懸索橋主纜錨碇前支墩支架拆除技術(shù)

朱 文，劉志林，黃舒馳

（湖北省路橋集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430056）

0 引言

隨著我國(guó)交通行業(yè)的迅猛發(fā)展，懸索橋在橋梁建設(shè)中所占的比重越來(lái)越大［1］。錨碇是地錨式懸索橋錨固主纜索股的重要結(jié)構(gòu)物，其功能是通過(guò)主纜索股錨固系統(tǒng)將主纜拉力傳遞給錨體，再通過(guò)錨體將荷載傳遞至基礎(chǔ)，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(chǔ)組成，錨體的結(jié)構(gòu)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(jìn)行支架拆除施工，支架拆除是懸索橋錨碇施工過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，拆除不當(dāng)會(huì)對(duì)錨碇造成不利影響。劉楠［4］利用 Midas Gen 軟件對(duì)開(kāi)拓橋錨碇支架拆除前、后各部位內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，以指導(dǎo)后續(xù)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(yù)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(zhǎng)江大橋宜都側(cè)錨碇散索鞍支墩三角區(qū)空間狹窄［6］，不方便支架單根桿件拆除施工作業(yè)，同時(shí)拆除后的支架桿件無(wú)法使用起吊機(jī)械吊運(yùn)至水平地面。為解決這一工程難題，技術(shù)人員自主設(shè)計(jì)了一套通過(guò)輔助平臺(tái)進(jìn)行施工的解決方案，可為類似工程做參考。

圖1 錨體結(jié)構(gòu)示意圖

1 工程概況

宜都長(zhǎng)江公路大橋是宜昌至張家界公路在湖北省宜昌市境內(nèi)跨越長(zhǎng)江的通道。宜張高速公路宜昌段是湖北省“753”骨架公路網(wǎng)中規(guī)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(cè)錨碇為重力式錨碇，錨碇基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，平面尺寸為 101 m×71.50 m，高 8.0 m；基底標(biāo)高為 37.5 m，持力層為卵石層，基底進(jìn)入卵石層 2.5 m 左右。錨體長(zhǎng) 62.65 m、寬 65.5 m，錨體頂設(shè)置卵石砂壓重塊，兼做行車道；錨體頂設(shè)置 2.5 % 的縱坡，與該段主線縱坡一致；橫向?qū)ΨQ橋中心線，在 33.5 m 寬的范圍內(nèi)設(shè)置 2 % 的“人”字形橫坡，其余部分為平坡。

2 輔助平臺(tái)設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1 輔助平臺(tái)設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)自下而上布設(shè)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(tái)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(chǔ)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(shè)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(shè)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(shè)于立柱底部；每組兩排立柱縱向平連采用 I 16 工字鋼，布設(shè)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(shè)。鋼軌鋪設(shè)于承重梁上，兩條鋼軌對(duì)接散索鞍三角區(qū)支架最左及最右側(cè)圓鋼管立柱。鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)構(gòu)造圖如圖 2 所示。

圖2 施工平臺(tái)搭設(shè)位置三維簡(jiǎn)圖

2.2 有限元計(jì)算

利用 midas civil 軟件分別對(duì)分塊支架與整體鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)進(jìn)行建模，計(jì)算在拆除過(guò)程中不同工況下的結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移等指標(biāo)。

2.2.1 分塊支架整體建模計(jì)算

拆除時(shí)將原有長(zhǎng) 57 m、寬 18 m 的整塊支架拆分為 5 塊，理論長(zhǎng)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(shè)置 2 條軌道，因此對(duì)分塊支架約束最左及最右排鋼管立柱節(jié)點(diǎn)，驗(yàn)算分塊支架在自重荷載作用下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性，確保拖拽過(guò)程中分塊支架在自重作用下不發(fā)生破壞。結(jié)構(gòu)模型如圖 3 所示。

圖3 分塊支架模型總體結(jié)構(gòu)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(shí)，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(jì)算結(jié)果如表 1 所示。

表1 不同工況下分塊支架整體計(jì)算結(jié)果

由表 1 可知，分塊支架在兩種工況下最大應(yīng)力值分別為 27.98 MPa 與 34.83 MPa，均小于［σ］=215 MPa，各桿件強(qiáng)度滿足要求；結(jié)構(gòu)一階屈曲模態(tài)對(duì)應(yīng)的臨界荷載系數(shù)即最小穩(wěn)定安全系數(shù)分別為 19.75 與 14.38，滿足要求。

2.2.2 鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)建模計(jì)算

使用千斤頂將分塊支架拖拽至鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)，考慮分塊支架從開(kāi)始拖拽至完全擱支在鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)上的全過(guò)程存在的幾種不利荷載工況。利用 Midas Civil 建立鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)整體模型分別計(jì)算幾種不同工況下整體結(jié)構(gòu)及各構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性。對(duì)模型添加分塊支架自重荷載通過(guò)鋼軌轉(zhuǎn)化成的線荷載，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖 4 所示，計(jì)算結(jié)果如表 2 所示。

圖4 鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)模型總體結(jié)構(gòu)圖

表2 各部位最大組合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總

工況 1：拖拽開(kāi)始分塊支架移動(dòng)。千斤頂通過(guò)精軋高強(qiáng)鋼筋對(duì)分塊支架施加水平作用力，拖拽分塊支架發(fā)生移動(dòng)，支架移動(dòng)但并未進(jìn)入鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)時(shí)需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)添加的拖拽力高于理論計(jì)算值有利于施工，結(jié)構(gòu)驗(yàn)算時(shí)也偏于安全，因此將千斤頂作用在鋼結(jié)構(gòu)施工平臺(tái)的反力提高為 200 kN。

工況 2：拖拽將要完成的臨界狀態(tài)。千斤頂通過(guò)精軋鋼筋對(duì)分塊支架施加水平作用力，存在分塊支架將要完全進(jìn)入鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)的臨界狀態(tài)，此時(shí)需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)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(jié)構(gòu)平臺(tái)外部荷載僅為分塊支架自重。

計(jì)算結(jié)果表明結(jié)構(gòu)各桿件材料強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求，在分塊支架自重荷載作用下鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)各桿件均不發(fā)生破壞。此時(shí)還應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲分析，求得結(jié)構(gòu)的一階屈曲模態(tài)對(duì)應(yīng)的臨界荷載系數(shù)，判斷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是否滿足要求。結(jié)構(gòu)一階屈曲模態(tài)對(duì)應(yīng)的臨界荷載系數(shù)即為最小穩(wěn)定安全系數(shù)，分析所得鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)臨界荷載系數(shù)為 68.90，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性較好，滿足要求。

3 支架拆除施工方案

3.1 支架結(jié)構(gòu)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(guò)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(shè) 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(qū)空間狹窄，不方便支架單根桿件拆除施工作業(yè)，同時(shí)拆除后的支架桿件無(wú)法使用起吊機(jī)械吊運(yùn)至水平地面。為解決這一難題，在錨碇順橋向一側(cè)布設(shè)鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)，同時(shí)沿支架長(zhǎng)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(qiáng)鋼筋通過(guò)鋼軌將分塊支架拖拽至鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)，最后拆除分塊支架，具體拆除順序如下所述。

1）錨碇旁側(cè)鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)搭設(shè)；

2）沿支架長(zhǎng)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(yùn)至地面；

8）拆除單榀支架縱橫向平連支撐；

9）循環(huán)拆除下一塊分塊支架。

3.3 支架拆除方法

3.3.1 鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)搭設(shè)

結(jié)合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工情況設(shè)計(jì)了鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)，包括桿件尺寸、平面位置、地基處理等內(nèi)容。要求嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行平臺(tái)搭設(shè)施工，保證施工質(zhì)量滿足要求。施工如下順序?yàn)椋?/p>

1）地基處理及基礎(chǔ)澆筑；

2）搭設(shè)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(chǔ)處理及基礎(chǔ)澆筑。測(cè)量人員根據(jù)支架設(shè)計(jì)圖紙施工放樣支架基礎(chǔ)位置，現(xiàn)場(chǎng)采用挖機(jī)開(kāi)挖支架條形基礎(chǔ)基坑，單條基礎(chǔ)基坑開(kāi)挖尺寸為 15 m×5 m×0.8 m，基坑開(kāi)挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，需進(jìn)行地基承載力檢測(cè)，地基承載力≥ 20 kPa。基坑開(kāi)挖完成后開(kāi)始安裝條形基礎(chǔ)鋼筋，基礎(chǔ)采用φ16 鋼筋制作鋼筋籠，基礎(chǔ)采用 C20 混凝土，在澆筑混凝土前安裝鋼管樁預(yù)埋板。條形基礎(chǔ)之間原地面用 C20 混凝土硬化。

2）鋼支架搭設(shè)。現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)施工完成后，開(kāi)始搭設(shè)鋼管樁支架，立柱采用φ72 cm×1 cm 鋼管樁，鋼管樁之間設(shè)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(shè) 45# 鋼軌做為滑移軌道，軌道采用卡板固定在縱梁上，軌道標(biāo)高與支墩基礎(chǔ)頂面標(biāo)高一致。

3.3.2 分塊切割支架

沿三角支架長(zhǎng)度方向分塊切割支架，將長(zhǎng)度57 m 的支架分 5 塊切割，每塊支架理論長(zhǎng)度為 12 m +12 m+9 m+12 m+12 m?？紤]具體現(xiàn)場(chǎng)鋼板、分配梁、承重梁的實(shí)際長(zhǎng)度，每塊切割長(zhǎng)度可適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整，但分塊支架最大長(zhǎng)度不得超過(guò) 12 m，同時(shí)保證切割后的分塊支架與支架母體完全斷開(kāi)無(wú)連接。切割后的分塊支架兩側(cè)存在突出角，為防止分塊支架整體下落時(shí)碰撞錨碇混凝土，還應(yīng)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(cè)鋼管立柱底部中心開(kāi)孔，孔洞尺寸高 15 cm，寬度保證鋼軌能順利穿入，開(kāi)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(shù)號(hào)立柱安裝牛腿，采用千斤頂頂起分塊支架，然后對(duì)所有立柱底部進(jìn)行切除，切除長(zhǎng)度為 15 cm，此時(shí)分塊支架自重荷載落在千斤頂上，松開(kāi)千斤頂使得分塊支架整體擱支在鋼軌上。此時(shí)使用 2 臺(tái)千斤頂同時(shí)拖拽分塊支架，拖拽時(shí)保證 2 臺(tái)千斤頂?shù)淖Юο嗤?，避免分塊支架 2 個(gè)拽拉節(jié)點(diǎn)受力大小不均而致使無(wú)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(shù)，采取一定的措施（如涂抹潤(rùn)滑劑等）。

3.3.4 拆除 10 mm 鋼板

根據(jù)起吊設(shè)備的起吊能力，確定鋼板是否需要切割。選擇合適的吊點(diǎn)使得鋼板不發(fā)生變形并固定好吊繩，然后將鋼板與分配梁分離，分塊吊運(yùn)至地面（建議鋼板穿孔安裝吊繩，吊點(diǎn)設(shè)計(jì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整）。本方案中起吊應(yīng)按規(guī)范要求的起吊施工方法嚴(yán)格執(zhí)行操作。

3.3.5 拆除 I25a 工字鋼分配梁

沿分塊支架長(zhǎng)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(diǎn)并固定好吊繩將分配梁吊運(yùn)至地面，分類分場(chǎng)地堆放 3 種不同長(zhǎng)度規(guī)格的分配梁（兩點(diǎn)捆綁調(diào)運(yùn)，吊點(diǎn)位置及吊運(yùn)方法根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)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(jìn)行雙拼 I45a 工字鋼承重梁的拆除并將其吊運(yùn)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(diǎn)捆綁調(diào)運(yùn)，吊點(diǎn)位置及吊運(yùn)方法根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整）。

3.3.7 分榀拆除分塊支架并吊運(yùn)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(zhǎng)度方向?qū)⑵淝懈畛蓡伍Y(jié)構(gòu)并分別吊運(yùn)至地面，為防止失穩(wěn)，分塊支架的最后兩榀帶圓鋼管立柱的結(jié)構(gòu)一起吊運(yùn)至地面。

3.3.8 拆除單榀支架縱橫向平連

將吊運(yùn)至地面的單榀支架結(jié)構(gòu)的縱橫向平連拆除，并分場(chǎng)地?cái)[放拆下來(lái)的材料。支架拆除詳細(xì)方法及流程如圖 5～12 所示。

圖5 鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)搭設(shè)

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(yùn)至地面拆除單榀支架桿件

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)宜都長(zhǎng)江公路大橋錨碇散索鞍支墩三角區(qū)空間狹小，支架拆卸不便這一工程難題，設(shè)計(jì)了一套鋼結(jié)構(gòu)輔助平臺(tái)，利用 Midas Civil 軟件分別對(duì)支架拆卸施工過(guò)程中的不同階段下的分塊支架與鋼結(jié)構(gòu)輔平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果表明不同工況下的分塊支架與鋼結(jié)構(gòu)輔平臺(tái)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿足要求，可保證施工安全。在有限元計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)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(qū)支架拆除施工方案，可為同類工程做參考。Q