大跨度斜拉橋牽索掛籃的設(shè)計與施工

劉寶華

中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司，浙江湖州 313000

0 引言

牽索掛籃是目前橋梁工程中斜拉橋懸臂施工的主要設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)堅固穩(wěn)定、前移和裝拆方便、受力后變形小等優(yōu)點［1-3］，在橋梁建設(shè)中被廣泛應(yīng)用。但是在緊湊空間下，大體積、大重量的牽索掛籃在水上高空進(jìn)行安裝，存在較大施工安全隱患［4-5］。本文結(jié)合桐廬縣舞象山路道路建設(shè)工程，采用三維虛擬信息化平臺技術(shù)和“對稱拼裝、側(cè)向滑移、整體提升”的組合技術(shù)，進(jìn)行牽索掛籃安裝施工，有效地保證了施工安全和施工質(zhì)量。

1 項目概況

1.1 工程概況

桐廬縣舞象山路道路建設(shè)工程中的洋塘大橋是一座橫跨分水江的特大橋，橋位處河道寬度約320 m，航道等級為五級，最高通航水位為11.87 m。本橋上跨分水江現(xiàn)澆主肋梁梁底標(biāo)高最低處為20.62 m。掛籃施工兜底防護(hù)系統(tǒng)底面至現(xiàn)澆梁底距離2.0 m。掛籃行走時，模板下放0.5 m，即本次現(xiàn)澆梁在掛籃施工時與分水江的航道最小凈空=20.62-11.87-2.0-0.5=6.25 m（橋下凈空≥5.0 m）。其中洋塘大橋主橋采用（115+115）m兩孔獨塔雙索面混凝土主梁斜拉橋（牽索掛籃），塔、梁、墩固結(jié)體系。索塔采用“H”型索塔，平行直立塔柱；主梁采用混凝土雙主肋主梁；斜拉索采用平行鋼絲成品索，空間扇形雙索面，見圖1。

主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面采用預(yù)應(yīng)力混凝土雙主肋（π形）斷面，橋面寬度39 m（兩側(cè)挑臂設(shè)150 mm后澆帶），主梁中心高度2.8 m，肋寬2.0 m。主梁兩主肋之間用橫梁與橋面板相連，橋面板厚0.28 m，預(yù)應(yīng)力橫梁高度2.6 m，主跨橫梁梁寬為0.3 m，橫梁間距與拉索間距相同，均為6 m。全橋根據(jù)施工順序分為B0～B19 共20 個節(jié)段，主梁從索塔起始段包括B0、B1（B0′、B1′）支架現(xiàn)澆對稱節(jié)段，長度12 m；B02～B17梁段采用牽索（前支點）掛籃懸澆施工，節(jié)段長度均為6.0 m；B18 主跨合龍段，長度2.0 m 合龍段，采用吊架施工；B19段長度4.88 m+0.12 m采用支架現(xiàn)澆。

1.2 工況說明

在牽索掛籃安裝施工時，一方面由于鋼棧橋與1#塊頂板的最大施工凈空高度只有5 m。另一方面牽索掛籃長約15.1 m，寬28.6 m，高2.0 m，而鋼棧橋上拼裝區(qū)域（單側(cè)）僅僅略大于其外輪廓，故牽索掛籃安裝施工作業(yè)的空間極為緊湊，無法滿足塔吊或者履帶吊的使用條件。除此之外，牽索掛籃安裝施工需跨越通航分水江，增大了施工難度，并存在安全風(fēng)險。

2 牽索掛籃

2.1 牽索掛籃結(jié)構(gòu)

掛籃采用長平臺牽索掛籃，一套掛籃重約180 t，并由以下幾個主要部分組成：1）承重系統(tǒng)：主要由主縱梁、橫梁等組成；2）牽索系統(tǒng)：主要由張拉機構(gòu)、斜拉索接長裝置及弧形首分配梁組成，其中牽索接長裝置由現(xiàn)場按斜拉索生產(chǎn)廠家方案設(shè)置；3）走行系統(tǒng)：主要由C 型梁掛腿、平衡千斤頂（升降過程保持掛籃平衡）、反力輪、滑道、頂推千斤頂和反力座組成；4）定位錨固系統(tǒng)：主要由前水平千斤頂、剪力鍵、中吊掛和后吊掛組成；5）模板系統(tǒng)：主要由底模、側(cè)模和內(nèi)模組成。掛籃結(jié)構(gòu)布置見圖2。

2.2 拼裝模擬

利用MIDAS Civi 建立牽索掛籃所有構(gòu)件的單元，然后按照右側(cè)主梁→右側(cè)橫梁→左側(cè)橫梁→左側(cè)主梁順序進(jìn)行虛擬拼裝，見圖3。

圖3 掛籃虛擬拼裝過程

三維虛擬信息化平臺技術(shù)：首先創(chuàng)建掛籃構(gòu)件三維模型，對整體結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化升級，提升彼此的吻合度以及安全系數(shù)，并整合到基于云空間建立的虛擬仿真信息化平臺，實現(xiàn)“未造先拼”。通過三維模擬掛籃拼裝過程，精確地獲得了安裝施工過程中主要控制要素，包括掛籃最佳起吊點位置、現(xiàn)場存放構(gòu)件位置、掛籃拼裝順序、各節(jié)段與斜拉索角度的變化范圍、滑軌鋪設(shè)位置、吊車作業(yè)位置，以及吊裝過程中鋼絞線與掛籃之間的連接方式等。

2.3 安裝方案

采用“對稱拼裝、側(cè)向滑移、整體提升”的組合技術(shù)進(jìn)行安裝，見圖4～6。在1#塊兩側(cè)對稱鋪設(shè)拼裝平臺，然后將掛籃構(gòu)件對稱拼裝；利用拼裝平臺上鋪設(shè)的軌道進(jìn)行側(cè)向滑移，到達(dá)指定位置；通過液壓千斤頂進(jìn)行整體提升，到達(dá)指定位置后便錨固鎖定。

圖4 對稱拼裝

圖5 側(cè)向滑移

圖6 整體提升

2.4 工況分析

以2#節(jié)段為例，分析各個工況下牽索掛籃的應(yīng)力、豎向位移、支點反力。

1）工況一：掛籃安裝就位，第一次調(diào)整索力

掛籃構(gòu)件應(yīng)力、豎向位移、支點反力，見圖7～9。

圖7 工況一掛籃應(yīng)力

圖8 工況一掛籃豎向位移

2）工況二：澆注50%的混凝土

掛籃構(gòu)件應(yīng)力、豎向位移、支點反力，見圖10～12。

圖10 工況二掛籃應(yīng)力

圖11 工況二掛籃豎向位移

圖12 工況二掛籃支點反力

3）工況三：第二次調(diào)整索力

掛籃構(gòu)件應(yīng)力、豎向位移、支點反力，見圖13～15。

圖13 工況三掛籃應(yīng)力

圖14 工況三掛籃豎向位移

圖15 工況三掛籃支點反力

4）工況四：澆注100%的混凝土

掛籃構(gòu)件應(yīng)力、豎向位移、支點反力，見圖16～18。

圖16 工況四掛籃應(yīng)力

圖17 工況四掛籃豎向位移

圖18 工況四掛籃支點反力

5）工況五：掛籃走行

掛籃構(gòu)件應(yīng)力、豎向位移、支點反力，見圖19～21。掛籃走行時，掛籃最大應(yīng)力為190 MPa，發(fā)生在前橫梁處，走行支撐點反力C 型掛鉤處為145 t，后走行輪處反力為41 t，其計算時考慮1.3倍的安全系數(shù)，滿足設(shè)計要求。

圖19 工況五掛籃應(yīng)力

圖20 工況五掛籃豎向位移

圖21 工況五掛籃支點反力

通過三維模擬，對各個工況下牽索掛籃應(yīng)力、豎向位移、支點反力進(jìn)行分析，結(jié)果表明牽索掛籃在各個工況下的安全系數(shù)均滿足設(shè)計要求。

3 牽索掛籃安裝施工過程

3.1 施工準(zhǔn)備

3.1.1 施工機械與設(shè)備配置

吊車選用25 t汽車吊，用于材料的上橋以及掛籃構(gòu)件現(xiàn)場拼裝；穿心式千斤頂選用500、800 t，用于后續(xù)掛籃吊裝。

3.1.2 場地準(zhǔn)備

根據(jù)分水江歷年水位、通航情況，按照施工圖紙核對分水江周邊地形、地貌、地質(zhì)情況，留存原狀影像后進(jìn)行場地平整、清理浮渣等準(zhǔn)備工作，規(guī)范布置風(fēng)、水管線和照明等設(shè)施。承臺墩身施工時，按照鋼管支架的方案，準(zhǔn)確定位預(yù)埋地腳螺栓、托架及鋼板。

3.2 搭設(shè)臨時支架

支架采用鋼管柱貝雷梁支架的形式，由鋼管柱基礎(chǔ)、鋼管、橫向型鋼分配梁、貝雷梁、護(hù)欄等組成，見圖22。

圖22 臨時支撐

下部結(jié)構(gòu)：基礎(chǔ)采用Φ630 mm 鋼管樁，鋼管壁厚10 mm，長度根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況綜合考慮。管樁縱向標(biāo)準(zhǔn)間距為12 m，每隔3跨設(shè)置一個制動墩。制動墩采用雙排6根鋼管樁，排距為3 m。樁頂布置2根I40a工字鋼橫梁，管樁與管樁之間用槽鋼水平向和剪刀向牢固焊接。

上部結(jié)構(gòu)：根據(jù)行車荷載及橋面寬度要求，12 m 跨縱梁布置單層6 片321 型貝雷片，橫向布置形式為8 m寬和6 m寬。貝雷片縱向用貝雷銷聯(lián)結(jié)，橫向用90型定型支撐片聯(lián)結(jié)以保證其整體穩(wěn)定性，貝雷片與工字鋼橫梁間用U型鐵件聯(lián)結(jié)以防滑動。

橋面結(jié)構(gòu)：橫向鋪設(shè)I16工字鋼，間距300 mm，工字鋼上鋪10 mm壓花鋼板。橋面采用小鋼管（直徑50 mm）做成的欄桿進(jìn)行防護(hù)，欄桿高度1.2 m，欄桿縱向3 m 1根立柱（與橋面槽鋼焊接）、高度方向設(shè)置兩道橫桿，安裝完成后涂上紅白油漆。

3.3 鋪設(shè)拼裝平臺

為保證拼裝平臺的占位精準(zhǔn)性與吊裝時的安全性，拼裝平臺的鋪設(shè)參照以下步驟進(jìn)行：

1）根據(jù)建模所確定的坐標(biāo)，使用履帶吊在鋼棧橋上鋪設(shè)工字鋼。

2）根據(jù)掛籃滑移的精準(zhǔn)路線，將軌道對稱鋪設(shè)在左右兩側(cè)。同時將軌道尾端標(biāo)高適當(dāng)調(diào)高20 mm，沿滑移方向設(shè)置微小的傾角，便于后續(xù)滑移。

3）鋪設(shè)完成之后，在軌道上鋪設(shè)不銹鋼片，減小滑移的摩擦力。

4）拼裝平臺鋪設(shè)完畢之后，檢查焊縫、標(biāo)高等細(xì)節(jié)，確保其穩(wěn)定性、安全性。

3.4 掛籃構(gòu)件運輸至鋼棧橋

在拼裝平臺鋪設(shè)完成后，平板車按照牽索掛籃構(gòu)件的拼裝順序，依次運至鋼棧橋上。由于受鋼棧橋?qū)挾认拗?，平板車不易調(diào)頭，因此平板車需倒入鋼棧橋。平板車緩慢行進(jìn)至地面已標(biāo)識好的中心點附近并駐車，見圖23。

圖23 平板車到達(dá)指定位置

3.5 對稱拼裝、調(diào)整標(biāo)高

平板車到達(dá)標(biāo)識位置之后，利用提前到達(dá)指定位置的履帶吊進(jìn)行拼裝。

掛籃拼裝按照右側(cè)主梁→右側(cè)橫梁→左側(cè)橫梁→左側(cè)主梁順序進(jìn)行。具體拼裝步驟如下：

1）利用35 t級卡環(huán)將4 根Φ65 mm 鋼絲繩固定于掛籃構(gòu)件側(cè)邊的吊耳中，同時在其另一側(cè)拴上兩條纜風(fēng)繩，可供人工調(diào)整掛籃構(gòu)件的姿態(tài)。

2）緩慢落到拼裝平臺上，利用摩擦型高強螺栓進(jìn)行連接，然后用小錘（0.3 kg）敲擊法對高強螺栓進(jìn)行普查，以防漏擰；查驗合格后，連接板縫及時用膩子封閉，連接處用防銹油漆進(jìn)行涂刷。

3）根據(jù)拼裝順序，重復(fù)上述步驟，直至拼裝完成。待拼裝完成后，利用底部工字鋼進(jìn)行標(biāo)高調(diào)整，保證整體穩(wěn)定性、安全性。

4）另一側(cè)掛籃構(gòu)件拼裝步驟同上。

3.6 側(cè)向滑移、精確定位

待掛籃對稱拼裝完成后，利用水平千斤頂將其沿著軌道上的不銹鋼片滑移到指定位置。然后利用豎向千斤頂、手拉葫蘆對掛籃的標(biāo)高和線性進(jìn)行微調(diào)。

選擇合理吊點：每側(cè)利用2片貝雷梁作為前吊點，1#塊預(yù)留孔作為后吊點進(jìn)行提升，掛籃段吊點選擇在有加勁板的位置。后吊點為主吊點，前吊點輔助平衡掛籃。前吊點單側(cè)選用5根9 m長Φ15.2預(yù)應(yīng)力鋼絞線，后吊點單側(cè)選用9根9 m長Φ15.2預(yù)應(yīng)力鋼絞線，前后吊點均采用YDC3000千斤頂牽引。

3.7 吊裝作業(yè)

3.7.1 吊裝前準(zhǔn)備與檢查

吊裝前，詳細(xì)觀察吊裝周圍環(huán)境，檢查承重支架的穩(wěn)定性，查看機械索具、夾具、吊環(huán)等是否符合要求，出入口設(shè)置臨時圍護(hù)，非吊裝人員不得入內(nèi)，保證施工安全。

3.7.2 試吊

按20%、60%、80%、100%分級加載，直至結(jié)構(gòu)全部離地200 mm。檢查結(jié)構(gòu)焊縫是否正常，吊架變形是否異常，吊點是否變形，后錨點是否牢固。

3.7.3 正式吊裝

當(dāng)試吊沒有問題后，開始正式吊裝。將掛籃頂升離地后，空中停滯約30 min。懸停期間，定時組織人員觀察結(jié)構(gòu)，檢查掛籃各部位變形情況以及焊縫情況，并做好有關(guān)記錄。

為了保證吊桿拉力基本一致，要求掛籃提升過程中其四角高程偏差小于100 mm。掛籃提升前前橫梁與縱梁交界處和縱梁尾部頂面四處掛鋼卷尺，記錄好縱梁底面處卷尺刻度。千斤頂頂升時每頂行程300 mm，隨時測量頂升高度。兩次回程后在拼裝平臺采用水準(zhǔn)儀測量卷尺刻度，推算掛籃縱梁底面高程。若高程偏差超過提升要求，須及時進(jìn)行調(diào)整。

待掛籃提升到位后，進(jìn)行掛籃其他構(gòu)件的安裝。牽索掛籃全部安裝好后，精準(zhǔn)調(diào)整、焊接，采用凸出式新型止推塊進(jìn)行錨固，保證整體的穩(wěn)定性。最后利用掛籃自帶施工平臺進(jìn)行掛籃掛索并預(yù)緊（在塔柱上預(yù)緊），見圖24。

圖24 掛籃對稱吊裝完成

4 安全對策

1）現(xiàn)場掛籃拼裝時，掛籃構(gòu)件可以根據(jù)虛擬仿真技術(shù)確定順序、點位和方式，然后利用摩擦型高強螺栓進(jìn)行連接；栓接時對摩擦面采用噴砂除銹處理，以增大摩擦系數(shù)。

2）掛籃起吊時應(yīng)選擇合理的吊點，即每側(cè)利用兩片貝雷梁作為前吊點，1#塊預(yù)留孔作為后吊點進(jìn)行提升，掛籃段吊點選擇在有加勁板的位置。

3）前吊點單側(cè)選用5根預(yù)應(yīng)力鋼絞線，后吊點單側(cè)選用9根預(yù)應(yīng)力鋼絞線，均采用鋼絞線錨具進(jìn)行連接。

4）吊裝區(qū)域周圍設(shè)置防護(hù)欄桿、警示牌、消防設(shè)施，施工人員佩戴安全帽。

5）掛籃構(gòu)件運輸至鋼棧橋后，控制存放時堆碼高度，采取臨時固定措施，確保支墊牢固。

6）由于在水上高空吊裝，支架上搭設(shè)人員上下通道、安全操作平臺、臨邊防護(hù)欄桿及梁端行走限位，確保防護(hù)無死角；要求高處作業(yè)必須佩戴好安全繩、防墜器等用品。

7）吊裝作業(yè)應(yīng)設(shè)置纜風(fēng)繩等軟固定設(shè)施。

8）吊裝應(yīng)盡量選擇在天氣晴好、低潮位時進(jìn)行，嚴(yán)禁在5級以上大風(fēng)或者汛期期間進(jìn)行吊裝作業(yè)。

9）拼裝完成后嚴(yán)格按要求進(jìn)行試吊，并全面檢查工索具，機具狀態(tài)符合要求后方可進(jìn)入后續(xù)施工。

5 結(jié)論

1）運用三維虛擬信息化平臺，對牽索掛籃進(jìn)行拼裝模擬，從而對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化升級，實現(xiàn)“未造先拼”，提升現(xiàn)場拼裝的精度，為提升成橋質(zhì)量打下基礎(chǔ)；模擬各個工況下，牽索掛籃的受力情況，保證安全施工。

2）采用“對稱拼裝、側(cè)向滑移、整體提升”的組合技術(shù)，有效解決有限空間下牽索掛籃吊裝施工難題。

3）洋塘大橋在緊湊空間下成功完成了牽索掛籃安裝作業(yè)，不影響分水江通航，社會效益顯著［6］，為今后解決類似工程提供了參考。