云桂鐵路南盤江特大橋扣錨索系統施工設計

樊秋林

(中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

1 概述

1.1 工程設計概況

南盤江特大橋全長為852.430 m，引橋及主橋拱上梁孔跨布置為:3-42 m簡支變截面連續梁+(60.9 m+104 m+60.9 m)預應力混凝土剛構 +8-39.5 m預應力混凝土簡支梁+2×60.9 m預應力混凝土T構+1-43.7 m預應力混凝土簡支梁，主橋采用單跨416 m上承式鋼筋混凝土拱橋。如圖1所示。

圖1 南盤江特大橋橋跨總體布置(單位:m)

主橋為1孔凈跨416 m的上承式鋼筋混凝土拱橋，拱圈為懸鏈線，拱軸系數 m=1.8，矢高99 m，矢跨比為f/L=1/4.2。拱圈采用單箱三室的等高變寬箱形截面，高8.5 m，寬度從拱頂至拱腳18～28 m變化(兩端變寬段水平投影長均為65 m);拱箱中間箱室采用9.80 m 等寬截面，左右兩個邊箱 3.5～8.5 m 變化(等寬段水平投影長度286 m)，外包C60混凝土;拱上為2聯4×39.5 m連續梁;勁性骨架采用雙幅四管變截面鋼管桁架組合結構，除1 m合龍段外分38個吊裝節段(每半跨拱肋分19個吊裝節段)，單節長約12 m，高7.5 m，節段最大質量近130 t。拱圈截面如圖2所示。

圖2 拱圈截面布置(單位:cm)

1.2 地質和氣象概況

2 勁性骨架安裝及拱圈混凝土外包總體方案

2.1 勁性骨架安裝

勁性骨架3+1匹配制造經檢驗合格后運輸至纜索吊鉤下，利用纜索吊吊運至安裝位置后逐段對稱斜拉扣掛懸臂拼裝，所有懸臂勁性骨架節段安裝完成后，在拱軸線與設計值達到最佳吻合時進行合龍。施工步驟如下。

第一步安裝第1節段勁性骨架，就位后對稱安裝并張拉扣索S1，同步安裝并張拉對應錨索;第二步安裝第2節段勁性骨架，就位后應及時采用外法蘭高強度螺栓連接，在后一拼裝節段扣索張拉后，根據監控監測結果調整線形后對接頭進行焊連;重復前述工序，直至完成安裝第19節段勁性骨架，對稱安裝并張拉相應的扣索和錨索，所有懸臂勁性骨架節段安裝完成，等待合龍。骨架合龍采用強制合龍，在清晨氣溫穩定時，通過扣索調整合龍口長度、角度、高程至可以連接法蘭螺栓，安裝嵌填管至合龍口，并將管口與弦管管口施焊，完成勁性骨架的合龍。

勁性骨架所有節點連接完成且經檢驗合格后從上至下分級、對稱、均衡的放松扣索。

2.2 拱圈外包混凝土施工

待勁性骨架合龍后，由上到下依次拆除勁性骨架扣索，按照先下弦、后上弦，先外側、后內側的順序，采用頂升法壓注鋼管內混凝土。待混凝土強度達到設計強度后進行外包混凝土施工，全拱共分為6環(圖3)，分別為:邊箱底板、邊箱下腹板、邊箱上腹板、邊箱頂板、中箱底板、中箱頂板。每環單側分為3工作面9個節段澆筑，節段劃分見圖5。每環每次澆筑3個節段，3次澆筑完成。施工順序:張拉扣索 S1’、S2’和相應錨索，支架澆筑拱腳實體段;每環澆筑的節段順序為:節段 7、節段 1、節段 4，節段 8、節段 2、節段 5，節段 9、節段3、節段6，同一批次澆筑的3個節段混凝土必須在混凝土達到終凝之前全部澆筑完成;邊箱形成后拆除扣索S1、S2和相應錨索;按照與邊箱相同的順序，每側分3個工作面依次澆筑中箱底板與頂板，拱圈全斷面形成。

圖3 拱圈外包混凝土分環澆筑劃分

3 扣錨索系統施工設計總體思路

扣、錨索系統由扣塔、扣點、扣索、錨索及其錨碇系統組成。扣塔分別由主體5號、6號交界墩、0號段及其上部鋼扣塔組成;扣點利用Q345B鋼板在勁性骨架上弦管節點位置焊接而成，銷軸采用調質處理的Cr40鋼;扣錨索均采用 7φ5 mm(φj15.24 mm，Rby=1 860 MPa)鋼絞線束，張拉端采用OVM250K型防松錨具，錨固端采用OVM.P15固定端P型錨具;錨碇系統采用巖錨和樁基承臺錨碇兩種形式，充分利用現有的交界墩、0號段和主體樁基承臺及邊坡地形和地質條件，在交界墩、0號段空心箱體內設置張拉扣錨索錨塊，主體工程的樁基承臺作后錨碇、邊坡上設置巖錨。勁性骨架安裝階段扣錨索系統總體布置如圖4所示。

圖4 勁性骨架安裝階段扣錨索系統總體布置(單位:cm)

4 扣錨索系統施工設計

4.1 扣索

本橋在勁性骨架吊裝階段共設置扣索40束(南寧側、昆明側各20束)，扣索均由1860型 φj15.24 mm鋼絞線組成，扣索錨固端采用 OVM.P15型錨具進行錨固，其中扣索 S1～S4錨固于交界墩箱體內，S5～S10錨固于塔架錨梁上;拱圈混凝土外包階段共分別設置8束扣索和錨索，分別錨固在0號段和4號墩、7號墩上。

4.1.1 勁性骨架安裝階段控制索力確定

主要基于以下原則:控制索力最大值不能超過扣索容許值，對鋼絞線，扣索容許索力值一般取其40%破斷力作為其容許值，即有2.5倍的安全系數;施工時，考慮后續節段安裝對該扣索影響;控制索力與節段預抬高量相協調，使最終松扣后的拱肋線形與裸拱一次成拱的線形接近。

本橋采用MIDAS/Civil橋梁專業軟件進行索力計算原理:基本假設拱腳處先為鉸接，合龍后為固結，扣索與扣塔為剛性連接，且塔架無位移，模型計算根據基本假設和上述基本原理;將計算后續節段影響的索力增量值與扣索索力值相加，作為承受下一個節段安裝時該扣索總索力值，多次計算，就可以計算出合龍時各扣索的最大索力值，即控制索力值;在模型中，扣索采用索單元，其他構件均采用分段直梁單元來模擬。具體各扣索參數詳見表1。

4.1.2 拱圈混凝土外包階段控制索力確定

在合龍后的勁性骨架上澆筑混凝土形成拱圈過程中應力大、變形大、危險大，原因是混凝土作為荷載比橋建成后的活荷載大十幾倍，而承載構件弱，采用拱圈混凝土斜拉扣掛+分環分段組合法模注能有效解決降低每環澆筑應力和變形，如圖5所示。

表1 勁性骨架安裝階段單肋扣索參數

主要基于以下原則:外包混凝土施工時，通過斜拉扣索調整使鋼管和鋼管混凝土應力和變形得到有效控制;扣點的選擇根據控制截面內力影響線確定，對稱設置在拱腳區段的29號和33號節點上;根據應力超標截面的受力，計算扣索組的數量。

圖5 拱圈混凝土外包階段扣錨索系統總體布置(單位:cm)

采用MIDAS/Civil橋梁專業軟件進行索力計算原理:基本假設拱腳處為固結，扣索與扣塔為剛性連接，且塔架無位移。模型計算根據基本假設和上述基本原理;計算采用應力疊加法，分析施工過程中的結構控制截面應力及扣索索力調整。根據有限元模型分環分段施工過程仿真計算分析，在拱腳底部5 m實心段支架法澆筑之前張拉8組初始索力(每組索力1 000 kN)能有效的將后續施工工況中的鋼管和鋼管混凝土的應力和變形控制在規范以內，同時在后續工況中隨著拱圈荷載的增加，變形增大，扣索索力也會增大至最大值(即控制索力)，見表2。

表2 拱圈混凝土外包階段扣索參數

4.2 錨索

在勁性骨架吊裝及外包混凝土階段，以交界墩墩頂位移不大于30 mm、墩底不出現拉應力為依據，確定扣塔所能承受的不平衡水平荷載，為基本平衡在此狀態下扣索產生的水平力，對錨索索力進行計算。

根據表1、表2中扣索索力計算結果，確定了錨索型號及控制索力。經計算，勁性骨架安裝階段單束錨索安全系數最小值為2.56＞2.5，混凝土外包階段單束錨索安全系數為3.3＞2.5，均滿足規范要求。

4.3 扣塔

扣塔設置分上下兩部分:下部分為交界墩及其上連續剛構的0號段，上部分為鋼塔架及錨梁。

4.3.1 5號、6號交界墩及其上0號段作扣塔

交界墩設置在拱座上，高102 m，中間設置4處空心段，為滿足勁性骨架吊裝和拱圈混凝土外包階段扣錨索張拉端張拉空間和豎向、橫向偏角要求，分別設置扣索S1～S4、錨索 MN(K)1～MN(K)4錨塊和扣索S1'(S2')、錨索MN(K)1'(MN(K)2')錨塊，錨塊均采用C40混凝土。其中錨塊 1(尺寸為 3.6 m×2.4 m×1.23 m)立面布置如圖6所示。

圖6 錨塊1立面(單位:mm)

4.3.2 鋼塔架及錨梁作扣塔

鋼塔架固定于連續剛構0號段上，錨梁分兩層焊接于鋼塔架上，鋼塔架單鋼管立柱由4根φ32 mm精軋螺紋鋼將0號塊和塔架連接固定，塔架高15.1 m，寬15 m，為雙立柱桁架結構。塔架主要由桁架立柱、上桁架組成，其中桁架立柱部分的鋼管立柱直徑為1 000 mm，橫向、斜向連接φ300 mm的鋼管，上桁架上橫梁采用雙槽鋼焊接，材質均為Q235鋼材，上桁架縱梁、橫縱向連接及張拉錨梁均為Q345B鋼板焊接成的箱形結構組成。鋼塔架和錨梁布置見圖7。

圖7 錨梁立面布置(單位:mm)

4.4 扣點

扣點利用Q345B鋼板在勁性骨架上弦管節點位置焊接而成，銷軸采用調質處理的Cr40鋼材。根據勁性骨架等寬段和變寬段的不同形式，在對鋼管拱扣點進行設計時，將變寬段內、外側拱肋扣點和等寬段拱肋扣點分類進行了設計，等寬段勁性骨架扣點布置見圖8。

4.5 錨碇系統

錨碇分為巖錨和樁基承臺錨碇2種，其中巖錨共有8個，分別為1～4號錨碇(橋軸線兩側對稱布置);樁基承臺錨碇共5個，分別為3號墩、4號墩、5號拱座、7號墩、8號臺。

圖8 扣點立面布置(單位:mm)

4.5.1 巖錨

巖錨設置在地質條件較好的昆明側拱座邊坡上，主要由鋼筋混凝土梁、預應力錨索、錨筋、錨塊、錨座和錨箱組成。巖錨1布置見圖9。

圖9 巖錨布置(單位:mm)

鋼筋混凝土梁采用C30混凝土，厚度均為2 m。

預應力錨索均采用8束(每束錨索由6根1 860 MPa型7φ5 mm鋼絞線組成)拉力分散型布置，依據預應力錨索鋼絞線自身抗拉強度安全系數大于1.6，鎖定單束錨索的錨固力為900 kN，根據錨索設置位置的巖石性質，通過計算，錨固段在W2地層中的錨固深度不得小于10 m，單束預應力錨索的埋深35 m。

錨筋采用φ32 mm精軋螺紋鋼，錨筋墊板錨固于鋼筋混凝土梁的深度不小于1.5 m。單個錨座下布置6根精軋螺紋鋼，單根錨筋初始張拉力設定為400 kN，考慮初張拉的要求，需在錨筋墊板至混凝土邊緣范圍內對錨筋外套φ50 mm的波紋管。

錨塊采用C30混凝土，為滿足錨塊局部承壓的要求，在錨塊混凝土內設置了5層鋼筋網。錨塊與錨座接觸面上設置鋼墊板。

錨座和錨箱均由Q345B鋼板焊制而成，鋼板之間采用不小于10 mm的連續角焊縫進行焊接。錨座與錨箱之間采用Cr40調質鋼材銷軸連接。

4.5.2 樁基承臺錨碇

考慮南寧側地質條件差和主體工程永臨結合的原則，利用南寧側3號、4號、5號墩及昆明側7號、8號墩臺的樁基承臺作錨碇。樁基承臺錨碇由樁基、承臺、錨塊、錨筋、錨座及錨箱組成。其中3號樁基承臺錨如圖10所示。

3 號墩承臺尺寸為 16.5 m×9.3 m×3.5 m，樁基共10根，單樁長47 m，錨固于此承臺上的錨索為MN9～MN10分2層布置，其中MN10布置在上層，MN9布置在下層，經計算受力此樁基承臺錨碇滿足抗傾覆、抗拔及抗滑移的安全系數要求。4號墩和8號臺錨碇為滿足受力要求，利用原有的樁基承臺均加樁6根和橫橋向加寬承臺6 m進行加強，確保結構安全。錨塊、錨筋、錨座和錨箱結構與巖錨基本相同。

圖10 3號樁基承臺錨碇布置(單位:mm)

5 結語

扣錨索系統施工設計充分利用了主體工程結構和現有的地形地質條件設置扣塔及錨碇，有效地發揮了扣錨索預應力材料受力大，結構輕巧，便于施工的特點。利用扣錨索系統進行勁性骨架斜拉扣掛懸臂拼裝、拱圈混凝土斜拉扣掛+分環分段組合法模注，改變了傳統的少支架法施工工藝，很好地解決了高山深谷地形條件下大高差、大跨度、大噸位勁性骨架及拱圈混凝土的快速施工。既安全又經濟，為后續類似橋梁施工提供了寶貴經驗。

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