悬索桥卷扬机式吊装系统钢箱梁安装施工工法
SRBGGF02-2008
1、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
1.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：200t
2）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
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。
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）。
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
5.3劳动力组织（见表5.3）。
表5.3 劳动力组织情况表
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
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
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装顺序，满足钢箱梁台风期吊装的各种工况要求，减少台风期架梁的施工风险，社会效益和经济效益明显。
10.3本工法利用存梁固定支架与千斤顶群结合调整无索区钢箱梁线形，不用缆载吊机辅助整体提升，占用缆载吊机占用时间，产生了良好的经济效益。
11.应用实例
浙江舟山大陆连岛工程西堠门大桥，于2004年5月10日开工，2009年12月25日通车。大桥主桥为主跨1650m的两跨连续漂浮体系的钢箱梁悬索桥，跨径布
置为578m+1650m+485m，钢箱梁连续总长为2224.2m，矢跨比1/10（见图11.1）。
全桥共计126个梁段：北边跨标准梁段24个，中跨标准梁段84个，北边跨合龙段1个，中跨合龙段2个，其余特殊梁段15个。大桥梁钢箱梁形式为扁平流线形分离式双箱断面，两个封闭钢箱梁横桥向拉开6m距离（见图11.2）。钢箱梁梁宽36.0m，梁高3.51m，钢箱梁总长2224.2m，总重30379.7t。钢箱梁制造以节段为单元，设计采用18m标准吊索间距，标准梁段长18m。
图11.1 西堠门大桥结构总体布置图
图11.2 西堠门大桥钢箱梁标准断面示意（尺寸单位：mm）北塔塔区44＃～49＃共11个梁段采用卷扬机式吊装系统结合牵引系统、固定支架进行安装。其中44#、45#梁段3个梁段无吊索，46段梁有吊索，是全桥最重的钢箱梁，其自重为360t。无吊索梁段和有吊索梁段均采用一次荡移落梁。无吊索梁段最大荡移距离63.07m，最大荡移偏角达到24.5°。