大跨度自锚式悬索桥吊装施工方法及塔梁临时锚固装置

技术领域

本发明属于悬索桥的施工领域，涉及自锚式悬索桥，具体涉及一种双塔 三跨大跨度自锚式悬索桥吊装施工方法，及桥塔与边跨主梁的临时锚固装置。

背景技术

自锚式悬索桥与地锚式悬索桥相比不需要巨大的锚碇，主缆锚固于边跨 主梁端部，由主梁承担主缆的水平分力和竖向分力，其结构新颖、造型美观、 受力合理、经济适用，解决了地质条件不允许修建锚碇而建造悬索桥的问题。

自锚式悬索桥由于主缆锚固在主梁上，施工过程中主缆产生巨大的水平 分力，所以传统的施工方法是“先梁后缆”，即搭设支架——>支架上架设主 梁——>架设主缆，主缆两端锚固于梁端——>张拉吊索——>二期铺装——> 拆除支架。这种方法由于必须搭设满堂支架以安装主梁，不可避免的干扰航 道或路面交通，且存在只适合在浅水河流上搭设支架修建、大跨度搭设支架 费用高、不安全因素多、安全及工期风险高等问题，该工艺已经成为限制自 锚式悬索桥广泛应用的主要因素。

为了推广这种桥型的应用，不断探索和改进施工方法，从而自锚式悬索 桥“先缆后梁”施工工艺应运而生。通过采用相关临时措施，自锚式悬索桥 也可以用“先缆后梁”施工方法建造，这样不仅避免因搭设支架带来的经济 与安全问题，同时可避免对航道等交通的干扰问题。

区别于地锚式悬索桥的主缆锚碇，自锚式悬索桥主缆的锚固块位于边跨 主梁端部，采用“先缆后梁”施工工艺的主要难点是吊装过程中主缆锚固块 的平衡问题，即如何平衡主缆的水平力。在主梁梁段吊装过程中，梁段自重 荷载通过吊索传递给主缆，随着吊装节段数的增多主缆力逐渐增大，主缆锚 固块所受水平力也逐渐增大。由于此时主梁尚未连接成整体，自身无法承受 压力，需要设置临时锚固体系来平衡主缆水平力，以保证边跨主梁锚固块的 平衡稳定。

目前解决该难点的方法是采用在边跨设置临时锚固体系来平衡施工过程 中主缆的强大水平力，主要方法可分为两大类：①临时地锚法，该方法用拉 索连接主缆锚固块与临时地锚，将主缆力传递给临时地锚。文献^[1]利用沉井作 为临时锚碇，通过沉井与端横梁间的钢铰线将主缆的张力传递给沉井，而边 墩承台桩基只要满足成桥状态即可。文献^[2]利用现有引桥桩基和边墩承台作为 临时地锚，共同承担主缆拉力。②墩梁临时固结法，该方法将主缆锚固块与 其桥墩临时固结，将主缆力传递给主桥边跨支墩。文献^[3-4]采用预应力临时固 结装置将先浇筑的边跨主梁端部锚固块与桥墩临时固结，由主桥边跨支墩的 抗推刚度来承担主缆水平力。

临时地锚类方法的优点是传力路径清晰，但由于需要开挖地基，设置大 体积临时地锚，对地基承载有一定要求，且经济性较差；同时使用连接地锚 的临时拉索，施工风险较大。墩梁临时固结类方法无须设置地锚，墩梁临时 锚固装置构造简单，拆卸方便快捷；但边跨支墩的抗推刚度较小，承担的水 平力有限，不适合大跨度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于，在自锚式悬索桥吊装施 工过程中，为桥塔与边跨主梁提供一种临时锚固装置，将来自主缆的强大的 水平力传递给桥塔承担，有效的解决了中跨跨径很大的自锚式悬索桥吊装施 工过程中主缆水平力的平衡问题。对于需要采用“先缆后梁”施工的自锚式 悬索桥，本发明装置及工艺能够充分释放桥塔的承载潜能，从而明显提升极 限跨径。

本发明的另一目的在于，提供一种采用上述临时锚固装置的大跨度自锚 式悬索桥吊装施工方法，实现了在地基条件差的地区也能够采用吊装施工修 建大跨度自锚式悬索桥，有效避免了现有自锚式悬索桥施工方法对航道及道 路交通的干扰。

为了实现上述技术任务，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种塔梁临时锚固装置，包括预先设置在桥塔侧壁上靠近中跨侧的第一 预埋钢板，预先设置在边跨主梁侧壁上靠近边跨侧的第二预埋钢板，第一预 埋钢板上固定安装有第一格栅架，第二预埋钢板上固定安装有第二格栅架， 第一格栅架和第二格栅架的轴向中心线在同一条与边跨主梁车辆行驶方向平 行的轴线上，使得第一格栅架的一个端面和第二格栅架的一个端面相对设置， 形成传力撑的作用面；

第一格栅架和第二格栅架相对设置的两个端面之间通过传力撑支撑传力， 在施工过程中将边跨主梁上承受的水平力传递给桥塔；

所述的传力撑包括内筒和外筒，内筒和外筒之间通过螺纹副连接实现转 动式伸缩；

外筒上通过涡轮环限位套安装有涡轮环，涡轮环通过安装在外筒外壁上 的电机带动下以外筒的中心轴为中心在涡轮环限位套内转动；

涡轮环的内侧上对称设置有伸出涡轮环限位套的凸缘，内筒加工有外螺 纹的外壁上沿着轴向加工有与凸缘配合的凹槽，凸缘嵌入在凹槽内，内筒在 涡轮环凸缘的带动下转动且相对于外筒沿着凹槽做轴向伸缩运动；

由内筒和外筒组成的可伸缩套筒内安装有千斤顶，千斤顶的一端固结在 外筒远离内筒的端部设置的钢架上，千斤顶的油管通过设置在外筒侧壁上的 油管进出口进入外筒内部；

千斤顶用于辅助内筒和外筒承受第一格栅架和第二格栅架之间的水平力。

一种采用如权利要求1所述的塔梁临时锚固装置的大跨度自锚式悬索桥 吊装施工方法，该方法在施工过程中通过塔梁临时锚固装置将边跨主梁上承 受的水平力传递给桥塔。

如上所述的吊装施工方法，该施工方法适用于边跨主梁为混凝土主梁， 中跨主梁为钢主梁的双塔三跨自锚式悬索桥结构，具体包括以下步骤：

步骤一，对桥梁的桥塔的基础进行地基处理，施工桥墩基础、桥塔及边 跨桥墩；

步骤二，搭设边跨临时支墩或支架，在边跨临时支墩或支架上现浇混凝 土主梁，张拉预应力钢束，完成边跨主梁施工；

步骤三，支架上安装主梁钢混结合段，张拉相应的预应力钢束；

步骤四，安装桥塔与边跨主梁的塔梁临时锚固装置，进行塔梁临时连接， 具体步骤如下所示：

步骤4.1，在桥塔侧壁上靠近中跨侧的第一预埋钢板上固定安装有第一格 栅架，在边跨主梁侧壁上靠近边跨侧的第二预埋钢板上固定安装有第二格栅 架，形成传力撑的作用面；

步骤4.2，在第一格栅架和第二格栅架相对设置的两个端面之间安装传力 撑，先将内部放置有千斤顶的处于缩合状态的内筒和外筒放置在第一格栅架 和第二格栅架相对设置的两个端面之间，启动千斤顶，使得外筒的端部顶在 第二格栅架的端面上，千斤顶的端部顶在第一格栅架的端面上，形成预支撑；

步骤4.3，启动电机，内筒相对于外筒转动式伸出，使得内筒的端部顶在 第一格栅架的端面上，关闭电机，锁住涡轮环，千斤顶卸力，实现塔梁临时 锚固；

步骤五，架设猫道，安装主索鞍与转索鞍并调整预偏量；在猫道上架设 主缆，主缆尾部经转索鞍后索股散开直接锚固于边跨主梁端部的主缆锚固块 上，在主缆上安装吊杆索夹，安装吊杆；

步骤六，吊装中跨主梁，中跨主梁的梁段间进行临时铰接，主缆施加给 边跨主梁的水平分力通过塔梁临时锚固装置传递给桥塔承担；同步对边跨主 梁段上的吊杆进行首次张拉，并按控制目标顶推主索鞍，用于平衡部分主缆 的力；

步骤七，中跨主梁的梁段全部吊装完成后，调整中跨主梁的线形至目标 标高，梁段焊接成中跨主梁整体；

步骤八，拆除塔梁临时锚固装置，具体操作过程如下所述：再次启动千 斤顶，使得千斤顶的端部顶在第一格栅架的端面上，形成预支撑，卸掉内筒 端部的力，启动电机反转，内筒相对于外筒转动式回缩，回缩完成后，再卸 掉千斤顶的力，由于中跨主梁施工已经完成，主缆施加给边跨主梁的水平分 力由桥塔转移给中跨主梁承担；

移走内筒和外筒组成的可伸缩套筒，拆除第一格栅架和第二格栅架；

步骤九，主缆防腐施工，拆除猫道，对边跨主梁段上的吊杆进行第二次 张拉，使主缆线形及受力与控制目标相吻合；

步骤十，拆除边跨临时支墩或支架，进行桥面铺装施工，完成全桥施工。

如上所述的桥塔上设置有用于限定塔梁临时锚固装置上下两侧的一对竖 向限位块。

本发明的方法与现有的方法相比，具有如下有益技术效果：

(A)该吊装施工工艺不影响航道正常通航秩序的前提下，节省了干扰费， 减少了风险因素，施工工艺简单可靠，施工方便，施工进度快，造价经济。

(B)不需要设置巨大的临时锚碇，克服地质状况不良的地段无法建造大 体积锚碇的缺点，同时加快工期，降低投入，节省成本。

(C)塔梁临时连接装置构造简单，施工方便，避免锚固点的转移，降低 施工风险。

(D)桥塔主墩抗推刚度大，能够平衡较大的主缆水平力，适用更大的跨 径。

附图说明

图1是塔梁临时锚固装置的俯视结构示意图。

图2是塔梁临时锚固装置的主视结构示意图。

图3是第一格栅架和/或第二格栅架的结构示意图。

图4是传力撑的整体结构示意图。

图5是传力撑的局部剖结构示意图。

图6至图10是大跨度自锚式悬索桥吊装施工方法过程示意图。

图中各个标号的含义为：1-桥塔，2-边跨主梁，3-中跨主梁，4-第一预埋 钢板，5-第二预埋钢板，6-第一格栅架，7-第二格栅架，8-传力撑，(8-1)- 内筒，(8-2)-外筒，(8-3)-涡轮环限位套，(8-4)-涡轮环，(8-5)-电机，(8-6) -凸缘，(8-7)-凹槽，(8-8)-千斤顶，(8-9)-钢架，(8-10)-油管进出口，9- 塔梁临时锚固装置，10-竖向限位块，11-桥墩基础，12-边跨桥墩，13-边跨临 时支墩或支架，14-主梁钢混结合段，15-主缆，16-主缆锚固块，17-吊杆索夹， 18-吊杆，19-梁段。

以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细地说明。

具体实施方式

双塔三跨自锚式悬索桥往往中跨起跨越航道或路面交通的作用，边跨起 连接引桥的作用。针对上述特点，本发明提出一种边跨支架现浇，中跨吊装 的施工工序，同时发明一种塔梁临时连接装置来解决主缆水平力的平衡问题。 该塔梁临时连接平衡装置较上述方法①而言无需设置临时地锚体系，无需采 用拉索进行锚固点的转移，能降低施工投入，加快工期，降低风险。较上述 方法②而言，利用现有桥塔的主墩来平衡主缆水平力，主墩是全桥尺寸最大 的墩，较边墩尺寸大的多，刚度大的多，平衡的水平力也就大的多，从而比 方法②适用跨径更大，施工风险更小。

遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发 明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均 落入本发明的保护范围。

实施例1：

本实施例给出一种塔梁临时锚固装置，包括预先设置在桥塔1侧壁上靠近 中跨侧的第一预埋钢板4，预先设置在边跨主梁2侧壁上靠近边跨侧的第二预 埋钢板5，第一预埋钢板4上固定安装有第一格栅架6，第二预埋钢板5上固定 安装有第二格栅架7，第一格栅架6和第二格栅架7的轴向中心线在同一条与边 跨主梁2车辆行驶方向平行的轴线上，使得第一格栅架6的一个端面和第二格 栅架7的一个端面相对设置，形成传力撑8的作用面；

第一格栅架6和第二格栅架7相对设置的两个端面之间通过传力撑8支撑 传力，在施工过程中将边跨主梁2上承受的水平力传递给桥塔1；

所述的传力撑8包括内筒8-1和外筒8-2，内筒8-1和外筒8-2之间通过螺纹 副连接实现转动式伸缩；

外筒8-2上通过涡轮环限位套8-3安装有涡轮环8-4，涡轮环8-4通过安装在 外筒8-2外壁上的电机8-5带动下以外筒8-2的中心轴为中心在涡轮环限位套 8-3内转动；

涡轮环8-4的内侧上对称设置有伸出涡轮环限位套8-3的凸缘8-6，内筒8-1 加工有外螺纹的外壁上沿着轴向加工有与凸缘8-6配合的凹槽8-7，凸缘8-6嵌 入在凹槽8-7内，内筒8-1在涡轮环8-4的带动下相对于外筒8-2转动式伸缩，在 内筒8-1相对于外筒8-2轴向伸缩过程中凸缘8-6沿着凹槽8-7轴向运动；

由内筒8-1和外筒8-2组成的可伸缩套筒内安装有千斤顶8-8，千斤顶8-8的 一端固结在外筒8-2远离内筒8-1的端部设置的钢架8-9上，千斤顶8-8的油管通 过设置在外筒8-2侧壁上的油管进出口8-10进入外筒8-2内部；

千斤顶8-8用于辅助内筒8-1和外筒8-2承受第一格栅架6和第二格栅架7之 间的水平力。

所述的桥塔1上设置有用于限定塔梁临时锚固装置9上下两侧的一对竖 向限位块10。

实施例2：

本实施例给出一种采用实施例1所述的塔梁临时锚固装置的大跨度自锚 式悬索桥吊装施工方法，该方法在施工过程中通过塔梁临时锚固装置将边跨 主梁2上承受的水平力传递给桥塔1，该施工方法适用于边跨主梁2为混凝土主 梁，中跨主梁3为钢主梁的双塔三跨自锚式悬索桥结构，具体包括以下步骤：

步骤一，对桥梁的桥塔1的基础进行地基处理，施工桥墩基础11、桥塔1 及边跨桥墩12，如图6所示；

步骤二，搭设边跨临时支墩或支架13，在边跨临时支墩或支架13上现浇 混凝土主梁，张拉预应力钢束，完成边跨主梁2施工；

步骤三，支架上安装主梁钢混结合段14，张拉相应的预应力钢束；

步骤四，安装桥塔1与边跨主梁2的塔梁临时锚固装置9，进行塔梁临时 连接，具体步骤如下所示：

步骤4.1，在桥塔2侧壁上靠近中跨侧的第一预埋钢板4上固定安装有第 一格栅架6，在边跨主梁2侧壁上靠近边跨侧的第二预埋钢板5上固定安装有 第二格栅架7，形成传力撑8的作用面；

步骤4.2，在第一格栅架6和第二格栅架7相对设置的两个端面之间安装 传力撑8，先将内部放置有千斤顶8-8的处于缩合状态的内筒8-1和外筒8-2 放置在第一格栅架6和第二格栅架7相对设置的两个端面之间，启动千斤顶 8-8，使得外筒8-2的端部顶在第二格栅架7的端面上，千斤顶8-8的端部顶 在第一格栅架6的端面上，形成预支撑；

步骤4.3，启动电机8-5，内筒8-1相对于外筒8-2转动式伸出，使得内筒 8-1的端部顶在第一格栅架6的端面上，关闭电机8-5，锁住涡轮环8-4，千斤 顶8-8卸力，实现塔梁临时锚固，如图7所示；

步骤五，架设猫道，安装主索鞍与转索鞍并调整预偏量；在猫道上架设 主缆15，主缆15尾部经转索鞍后索股散开直接锚固于边跨主梁2端部的主缆锚 固块16上，在主缆15上安装吊杆索夹17，安装吊杆18，如图8所示；

步骤六，吊装中跨主梁3，中跨主梁3的梁段19间进行临时铰接，主缆15 施加给边跨主梁2的水平分力通过塔梁临时锚固装置9传递给桥塔1承担；同步 对边跨主梁2段上的吊杆18进行首次张拉，并按控制目标顶推主索鞍，用于平 衡部分主缆15的力，如图9所示；

步骤七，中跨主梁3的梁段19全部吊装完成后，调整中跨主梁3的线形至 目标标高，梁段19焊接成中跨主梁3整体；

步骤八，拆除塔梁临时锚固装置9，具体操作过程如下所述：再次启动千 斤顶8-8，使得千斤顶8-8的端部顶在第一格栅架6的端面上，形成预支撑，卸 掉内筒8-1端部的力，启动电机8-5反转，内筒8-1相对于外筒8-2转动式回缩， 回缩完成后，再卸掉千斤顶8-8的力，由于中跨主梁3施工已经完成，主缆15 施加给边跨主梁2的水平分力由桥塔1转移给中跨主梁3承担；

移走内筒8-1和外筒8-2组成的可伸缩套筒，拆除第一格栅架6和第二格栅 架7；

步骤九，主缆15防腐施工，拆除猫道，对边跨主梁2段上的吊杆18进行第 二次张拉，使主缆15线形及受力与控制目标相吻合；

步骤十，拆除边跨临时支墩或支架13，进行桥面铺装施工，完成全桥施 工，如图10所示。

实际算例：

本算例给出的一种如实施例1所述的塔梁临时锚固装置，采用30mm的钢 板和截面尺寸为70×70mm、厚8mm的方型钢焊接而成的第一格栅架6和第二 格栅架7尺寸为1100×2600×4100mm，两个格栅架前端面的间距为1100mm， 传力撑8的可伸缩行程为320mm，内外筒为Q345钢材，外筒8-2长度为700mm， 内筒8-1长度为800mm，内筒8-1的内外径分别为500mm、560mm，外筒8-2的 内外直径分别为550mm、610mm，其压制的螺纹间距为10mm，螺纹牙深为 10mm，采用4套150t的STQ液压千斤顶和4个Y100L-2型的电机8-5。涡轮环8-4 外齿轮和电机8-5齿轮模数均为2，压力角均为20°,齿高均为40mm；涡轮外齿 轮的分度圆直径为齿数分别为65和5。

本算例给出一种如实施例2所述的吊装施工方法，所针对的大跨度自锚式 悬索桥采用如图6至图10所示，主桥跨径布置为(75+500+75)m，主跨500m 为悬索结构体系，垂跨比f/l为1/5，主塔的高为80m，主塔对应的主墩高为17m， 钢箱梁的全宽为41.6m，中跨吊索的间距6m。桥塔主墩尺寸为 8050mm×5000mm矩形空心截面，边墩尺寸为4000mm×2800mm矩形截面。

一、极限跨径分析

对于需要“先缆后梁”吊装施工的自锚式悬索桥，在桥墩和主塔尺寸、 主缆和主梁形式等所有几何、材料、荷载参数一定的情况下，采用本发明装 置与工艺，能够明显提升极限跨径。

采用本发明所提供的塔梁临时锚固装置进行施工的自锚式悬索桥吊装施 工方法，通过有限元分析计算表明：施工短暂状况下，如果同时要求承载能 力极限状态和正常使用极限状态满足时，中跨跨径可达到504m；如果只要求 承载能力极限状态满足时，中跨可实现的最大跨径为641m。

采用相关文献介绍的墩梁临时固结类施工方法，将主缆锚固块与其下边 墩临时固结，计算分析表明：施工短暂状况下，如果同时要求承载能力极限 状态和正常使用极限状态满足时，中跨最大跨径为27m；如果只要求承载能力 极限状态满足时，中跨最大跨径为46m。

综上，对于需要采用“先缆后梁”施工的自锚式悬索桥，本发明装置及 工艺能够充分释放桥塔的承载潜能，从而明显提升极限跨径。

二、力学核算：

1、内外筒强度验算：

内筒内径50cm,外径56cm，高度80cm；外筒内径55cm，外径61cm，高 度79cm；内外筒螺纹深度均为1cm；通过边跨主梁传递的主缆水平合力为 91030.94KN，由四套本装置承担，每套装置需承担的水平力F＝91030.94÷ 4＝22757.735KN

内外筒均采用Q345钢材，轴向容许应力[σ]＝200MPa

内外筒除去螺纹、开口后的最小净截面面积分别为：

a)内筒外侧有4个齿槽，开孔深度1cm，长度4cm，故：

A_内＝[(56-1)²-50²]×π-4×(4×1)＝1633.34cm²

b)外筒在千斤顶进油孔直径8cm，故

A_外＝[61²-(55+1)²]×π-8×5＝1797.83cm²

内外筒最小截面面积为：

A_min＝A_内＝1633.34cm²

单个内外筒装置可承受的轴向荷载为：

N＝1633.34×10²×200×10^-3＝32666.72KN>F＝22757.735KN

所以，内外筒的承载力满足要求。

2、螺纹验算：

A、自锁性验算：

内筒外侧、外筒内侧的螺纹为均为等腰梯形，牙型角α＝30°，螺距 P＝1cm，线数n＝1,导程：L＝nP＝1cm，中径d₂＝55.5×2＝111cm，,

螺旋升角升角

查得，钢材的摩擦系数f_S为0.11～0.17，启动时取最大值，运转中取最小 值。

启动时，

运转中，

所以，自锁性满足要求。

B、螺纹牙的强度校核：

一般情况下，内螺旋的强度低于外螺旋，所以只需要验算外筒内侧的螺 纹牙强度即可，最不利截面为螺纹牙根处截面，只需要验算该截面的强度。

①危险剖面的抗剪强度验算：

公称直径d＝2×55.5＝111cm，b＝0.7579cm，此装置中，内外筒的旋合 圈数z至少为18圈。查得，Q345的[T]＝120MPa

$T=\frac{F}{\mathrm{\pi dbz}}=\frac{22757.735}{\pi \times 111\times 0.7579\times 18}\times 10=47.64\mathrm{MPa}<\left[T\right]=120\mathrm{MPa}$

所以，螺纹牙的抗剪强度符合要求。

②危险截面的抗弯强度验算：

h＝1cm，查得，Q345的[σ]_w＝210MPa

${\sigma }_w=\frac{3\mathrm{Fh}}{{\mathrm{\pi db}}^{2}z}=\frac{3\times 22757.735}{\pi \times 111\times {0.7579}^2\times 18}=186.13\mathrm{MPa}<{\left[\sigma \right]}_w=210\mathrm{MPa}$

所以，螺纹牙的抗弯强度符合要求。

综上，1)、2)知，螺纹牙的强度满足要求。