钱江四桥缆索吊系统设计与安装

1、钱江四桥缆索吊系统设计与安装摘要：缆索吊系统是钱塘江四桥上部结构安装的关键设备系统，该系统跨径大、起吊重量大、安全要求高。通过对缆索吊系统主缆、塔架、后锚等结构进行设计研究，以期达到安全、可靠、符合实际使用的要求。关键词：吊装系统；主缆；塔架；后锚摘自：施工技术.2007.第11期杭州市钱江四桥为目前国内最长的多跨双层组合拱桥，其主桥为多跨双层组合钢管混凝土系杆拱桥结构，跨径组合按计算跨径为（2×85+190+5×85+190+2×85)m。其中2 孔190m跨为下承式和中承式系杆组合析架式钢管混凝土拱桥，每条拱肋由4根95cm×（2224 )mm钢管组

2、成，拱肋高4. 5m，宽2.6m，左右两条拱肋中线距离为29. 4m。9孔85m跨为下承式和上承式系杆组合钢管混凝土拱桥，拱肋为单钢管设计，左右每条拱肋均为1条1.7m x22mm的钢管，中线距离10.4m。上下层桥宽均为26.4m ，钱江四桥上构预制安装工程量大，达97. 429t （见表1 ）。由于其安装工作都是在强涌潮的钱塘江上完成，且不能长期中断通航，针对现场条件、桥型特点，结合工期安排，设计了双索跨大跨度缆索吊装系统。该系统在两岸各设1个边主塔，形成三塔双索跨吊装系统，两主索跨分别达到700m和650m，合计1350m,吊点可以覆盖全部主桥，完成该桥所有上部结构的吊装施工（见图1）

3、1 缆索吊装系统设计1.1 主要设计参数索跨组合：( 250+700+650+250)m，其中250m为尾索长度；缆索吊装最大重量：单索道起重能力65t ，双索道抬吊130t ；工作索道吊重能力：每组工作索道吊装重量5t；单个塔架自重：主塔1000t 、中塔500t、扣塔250t ；风力：保证在小于六级风时可以进行正常吊装施工。1.2 主塔架设计在杭州岸2号、萧山岸16号墩位置附近各立主塔架1座，9号墩安装中间主塔架。190m主跨两侧主墩 上各设l 个扣塔。l）塔架结构形式主、扣塔架均采用N 型万能杆件拼成门式塔架。根据本桥拱肋中轴线的距离，主塔架整体设置为对称结构。两岸主塔、中塔、扣塔的塔铰

4、采用常规的塔铰结构。两岸主塔架宽度为34m（顶宽42m)，高120m； 9号墩中间主塔宽38m （顶宽46m ) ，高104m ，塔架共用杆件材料重约3500t。2）塔架基础北岸主塔架基础为C25钢筋混凝土扩大基础，南岸主塔架基础为钻孔桩基础。基础承载力要求大于200kPa，但两岸主塔基础地基允许承载力为100kPa，所以必须进行基础换填砂砾处理，以提高地基承载力，使之达到200kPa。两岸主塔架塔底顺桥向均为铰接，塔架安装时采用无铰形式。安装完毕后，割断顺桥向前后两排杆件与基础的联系，形成铰接形式。9号墩中塔架基础增设钢管支承桩作为塔架基础，振设完毕后，添满砂以增强抗力，并用墩身结构、端横梁

5、和钢围堰以及支撑架连接，来增加中塔架稳定。为防止船只冲撞，除作好信号灯、航标灯、照明措施外，在其上下游一定距离处，各振设3根防撞钢3）塔架风缆在塔架拼装阶段，需要适当在塔架上设置临时风缆。完成塔架架设后，应根据塔架高度和受力情况设置腰风缆和塔架顶风缆，以便于在架设过程和吊装阶段通过这些风缆调整塔架垂直度，并增加塔架稳定性。两岸主塔架顶横桥向两侧各设2道风缆，纵桥向设3道风缆，腰风缆在主塔架中部及塔顶的节点两侧呈“”形布置。对于9号墩中塔架，侧向风缆布设难度较大，由于索道系统吊重或不吊重时，两岸主塔架及中塔架塔顶索鞍均位于同一条直线上，因此，主索道系统对9号墩中主塔的侧向分力较小，而且经过抗风能

6、力计算，中塔抗风能力足够，故中塔不设侧向风缆，采用压塔索来代替抗风缆。中塔顶纵向设置风缆并锚固于6、11号主墩承台上。4）塔顶索鞍结构塔顶索鞍是装置在塔架上用来支承吊装缆索的设备，本工程自行设计的可移动式索鞍具有安装方便、对主索钢丝绳磨损小、承载能力大、使用灵活等优点。它与主塔联结在一起，是吊装设备的重要组成部分。5）塔架调整塔架拼装完成后，首先要进行塔架垂直度的调整。为调整塔架垂直度，需设置塔架前后风缆来调节，塔架前风缆牵引至墩台预埋锚环，主塔架后风缆均牵引至地锚的预埋锚环上。通过设置在塔架顶前、后风缆收紧或放松，让塔架整体受力并使塔架微摆动，达到调整垂直度的目的。然后安装缆索系统，并再次调

7、整其垂直度，达到设计要6）计算结果主塔计算共分为3个方面，12个工况。第一个方面不考虑风荷载，只考虑吊重。吊重可分为单组主索起吊及两组主索同时起吊，又分别计算边塔和中塔（吊重考虑1.3倍的安全系数），两两组合可详细分4种工况：工况1为用1组主索单边起吊拱肋（吊重65OkN）时边塔受力；工况2为2组主索同时起吊拱肋（即吊重1300kN）时边塔受力；工况3为1组主索单边起吊拱肋（65OkN）时中塔受力；工况4为2组主索同时起吊拱肋（即吊重1300kN）时中塔受力。第二个方面在第一个方面的基础上，再加上五级风荷载的影响，即保证在五级风时可以正常施工。也分4种工况：工况5-1 为工况1+五级风横向风力

8、时边塔受力；工况5-2为工况2+五级风纵向风力时边塔受力；工况5-3为工况3+五级风横向风力时中塔受力；工况5-4为工况4+五级风横向风力时中塔受力。第三个方面为边、中塔受最大纵横方向风力时的受力情况：工况6-1为最大横向风力时边塔受力；工况6-2为最大纵向风力时边塔受力。工况6-3为最大横向风力时中塔受力，工况6-4并为最大纵向风力时中塔受力。为保证主塔架受力安全，采用SAP2000的空间析架单元对塔架的主要受力进行了模拟计算。计算结果表明，除局部杆件应力偏大需要加多杆件处理外（在塔架施工中进行局部杆件处理），基本达到规范要求。1.3 主缆索主索每组索道采用750mm密封式钢丝绳，索体结构由

9、19+z19 +z25高强钢丝组成，强度1470MPa ，每条钢丝绳破断拉力总和为2640kN。设计吊装重量65t，设计垂度1/16 。主索用事先架设好的工作索来安装。架设主索时在杭州岸单根展开并由卷扬机的导索牵引过塔架顶，然后工作索牵引过杭州岸主塔顶、中塔顶、萧山岸主塔顶，再由卷扬机的导索牵引进人主地锚锚梁后转向。此时，两岸主索的尾索同时收紧，工作索在河中提升主索，主缆索的尾索从前端槽口穿出，与人口主索形成环扣，调整好主索空索垂度后使用夹具夹紧尾索（见图2）。主索安全系数3.0。主索架设过程中需要进行封航。主索跨组合（250+700+650+250)m,两跨连续，3个主塔两跨跨径不同，分别为

10、700m （杭州岸）和65Om（萧山岸），因此按杭州岸索跨计算选择设备偏于安全，确保两岸均满足钢拱架的吊装顺利进行。由于将190m跨拱肋的每肋分为15段吊运安装，从而使每一段钢拱架的吊重在60t左右。全桥共设2套起重索，其中每套设计吊重为65t，每一套由750mm密封钢丝绳组成，确保两岸拱肋的安装，从而加快施工进度，钢丝绳基本参数如表2 所示。1.4 起重体系起重索采用26mm钢丝绳，拱肋钢骨架采用双吊点起吊，每一吊点使用一条24 (6×37+1）钢丝绳，两条起重绳均分别经过塔顶索鞍，通过主地锚转向滑车进人两岸8t 慢速卷扬机，在起重时两岸卷扬机同时工作，每条起重绳在跑车间走12线穿

11、绕。1.5 牵引体系牵引索采用26mm钢丝绳，牵引索分别与两个跑车相连组成单侧一组吊装体系，两条牵引绳均分别经过塔顶索鞍，通过主地锚转向滑车进入两岸10t快速卷扬机，在起重时两岸卷扬机同时工作。1.6工作索工作索是指吊装能力较低，但比主索更为方便、灵活、快捷的一组缆索系统。由工作索主索、起重索、牵引索、工作索跑车、吊点及工作索鞍组成。本桥每跨主缆索的上、下游各设一组工作索道，用于安装主缆索系统以及主缆索吊装的施工辅助，吊运重量小于5t以下的施工机具和材料。每组工作索采用1根47mm钢丝绳为主索，设计吊重5t。在塔架安装完成后进行工作索安装，安装工作索之前，需要设置导索牵引工作索。导索为21.5

12、mm钢丝绳，其安装利用钢栈桥及运输船运载展开，在主塔顶用卷扬机提升架设。导索的一端与工作索系紧，另一端进人卷扬机。工作索安装时，在地锚前利用放线架松展，一端进人地锚，在锚梁后转向，再用夹具夹紧尾索（与主索尾索处理相同）；另一端与导索系紧，由导索牵引过塔架顶，在塔架前安装好工作索跑车和吊具（工作索收紧时，可由另外一台卷扬机提升到塔架顶），最后到达另一岸的地锚锚固。工作索的牵引索、起重索在塔架后利用放线架松展，从岸边主塔脚经转向滑轮，随着导索的收紧穿过塔顶转向滑轮，在塔架前将其与工作索跑车联结，尾索则进人卷扬机。1.7 主索、扣索锚固系统设计1）结构形式选择 根据钱塘江四桥两岸地质情况和主桥各墩台

13、能够承受水平推力情况，190m跨缆索吊装地锚采用重力式主地锚2个、扣地锚4个，均为混凝土和浆砌片石砌筑而成。85m跨缆索吊装重量不大，考虑到吊装锚固尽量避免对其它施工的干扰，85m跨扣索分散锚固于各墩台上，并合理利用190m跨扣索地锚。2）主地锚、扣索地锚施工 根据无支架缆索吊装总体布置图的设计桩号定出地锚位置，按照地锚设计图纸放出大样。采用挖掘机进行基坑开挖，开挖放坡1: 0.5，基坑4个边、角采用人工修整，开挖或修整过程中若土质松软，必须采取基坑支护措施，如：型钢支撑、砂浆护壁等。基坑开挖完成后立即采用C15混凝土进行基底处理，四周全部用M7.5砂浆护壁，必要时在地锚后面的工作空间砌筑挡土墙形成密封凹坑，以防地下水渗出软化基坑土。2 结语杭州市钱塘江四桥上部结构安装可以采用较多的方法，结合现场的实际情况确定了3个基本方案：采用浮吊少支架法安装；采用小跨径独立两个缆索吊方法安装；采用大跨径两跨缆索系统方法安装。名个方案均有优缺点，经过详细对比研究，确定采用第种方法，该缆索吊系统最大跨径700m，单侧最大吊重65t ，双侧130t，缆索吊系统采用三塔两跨式结构，中塔位于钱塘江中心，由于受钱塘江潮水自然情况的重响，中间塔架无法设置抗风缆，采用压塔索方式保持；抗风及受力稳定。本文重点研究大跨径缆索吊系统的设计、安装，过对缆索