中承式提籃拱橋主梁吊索彈性吊架安裝施工探討

謝嘉斌,汪晨徽

（南昌公路橋梁工程有限公司,江西 南昌 330000）

0 引言

隨著我國(guó)交通建設(shè)事業(yè)的持續(xù)發(fā)展，跨越河流及深切峽谷的大跨度橋梁也越來越多。對(duì)于建設(shè)在陡峻斜坡及陡壁地形處的橋梁結(jié)構(gòu)，將預(yù)制吊架部件全部起吊至掛籃結(jié)構(gòu)后展開組拼和安裝，結(jié)束后再安裝主拱吊桿，高空作業(yè)量大，施工質(zhì)量及安全性受外界環(huán)境影響較大。此外，深溝山區(qū)橋梁架設(shè)還面臨場(chǎng)地限制和工期限制，使此類橋梁工程施工難度和風(fēng)險(xiǎn)大大增加?；诖耍撐囊劳心晨绾犹卮髽蚬こ?，對(duì)主梁吊索彈性吊架安裝施工技術(shù)要點(diǎn)展開研究，以期克服常規(guī)施工過程弊端，保證質(zhì)量，提升工效。

1 工程概況

某跨河特大橋?yàn)橹谐惺教峄@拱橋形式，拱肋全部采用鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)，拱軸系數(shù)為3.5，矢高115 m，兩岸拱座和拱腳固結(jié)。拱上主梁按照等高三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁設(shè)計(jì)，跨徑為（32+272+32）m，主梁中心處梁高3.167 m；中跨及邊跨標(biāo)準(zhǔn)截面頂板寬22.0 m和15.2 m，主梁邊跨支撐在兩側(cè)拱上立柱及拱肋支撐橫梁處，中跨主梁則借助吊桿連接拱肋，吊桿由φ7 mm鍍鋅平行鋼絲制成，并按照8.0 m間距順橋向布置。兩岸均布置跨徑32.7+2×61.75 m連續(xù)剛構(gòu)引橋，橋面與主橋連續(xù)。

該拱橋施工時(shí)先通過纜索吊機(jī)整節(jié)段吊裝拱肋鋼桁架，并采用斜拉扣掛法輔助懸臂拼裝，直至合龍，再借助拱肋鋼桁架澆筑拱肋混凝土，以形成鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)拱肋，搭設(shè)支架并整體澆筑邊跨主梁混凝土，安裝掛籃，按照每個(gè)節(jié)段8.0 m的長(zhǎng)度懸臂澆筑中跨主梁，直至合龍。該橋梁地處峽谷溝壑地區(qū)，施工環(huán)境惡劣，施工場(chǎng)地受限，工序復(fù)雜繁多，且工期緊，中跨主梁從原小節(jié)段掛籃懸臂對(duì)稱澆筑方案調(diào)整為整體吊架支撐的大節(jié)段現(xiàn)澆方案，施工節(jié)段長(zhǎng)度翻倍[1]，相應(yīng)的施工節(jié)段數(shù)縮減了50%，工效提升，工期縮短，但是施工節(jié)段長(zhǎng)度的增大使主梁線形控制難度大幅增加，主梁吊索彈性吊架安裝施工也相應(yīng)成為控制要點(diǎn)和難點(diǎn)所在。

2 主梁吊架體系施工方案

2.1 主梁施工方案

該中承式提籃拱橋主梁施工時(shí)，一次性澆筑拱外跨梁段，完成后再一次性澆筑拱內(nèi)無吊桿區(qū)梁段；分段掛設(shè)彈性支撐吊架，并從兩側(cè)開始依次向中間對(duì)稱澆筑拱內(nèi)吊桿區(qū)梁段，直至中跨主梁合龍。以上主梁施工方案可細(xì)化為具體施工步驟：①通過纜索吊機(jī)從兩側(cè)開始逐步向中間吊裝中跨吊桿的吊架系統(tǒng)，并相應(yīng)掛設(shè)吊桿，以形成彈性吊架；待結(jié)束吊架系統(tǒng)安裝后將其兩端錨固于澆筑后并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的混凝土主梁端截面。②進(jìn)行各吊桿初張拉，以使其吊架系統(tǒng)線形滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)設(shè)置主梁預(yù)拱度；將砂桶抄墊于吊點(diǎn)處橫梁，以保證主梁橫向預(yù)拱度。③支立模板并綁扎鋼筋，從兩側(cè)開始向跨中首次對(duì)稱澆筑箱梁混凝土，待強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行相應(yīng)節(jié)段預(yù)應(yīng)力束張拉。④在首節(jié)段混凝土養(yǎng)護(hù)過程中，進(jìn)行下一節(jié)段模板支立及鋼筋綁扎，完成首節(jié)段預(yù)應(yīng)力束張拉后澆筑下一節(jié)段混凝土。如此循環(huán)往復(fù)，完成兩側(cè)至跨中剩余梁段混凝土澆筑、預(yù)應(yīng)力束張拉。⑤在環(huán)境溫度穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行中跨合龍段混凝土澆筑，張拉預(yù)應(yīng)力束，最終完成主梁合龍。⑥從兩側(cè)開始依次向跨中拆除吊架體系；清理臨時(shí)荷載，二次張拉吊桿，并進(jìn)行主梁線形及吊桿索力微調(diào)，保證安裝精度。

2.2 吊架體系布置

拱內(nèi)吊桿區(qū)彈性支撐吊架系統(tǒng)包括吊桿、吊帶、承重橫梁、聯(lián)結(jié)系、砂桶、縱梁及分配梁、模板及預(yù)緊鎖定裝置等部分。其中，承重橫梁為30 mm厚、1 500 mm長(zhǎng)、1 500 mm寬的箱型截面，按照8 m間隔順橋向布置；小縱梁為16 mm厚、500 mm長(zhǎng)、200 mm寬的工字型截面，順橋向布置。聯(lián)結(jié)系為40b雙工字鋼；接長(zhǎng)吊帶長(zhǎng)200 mm、寬60 mm。以上鋼材全部采用Q345qB材質(zhì)。

3 吊索彈性吊架設(shè)計(jì)

3.1 彈性吊架設(shè)計(jì)

按照以上施工方案設(shè)計(jì)思路，該中承式提籃拱橋主梁吊索彈性吊架長(zhǎng)209.5 m，寬24 m，總重量達(dá)到1 608 t，包括底模、承重、限位結(jié)構(gòu)及預(yù)緊鎖定結(jié)構(gòu)等部分。其中，由底模分配梁、方木及竹膠板等組成的底模系統(tǒng)支撐于承重結(jié)構(gòu)上。拱橋主梁中跨設(shè)置吊桿區(qū)域吊索彈性吊架立面結(jié)構(gòu)見圖1。該體系中的限位結(jié)構(gòu)、預(yù)緊鎖定結(jié)構(gòu)、承重系統(tǒng)是主梁施工的關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)，為保證主梁混凝土澆筑質(zhì)量，必須加強(qiáng)以上結(jié)構(gòu)間變形協(xié)調(diào)控制，同時(shí)解決吊架橫向抗風(fēng)問題[2]。

圖1 吊索彈性吊架立面結(jié)構(gòu)

承重系統(tǒng)平聯(lián)、縱梁分別設(shè)置在橫梁之間及橫梁頂面，為保證澆筑后主梁節(jié)段和現(xiàn)澆吊架變形協(xié)調(diào)，抑制溫度作用，應(yīng)在橫梁頂面橫橋向交錯(cuò)布置縱梁，同時(shí)通過銷軸聯(lián)結(jié)橫梁和平聯(lián)。

在主拱C1吊桿斷面設(shè)置預(yù)緊鎖定結(jié)構(gòu)，并通過向錨筋施加一定的預(yù)緊力，使承重系統(tǒng)縱梁、端橫梁緊壓在主梁底面，有效連接中跨無吊桿區(qū)已澆筑主梁和吊索彈性吊架端橫梁。在拱上主梁現(xiàn)澆期間通過設(shè)置預(yù)緊鎖定結(jié)構(gòu)，可以起到順橋向吊索彈性吊架限位及約束兩端主梁轉(zhuǎn)角的作用，確保待澆筑混凝土和已澆筑混凝土的黏結(jié)效果。為加強(qiáng)主梁線形控制，主拱吊桿不設(shè)初張力，僅被動(dòng)承受豎向荷載[3]。

該中承式提籃拱橋主梁吊桿和接長(zhǎng)結(jié)構(gòu)全部為柔性結(jié)構(gòu)，為抑制其在主梁施工期間因遭受橫風(fēng)而引發(fā)橫向位移，必須將限位裝置焊接在承重系統(tǒng)端橫梁兩側(cè)，與已澆筑主梁牢固連接，并充分利用承重系統(tǒng)相鄰橫梁間的直、斜平聯(lián)結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化系統(tǒng)橫向剛度，以增強(qiáng)吊架橫向抗風(fēng)性能。

3.2 吊架受力

主梁吊索彈性吊架和拱上主梁荷載最終由主拱承擔(dān)，故必須以主梁澆筑工況為計(jì)算工況，按照施工階段累加模型，展開彈性吊架受力計(jì)算。

通過Midas/Civil軟件構(gòu)建該中承式提籃拱橋主梁吊桿施工過程有限元模型，其中，包括主梁、拱肋混凝土及鋼桁架等在內(nèi)的主體結(jié)構(gòu)以及包括吊架體系、扣塔塔架等在內(nèi)的主要臨時(shí)結(jié)構(gòu)全部采用梁?jiǎn)卧M，吊桿、扣錨索則采用拉索單元模擬。主梁支撐橫梁處設(shè)橫向、豎向、縱向約束?？鬯撞考肮澳_處設(shè)置固結(jié)約束。拱上立柱處則設(shè)置豎向支撐。模型共包括11 985個(gè)單元和5 870個(gè)節(jié)點(diǎn)。按照正裝分析法展開彈性吊架搭設(shè)、主梁混凝土澆筑、預(yù)應(yīng)力束張拉、吊架拆除、索力調(diào)整等過程受力模擬；激活吊架體系和主梁節(jié)點(diǎn)后，得出各施工階段主梁位移變化以及最終累積量，并據(jù)此確定主梁預(yù)拱度[4]。

拱上主梁混凝土現(xiàn)澆以吊索彈性吊架為主要施工平臺(tái)，故必須展開彈性吊架、主梁、吊桿及拱肋受力驗(yàn)算。根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果，彈性吊架在結(jié)構(gòu)自重+混凝土現(xiàn)澆施工+風(fēng)荷載下受力最為不利；橫、縱梁組合應(yīng)力最大值為184.1 MPa和175.9 MPa，剪應(yīng)力最大值為45.2 MPa和39.9 MPa，均未超出所使用鋼材應(yīng)力允許范圍。

在澆筑完成中跨吊桿拱上主梁、拆除彈性吊架并調(diào)整好主拱吊桿索力后，頂板混凝土主拉應(yīng)力和壓應(yīng)力最大值為0.22 MPa和2.01 MPa；底板混凝土主拉應(yīng)力和壓應(yīng)力最大值為0.67 MPa和2.56 MPa（見圖2）；拱肋外包混凝土頂緣拉應(yīng)力和壓應(yīng)力最大值為2.4 MPa和22.1 MPa；底緣拉應(yīng)力為0 MPa，壓應(yīng)力最大值為12.3 MPa，均符合規(guī)范。

圖2 底板混凝土主拉應(yīng)力和壓應(yīng)力

在進(jìn)行跨中4.0 m合龍段澆筑施工前，合龍口兩側(cè)主梁存在7 mm高差；完成合龍段澆筑后，通過吊桿張拉及主梁線形微調(diào)，將主梁高差降低至2 mm以內(nèi)，達(dá)到規(guī)范要求。

4 吊索彈性吊架安裝

該中承式提籃拱橋主梁吊桿吊索彈性吊架在專業(yè)制造廠預(yù)制，并運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)組拼為結(jié)構(gòu)單元，通過纜索吊機(jī)整體吊裝；待完成主梁施工任務(wù)后，再使用橋面汽車吊和卷?yè)P(yáng)機(jī)將吊架分節(jié)段拆除。

4.1 安裝彈性吊架

將預(yù)制好的吊架散件運(yùn)輸至待施工橋梁拱座前方拼裝場(chǎng)地后，借助汽車吊機(jī)和纜索吊機(jī)組拼為吊裝單元。考慮到所使用纜索吊機(jī)設(shè)計(jì)吊重，為保證吊架安全，應(yīng)通過3根橫梁及相應(yīng)的平聯(lián)、縱梁、接長(zhǎng)吊具等組成吊裝單元，并將吊裝單元吊重控制在150 t左右。使用型鋼將接長(zhǎng)吊具疊壓在橫梁處，并借助精軋螺紋鋼錨固。

完成吊裝單元組拼后，通過纜索吊機(jī)與接長(zhǎng)吊具將吊裝單元起吊，并拱肋下方開始起吊、縱向移動(dòng)至安裝區(qū)域（見圖3）。將上游及下游鋼拱肋下弦處的3 t卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引鋼絲繩從拱肋錨管中穿過，連接橫梁上成品吊桿端頭后牽引至拱肋下弦錨管上方并通過錨具錨固。此后在橫梁中穿過吊桿下端接長(zhǎng)桿并錨固。等全部橫梁所對(duì)應(yīng)吊桿均錨固好后，將橫梁接長(zhǎng)吊具卸除，并使纜索吊機(jī)退回至拱座拼裝場(chǎng)，開始施工下一吊裝單元。待完成吊裝單元安裝施工后，還應(yīng)按要求安裝鄰單元平聯(lián)及相應(yīng)縱梁；并通過強(qiáng)對(duì)接措施截短、接長(zhǎng)處理，以調(diào)整高空安裝平聯(lián)長(zhǎng)度，確保焊縫質(zhì)量。

圖3 纜索吊機(jī)吊裝立面

為保證拱上主梁現(xiàn)澆施工線形滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，必須按照預(yù)拋高設(shè)置中跨吊桿區(qū)吊索彈性吊架高程。根據(jù)主梁澆筑施工階段至成橋階段累計(jì)位移反號(hào)推求主拱吊桿區(qū)內(nèi)橫縱梁體系吊架預(yù)拋高；在橫縱梁間設(shè)置高度為12~17 cm的砂箱以實(shí)現(xiàn)吊架預(yù)拋高處理。結(jié)合實(shí)測(cè)值，該中承式提籃拱橋拱上主梁線形高差最大值不超出5 cm。

4.2 拆除吊架

拱上主梁從兩側(cè)開始依次向跨中對(duì)稱澆筑，各節(jié)段箱梁混凝土澆筑施工則從懸臂端開始向已經(jīng)澆筑的混凝土端縱向推進(jìn)。待完成拱上主梁混凝土澆筑及預(yù)應(yīng)力張拉壓漿等施工任務(wù)后，按照設(shè)計(jì)要求卸載主拱吊桿接長(zhǎng)結(jié)構(gòu)張拉桿，以保證永久吊桿處于完全受力狀態(tài)，進(jìn)而從底模系統(tǒng)開始，依次將吊架拆除。具體而言，先調(diào)整縱梁下方砂箱高度，將底模和拱上主梁底板徹底分離，再依次拆除竹膠板、分配梁、縱梁等系統(tǒng)，然后逐節(jié)拆除平聯(lián)。將大橫梁通過4組螺紋鋼筋與拱上主梁底板預(yù)留孔錨固于拱上主梁底部，同時(shí)將主拱吊桿處的接長(zhǎng)結(jié)構(gòu)拆除，切開橫梁間對(duì)接焊縫。借助拱上主梁梁面卷?yè)P(yáng)機(jī)和50 t汽車吊將橫梁兩端吊住，持續(xù)放松卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩，使大橫梁轉(zhuǎn)變成豎向狀態(tài)后，起吊至拱上主梁頂面裝車，再依次拆除其余橫梁結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，該提籃拱橋主橋中跨有吊桿區(qū)域拱上主梁混凝土按照吊索多點(diǎn)彈性支撐吊架現(xiàn)澆施工，吊架為施工過程提供了彈性支撐，并通過設(shè)置限位結(jié)構(gòu)、預(yù)緊鎖定結(jié)構(gòu)、承重系統(tǒng)，同時(shí)采用吊索彈性吊架預(yù)拋高、預(yù)緊鎖定、拱上主梁長(zhǎng)節(jié)段對(duì)稱澆筑等工序，使橫向抗風(fēng)、結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)及吊架限位問題得到有效解決，為拱上主梁混凝土澆筑施工質(zhì)量控制提供了保證。按照文章設(shè)計(jì)思路，在橋下地面完成吊架吊裝單元組拼，并借助纜索吊機(jī)起吊安裝，同步展開主拱吊桿安裝，進(jìn)而將流水作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫凶鳂I(yè)，工期大大節(jié)省，施工風(fēng)險(xiǎn)和成本也隨之降低。