非對稱斜拉扣掛施工可行性分析及初步設計

李哲+陳圓圓+孫克強

摘 要：斜拉扣掛法施工屬于拱橋無支架纜索吊裝法的一種，扣索多為對稱布置。西芹大橋為主跨230m的下承式簡支拱橋，受環境、地理條件影響，需采用非對稱斜拉扣掛體系施工。本文以西芹大橋為依托，介紹了非對稱斜拉扣掛法拱肋施工可行性分析及初步設計，為類似工程提供參考。

關鍵詞：拱橋；非對稱斜拉扣掛；可行性分析；初步設計

中圖分類號：U445 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）05-0060-03

1 引言

斜拉扣掛法懸拼施工是一項較為成熟的施工方法，自90年代中期以來，已在國內多座橋梁建設中得以應用。以往工程采用斜拉扣掛法施工時，為了避免不平衡力的影響，扣索多設計為沿跨中對稱的形式。西芹大橋由于受環境因素影響，水中支架無法施工，又由于岸側道路、山體位置的限制，因此選擇非對稱布置的斜拉扣掛體系進行施工。本文以西芹大橋為依托，針對這種較少見的非對稱扣掛體系進行可行性分析及結構初步設計。

2 工程簡介

西芹大橋主橋為下承式簡支拱橋，拱肋箱型截面采用提籃形式，主跨為230m，矢高38m，矢跨比1/6.05；縱梁采用鋼結構，箱型截面。鋼主梁全寬34.12m，由縱、橫梁和正交異形橋面板組成，橋型布置詳見圖1。

3 施工可行性分析

3.1 非對稱斜拉扣掛體系設計

本工程采用的非對稱斜拉扣掛體系主要包含纜索吊、錨碇、扣塔（含扣索背索）、臨時系桿（含系桿牛腿）、拱肋支架、主梁支架以及其他附屬結構。非對稱斜拉扣掛體系總體布置見圖2。

3.2 方案可行性分析

3.2.1 纜索吊起吊能力分析

目前，我國纜索吊機技術較為成熟，最大起吊重量已突破400t，本橋最大起吊重量50t，選用纜索吊機進行塊段懸拼安裝可行。

3.2.2 非對稱水平力分析

非對稱斜拉扣掛體系施工時，兩側扣索水平分力不等。經分析，在臨時系桿作用下，單邊單側拱腳仍產生近100t水平力。經設計院對永久結構計算并通過評審討論，該荷載可由墩身承擔，傳載結構為墩頂牛腿，非對稱水平力影響得以克服。墩頂牛腿結構見圖3、圖4。

3.2.3 臨時結構受力

方案可行性分析時，需對纜索吊、錨碇、扣塔（含扣索背索）、臨時系桿（含系桿牛腿、墩頂牛腿）、拼裝支架等結構進行計算，結構設計均滿足受力要求。在此列出扣塔模型計算，扣塔計算分別見圖5、圖6。

3.3 施工安排

3.3.1 總體施工概述

西芹大橋主橋鋼結構采用臨時支墩+斜拉扣掛相結合的方式進行施工，鋼結構施工采用“先拱后梁”的順序進行。其中，205國道側拱腳及近拱腳段主梁、拱肋采用臨時支架拼裝法施工，其余節段均采用斜拉扣掛法懸拼施工；南平西站側拱腳段采用臨時支架施工，其余節段均采用斜拉扣掛法懸拼施工。拱肋合龍后，拆除扣索、背索，利用纜索吊逐節拼裝主梁、安裝吊桿。主梁合龍后，拆除臨時系桿，完成體系轉換。纜索吊懸拼區施工示意圖見圖7。

3.3.2 施工流程

（1）步驟一：利用低水位時間段，進行臨時支架、扣塔、塔吊基礎施工；利用履帶吊安裝臨時支架、扣塔起始段、塔吊起始段；扣塔立柱灌注混凝土至設計標高并等強；進行后錨錨碇施工。

（2）步驟二：兩側均利用引橋作為運輸通道，借助履帶吊及塔吊，拼裝拱腳段；205國道側拼裝支架區主梁，并在其上鋪裝履帶吊型鋼軌道；后錨錨碇施工完成。

（3）步驟三：205國道側安裝拱肋支架，借助履帶吊拼裝支架區拱肋；利用塔吊接高扣塔至設計標高，接高過程同時安裝塔吊附墻、扣塔平聯。

（4）步驟四：扣塔施工完成后，進行纜索吊系統安裝，包括主索、承重索、起重索、跑車等；纜索吊系統安裝完成后，按纜索起重機設計規范對纜索吊系統進行試吊，檢驗吊裝系統可靠性。

（5）步驟五：安裝臨時系桿，此時系桿為松弛狀態；拱肋懸拼施工時，按監控要求進行張拉；拱肋塊段經南平西站側引橋運至中跨纜索吊吊裝范圍，由纜索吊起吊拱肋，水平牽引就位進行安裝。

（6）步驟六：拱肋分段吊裝，每吊裝就位一個節段，均安裝相對應的扣索、背索；塊段安裝就位后，按照監控要求，進行扣索、背索、臨時系桿張拉；按照上述步驟，逐段進行拱肋安裝，直至拱肋合龍；合龍前，應按照監控要求進行調索，拱肋線形滿足要求后，進行合龍段配切及安裝；本步驟施工期間，應根據監控要求分級、分批張拉系桿。

（7）步驟七：拱肋合龍完成，根據設計及監控要求，按順序拆除扣索、背索、拱肋支架；本步驟施工期間，調整系桿索力，安裝吊桿。

（8）步驟八：安裝南平西站側縱梁、橫梁，張拉吊桿，并按對稱原則張拉205國道側吊桿，實現主梁逐級落架。利用纜索吊對稱拼裝縱梁、橫梁，張拉吊桿、直至合龍。

（9）步驟九：主梁合龍后，拆除臨時系桿，完成體系轉換，主橋鋼結構施工完成。

4 主要結構初步設計

4.1 纜索吊設計

纜索吊主要由主承重索（后簡稱主索）、起重索、牽引索、支索器、跑車、塔頂索鞍、錨固系統等組成。纜索吊機參數表如表1所示。

纜索吊關鍵結構設計如下。

（1）主索設計。纜索吊左、右幅各布置一組主索，每組主索由6根φ48鋼絲繩組成。每根主索一端采用錨頭連接，另一端采用繩夾連接，待線形調整完成后，在錨固端采用鎖緊裝置將各根鋼絲繩進行鎖緊。

（2）起重系統設計。纜索吊左、右幅各設置一套起重系統，單套起重系統由2臺起重小車，2根起重索和2臺10t起重卷揚機組成，起重索采用φ32mm鋼絲繩走4線，一端與起重卷揚機連接，另一端與地面錨固。起重卷揚機及固定端地錨分別布置于兩岸主索錨碇上。

（3）牽引系統設計。纜索吊左、右幅各設一套牽引系統，牽引索采用φ28mm鋼絲繩，單側走3線，采用8t牽引卷揚機。

（4）支索器設計。支索器采用等間距布置，間距約50m，起重小車單側需10個，全橋支索器數量為20個，支索器采用1根Φ16防扭轉鋼絲繩定位。

（5）起重、牽引卷揚機。纜索吊起重卷揚機、牽引卷揚機均采用變頻調速卷揚機。起重卷揚機采用10t變頻調速卷揚機，全橋共4臺。牽引卷揚機采用8t變頻調速卷揚機，布設在主索錨碇上，全橋共4臺。

（6）信息監控系統設計。利用成熟的自動控制技術和計算機網絡技術，通過智能信息監測控制系統，使纜索吊裝系統的運行狀況能夠在電腦上直觀反應，便于施工控制。系統能夠實現單臺或多臺卷揚機的鋼絲繩張力、速度、行程等監測和調控功能，減少多臺卷揚機協同作業的張力、速度和行程等同步控制誤差。

4.2 錨碇設計

主索錨固于錨碇上，利用承臺和樁基作為主要承載結構，在錨碇承臺上埋設精軋螺紋鋼筋，在承臺前斜面安裝錨固滑輪，形成主索錨固系統。每組主索、纜風索、起重索及牽引索均錨碇于同一樁錨結構中。樁基采用直徑1.8m的鋼筋混凝土灌注樁，樁間距橫橋向4.0m，縱橋向4.0m，樁長205國道側17.5m，南平西站側14.5m，承臺采用C40混凝土，樁基采用C30混凝土。

4.3 扣塔設計

扣塔是扣索的支點，扣塔立柱柱底入巖，柱腳灌注混凝土做栽樁處理。扣塔總高100.91m，寬37.4m，兩岸扣塔中心距為210.45m。扣塔立柱采用φ1020×10mm鋼管，柱間連接采用φ630×8mm鋼管。扣索、背索均為1860Mpa鋼絞線拉索。

扣塔基礎采用栽樁法施工。在枯水期搶鉆沖孔，沖孔完成后，安裝起始段立柱及平聯，并灌注栽樁混凝土。基礎處理完成后，灌注鋼管內混凝土至設計標高。扣塔塔身結構在鋼結構加工場加工，現場起重拼裝。現場拼裝采用螺栓連接。塔身每安裝到一橫梁處時，應先進行橫梁連接，然后繼續安裝下一節段塔柱。扣塔拼裝起重設備采用QTZ160塔吊，塔吊隨扣塔安裝進度逐漸接高，單側塔吊共設置3道附墻，附墻與扣塔立柱連接。爬梯采用組合框架式爬梯，由專業廠家設計、加工。

4.4 支架設計

205國道側主梁支架采用鋼管貝雷結構，鋼管立柱采用φ630×8mm，起始段縱橋向2排，橫橋向設置8根，其余標準節段縱橋向3排，橫橋向4根。樁頂梁為2I40a，上方設置貝雷分配梁，貝雷在起始段設置14排，標準段橫橋向設置8排，貝雷梁上方為2I25a橫向分配梁，其上設置臨時支座和調位千斤頂，用于梁段精確調位。南平西站側起始段支架采用鋼管貝雷結構，其布置與205國道側起始段支架結構相同。

拱肋支架采用鋼管型鋼結構，在節段接縫兩側搭設鋼管立柱，立柱采用φ325×8mm鋼管，鋼管立柱上搭設2I20a橫梁，橫梁和拱肋之間采用型鋼胎架調節高程，每個拱肋節段設置兩個胎架，鋼管立柱之間采用2[14a平聯和斜撐連接為整體。

4.5 臨時系桿設計

臨時系桿采用φs15.2鋼絞線，標準抗拉強度1860Mpa，全橋數量2×10-φs15.2×22。在臨時系桿錨固位置設置系桿牛腿，系桿牛腿焊接在拱腳段外側。在墩頂設置墩頂牛腿，抵抗系桿系統水平荷載。施工時，系桿根據設計及監控要求，分批、分次張拉。

5 結語

本文針對西芹大橋特殊的環境，設計了非對稱斜拉扣掛體系，對其進行了方案可行性分析，介紹了關鍵施工流程以及主要結構的初步設計。經研究分析，非對稱斜拉扣掛體系可應用于本文依托工程，并可為類似工程提供參考借鑒。

參考文獻：

[1] 段鋆，大跨度鋼管混凝土拱橋扣掛系統研究[D]重慶交通大學碩士學位論文，2012

[2]國內最大的纜索吊機試吊成功[J] 施工技術， 2006（4）：13-13

[3] 鄭春玲，雷霆.某鋼管拱橋拱肋懸拼中的扣索計算[J] 橋梁建設 2001（4），35-37

[4] JTG/T F50-2011.公路橋涵施工技術規范[S]