悬索桥卷扬机式吊装系统钢箱梁安装施工工法

PAGE1悬索桥卷扬机式吊装系统钢箱梁安装施工工法SRBGGF02-20081、四川公路桥梁建设集团有限公司2、四川路桥华东建设有限责任公司邓亨长2卢伟1杨如刚2虞业强2鲁翼21.前言在多种桥梁结构形式中，悬索桥是目前跨越能力最强的桥型。目前，悬索桥主梁分为钢箱梁与桁架式两种，主梁安装是悬索桥施工的关键工序之一。地锚式悬索桥钢箱梁安装最常用方法为缆载吊机安装，其次为浮吊或缆索吊安装。我国已建的大跨度悬索桥中，塔区钢箱梁一般采用缆载吊机起吊、一次或多次荡移到位安装，索塔位置距钢箱梁水上起吊位置较远时，通常布置支架和纵移系统配合进行安装。舟山大陆连岛工程西堠门大桥是我国已建成最大跨桥梁，也是世界第一大跨钢箱梁悬索桥与第二大跨悬索桥。大桥地处台风区，同时桥址处海流情况复杂、波急浪高、海床无覆盖层，这些因素存在，使得大桥钢箱梁安装难度极大。为减少缆载吊机移动次数，减少台风对钢箱梁安装顺序和缆载吊机跨中吊梁进度影响，北塔区钢箱梁采用了新开发的“卷扬机式吊装系统”进行安装，，该工法解决了西堠门大桥北塔区钢箱梁安装难题，所用施工设备较少，工序简单，社会效益与经济效益明显，在国内大跨度悬索桥施工中尚属首次。2.工法特点2.1卷扬机式起吊系统卷扬机式起吊系统，依托主缆，直接悬挂在主缆上，省略了类似缆载吊机横梁结构与行走机构，结构简便，工序简单、快速、有效。2.2起吊系统与牵引系统的组合在桥塔桥面高程处布置荡移牵引系统配合起吊系统来进行梁段长距离的水平荡移，塔区所有梁段均采用一次性荡移就位。整套系统具有起吊与荡移牵引协同作业要求高的特点。工艺高效，构造简洁、工作效率高2.3无索区线形调整工艺以千斤顶群作为无索区线形调整手段，结合线形精细调整监控技术，简单、快速、实用。3.适用范围悬索桥塔、锚区和主缆上固定位置梁段的起吊和大角度长距离荡移。4.工艺原理卷扬机式起吊系统、荡移牵引系统和支架系统组成塔区钢箱梁长距离、大角度水平荡移安装系统。卷扬机式起吊系统提升钢箱梁，水平牵引系统提供水平力牵引钢箱梁梁荡移至支架位置进行钢箱梁安装。结合塔区箱梁安装无需行走的特点，卷扬机式吊装系统采用骑跨式临时索夹将吊装重量均匀分布在主缆上。荡移牵引系统采用在塔柱中门洞（其高程与钢箱梁桥面接近）处设置锚固钢梁为锚固着力点，布置滑车组及动力系统，以保证提供足够的水平牵引力。5.施工工艺流程及操作要点塔区梁段分为有吊索梁段和无吊索梁段，均采用卷扬机式吊装系统和荡移牵引系统一次性起吊、荡移到位。无吊索梁段，通过在塔区布设临时支架进行放置，梁段荡移、卸落到施工支架之上，在全桥钢箱梁吊装完成后，采用千斤顶精确调位后整体进行焊接。有吊索梁段，采用卷扬机式吊装系统起吊并荡移到位，安装吊索，梁段吊装到位后，先进行临时连接，全桥合龙后焊接。5.1施工工艺流程（见图5.1）图5.1塔区钢箱梁安装施工流程图5.2施工操作要点5.2.1卷扬机吊装系统和荡移牵引系统设计（见图5.2.1-1）图5.2.1-1塔区钢箱梁吊装系统总体布置图1卷扬机式吊装系统1）参考设计参数卷扬机式吊装系统设计起吊重量为480t（包括钢丝绳和吊具重量）。吊装系统由临时索夹、起吊滑车组、起吊钢丝绳和起吊绳转向系统、吊具以及起吊卷扬机等部分组成。其主要参数：提升能力：480t；提升速度：2m/min；最大水平荡移距离：63m最大荡移偏转角：24.5°荡移牵引能力：200t2）起吊系统悬挂临时索夹设计卷扬机式吊装系统采用骑跨式索夹悬挂于主索上。作为骑跨式索夹（见图5.2.1.1），其功能必须满足垂直起吊和钢箱梁荡移时悬挂钢绳在绳槽内自由滑动的施工要求，同时要避免悬挂钢绳在钢箱梁荡移过程中，与索夹之间产生的静摩擦转变成动摩擦而产生突然滑动，影响吊装施工安全。临时索夹采用铸钢铸造并经机加工而成，临时索夹分两块制作，通过张拉对拉螺杆，紧固在主缆上。索夹采用《公路悬索桥设计规范条文》进行验算，在自重和吊装施工荷载作用下抗滑安全系数大于3.0。临时索夹的索槽从索夹顶部往下从在一个垂面内布置逐渐向弧线过渡，适应荡移时悬挂钢绳大角度偏转的要求。图5.2.1-3临时索夹设计图（单位：mm）2荡移牵引系统荡移牵引系统需满足中跨和边跨侧梁段的纵桥向梁段荡移要求，荡移最大牵引力158t。一套钢箱梁荡移牵引系统采用2台10t卷扬机作动力，分别通过100t滑车组、Φ28钢绳走12线牵引两个纵向吊具牵引定滑车组，提供200t荡移顺桥向牵引力。荡移牵引系统边跨侧、中跨侧布置一套。5.2.2钢箱梁提升施工1施工准备1）支架搭设无索区钢箱梁，按钢箱梁的安装平面位置与钢箱梁安装高程布置存梁的固定支架，一般考虑型钢桁架式，同时支架上还包含钢箱梁纵移系统与钢箱梁线形调节系统，前者一般为带水平牵引力的轨道，后者为钢支垫与千斤顶群的组合。钢箱梁支架设计高度需考虑支垫与千斤顶作用空间，可低不可高。2）水平荡移牵引系统布设在将钢箱梁从起吊位置向安装位置方向荡移过程中，水平牵拉力由水平牵引系统提供，水平牵引系统由牵引卷扬机、钢绳、连接吊耳、锚固件、转向滑车等部分组成，均在吊装前布设好。3）起吊系统布设①临时索夹安装临时索夹安装方法与悬索桥骑跨式索夹安装方法相同，通过张拉临时索夹上的高强螺栓提供对主缆的握裹力。②依次安装起吊滑车组、起吊钢丝绳和起吊绳转向、吊具以及起吊卷扬机等各组成部分，形成起吊系统。4）吊具与吊机就位吊装前，加工布置特制吊具，并提前下放吊具至安全高度。2吊机垂直提升待钢箱梁船运到位后，连接吊具与钢箱梁临时吊耳，解除钢箱梁与运输船的临时约束，启动卷扬机提升钢箱梁至设计荡移高度。5.2.3荡移落梁施工钢箱梁提升至一定高度后，连接水平牵引系统吊耳。启动水平牵引卷扬机，荡移钢箱梁至安装位置，挂索或利用起吊系统将钢箱梁放置至钢支垫上。对于支架上无吊索梁段，利用牵引系统对钢箱梁轴线偏位进行微调。起吊安装节段起吊高度经计算获得，保证钢箱梁绕索夹作钟摆运动恰好荡移到安装设计位置，计算时需考虑主缆在钢箱梁重力作用下高程的变化。5.2.4钢箱梁线形调整对于支架上梁段，应制定专门的调整和连接对策，把握好连接时机。在大跨度悬索桥钢箱梁安装施工中，主缆线形会随加载过程发生较大的变化，支架上梁段与相邻有吊索梁段高差也处在一个动态的变化过程中，连接时机不利，可能导致钢箱梁节段连接部位产生局部变形并对施工支架产生不利影响。采用塔区支架上无吊索梁段与有吊索梁段在全桥合龙后进行临时连接和焊接的策略，支架上梁段与有吊索梁段之间采用垫设木板和设置橡胶等措施以防止梁段之间相互碰撞引起擦伤。1无索区线形调整前准备工作1）施工、监控单位对加劲梁合龙线形进行测量，观察钢箱梁的线形是否与监控计算标高相吻合，为下步线形调整工作提供基础数据。2）设计与监控单位通过计算分析，提供合龙时加劲梁线形，对无索区梁段，还需结合合龙线形测量数据确定其预拱度及调节坡度作为线形调整施工的目标值。2线形调整无索区钢箱梁线形调整工作主要在支架上进行，同时相邻有索与无索梁段间线形调整，需通过设置相应工装完成。图5.2.4-1钢箱梁支垫及标高调节装置1）无索区钢箱梁线形调整系统按设计要求，无索区钢箱梁存放按八支点支垫搁置，钢箱梁线形调节是通过支架支点位置下方设置厚钢板支垫，并安放32～50t螺旋千斤顶，钢箱梁平面位置调整完成后依靠千斤顶顶升并结合支垫楔块调节梁段线形（见图5.2.4-1）。图5.2.4-1钢箱梁支垫及标高调节装置2）有索区梁段线形调整无索区钢箱梁与有吊索钢箱梁之间的线形调整，即塔区45～46#梁还需借助一套工装完成。工装为通过焊接在钢箱梁顶板临时连接件位置的型钢提升支架以及连接耳板的，可独立操作的四部提升链滑车。5.2.5监测技术与分析无索区钢箱梁安装与线形调整过程需对大桥几何参数进行监测以确保线形调整结果的准确，监测内容包括：（1）无索区箱梁梁面高程测量；（2）塔偏位及竖向变形测量；（3）主缆线形测量。（1）项采用精密水准仪——索佳B1测量，每次线形调整前后均需测量；（2）（3）采用全站仪——TCA2003与TCA1800测量，仅在线形调整前进行一次测量。以上测量过程中，梁温为关键参数之一，需全程测量，采用专用温度传感器进行测量。与支座连接的钢箱梁安装时应在过程中监测梁轴线与高程变化并及时调整。监测的关键在于线形调整过程的（1）梁面高程测量，而（2）（3）项内容为监控复核所用，测量数据与监控分析计算值比较，及时反馈指导施工。主要的监测内容参见表5.2.5。表5.2.5监测项目汇总表序号监测项目监测仪器监测频频率监测目的1主梁温度LM35温度传感感器梁温：1～2次次/梁每次调整整，塔温：1～2次，均在气气温稳定时（夜夜间或阴天）观观测掌握塔温与梁温，为为监控计算提提供数据2塔温3主梁梁顶高程索佳B1精密水准仪1～2次/梁每次调整掌握梁面高程，为为监控计算与与线形调整提提供数据4桥轴线偏位TCA2003、TCA18800全站仪1次掌握大桥钢箱梁轴轴线偏差与主主缆实际线形形，为大桥精精确计算提供供数据5主缆线形5.3劳动力组织（见表5.3）。表5.3劳动力组织情况表序号单项工程所需人数备注1管理人员42技术人员93钢箱梁转运与吊具具安装254钢箱梁提升施工85钢箱梁荡移施工146钢箱梁轨道纵移施施工267钢箱梁线形调整60与3～6不同时作业8杂工5合计86（78）人括号中数字为线形形调整所用人人员6.材料与设备本工法采用的材料与机具设备见表6.1。表6.1机具设备表序号设备名称设备型号单位数量用途1卷扬机20t台8起吊卷扬机2卷扬机10t台4牵引卷扬机3滑车组250t个8起吊系统滑车组4滑车组100t个8牵引系统滑车组5临时索夹套4起吊系统悬挂6偏拉锚固梁套27固定支架钢管桁架个1存梁，钢箱梁线形形调整8千斤顶50t台16钢箱梁线形调整9千斤顶32t台9钢箱梁线形调整，卸卸架10千斤顶25t台8钢箱梁线形调整11精密水准仪索佳B1台2钢箱梁安装，线形形调整12全站仪TCA1800,,TCA20003台3钢箱梁安装，线形形调整7.质量控制7.1工程质量控制标准钢箱梁施工质量执行《公路桥涵施工技术规范JTJ041-2000》与《舟山大陆连岛工程西堠门大桥专项质量检验评定标准》。钢箱梁安装允许偏差按表7.1执行。表7.1钢箱梁安装允许偏差表序号项目允许偏差（mm）检查频率检验方法1相邻节段匹配高差差±2每片梁用钢尺2箱梁段轴线偏差±10全站仪3吊点偏位±30用全站仪4同一梁段两侧对称称吊点处梁顶高差±40用水准仪7.2质量保证措施7.2.1起吊节段起吊高度经计算获得，保证钢箱梁绕索夹作钟摆运动恰好荡移到安装设计位置，计算时需考虑主缆在钢箱梁重力作用下高程的变化。7.2.2支架顶面高程应低于主梁合龙线形减去梁高，保证千斤顶有足够操作空间。7.2.4钢箱梁起吊安装过程应基本保持水平，这就要求提升系统两吊点基本同步。采用以下措施：1）起吊卷扬机选用线速度恒定的摩擦式卷扬机；2）一个起吊点采用两台卷扬机同步提升，保证钢箱梁吊装过程的平稳安全；3）通过精确测定钢丝绳出入绳长度以反应吊点提升高度，间接来控制两吊点的同步性。7.2.5用千斤顶进行线形调整时，应遵循同步、小量的原则，在夜间稳定时段测量（包括温度与梁顶高程）、白天统一进行线形调整。8.安全措施8.1卷扬机式吊装系统、临时索夹、支架系统等主要承载构造均需进行详细的计算分析、完成荷载试验，保证钢箱梁吊装、存放的安全。8.2无索区钢箱梁线形调整时，利用千斤顶群进行顶升或下降时，需进行全程监测，保证顶升的同步、小量，避免千斤顶不同步导致偏载引起安全事故。8.3建立完善的施工安全保证体系，加强施工作业中的安全检查，确保作业标准化、规范化。8.4针对起吊绳布线跨度较大的特点，全线派专人看护，防止意外发生。8.5沿海风环境对钢箱梁安装影响极大，在吊装前应根据天气预报保证在吊机设计规定风速下进行吊装，同时若钢箱梁安装会穿越台风期，存梁固定支架设计需考虑台风荷载并制订相应的防台预案。9.环保措施9.1环境保护措施采取措施控制施工现场的各种粉尘、废水、废气、废渣等对环境的污染和危害。9.2水土及生态环境的保护措施工程完工后，及时彻底进行现场清理。对有害物质(如燃料、废料、垃圾等)，按规定处理后，运至监理工程师指定的地点进行掩埋，防止对动、植物造成损害。9.3水环境保护措施施工船只严禁向海域抛设和倾倒废弃用品，必须排除施工船上所有设备的滴、冒、跑、漏，并配有应急的油污染收集设施和粪便收集装置。机动船只必须设有油水分离设备，燃油供应船配备应急的围栏、消油剂等应急用具。9.4大气环境保护及粉尘的防治对施工道路和施工场地进行硬化，对施工现场和运输道路经常进行洒水湿润，减少扬尘。10.效益分析10.1本工法通过卷扬机式吊装系统与荡移牵引系统安装塔区钢箱梁，是在悬索桥特殊梁段安装和在特殊环境下梁段安装方面，采用缆载吊机以外的施工手段，进行梁段架设的一次有益尝试，丰富了悬索桥梁段架设的施工方法。10.2由于塔区梁段施工周期一般较长，在塔区设置卷扬机式吊装系统取代缆载吊机完成塔区梁段的吊装，节省了缆载吊机来回运行时间，减少了缆载吊机吊梁数量，总体上缩短大桥的架梁工期约1.5个月，节约工程成本450万元以上。同时，卷扬机式吊装系统的采用，更利于全桥统一和协调钢箱梁安