外海V構施工扣掛式支架系統研究

李拔周，阮明華

(1.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，湖北 武漢 430040； 2.海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430040； 3.交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心，湖北 武漢 430040)

1 工程概況

中馬友誼大橋是中馬雙方領導人共同商定的大型工程，是馬爾代夫政府和人民關心、關注的民生工程，也是踐行“一帶一路”倡議的重點工程。作為“中馬友誼大橋”，其實施對促進中馬兩國關系、促進馬方社會經濟發展意義重大。

該大橋位于馬爾代夫北馬累環礁(North Malé Atoll)，跨越 Gaadhoo Koa 海峽，連接環礁上馬累島、機場島(瑚湖爾島)和胡魯馬累島3個相鄰島嶼，是馬爾代夫最重要的島嶼連接線工程。

因大橋跨越海峽，主墩水深最大達46m。施工區域潮汐為正規半日潮。橋位附近實測最大垂向平均流速為3.85m/s。6—10月涌浪波高較大，主橋區20年一遇1%的最大波高 4.88m，引橋區最大波高6m，11月至次年5月涌浪波高較小，平均周期8～14s。大橋總體布置如圖1所示。

圖1 中馬友誼大橋總體布置

大橋總長度為1.39km，橋梁跨徑布置為18×30m(引橋)+(100m+2×180m+140m+100m+60m)(主橋)+3×30m(引橋)。

主橋為6跨混凝土梁+結合梁的混合梁V形墩剛構橋，橋長760m；引橋為30m預應力混凝土I形梁橋，橋長630m；兩側接線長610m(見圖2)。

圖2 中馬友誼大橋主橋總體布置(單位：m)

主橋19～21號墩采用箱形V形墩構造，19，21號V構長34m，C55海工混凝土1 764m3；20號墩V構長38m，C55海工混凝土1 910m3。V構結構如圖3所示。

圖3 V構結構(單位：m)

由此可知，V構施工的主要特點如下。

1)V構處于深海環境，最大水深達46m，傳統的落地支架無法實現。

2)V構處涌浪大，最大涌浪達5m左右。

3)V構體量大，最大長度達38m，混凝土1 910m3。

4)V構受力情況復雜，施工過程中易產生裂紋，施工控制要求高。

5)V構所處的高溫、高濕、高鹽環境，對混凝土結構的防腐提出極高要求。

V構所處的施工環境特點決定了其特殊的支架結構和施工工藝，目前尚無類似成功經驗可參考。

2 總體施工工藝研究

2.1 節段劃分

由于V構體量大，加之海上混凝土澆筑能力限制，無法一次將V構澆筑完成，需將V構分解成若干節段分次進行施工。根據V構結構形式，進行了3種不同節段劃分形式的比較，第1種是斜腿垂直分段，第2種為斜腿豎直分段，第3種為斜腿水平分段。斜腿垂直分段方案在模板通用性、節段定位、鋼筋布置和外觀質量保證方面存在顯著優勢，因此采用該分段方案，具體分段如圖4所示。

圖4 斜腿分段

2.2 澆筑順序研究

根據V構節段劃分情況，對不同的澆筑順序進行比較，對比其在工期方面的差異。根據圖4所示節段編號，常規的施工順序應為1→2→3→4→5，每個節段澆筑完成后都需等待混凝土強度達到要求后方可進行下一節段施工。4號節段混凝土方量比3號節段大得多，因此，澆筑4號節段工況對支架的影響比澆筑3號節段要大。

要壓縮施工工期，必須減小相鄰兩節段之間的等待時間。3號和4號節段作為V構上、下部施工界面的轉換分界點，對它們的澆筑順序進行對比研究。若先澆筑3號節段，由于4號節段對支架的影響比3號節段大，若壓縮3號節段混凝土等強度時間，則3號節段開裂的風險較大。反之，若先澆筑4號節段，混凝土初凝后等待一定時間立刻進行3號節段混凝土澆筑，則4號節段開裂的風險相對較小。因此，通過優化分析最終確定澆筑順序為1→2→4→3→5。

3 扣掛式支架系統研究

3.1 傳統施工方法

目前，國內針對混凝土結構的V形墩施工常規的方法有支架法、T型吊架法和勁性骨架法。這些施工方法適用于施工環境較好或斜腿自重較小的V形墩[1-2]。對大型V形墩可采用豎向支撐+水平預應力索組合的支撐體系，如圖5所示。該施工方法的缺點是需在混凝土梁上設置埋件或對拉預留孔，一方面會對其中的鋼筋布置產生影響，同時也不利于結構的防腐蝕控制，此外，還不利于中間系梁的施工模板布置[3]。

圖5 豎向支撐+水平預應力索組合法

3.2 方案比選

為了適應外海V構所處的環境，同時考慮滿足結構的施工控制和防腐蝕要求，利用有限的空間，提出3種能滿足V構施工受力要求的支撐系統方案。

如圖6所示扣塔式斜拉扣掛系統，在承臺上主梁兩側搭設2支扣塔，在扣塔上設置拉索，連接斜腿底模支撐系統，該方案的主要缺點是支架側向剛度相對較差，對施工控制要求高，混凝土開裂風險相對較大。

圖6 扣塔式斜拉扣掛系統

如圖7所示鋼管支架+主桁扣掛系統，在V構三角區搭設鋼管支架，在鋼管支架上設置拉索，連接斜腿底模支撐系統，同時，在支架頂的4號節段上拼裝掛籃的主桁架，在主桁架和斜腿底模支撐系統之間設置拉桿連接，該方案的優點是充分利用了掛籃結構，缺點是4號節段底面為弧面，施工過程中若存在不平衡荷載極易產生偏位，不利于施工控制。

圖7 鋼管支架+主桁扣掛系統

扣掛式支架系統如圖8所示，采用鋼管支架結構(桁架結構)，利用有限的空間獲得較大剛度，與斜腿底模支撐系統之間通過拉索連接，共同形成V構施工的全部支撐系統。這既解決了斜腿和系梁的支撐問題，又解決了主梁防腐、防裂問題，同時施工控制也較為簡便。

3.3 扣掛式支架系統

扣掛式支架系統克服了在墩身兩側打樁設置豎向支撐的難題，在承臺頂V構三角區設置鋼管支架，支架需直接承受系梁施工荷載，斜腿的施工荷載也通過扣掛式拉索傳遞至鋼管支架。扣掛式拉索設置測力及張拉裝置，采用千斤頂調節索力，在千斤頂下方設置測力裝置，實時監控拉索上的索力，并根據需要進行調整，有效控制斜腿開裂風險(見圖9)。

圖9 扣掛式支架系統斷面

4 施工控制分析

采用MIDAS Civil軟件建立全橋模型，樁基、承臺、主梁、支架、模板等結構構件均采用梁單元進行模擬，扣索采用只受拉桁架單元進行模擬(見圖10)。依據支架及模板設計圖紙，對模型中V構處支架、扣索及模板進行細化。

圖10 整體計算模型

樁基邊界采用設計給定的嵌固長度進行固結，樁基與承臺剛性連接，支架、底模與承臺剛性連接，V構合龍段與斜腿之間剛性連接，主梁與支架間采用僅受壓彈簧進行模擬，斜腿與底模間采用只受壓彈簧進行模擬，斜腿節段澆筑過程采用釋放縱向彎曲約束進行模擬。

模型荷載主要考慮掛籃空載、混凝土梁段自重、懸臂不平衡澆筑荷載、溫度荷載及風荷載。通過V構施工全工況計算分析，實際為對稱施工，因此不考慮不平衡澆筑荷載影響，V構斜腿上、下緣應力隨施工階段變化如圖11所示，從V構施工至最大懸臂期間，斜腿上、下緣均基本處于受壓狀態，最大拉應力為0.3MPa。自重、掛籃和臨時預應力荷載作用下，扣索1最大索力為1 758kN，出現在V構節段1澆筑期間；扣索2最大索力出現在扣索1卸載階段，最大索力為1 643kN；扣索3最大索力為1 399kN，出現在扣索2卸載階段。

圖11 V構斜腿應力隨施工階段變化曲線

考慮極端情況下，考慮風、溫度、不平衡澆筑等不利荷載作用，V構根部最小壓應力儲備為1.06MPa，未出現拉應力情況，V構不出現開裂，如圖12所示。

圖12 V構根部最不利壓應力儲備

支架拆除前后，V構斜腿最小壓應力儲備為0.5MPa，未出現拉應力情況(見圖13)。

圖13 V構斜腿最不利壓應力儲備

考慮風、溫度、不平衡澆筑等不利荷載作用，V構支架最大拉應力為122.8MPa，最大壓應力為179.1MPa，如14所示，支架結構受力滿足要求。

圖14 V構支架應力云圖

通過對扣掛式支架本身和施工過程中的結構進行分析，支架結構和V構本身受力均滿足規范與使用要求。同時，在V構體內設置施工臨時預應力系統，保證V構根部及斜腿具有充分的壓應力儲備，不會出現開裂風險，從而可有效提高結構耐久性[4-6]。

5 結語

長周期大涌浪海域V構施工的支架系統充分利用承臺上有限的空間滿足了V構施工受力要求。支架系統不僅直接滿足了系梁施工，還間接滿足了斜腿的受力要求。克服了受V構周邊環境影響的限制，縮短了工期和降低了成本。扣掛式拉索上設置了測力和張拉裝置，便于施工控制，確保了混凝土施工期無裂縫產生，滿足大橋結構在高溫、高濕、高鹽環境下的防腐要求，提高了施工質量。隨著我國“一帶一路”倡議的深入推進，類似的海上橋梁會越來越多，該支架系統的成功應用為國內外類似橋梁的施工提供了更多思路。