茶林坪烏江大橋無塔纜索起重吊機(jī)錨索式主錨碇關(guān)鍵技術(shù)研究

張昶

（重慶交通建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶 401121）

0 引言

預(yù)應(yīng)力錨索施工技術(shù)在工程中已廣泛應(yīng)用，其中使用預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)作為纜索吊的錨索式錨碇成功的工程經(jīng)驗(yàn)證明，預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)運(yùn)用于大型起重設(shè)施的錨碇結(jié)構(gòu)是安全可靠的[1]。然而該項(xiàng)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用時受地形地質(zhì)條件限制，錨碇位置基巖埋深較深時不宜采用。不同基巖條件，需要現(xiàn)場的錨固力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，需要專門的機(jī)具進(jìn)行施工等一系列因素要求[2]，選用錨索式主錨碇需要根據(jù)具體情況而定。塔架通常是纜索系統(tǒng)的重要受力結(jié)構(gòu)部分，而吊扣一體的纜索吊塔架構(gòu)造及受力更為復(fù)雜，施工中安全風(fēng)險很大，需要專業(yè)設(shè)計(jì)。本文所述橋梁上部結(jié)構(gòu)安裝施工根據(jù)V形峽谷兩岸陡峭的地形、良好的地質(zhì)條件、完整的山體結(jié)構(gòu)等有利因素，將纜索錨固于兩岸山體上相當(dāng)于塔架索鞍的適當(dāng)高程位置，采用預(yù)應(yīng)力錨索錨固主錨碇及分配錨梁，分配錨梁上設(shè)置滑車等構(gòu)造使其能懸掛纜索體系。由于采取無塔設(shè)計(jì)與預(yù)應(yīng)力索式主錨碇技術(shù)，使吊裝施工過程大為簡化，扣掛后定位精確，更好地保障了施工安全，節(jié)約了工期及成本。

1 工程概況

重慶彭水縣茶林坪烏江大橋位于彭水電站大壩下游1.1km處，系庫區(qū)對外交通工程。橋位屬典型的V形河谷，兩岸地勢較為陡峭，右岸彭酉路以上岸坡平均坡角約42°，左岸橋頭有至水庫大壩和長溪河的公路，公路上方岸平均坡角約50°，兩岸岸坡覆蓋層較薄，局部基巖裸露，均為石灰?guī)r。大橋橋型為150m下承式鋼管混凝土勁性骨架鋼管混凝土拱橋，采用纜索吊斜拉扣掛懸臂拼裝法安裝。拱肋外包C50混凝土，全長178m，橋面寬度為9m。

2 無塔纜索起重吊機(jī)總體布置

2.1 無塔方案選定

在比較方案時，根據(jù)茶林坪烏江大橋?qū)嶋H地形地質(zhì)情況，按常規(guī)布置吊裝索塔不僅將擠占現(xiàn)有公路的行車寬度，同時也將大大壓縮施工操作空間，起吊時將嚴(yán)重影響社會交通車輛安全。而選用常規(guī)的重力式或地垅式主錨碇等構(gòu)造形式，巖石開挖工程量大，施工時必然要中斷道路通行。因此經(jīng)過認(rèn)真分析和充分論證，采用錨索式主錨碇開挖工程量小，對公路通行干擾最小。

經(jīng)過對纜索系統(tǒng)總體布置的調(diào)整，增大懸索跨度，并提升高度，采取在纜索索鞍位置后直接錨固方式，將錨碇通過預(yù)應(yīng)力錨索錨固于基巖中，形成了無塔錨索式纜索吊裝系統(tǒng)。

2.2 總體布置

用于大橋施工的纜索吊機(jī)設(shè)兩組主索和四臺跑車，上下游正對拱肋分別設(shè)置一組主索，每組主索內(nèi)側(cè)各設(shè)置一組工作索，上下游拱肋同時吊裝，全橋共設(shè)置8道扣索。懸索跨徑336.58m，空索垂度f0=16.00m，當(dāng)?shù)踹\(yùn)拱腳段鋼管拱肋至索跨跨中時，主索垂度fmax=23.617m，矢跨比L/14.25。每組主索按起吊拱腳段鋼管拱肋節(jié)段最大凈重量（226kN）控制主索計(jì)算，考慮吊具、配重以及沖擊系數(shù)等因素，計(jì)算最大重量為321kN。

起吊場設(shè)置于右岸，鋼管拱肋在后場加工完成后，再運(yùn)用拖車通過彭酉公路運(yùn)輸至纜索下方準(zhǔn)備吊裝；橫梁預(yù)制運(yùn)輸至右岸現(xiàn)場由上下游兩組主索抬吊安裝。纜索吊裝系統(tǒng)總體布置見圖1。

圖1 纜索吊裝系統(tǒng)總體布置圖

3 錨索式主錨碇結(jié)構(gòu)形式

兩岸錨索式主錨碇由預(yù)應(yīng)力錨固索、混凝土錨體以及分配錨梁組成，通過錨固索將型鋼分配錨梁錨固在混凝土錨體上，再在分配錨梁上設(shè)置座(拉)板和錨固滑輪來錨固鋼索，座拉板與錨梁間采用高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接。分配錨梁上的滑輪與主、扣索及工作索等進(jìn)行連接，錨固整個索道系統(tǒng)。

兩岸索式主錨碇上下游正對拱肋分離設(shè)置，中心距橋軸線5.55m，每個分離式主錨碇設(shè)計(jì)2×3索鋼鉸線錨索來固定型鋼分配錨梁，其中中間2×1索為10Φ15.24mm鋼鉸線，外側(cè)分別為2×1索為6Φ15.24mm鋼鉸線；錨索采用標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度Ryb＝1860MPa、Ey＝1.95×105MPa、 松弛率滿足Ⅱ級要求的Φ15.24mm高強(qiáng)度低松弛鋼絞線。兩岸錨索錨入基巖中的深度20m，錨索孔軸線與水平面夾角為斜向下5°。

安裝鋼管拱肋時，主索錨固滑輪正對上下游拱肋軸線布置；扣索錨固滑輪設(shè)置于上下游距拱肋軸線2.5m位置，對稱于拱肋軸線布置；工作索錨固滑輪布置于主索內(nèi)側(cè)1.34m位置。

纜索吊裝系統(tǒng)主錨碇構(gòu)造圖見圖2。

圖2 纜索吊裝系統(tǒng)主錨碇構(gòu)造圖(單位cm)

4 預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)和計(jì)算

4.1 錨索構(gòu)造

該工程預(yù)應(yīng)力錨索體系由自由段、錨固段兩部分組成，其中錨固段的綁扎形式采用波紋形，波長取1m。當(dāng)錨索張拉時采用波紋形式的各根鋼絞線有伸直趨勢，對周圍漿體產(chǎn)生擠壓，可產(chǎn)生對錨索錨固非常有利的摩擦效應(yīng)。預(yù)應(yīng)力錨索構(gòu)造圖見圖3。

圖3 預(yù)應(yīng)力錨索構(gòu)造圖(單位cm)

4.2 錨索最大拉力計(jì)算

根據(jù)纜索吊計(jì)算書，主錨碇最大索外力工況是當(dāng)?shù)踹\(yùn)合攏段拱肋至索跨跨中時，根據(jù)計(jì)算得到的錨索受力數(shù)據(jù)如下:

對應(yīng)作用在分配梁中部10Φ15.24mm鋼絞線的單索最大水平拉力

對應(yīng)作用在分配梁端部6Φ15.24mm鋼絞線的單索最大水平拉力

4.3 錨索安全系數(shù)驗(yàn)算

中部單索錨索最大抗拉力TP1=140×10×1860=2604000N=2604kN；

端部單索錨索最大抗拉力TP2=140×6×1860=1562400N=1562.4kN。

中部單索受拉安全系數(shù):K1=TP1/N1max=2604/810.764=3.21>[2.5]；

端部單索受拉安全系數(shù):K2=TP2/N2max=1562.4/203.625=7.67>[2.5]。

可見錨索抗拉安全系數(shù)滿足要求，端部錨索安全系數(shù)較大，是考慮到吊橫梁時主索將內(nèi)移1.5m，端錨索力將增大，此工況經(jīng)計(jì)算也滿足安全要求。

4.4 錨固長度查表比較

內(nèi)錨固段長度查《巖錨內(nèi)錨固段長度參考值》表[3]，可得設(shè)計(jì)錨固力＜1000kN時，其內(nèi)錨固段長度參考值為4～5 m。實(shí)際所有錨索錨固段設(shè)計(jì)長度L=14m，查表比較可知此結(jié)構(gòu)是安全可靠的。

4.5 錨索錨固長度驗(yàn)算

理論計(jì)算確定錨固長度必須滿足錨索不被從膠結(jié)材料中拔出和膠結(jié)體不沿孔壁滑移兩種情況[3]:

（1）錨索從膠結(jié)體中拔出，其計(jì)算式為:

①式中:L—錨固段長度，m；T—設(shè)計(jì)錨固力，kN；K—安全系數(shù)，K參照表1選用；n—鋼絞線根數(shù)；d—鋼絞線直徑，mm；C1水泥結(jié)石與鋼絞線粘結(jié)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值，取值2.4～3.2MPa，該工程取值2.4 MPa。

（2）按錨索體與膠結(jié)體一起沿孔壁滑移，計(jì)算錨固段長度，其計(jì)算式為:

②式中:D孔徑，mm；C2水泥結(jié)石與孔壁圍巖膠結(jié)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值，參照規(guī)范[3]水泥結(jié)石與圍巖的粘結(jié)力，按Ⅲ圍巖級別粘結(jié)力取值為1.2～0.8MPa，此次計(jì)算取0.8 MPa。

參照規(guī)范[3]膠結(jié)式錨固段安全系數(shù)K參考值，永久性錨固工程安全系數(shù)K取值在2.0～1.5之間。在未做試驗(yàn)的情況下，根據(jù)該工程的施工條件和工藝、基巖特性、漿體強(qiáng)度等實(shí)際情況，參考其它已建工程實(shí)際采用的安全系數(shù)，取K=2.5。

計(jì)算承載N1max時中部錨索從膠結(jié)體中拔出最小長度，由公式①可得:

計(jì)算承載N2max時端部錨索從膠結(jié)體中拔出最小長度，由公式①可得:

計(jì)算承載N1max時中部錨索體與膠結(jié)體一起沿孔壁滑移的最小長度，由公式②可得:

計(jì)算承載N2max時端部錨索體與膠結(jié)體一起沿孔壁滑移的最小長度，由公式②可得:

從以上計(jì)算可知，實(shí)際采用L=14m，安全。

5 預(yù)應(yīng)力錨索的施工

5.1 錨碇體混凝土施工

在選定的錨碇區(qū)域內(nèi)，先開挖表土露出新鮮巖層面，將巖層面鑿成高度不小于2m的垂直面并沖洗干凈，然后緊貼巖層面澆筑高2m、厚1m的錨碇體結(jié)構(gòu)C30混凝土，同時注意錨下鋼筋網(wǎng)及索套管的精確預(yù)埋和定位。

5.2 鉆孔清孔

混凝土養(yǎng)生達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，在錨碇體混凝土外鉆孔至設(shè)計(jì)錨孔深度，確保有效錨固端嵌入中弱風(fēng)化巖層。錨索孔直徑90mm，采用潛孔鉆干鉆法風(fēng)動施工，斜向下5°鉆孔。成孔后反復(fù)用高壓風(fēng)吹孔，清洗孔壁上殘留物及水體，以增強(qiáng)巖體的粘結(jié)能力。

5.3 錨索制作安裝

錨索采用6～10根Φ15.24mm高強(qiáng)度低松馳鋼絞線編制。錨索編制前，要對每根鋼絞線嚴(yán)格檢查，不得使用有死彎、機(jī)械損傷及嚴(yán)重銹蝕、電燒傷等造成強(qiáng)度降低的材料。

5.4 注漿

錨孔清孔后，立即放入編制好的錨索及時進(jìn)行孔內(nèi)注漿。注漿采用一次孔底法施工，漿液為M40水泥漿，采用普通水泥制漿，水灰比0.38左右，膨脹劑10%，灌注壓力為0.4～0.6MPa。

5.5 錨固施工

錨固砂漿強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值100%以上時，開始逐索張拉錨索。張拉主要設(shè)備為YC250穿心千斤頂，使用前經(jīng)有資質(zhì)的單位標(biāo)定。預(yù)應(yīng)力筋張拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度為σcon=0.43%fptk=800MPa，即端部錨索設(shè)計(jì)張拉力為67.2t，中部錨索設(shè)計(jì)張拉力為112t。張拉程序?yàn)?0→初應(yīng)力→σcon持荷5min錨固。

錨具破壞就意味著錨索失效，關(guān)系到工程的安全，使用時應(yīng)對錨具妥善保護(hù)，為防止錨固端夾片松脫，采取工作錨板前使用壓板緊貼夾片等保護(hù)措施。

5.6 過程檢查

纜索吊系統(tǒng)制作和安裝后進(jìn)行了上下游纜索吊試吊，試吊采用鋼筋配重，以最大120%噸位（27t）進(jìn)行試吊（拱肋最大節(jié)段總重22.6t）。在整個吊裝過程中對索式主錨碇以及纜索各系統(tǒng)部件進(jìn)行檢查，對未正常運(yùn)行的部件進(jìn)行調(diào)試，確保在吊裝期間正常運(yùn)行。

6 結(jié)語

茶林坪大橋無塔纜索吊機(jī)使用過程中，纜索吊機(jī)工作正常，主索垂度與設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果基本吻合，巖錨體系在使用過程中未出現(xiàn)松動和變形，表明該工程纜索吊機(jī)索式主錨碇設(shè)計(jì)思路和計(jì)算方法經(jīng)受了實(shí)踐檢驗(yàn)，為大橋順利通車提供了保障。

索式主錨碇受力情況比較復(fù)雜，與常規(guī)巖石錨固索承受靜荷載相比，有動荷載作用于錨頭處，因此需要足夠的安全儲備，確保錨固安全。在設(shè)計(jì)分配錨梁上座(拉)板和錨固滑輪的位置時，要注意使纜索吊機(jī)傳遞來的荷載方向與錨索軸線盡量保持一致，分配錨梁與錨體混凝土構(gòu)造要有效傳遞剪力，確保錨索軸線受拉。

無塔設(shè)置的纜索吊系統(tǒng)技術(shù)與預(yù)應(yīng)力錨索錨固技術(shù)同時運(yùn)用于大型纜索起重設(shè)施的情況比較少見，必須充分考慮現(xiàn)場條件，要有足夠的安全系數(shù)，運(yùn)用得當(dāng)可節(jié)約工期，減少施工成本，降低施工風(fēng)險，值得深入研究。

[1]周外男.云南小灣大橋纜索吊機(jī)后錨碇設(shè)計(jì)[J].橋梁建設(shè)，2002（6）:39-42.

[2]劉紅林.纜索吊機(jī)索式錨碇的設(shè)計(jì)與施工[J].科學(xué)之友，2007（5）:31-32.

[3]國家能源署.DL/T5083-2010水電水利工程預(yù)應(yīng)力錨索施工規(guī)范[S].北京:中國電力出版社，2010.