武汉鹦鹉洲长江大桥钢梁架设施工缆载式起重机的结构及施工
2017-09-18
1 工程概况
鹦鹉洲长江大桥全长3420m，其中主桥长2100米，采用的三塔四跨悬索桥，这是世界上首次采用主缆连续的三塔四跨悬吊悬索桥方案，同时也是世界在建的最大跨度三塔四跨悬索桥。主桥跨度布置225+2×850+225=2150m，见图1-2；主桥主缆横向布置两根，中心距36m，主缆直径索夹内697.6mm、索夹外706.3mm；吊索标准间距为15m，吊索锚点设在主梁外侧的风嘴上。
图1.1 鹦鹉洲长江大桥立面布置图（单位：m）
主桥钢梁采用钢-混凝土结合梁，梁高3.0m，由钢主梁、钢横梁和混凝土桥面板组成。其中钢主梁高2.423m（中心线处），横梁高2.735m（跨中），混凝土桥面板厚为20cm，桥面铺装0.065m。钢梁标准节段长15m，横向设两片主梁中心距31.2m，钢梁顶面宽度为38m（含风嘴），其中心线处梁高2.735m。钢梁节段间的连接采用全断面焊接方式。
图1.2 鹦鹉洲长江大桥钢箱梁断面图
主桥钢箱梁安装采用单节段吊装，钢箱梁分11类共143节段，其中单个边跨有14个节段，单个中跨有57个节段，中塔另有一过渡梁段。
主桥梁段的安装设备名称：500吨缆载吊机、型号：LZDJ500（YWZ）型、数量：4台（以下简称缆载吊机）进行吊装，以2号塔中为分界点，南北侧各两台缆载吊机。梁段安装顺序如下：从两中跨靠近中塔开始架设，而后再从边塔向锚碇、跨中方向架设。
2 缆载吊机结构组成
缆载吊机作为悬索桥大型专用设备，它依托悬索桥的主缆支撑，进行移位行走和固定吊装，属于高空作业的特种设备。其智能化中央自动控制系统可同步/非同步控制整个设备装卸、吊装、行走等全部作业。模块化设计使得吊机仅需更换少量部件就可适应不同跨间径、不同缆径悬索桥钢梁的吊装作业。缆载吊机主要由一个钢主桁梁、两个在主缆上的行走机构、两套液压提升设备（含提升和牵引千斤顶、液压泵站、控制系统及钢绞线收线装置）、吊具扁担梁、柴油机等部分组成。其结构如图2.1。
图2.1 缆载吊机结构图
2.1 钢主桁梁
钢主桁梁由两段箱型负重梁及中间桁架梁构成，总重：67t，如图2-2 钢主桁梁结构图。中间桁架梁主要是对整体结构起刚性支撑作用，桁架的空间用于安放收线装置、柴油机泵站和控制室，并为施工操作提供工作平台。梁高4.25m，梁宽3.45m，长28.7m（5节，2×8.535+2×4.5+2.63m）。箱型负重梁主要来安放液压提升千斤顶，同时也是主要的受力构件。梁高4.9m，梁宽3.45m，长9m（2节，2×4.5）。
图2.2 钢主桁架梁结构图
2.2 行走机构
行走机构主要是行走机构钢结构主体、牵引千斤顶、抱箍、行走滚轮和荷载转换千斤顶组成。各部件之间采用销轴连接。每台缆载吊机含2个行走机构，每边行走机构各布置4个走形滚轮，走形轮通过液压缸交替起落，跨越索夹，实现缆上行走。走形轮轴向留有适当间隙，可补偿主缆间距误差。
行走机构一端布置一台75T液压牵引千斤顶，通过一端锚固在上坡的临时锚固点上，钢绞线牵引缆载吊机行走。
外形尺寸（长×宽×高）15.53×1.41×3.46m，总重22t（含螺栓、负载顶整体吊装）。
图2.3 行走机构结构图
2.3 吊具
吊具结构主要包括圆柱筒、扁担梁、扁担梁滑箱、提升锚固支座和吊装钢绞线等部分。每台缆载吊机配备2个吊具。吊具可通过液压油缸进行节段梁重心位置调整，可进行竖向转动对位调整，且可进行顺桥向吊点位置移动。外形尺寸（长×宽×高）：7.384m×0.53m×2.27m，总重：10t。
图2.4 吊具结构图
2.4 起升机构及其他液压控制系统
缆载吊机设中央控制室，在其左右两侧各布置一台柴油机驱动液压泵站，分别为左右两侧提升机构、行走和牵引机构、钢绞线收放装置提供液压动力。起升机构采用两套350吨液压提升千斤顶，可提升下落重物，千斤顶内部，采用导管，避免钢绞线发生“鸟笼”现象。
3 缆载吊机施工工艺
3.1 缆载吊机施工步骤
3.2 地面散拼工作
缆载吊机主要结构部分为散件拼装而成，主要采用M20、M30高强螺栓连接，因结构单元件体积较大，在拼装前选用40m*22m场地以保证散拼工作完成，配置一台MQE80/23.5龙门吊配合完成散拼起吊作业。钢绞线下料及卷盘场地要求干净平整，尺寸约160m*5m。
结构单元件散拼过程中应检查各销轴、螺栓的连接情况，对于各高强螺栓应严格执行高强螺栓使用规范，保证单元件连接安全可靠。
同时，对行走机构及收放线装置进行液压调试工作，保证高空拼装前正常工作。
散拼完成后通过平板车运输至码头，由码头吊机转运至船舶，起吊过程注意各结构件的位置摆放，便于高空起吊拼装。
3.3 缆载吊机高空拼装
高空拼装前应完成塔顶门架改造，缆载吊机初始安装位置为，缆载吊机中心距离边塔塔顶轮廓线12米，上下游箱型负重梁间距28.7米，等高。
行走机构安装：利用门架提升梁与8t卷扬机，将动滑轮从塔顶放至主塔承台靠江侧。连接好动滑轮与行走机构，使用8t卷扬机将行走机构缓慢提升，超过主缆后，利用8t卷扬机在空中进行转换，2台卷扬机配合将行走机构横移到主缆上方。使用手拉葫芦、钢丝绳将行走机构与门架固定，并将抱脚与主缆固定（门架上约有4T力，保住行走机构主体）。 箱型负重梁安装：采取同样的方法，将箱型负重梁提升至塔顶与行走机构通过销轴进行连接。采用手拉葫芦调节两个箱型负重梁的位置、高度和间距，并通过钢丝绳固定在门架上（门架上约有12T力，吊住箱型负重梁），因主缆受力增加，产生下绕，需调整先前安装行走机构相应手拉葫芦、钢丝绳受力，便于钢桁架梁中间5个节段的安装。
中间桁架梁安装：此时每个门架上已带有16吨力（行走机构主体与箱型负重梁保险），使用上下游门架动滑轮组，按照提升行走机构的方法将中间桁架梁提升与箱型负重梁下。利用手拉葫芦调节两个箱型负重梁间距，使得中间桁架梁顺利提升至箱型负重梁等高，连接中间桁架梁与箱型负重梁。因主缆受力再次增加，产生下绕，需调整先前安装行走机构、箱型负重梁相应手拉葫芦、钢丝绳受力，全面检查各构件连接情况，确认无误后解除缆载吊机与塔顶门架的连接。
钢绞线收放装置及其他：在散件拼装时已将钢绞线卷入收放装置（8.5T），运输到边塔塔吊能吊装位置，塔吊直接吊装一套钢绞线收放装置到已拼好的中间桁架梁上一侧固定，另一套钢绞线收放装置由塔吊吊到塔顶平台，再由另一塔吊转吊到已拼好的中间桁架梁上另一侧固定。
液压泵站、控制系统、提升千斤顶等由塔吊依次吊装并调试，为下行做准备，完成后利用提升顶将钢绞线下放至吊具处，进行最后的吊具安装工作。
3.4 初次行走及试吊
拼装完成后，全面检查各构件连接情况，确认无误后向上行走30厘米，让相关连接卸力，解除缆载吊机手拉葫芦、钢丝绳连接。缆载吊机试吊位置在28#吊索，需行走主缆弧长约440米，每天（2个班）按80米计算，约需行走6天。
额定载荷试验：
a 先对缆载吊机各监测量进行原始数据采集。
b 将试吊钢箱梁船运至待吊点，就位精度控制在1m以内。
c 在船上安装试吊用配载水袋，与钢箱梁可靠临时连接。拟采4个用长8m，宽2.5m，高2.5m的桥梁支架专用预压水袋进行配载试验，每个钢梁梁段沿纵桥向对称布置4个水袋。
d 开启缆载吊机，同步下降两侧吊具至钢箱梁上，并将吊具与钢箱梁吊点连接牢固，检查各部件连接情况，合格后上报指挥。
e 同时提升缆载吊机吊具，根据压力显示，载荷20%，40%，60%，80%，90%逐渐地加上去，直至箱梁提离船面。
f 然后将钢箱梁提高约20cm，运输船驶离试吊区域下方。缆载吊机稳载10分钟后，测量各监测点，同时观察缆载吊机相关部件运转情况并记录。
g 向水袋内注水至额定吊重（每个水袋注水约13.41m3，偏差控制在5%）稳载10min后，再次测量缆载吊机监测点，观察缆载吊机相关部件运转情况并记录。
h 比较相关测量数据，得出试验结果。
动载试验：
动载试验的主要目的是验证缆载吊机各机构和制动的功能。
a. 额定吊重试验后，确定缆载吊机变形及各相关部件运行正常后，继续像水袋内注水至1.1倍额定吊重（每个水袋再次注水约12.5m3，偏差控制在5%）
b. 稳载10min后，测量缆载吊机监测点，观察缆载吊机相关部件运转情况并记录。
c. 同时缓慢提升缆载吊机吊具，将钢箱梁缓慢提升2米，然后下放，重复3次，同时观察缆载吊机相关部件运转情况并记录。
d. 各部件完成其功能试验，随后进行目测检验个机构部件是否有损坏或松动。
e. 比较相关测量数据，得出试验结果。
3.5 缆载吊机行走介绍
行走过程在两台75T牵引千斤顶的牵引下通过自身滚轮在主缆上滚动来进行的，其在跨越索夹时需前后轮组交替起落来实现，它是一个连续的动作过程，反复此循环，实现缆载吊机在主缆上行走至下一钢梁吊装段。
缆载吊机行走过程中，应分别在两边行走机构旁配备两名配合人员，保证其与操作司机通讯畅通，观察滚轮提升高度能否越过索夹及其他障碍物，同时理顺钢绞线，保证其正常通过牵引顶，再者观察电缆线及其他杂物是否影响行走，及时将信息反馈操作司机，保证行走安全。
3.6 缆载吊机吊装介绍
预加载：30T→→70T→→100T→→130T每30T一级逐步加载提离驳船，过程中将钢梁重量逐渐转移到千斤顶。在初加载时，调整每个主千斤顶受力，使其保持基本相同。当40%荷载转移到千斤顶时，再次检查千斤顶、锚固块、扁担梁和钢梁的连接。当加载到90%荷载时，换一个空行程一次将钢梁提离驳船，以减少钢梁离开驳船时的晃动。操作人员观察各点的受力情况，根据梁段理论吊点的受力情况来调定各点受力，保证其水平提升，同时也可利用重心调节千斤顶来调节梁段重心。钢梁离开驳船后，对总提升量清零后用自动模式提升，再次检查抱箍和垫块螺栓（加载过程中各抱箍要不断紧螺栓，卸载前各抱箍应提前将螺栓松弛一定程度）。吊梁时，每个千斤顶边必须站一人观察千斤顶、钢绞线、各油管及泵站，如遇紧急情况发生来不及通知控制室，可按下急停按钮以停止千斤顶工作，避免问题恶化。
当提升接近吊索位置，改为手动操作，根据钢箱梁上安装指挥人员提升或下放，在此过程中特别注意的是各千斤顶的调节可能不一样，各点在上下夹片的位置也可能不一样，所以在调前确认该千斤顶荷载所在夹片位置。当吊索和钢梁连接固定后进行卸载（卸载时注意观察各点受力逐渐卸载情况），将钢梁重量转移至吊索，拆除吊具与钢梁连接，即完成钢梁的吊装。
缆载吊机在提升及下方过程中，两边提升千斤顶应各配备一名观察人员，保证钢绞线顺利通过千斤顶，同时观察各油管、电线路、传感器等正常工作，保证吊装安全。
3.7 缆载吊机拆除
缆载吊机拆除与安装流程相反，拆除过程中注意遵循安全管理规程，保证拆除安全。
4 结束语
鹦鹉洲长江大桥采用四台缆载吊机由南北中跨向两边同时对称架设，保证塔柱垂直度在可控范围，因缆载吊机自身重量造成主缆受压后变形，致使原设计抱箍和主缆不匹配，施工过程中对抱箍现场修改，保证其与主缆贴合锁死紧密。同时，在缆载吊机行走过程中，现场猫道改吊已完成，致使缆载吊机行走时除需跨越索夹外还需跨越改吊绳，致使行走效率大大降低，上下游改吊绳对称布置，保证缆载吊机行走时上下游行走机构同时跨越改吊绳可提高行走效率，这为以后同类型施工积累一定施工经验。悬索桥钢梁吊装施工所用缆载吊机施工难度高，施工风险高，加强设备日常各类安全检查，严格实行“一吊一检”制度，保证施工安全可控。
参考文献
[1] 武汉鹦鹉洲长江大桥施工设计图
[2] 杨文渊 桥梁施工工程师手册 北京：人民交通出版社.1995
[3] 万 力 起重机设计规范 北京：中国标准出版社.2008
[4] 欧 剑 建筑机械使用安全技术规程 北京：中国建筑工业出版社，2001
[5] 钢结构设计规范
