蘇壩特大橋拱肋懸臂拼裝斜拉扣掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)

收稿日期：2024-01-05

作者簡(jiǎn)介：強(qiáng)永林（1992—），男，本科，工程師，從事橋梁工程施工管理及施工技術(shù)研究工作。

摘要 蘇壩特大橋主橋?yàn)閮艨鐝?50 m的勁性骨架鋼筋混凝土拱橋，拱肋節(jié)段采用“纜索吊裝+斜拉扣掛”的方法進(jìn)行懸臂拼裝，斜拉扣掛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是本橋施工的關(guān)鍵。根據(jù)本橋特點(diǎn)，對(duì)懸臂拼裝的斜拉扣掛系統(tǒng)開(kāi)展了相應(yīng)研究。一是研究弱剛度拱肋少扣索施工方法，在以往工程一段一扣（滿扣或設(shè)置臨時(shí)扣索）的基礎(chǔ)上取消了部分扣索或臨時(shí)扣索；二是研究扣塔與纜索吊裝系統(tǒng)的位置關(guān)系，避免扣塔阻礙拱肋節(jié)段的吊裝；三是本著永臨結(jié)合的設(shè)計(jì)理念，充分利用永久結(jié)構(gòu)承載，研究開(kāi)發(fā)了一種巖錨與橋梁永久結(jié)構(gòu)相結(jié)合的拱橋背索錨固系統(tǒng)及施工方法。通過(guò)在本橋運(yùn)用研究成果，達(dá)到了提升施工質(zhì)量、優(yōu)化施工流程、加快施工進(jìn)度、節(jié)約施工材料、保障施工安全等目的，可為今后斜拉扣掛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供思路。

關(guān)鍵詞 拱橋；拱肋；勁性骨架；少扣索；懸臂拼裝；斜拉扣掛

中圖分類號(hào) U445.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）09-0059-04

0 引言

針對(duì)山區(qū)大跨度拱橋拱肋安裝施工，由于山區(qū)的特殊地形，橋位處坡度陡，高差大，施工現(xiàn)場(chǎng)往往不具備構(gòu)件整節(jié)段地面運(yùn)輸及支架安裝的條件。纜索吊裝系統(tǒng)具有定點(diǎn)起吊、水平運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)，斜拉扣掛懸臂拼裝施工方法又完美地解決了高落差地區(qū)的拱肋安裝問(wèn)題?！袄|索吊裝+斜拉扣掛”施工方法大量運(yùn)用到山區(qū)大跨度拱橋的拱肋安裝施工中。斜拉扣掛系統(tǒng)是懸臂拼裝的關(guān)鍵之處，因此對(duì)該系統(tǒng)開(kāi)展設(shè)計(jì)研究非常必要。

1 工程概況

樂(lè)西高速蘇壩特大橋跨越馬邊河與國(guó)道G348，橋位處兩岸有鄉(xiāng)村公路通過(guò)，交通條件較好。

大橋長(zhǎng)835.5 m。主橋橋面縱坡0.54%，采用整幅設(shè)計(jì)。橋跨徑組合為（9×28.5）m的預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支小箱梁和凈跨徑350 m的勁性骨架鋼筋混凝土拱橋（拱上結(jié)構(gòu)跨徑13 m×28.5 m），以及（7×28.5）m預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支小箱梁，主橋全長(zhǎng)370.50 m，引橋長(zhǎng)為456 m[1]。橋型立面布置見(jiàn)圖1所示。

1.1 建設(shè)條件

橋位兩岸的基巖大面積出露，自然斜坡坡角多變化在20 °～30 °間，呈臺(tái)階折線型。少量細(xì)砂巖出露地段形成陡坎（最高陡坎可達(dá)20 m），粉砂質(zhì)泥巖出露段大多形成了緩坡平臺(tái)。橋區(qū)馬邊河河谷呈V字形，現(xiàn)河道順直，水流湍急，兩岸岸邊基巖出露，一級(jí)階地（在橋軸右側(cè)約200 m外零星出露）呈長(zhǎng)條狀、新月?tīng)?，沿河右岸展布，微向河及河下游傾斜。該層上部以黏土為主，下部為卵石夾（質(zhì)）土層，是明顯的二元結(jié)構(gòu)。二級(jí)階地呈臺(tái)階狀分布，主要分布于左岸山頂，上覆主要為冰水堆積層的黏土，含卵石黏土及卵石，多為基座階地，橋區(qū)山頂海拔841 m，河谷底部海拔568 m，橋區(qū)屬構(gòu)造侵蝕堆積地貌低山地貌[1]。

1.2 拱肋結(jié)構(gòu)

主拱斷面如圖2所示，采用兩幅設(shè)計(jì)，拱肋之間通過(guò)橫聯(lián)相連，單幅拱肋截面設(shè)計(jì)為單箱雙室截面，尺寸為8 m×5.8 m（寬×高）。每幅拱肋勁性骨架由三片桁架組成，每片桁架包含上、下兩根鋼管混凝土弦桿，鋼管內(nèi)填充標(biāo)號(hào)為C120的補(bǔ)償收縮自密實(shí)混凝土。桁架豎腹桿及斜腹桿采用角鋼制作，三片桁架之間通過(guò)角鋼進(jìn)行水平連接，在拱肋橫聯(lián)位置設(shè)交叉撐，以加強(qiáng)橫向連接[1]。勁性骨架拱肋共劃分為42個(gè)吊裝節(jié)段，節(jié)段長(zhǎng)20.88 m，寬7.6 m，高5.134 m，節(jié)段吊裝重量約65.5 t。

圖2 拱肋斷面布置圖（cm）

2 拱肋總體施工方法

該工程橋位處地形復(fù)雜，拱頂至河谷高差大，不具備搭設(shè)支架安裝拱肋的條件，因此擬采用“纜索吊裝+斜拉扣掛”的方法進(jìn)行施工。分別在5#墩和12#墩設(shè)置纜索吊裝索塔，形成纜索吊裝系統(tǒng)[2]。在5#墩前搭設(shè)平臺(tái)作為拱肋節(jié)段起吊平臺(tái)，通過(guò)纜索吊裝系統(tǒng)將節(jié)段運(yùn)輸至設(shè)計(jì)位置安裝。在兩岸交界墩上設(shè)置扣塔，對(duì)拱肋節(jié)段進(jìn)行斜拉扣掛的懸臂拼裝。

拱肋吊裝順序?yàn)槊抗?jié)段對(duì)稱進(jìn)行，即昭覺(jué)岸安裝一節(jié)段，然后在馬邊岸安裝對(duì)應(yīng)節(jié)段，完成后安裝拱肋橫向抗風(fēng)，再進(jìn)行下節(jié)段的吊裝，每完成兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的安裝，張拉對(duì)應(yīng)的扣、背索。

拱肋節(jié)段運(yùn)輸至設(shè)計(jì)位置，纜索吊具下放與拱肋連接，啟動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)，提升拱肋，至設(shè)計(jì)高程附近后，同時(shí)啟動(dòng)牽引索卷?yè)P(yáng)機(jī)縱向牽引拱肋至合適位置，然后緩慢下放拱肋就位，將拱肋接頭臨時(shí)連接。通過(guò)起吊卷?yè)P(yáng)機(jī)、牽引卷?yè)P(yáng)機(jī)、鏈條葫蘆調(diào)整拱肋線形，經(jīng)監(jiān)控、監(jiān)理單位認(rèn)可后由鋼結(jié)構(gòu)廠家進(jìn)行鋼管接頭的焊接施工。節(jié)段接頭焊接完成后，為保證拱肋結(jié)構(gòu)安全，先暫不解除纜索吊點(diǎn)，然后進(jìn)行對(duì)應(yīng)扣索、背索的安裝及張拉施工?？鬯骷氨乘鲝埨皆O(shè)計(jì)值后，再對(duì)吊點(diǎn)進(jìn)行解除。

3 扣索系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 扣索、背索設(shè)計(jì)

拱肋扣索與背索是拱橋拱肋懸臂拼裝的關(guān)鍵受力構(gòu)件，一般成對(duì)進(jìn)行布置。鋼筋混凝土勁性骨架拱橋及鋼管混凝土拱橋，由于拱肋剛度較弱，常采用一段一扣（滿扣或設(shè)置臨時(shí)扣索）的方式進(jìn)行施工，例如犍為岷江特大橋[3]、合江長(zhǎng)江一橋[4]。鋼桁架拱橋因其剛度大、懸臂能力強(qiáng)，一般采用少扣索方式施工，例如梅山春曉大橋[5]僅布置2對(duì)扣背索。拱肋少扣索施工方法較一段一扣施工方法具有諸多優(yōu)點(diǎn)：①少扣索可以減少扣背索安裝、張拉工序的數(shù)量，節(jié)約施工工期；②少扣索結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受力明確，拱肋線形控制較簡(jiǎn)單；③省去了臨時(shí)扣索，節(jié)約了工程材料，經(jīng)濟(jì)性好。

在犍為岷江特大橋的基礎(chǔ)上，蘇壩特大橋扣索的系統(tǒng)設(shè)計(jì)取消了臨時(shí)扣索，采用少扣索設(shè)計(jì)，大節(jié)段懸臂拼裝，扣、背索系統(tǒng)布置如圖3所示。

大橋單幅拱肋共布置5對(duì)扣、背索，分別布置于1#、2-2#、3-2#、4-2#、5-2#節(jié)段。單個(gè)節(jié)段布置兩根扣索，K1到K3-2扣索在拱肋上，錨固于節(jié)段外側(cè)兩根上弦桿處。塔頂錨固于9#墩或10#墩蓋梁錨梁上，背索錨固于7#墩或12#墩承臺(tái)。K4-2到K5-2拱肋上錨固于節(jié)段外側(cè)的兩根上弦桿處，塔頂錨固于扣塔頂部錨梁上，背索錨固于6#墩或13#墩承臺(tái)。背索布置于承臺(tái)及墩柱兩側(cè)，避讓相關(guān)墩柱和蓋梁。

圖3 扣、背索系統(tǒng)布置圖

扣、背索均采用Φj15.24（Rby=1 860 MPa）鋼絞線，錨固采用群錨體系，截面按施工階段最大索力進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，扣、背索參數(shù)分別見(jiàn)表1～2所示：

表1 扣索參數(shù)表

扣索編號(hào) K1 K2-2 K3-2 K4-2 K5-2

束數(shù)/束 3 5 7 11 11

初拉力/kN 262 260 447 1 060 1 218

最大索力/kN 286 468 785 1 117 1 245

安全系數(shù) 2.73 2.77 2.31 2.56 2.3

表2 背索參數(shù)表

背索編號(hào) B1 B2-2 B3-2 B4-2 B5-2

束數(shù)/束 2 4 8 11 12

初拉力/kN 70 227 476 957 1 317

最大索力/kN 122 347 701 1 029 1 335

安全系數(shù) 4.23 2.99 2.97 2.78 2.33

3.2 扣塔設(shè)計(jì)

臨時(shí)扣塔的高度影響扣索的受力。為減小扣索受力，臨時(shí)扣塔應(yīng)具有合理的高度。該工程采用吊扣分離設(shè)計(jì)，扣塔設(shè)置在交界墩處，拱肋節(jié)段在交界墩后方拼裝，節(jié)段吊裝時(shí)需要水平運(yùn)輸跨越扣塔。為避免拱肋節(jié)段與扣塔發(fā)生碰撞，扣塔頂?shù)嚼|索吊主索應(yīng)有足夠的距離。根據(jù)節(jié)段高度、吊具、跑車、起吊索最短距離等因素綜合考慮，確定該距離不應(yīng)小于10 m。根據(jù)文獻(xiàn)[6]的計(jì)算方法計(jì)算得到節(jié)段運(yùn)至此處時(shí)纜索吊裝系統(tǒng)主索的標(biāo)高，然后推算確定臨時(shí)扣塔的高度為10.14 m?？鬯捎娩摴芗靶弯摵附映伤睿瑔畏鬯捎?根φ630×10 mm鋼管作為立柱，為保證蓋梁受力安全，立柱布置于蓋梁實(shí)心段，立柱間距4.67 m×4.5 m，立柱之間以及兩幅扣塔之間采用φ325×6 mm鋼管連接成整體。在蓋梁頂面及扣塔頂，采用2I56型鋼布置兩層扣錨梁。

3.3 纜風(fēng)索設(shè)計(jì)

由于拱肋為柔性結(jié)構(gòu)，拱肋橫橋向受風(fēng)影響較大，每完成一部分拱肋吊裝，需在拱肋兩側(cè)對(duì)稱張拉一組臨時(shí)纜風(fēng)索。纜風(fēng)索的作用，其一可以增加拱肋橫向剛度，確保拱肋拼裝安全性；其二可調(diào)節(jié)拱肋橫橋向偏位。

纜風(fēng)索采用Ф28（6×37+1）mm鋼繩，與拱肋采用捆綁連接，分別在節(jié)段2-2、節(jié)段3-2和節(jié)段4-2布置拱肋抗風(fēng)索。每個(gè)節(jié)段單側(cè)布置4根Ф28 mm鋼繩，上下弦桿各2根，每根索力10t。待拱肋合龍后，方可拆除臨時(shí)纜風(fēng)索。

3.4 錨碇系統(tǒng)設(shè)計(jì)

背索系統(tǒng)錨碇常用的形式有樁基+承臺(tái)、巖錨、重力錨等形式，根據(jù)蘇壩特大橋地形及地質(zhì)情況，并結(jié)合永臨結(jié)合的設(shè)計(jì)理念，充分利用永久結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載，考慮將背索錨碇設(shè)置在引橋承臺(tái)上。

橋梁承臺(tái)尺寸為5 m×5 m×2.5 m，承臺(tái)下為4根直徑1.3 m的鋼筋混凝土樁基。為減小單個(gè)承臺(tái)受力及便于錨點(diǎn)布置，將背索分為2組進(jìn)行布置，背索B1、B2-2、B3-2錨固在7#、12#承臺(tái)處（錨碇一），背索B4-2、B5-2錨固在6#、13#承臺(tái)處（錨碇二）。

圖4 背索錨碇荷載圖（kN）

對(duì)背索錨碇進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，其設(shè)計(jì)荷載如果按照將單根最大荷載相加考慮，錨碇一荷載為2 340 kN，錨碇二荷載為4 728 kN。如果按照對(duì)各施工階段背索受力相加，再取施工階段中最大值，錨碇一荷載為2 340 kN，錨碇二荷載為4 214 kN。從圖4可以看出，前者計(jì)算方式結(jié)果更安全，后者計(jì)算方式則更經(jīng)濟(jì)適用。

根據(jù)文獻(xiàn)[7]計(jì)算得到承臺(tái)單樁水平承載力特征值為409 kN，考慮群樁樁的相互影響效應(yīng)時(shí)承臺(tái)單樁水平承載力特征值為501 kN，再計(jì)入承臺(tái)側(cè)向土作用時(shí)承臺(tái)單樁水平承載力特征值1 131 kN。顯然，承臺(tái)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)小于2，為此該工程研發(fā)了一種巖錨與橋梁永久結(jié)構(gòu)相結(jié)合的拱橋背索錨固系統(tǒng)[8]，使承臺(tái)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)滿足要求。

背索錨碇結(jié)構(gòu)如圖5所示。在承臺(tái)內(nèi)埋設(shè)錨固鋼帶與背索連接，直接承受背索傳遞的荷載。錨固鋼帶主要依靠與混凝土的黏結(jié)力進(jìn)行承載，同時(shí)，在鋼帶上設(shè)置PBL剪力鍵作為安全儲(chǔ)備。為避免混凝土開(kāi)裂，通過(guò)在鋼帶的前端50 cm長(zhǎng)度范圍內(nèi)涂抹隔離劑，以及在鋼帶厚度方向設(shè)置橫向分布鋼筋[9]等措施避免混凝土開(kāi)裂。承臺(tái)上布置兩組巖錨索（錨索A和錨索B）與承臺(tái)樁基形成共同受力體系，其參數(shù)見(jiàn)表3所示。錨索自由段、錨固段各10 m，尾端設(shè)0.5 m的沉渣端。兩組錨索相互成一定夾角，保證錨索錨固段的空間距離大于1.5 m。

圖5 背索錨碇構(gòu)造圖（cm）

表3 巖錨索參數(shù)表

錨索 規(guī)格 數(shù)量 張拉力/kN

錨碇一 錨碇二

錨索A Φj15.24-4 2 3 625

錨索B Φj15.24-6 2 2 760

當(dāng)張拉巖錨索時(shí)，樁基會(huì)承受巖錨索的水平力（方向指向邊跨），隨著扣索系統(tǒng)錨索的安裝，樁基受到巖錨索的水平力逐漸減小，然后變成零，最終反向增大（指向中跨）。為保證整個(gè)施工過(guò)程中，樁基水平承載始終具有2倍的安全系數(shù)，通過(guò)驗(yàn)算，優(yōu)化錨碇巖錨索施工流程如下：

錨碇一：

（1）張拉巖錨索A，承臺(tái)承受來(lái)自巖錨索的水平力。

（2）安裝拱肋至3-2節(jié)段。

（3）張拉錨索B。

（下轉(zhuǎn)第58頁(yè)）

（上接第61頁(yè)）

（4）繼續(xù)吊裝拱肋節(jié)段。

錨碇二：

（1）張拉1根錨索A。

（2）安裝拱肋節(jié)段到張拉B4-2施工階段。

（3）繼續(xù)張拉2根錨索A。

（4）繼續(xù)安裝拱肋至5-1節(jié)段。

（5）在張拉K5-2扣索、背索的同時(shí)同步張拉2根錨索B。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)蘇壩特大橋勁性骨架拱肋懸臂拼裝施工中斜拉扣掛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，總結(jié)出以下幾個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，可為今后的斜拉扣掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供思路。

（1）針對(duì)弱剛度的拱肋，應(yīng)對(duì)拱肋安裝過(guò)程進(jìn)行計(jì)算分析，充分利用拱肋自身剛度，釆用少扣索的施工方法，取消部分扣索或臨時(shí)扣索，優(yōu)化施工流程。

（2）扣塔設(shè)置應(yīng)充分考慮與纜索吊裝系統(tǒng)的位置關(guān)系、扣索角度、基礎(chǔ)受力等因素，綜合確定扣塔高度及平面尺寸。

（3）錨碇設(shè)計(jì)應(yīng)采用永臨結(jié)合的設(shè)計(jì)理念，通過(guò)巖錨索輔助承臺(tái)受力、優(yōu)化巖錨索張拉流程等措施充分發(fā)揮永久結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

參考文獻(xiàn)

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