懸索橋主纜錨碇前支墩支架拆除技術

朱 文，劉志林，黃舒馳

（湖北省路橋集團有限公司，湖北 武漢 430056）

0 引言

隨著我國交通行業的迅猛發展，懸索橋在橋梁建設中所占的比重越來越大［1］。錨碇是地錨式懸索橋錨固主纜索股的重要結構物，其功能是通過主纜索股錨固系統將主纜拉力傳遞給錨體，再通過錨體將荷載傳遞至基礎，最后傳至地基，從而起到平衡主纜拉力的錨固作用［2］。

重力式錨碇由錨體和錨碇基礎組成，錨體的結構一般由錨塊、散索鞍支墩、后錨室、前錨室和后澆段等組成［3］，如圖 1 所示。重力式錨碇施工一般采用支架施工法，錨碇施工完成后進行支架拆除施工，支架拆除是懸索橋錨碇施工過程中的重要環節，拆除不當會對錨碇造成不利影響。劉楠［4］利用 Midas Gen 軟件對開拓橋錨碇支架拆除前、后各部位內力進行計算，以指導后續施工。紅河特大橋錨碇支架施工采用自上而下的順序逐步拆除，在前錨室底板預埋φ110mm 的 PVC 管，PVC 管的中心線與承重梁的中心線重合，確保支架拆除的安全及支架拆除的方便［5］。由于依托的宜都長江大橋宜都側錨碇散索鞍支墩三角區空間狹窄［6］，不方便支架單根桿件拆除施工作業，同時拆除后的支架桿件無法使用起吊機械吊運至水平地面。為解決這一工程難題，技術人員自主設計了一套通過輔助平臺進行施工的解決方案，可為類似工程做參考。

圖1 錨體結構示意圖

1 工程概況

宜都長江公路大橋是宜昌至張家界公路在湖北省宜昌市境內跨越長江的通道。宜張高速公路宜昌段是湖北省“753”骨架公路網中規劃縱 6 線——鄖縣至五峰高速公路的重要組成部分，為主跨 1 000 m 的單跨懸索橋，主纜邊跨跨度分別為 276 m 和 269 m。

宜都側錨碇為重力式錨碇，錨碇基礎采用擴大基礎，平面尺寸為 101 m×71.50 m，高 8.0 m；基底標高為 37.5 m，持力層為卵石層，基底進入卵石層 2.5 m 左右。錨體長 62.65 m、寬 65.5 m，錨體頂設置卵石砂壓重塊，兼做行車道；錨體頂設置 2.5 % 的縱坡，與該段主線縱坡一致；橫向對稱橋中心線，在 33.5 m 寬的范圍內設置 2 % 的“人”字形橫坡，其余部分為平坡。

2 輔助平臺設計與計算

2.1 輔助平臺設計

鋼結構平臺自下而上布設為：C20 混凝土墊層+立柱+I16 工字鋼平連、斜撐+橫向雙拼 I 45a 工字鋼+縱向 I 45a 工字鋼+鋼軌。平臺共有 4 排鋼管立柱，2 排立柱為一組，支撐于混凝土條形基礎上，每組兩排立柱橫向中心線間距 1.5 m，兩組中心線間距 11.023 m。每組兩排立柱橫向布置 I 45a 工字鋼作為分配梁，布設于立柱頂部；每組兩排立柱間縱向布置 I 45a 工字鋼作為承重梁，布設于分配梁上部；每組兩排立柱橫向平連采用 I 16 工字鋼，布設于立柱底部；每組兩排立柱縱向平連采用 I 16 工字鋼，布設于立柱中部；每組兩排立柱斜撐采用 I 16 工字鋼，沿立柱縱向布設。鋼軌鋪設于承重梁上，兩條鋼軌對接散索鞍三角區支架最左及最右側圓鋼管立柱。鋼結構平臺構造圖如圖 2 所示。

圖2 施工平臺搭設位置三維簡圖

2.2 有限元計算

利用 midas civil 軟件分別對分塊支架與整體鋼結構平臺進行建模，計算在拆除過程中不同工況下的結構的應力、位移等指標。

2.2.1 分塊支架整體建模計算

拆除時將原有長 57 m、寬 18 m 的整塊支架拆分為 5 塊，理論長度分別為 12 m+12 m+9 m+12 m+12 m，寬度均為 18 m。在分塊支架的最左及最右排圓鋼管下設置 2 條軌道，因此對分塊支架約束最左及最右排鋼管立柱節點，驗算分塊支架在自重荷載作用下結構的強度、剛度及穩定性，確保拖拽過程中分塊支架在自重作用下不發生破壞。結構模型如圖 3 所示。

圖3 分塊支架模型總體結構圖

工況一為分塊支架僅在自重荷載作用，工況二為分塊支架整體下落時，采用千斤頂頂起支架然后切割鋼管立柱底部，再整體下放。計算結果如表 1 所示。

表1 不同工況下分塊支架整體計算結果

由表 1 可知，分塊支架在兩種工況下最大應力值分別為 27.98 MPa 與 34.83 MPa，均小于［σ］=215 MPa，各桿件強度滿足要求；結構一階屈曲模態對應的臨界荷載系數即最小穩定安全系數分別為 19.75 與 14.38，滿足要求。

2.2.2 鋼結構平臺建模計算

使用千斤頂將分塊支架拖拽至鋼結構平臺，考慮分塊支架從開始拖拽至完全擱支在鋼結構平臺上的全過程存在的幾種不利荷載工況。利用 Midas Civil 建立鋼結構平臺整體模型分別計算幾種不同工況下整體結構及各構件的強度、剛度、穩定性。對模型添加分塊支架自重荷載通過鋼軌轉化成的線荷載，結構計算模型如圖 4 所示，計算結果如表 2 所示。

圖4 鋼結構平臺模型總體結構圖

表2 各部位最大組合應力計算結果匯總

工況 1：拖拽開始分塊支架移動。千斤頂通過精軋高強鋼筋對分塊支架施加水平作用力，拖拽分塊支架發生移動，支架移動但并未進入鋼結構平臺時需對結構進行計算分析。根據施工經驗，實際現場添加的拖拽力高于理論計算值有利于施工，結構驗算時也偏于安全，因此將千斤頂作用在鋼結構施工平臺的反力提高為 200 kN。

工況 2：拖拽將要完成的臨界狀態。千斤頂通過精軋鋼筋對分塊支架施加水平作用力，存在分塊支架將要完全進入鋼結構平臺的臨界狀態，此時需對結構進行計算分析。

工況 3：拖拽完成僅有分塊支架自重荷載。此工況為拖拽完成，鋼結構平臺外部荷載僅為分塊支架自重。

計算結果表明結構各桿件材料強度均滿足設計要求，在分塊支架自重荷載作用下鋼結構平臺各桿件均不發生破壞。此時還應對結構進行屈曲分析，求得結構的一階屈曲模態對應的臨界荷載系數，判斷結構的穩定性是否滿足要求。結構一階屈曲模態對應的臨界荷載系數即為最小穩定安全系數，分析所得鋼結構平臺臨界荷載系數為 68.90，結構整體穩定性較好，滿足要求。

3 支架拆除施工方案

3.1 支架結構體系

前錨室及散索鞍支墩之間采用落地鋼管樁支架施工，支架立柱采用φ720 mm×10 mm 的鋼管， 橫橋向布置 19 排，間距 3 m，順橋向布置 4 排，間距為 3～4.5 m。鋼管樁之間通過φ42 mm×10 mm 及 I25a 工字鋼作為橫向連接及斜撐。鋼管樁立柱頂部順橋向嵌入 2I45a 工字鋼為承重主梁，并在主梁上順橋向按 0.4 m 間距鋪設 I25a 工字鋼分配梁。

3.2 支架拆除總體方法及流程

錨碇散索鞍支墩三角區空間狹窄，不方便支架單根桿件拆除施工作業，同時拆除后的支架桿件無法使用起吊機械吊運至水平地面。為解決這一難題，在錨碇順橋向一側布設鋼結構平臺，同時沿支架長度方向分塊切割支架（5 片為一組），然后使用千斤頂配合精軋高強鋼筋通過鋼軌將分塊支架拖拽至鋼結構平臺，最后拆除分塊支架，具體拆除順序如下所述。

1）錨碇旁側鋼結構平臺搭設；

2）沿支架長度方向分塊切割支架；

3）千斤頂拖拽分塊支架；

4）拆除 10 mm 鋼板；

5）拆除 I25a 工字鋼分配梁；

6）拆除雙拼 I45a 工字鋼承重梁；

7）分榀拆除分塊支架并吊運至地面；

8）拆除單榀支架縱橫向平連支撐；

9）循環拆除下一塊分塊支架。

3.3 支架拆除方法

3.3.1 鋼結構平臺搭設

結合實際現場施工情況設計了鋼結構平臺，包括桿件尺寸、平面位置、地基處理等內容。要求嚴格按照設計方案進行平臺搭設施工，保證施工質量滿足要求。施工如下順序為：

1）地基處理及基礎澆筑；

2）搭設立柱鋼管樁，安裝斜撐及平連安裝分配梁及承重梁；

3）安裝鋼軌、安裝千斤頂及反力梁；

4）安裝精軋螺紋鋼筋。

具體施工如下所述。

1）基礎處理及基礎澆筑。測量人員根據支架設計圖紙施工放樣支架基礎位置，現場采用挖機開挖支架條形基礎基坑，單條基礎基坑開挖尺寸為 15 m×5 m×0.8 m，基坑開挖至設計標高后，需進行地基承載力檢測，地基承載力≥ 20 kPa。基坑開挖完成后開始安裝條形基礎鋼筋，基礎采用φ16 鋼筋制作鋼筋籠，基礎采用 C20 混凝土，在澆筑混凝土前安裝鋼管樁預埋板。條形基礎之間原地面用 C20 混凝土硬化。

2）鋼支架搭設。現場基礎施工完成后，開始搭設鋼管樁支架，立柱采用φ72 cm×1 cm 鋼管樁，鋼管樁之間設置剪刀撐，剪刀撐采用 I16a 工字鋼。立柱頂面安裝雙拼 I45a 工字鋼做為橫梁，橫梁上安裝雙拼 I45a 工字鋼做為縱梁，縱梁頂面鋪設 45# 鋼軌做為滑移軌道，軌道采用卡板固定在縱梁上，軌道標高與支墩基礎頂面標高一致。

3.3.2 分塊切割支架

沿三角支架長度方向分塊切割支架，將長度57 m 的支架分 5 塊切割，每塊支架理論長度為 12 m +12 m+9 m+12 m+12 m。考慮具體現場鋼板、分配梁、承重梁的實際長度，每塊切割長度可適當進行調整，但分塊支架最大長度不得超過 12 m，同時保證切割后的分塊支架與支架母體完全斷開無連接。切割后的分塊支架兩側存在突出角，為防止分塊支架整體下落時碰撞錨碇混凝土，還應切割掉分塊支架兩端突出角。

3.3.3 拖拽分塊支架

在支架兩側鋼管立柱底部中心開孔，孔洞尺寸高 15 cm，寬度保證鋼軌能順利穿入，開孔后穿入鋼軌道。軌道穿入后在分塊支架最左及最右兩排立柱中選取奇數號立柱安裝牛腿，采用千斤頂頂起分塊支架，然后對所有立柱底部進行切除，切除長度為 15 cm，此時分塊支架自重荷載落在千斤頂上，松開千斤頂使得分塊支架整體擱支在鋼軌上。此時使用 2 臺千斤頂同時拖拽分塊支架，拖拽時保證 2 臺千斤頂的拽拉力相同，避免分塊支架 2 個拽拉節點受力大小不均而致使無法拖拽出分塊支架。為方便拖拽，可考慮減小分塊支架與鋼軌的摩擦系數，采取一定的措施（如涂抹潤滑劑等）。

3.3.4 拆除 10 mm 鋼板

根據起吊設備的起吊能力，確定鋼板是否需要切割。選擇合適的吊點使得鋼板不發生變形并固定好吊繩，然后將鋼板與分配梁分離，分塊吊運至地面（建議鋼板穿孔安裝吊繩，吊點設計根據現場調整）。本方案中起吊應按規范要求的起吊施工方法嚴格執行操作。

3.3.5 拆除 I25a 工字鋼分配梁

沿分塊支架長度方向依次拆除 I 25a 工字鋼分配梁，先拆三角支架兩斜面上的邊分配梁，再拆頂面分配梁。選擇合適的吊點并固定好吊繩將分配梁吊運至地面，分類分場地堆放 3 種不同長度規格的分配梁（兩點捆綁調運，吊點位置及吊運方法根據現場調整）。

3.3.6 拆除雙拼 I45a 工字鋼承重梁

完成分配梁的拆除后進行雙拼 I45a 工字鋼承重梁的拆除并將其吊運至地面。先拆三角支架兩斜面上的承重梁，再拆頂面承重梁（兩點捆綁調運，吊點位置及吊運方法根據現場調整）。

3.3.7 分榀拆除分塊支架并吊運至地面

雙拼 I45a 工字鋼拆除后的分塊支架僅剩圓鋼管立柱、橫向平連及斜撐。沿分塊支架長度方向將其切割成單榀結構并分別吊運至地面，為防止失穩，分塊支架的最后兩榀帶圓鋼管立柱的結構一起吊運至地面。

3.3.8 拆除單榀支架縱橫向平連

將吊運至地面的單榀支架結構的縱橫向平連拆除，并分場地擺放拆下來的材料。支架拆除詳細方法及流程如圖 5～12 所示。

圖5 鋼結構平臺搭設

圖6 分塊切割支架

圖7 拖拽出分塊支架

圖8 拆除 10 mm 鋼板

圖9 拆除 I25a 工字鋼分配梁

圖10 拆除雙拼 I45a 工字鋼承重梁

圖11 分榀拆除分塊支架

圖12 吊運至地面拆除單榀支架桿件

4 結語

針對宜都長江公路大橋錨碇散索鞍支墩三角區空間狹小，支架拆卸不便這一工程難題，設計了一套鋼結構輔助平臺，利用 Midas Civil 軟件分別對支架拆卸施工過程中的不同階段下的分塊支架與鋼結構輔平臺進行驗算，計算結果表明不同工況下的分塊支架與鋼結構輔平臺的強度、剛度、穩定性均滿足要求，可保證施工安全。在有限元計算結果的基礎上，制定了一套流程清晰、安全合理的錨碇散索鞍支墩三角區支架拆除施工方案，可為同類工程做參考。Q