（平面外剪力图）

（1）、垫梁内力计算结果：

最大弯矩M3=-997.69KN.m，相应M2=-187.08KN.m；

最大剪力Q2=739.644KN，相应Q3=74.975KN；

最大轴力N=-418.876KN。

（2）、立柱内力计算结果：

最大弯矩M3=169.57KN.m，相应M2=-26.88KN.m；

最大剪力Q2=-48.544KN，相应Q3=16.309KN；

最大轴力N=-1033.065KN。

滑梁为2Ⅰ32b工字钢（材质A3钢），主要用于座滑轮在不同肋位时的横移和支承，滑梁接长采用坡口对接焊，保证等强度连接，同时为便于座滑轮在空索状态下横移，滑梁接头及上翼缘应用砂轮打磨光滑，上表面涂抹黄油，座滑轮横移到位后，与滑梁间用连接螺栓固定。

滑梁利用预埋在垫梁内的地脚螺栓固定。

滑行分配梁局部承压计算满足规范要求。

滑梁未进行横向受力验算，若横向变形较大，可每间隔1米将两根工字梁横向焊接成整体（在腹板上加焊10mm厚横隔板）。

由于两岸锚碇距垫梁很近（20m、18m），采用单组主索吊、扣边箱时主、扣索后拉索将产生较大的横向倾斜，从而产生很大的横向水平分力。

经计算，吊边箱时最大横向水平力为481.405KN。

为克服吊边箱时主索对座滑轮、垫梁的横向荷载作用，在垫梁后2.5m位置的主索上设置夹板和50吨横向牵引滑车组（见图11），通过收紧滑车组使主索座滑轮基本不受横向水平荷载作用。

2.6、锚碇（图07～11）

两岸主锚碇设计皆采用桩式锚碇，一扣采用在桥台基础内埋设锚环。

主锚碇相对于主桥轴线对称布置，用作主索、工作索、二扣扣索及起吊、牵引千斤索等的锚固。

锚桩全部嵌入中风化基岩。

锚桩采用C30砼。

每岸设置3根直径1.5m的钢筋混凝土锚桩，每根桩长7m，桩与桩横向中心距离2.5m，横向通过素混凝土连接成整体。

左岸主锚碇总的拉力为3115.25KN，按图07中钢索布置，单桩最大拉力1159.87KN；右岸主锚碇总的拉力为3064.04t，单桩最大拉力1148.09KN。

按水平荷载桩利用m（上部2m地基比例系数m取80MN/m4，下部取300MN/m4）法计算锚桩内力（剪力Q和弯矩M），并进行配筋设计；计算时未考虑前缘托板的作用，偏于安全。

两岸计算单桩承受的最大弯矩Mmax=-2250.3KN.m，最大剪力Qmax=1147KN，侧壁最大土应力0.35MPa（2m以下岩石部分），桩顶最大位移1.0mm。

按图09、10配筋，实际单桩极限抗剪力为1628.1KN；按最大弯矩计算单桩需均匀配置19根d28mmⅡ级钢筋，实际配置22根d28mmⅡ级钢筋，且受拉区主筋间距为受压区主筋间距的一半。

可见锚桩强度是满足要求的。

一扣锚环预埋于两岸桥台基础内，基础建议通过设计同意改为C25片石混凝土，锚环埋入混凝土中深度1.8米，并在后部弯钩位置埋设两根φ28的螺纹锚筋，锚筋长度1米左右；锚环使用前做抗拉试验，单个锚环试验抗拉力控制在20吨左右。

每岸桥台共埋设5个锚环，横向间距1.5米，相对于桥轴线对称布置，每道一扣扣索应至少由两个锚环承载（每个锚环锚固1根∅30扣索），锚固位置以扣索力的合力基本与所安装肋在同一竖直面内为原则（及两根扣索尽量与所安装肋对称布置）。

2.7、扣索

两岸二扣扣索采用2∮43.5mm（6×37+1）的麻芯钢索，公称抗拉强度170kg/mm2，单根破断拉力97.17吨。

一扣扣索采用2∮30mm（6×37+1）的麻芯钢索，公称抗拉强度170kg/mm2，单根破断拉力47.60吨。

两岸一扣扣索过交界墩顶座滑轮进入引桥台基础内的预埋锚环锚固，二扣扣索皆通过垫梁顶座滑轮锚固于主锚桩上。

右岸扣索与扣点捆绑千斤绳的连接采用H板及转向轮，一扣采用30吨H板及30吨转向轮，二扣采用60吨H板及60吨转向轮；左岸为拱箱起吊岸，为便于拱箱出台，二扣利用60吨扣架将每道扣索的两根钢索分开，拱箱从两根扣索之间吊运通过，一扣仍采用30吨H板及30吨转向轮与捆绑绳连接。

单肋共计4道（8根）扣索，扣索长短采用滑车组卷扬机调整。

两岸一扣扣索长50m（含回头卡长度），左岸二扣扣索长145m（含回头卡长度），右岸二扣扣索长130m（含回头卡长度）；全桥扣索用量：

∮43.5mm（6×37+1）钢索550m，∮30mm（6×37+1）钢索200m。

扣索张力按静力平衡方法计算，拱脚与各分段点按铰接考虑，扣索与各扣段一起构成一静定结构，每道风缆按初始张力5t进入计算。

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，合拢段计入一半重量。

同时为保证在扣挂过程中接头处拱箱局部受力的安全，施工时应注意拱箱接头处混凝土土及预埋连接构件的施工质量，最好将设计图中与端头角钢连接的钢筋做一定加强。

各阶段扣索力计算成果及张力安全系数见下表：

各阶段扣索力计算成果表（吨）

扣挂

状态

左岸

右岸

一扣索力（T1）

二扣索力（T2）

一扣索力（T1）

二扣索力（T2）

第一段

22.440

22.477

第二段

28.646

38.643

28.808

38.213

合拢段

22.386

56.405

22.591

55.777

安全系数K

3.32

3.45

3.30

3.48

可见，各扣索安全系数皆满足大于3的规范要求。

2.8、起重索、牵引索

拱箱两个吊点抬吊，起重索采用∮19.5mm（6×37+1）的麻芯钢索，公称抗拉强度170kg/mm2，钢绳破断拉力为19.65吨。

起吊滑车组走10线布置，跑头拉力F=2.556t，安全系数K=7.69>[5]，采用5t卷扬机做起吊动力,起吊卷扬机容绳量700m。

工作起吊仍采用∮19.5mm麻芯钢索，滑车组走2～3线布置，采用5t卷扬机做起吊动力。

牵引索采用∮24mm（6×37+1）的麻芯钢索，公称抗拉强度170kg/mm2，钢绳破断拉力为29.391吨。

最大牵引力11.30吨，牵引按来回线布置，滑车组走3线（不含通线），跑头拉力F=4.083t，安全系数K=7.19>[5]，采用8t中快速卷扬机牵引。

工作牵引采用∮19.5mm麻芯钢索，滑车组走1～2线布置（来回线），采用5t卷扬机牵引。

起吊、牵引千斤绳直接进入锚碇。

全桥起吊、牵引索用量：

∮24mm钢索1000米，∮19.5mm钢索2400米（含工作索起吊和工作索牵引）。

2.9、拱箱风缆索

拱箱浪风绳采用2∮19.5mm钢索，风缆与地面夹角不大于30°，风缆水平投影与桥轴夹角不小于50°，为减小风缆垂度的非弹性影响，风缆初张力按5吨控制，风缆地垄抗拉力不小于15吨（千斤绳亦按此控制并考虑8倍以上的安全系数）。

全桥考虑两个肋的浪风，全桥需16道浪风绳。

拱箱浪风绳用量约1800m。

2.10、主要钢索组成参数表

主要钢索组成参数表

钢索规格

单位

主索

（工作索）

牵引索

扣索

扣索

风缆索

（起吊）

钢索直径d

mm

56.5

24

43.5

30

19.5

钢丝直径δ

mm

2.6

1.1

2.0

1.4

0.9

钢索型号

6×37+1

6×37+FC

6×37+FC

6×37+FC

6×37+FC

重量

Kg/m

11.099

1.982

6.553

3.211

1.326

金属截面积FK

mm2

1178.1

210.87

697.08

341.57

141.16

弹性模量EK

MPa

75600

75600

75600

75600

75600

线膨胀系数

1/℃

1.2E-5

1.2E-5

1.2E-5

1.2E-5

1.2E-5

破断拉力TP

t

164

29.356

97.17

47.60

19.65

钢丝公称强度

MPa

1700

1700

1700

1700

1700

拉力安全系数

应大于

3

5

3

3

3（5）

应力安全系数

应大于

2

3

2

2

2（3）

3、拱箱的吊装

吊装系统安装完成，正式吊装前，应进行以下几方面的工作：

（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和校正。

（3）、检测吊装段拱箱的几何尺寸及预制施工质量。

（4）、对吊装系统进行全