斜拉橋牽索掛籃設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)
關(guān)鍵詞：斜拉橋，牽索掛籃，設(shè)計(jì)與施工
一、工程概述
隨著我國(guó)橋梁設(shè)計(jì)與施工技術(shù)的不斷進(jìn)步，斜拉橋已普遍在交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中被采用，特別是在受地形、地質(zhì)、水文限制影響的區(qū)域更加廣泛采用。對(duì)于跨徑小于400米的多采用采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混泥土主梁，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有邊主梁、箱梁等，其中廣東順德高贊大橋和重慶云陽(yáng)梅溪河特大橋主梁結(jié)構(gòu)形式在混泥土主梁結(jié)構(gòu)形式中具有典型性。
高贊大橋長(zhǎng)1727.8m，橋跨組合為14×30m+5×31m+(61+89+280+89+61)m+3×40m+15×30m。主橋采用雙塔單索面，墩、塔、梁固結(jié)的預(yù)應(yīng)力砼斜拉橋，跨徑組合為61m+89m+280m+89m+61m，主梁采用近似三角形斷面，單箱三室結(jié)構(gòu)，梁高3.5米，箱寬30.5米。主梁0#塊長(zhǎng)13米，0-1#塊長(zhǎng)6米，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)6米（橫隔板間距也為6米），共21對(duì)。標(biāo)準(zhǔn)梁段斷面尺寸為：頂板全寬30.5米，底板寬4米，懸臂長(zhǎng)4米。
高贊大橋主梁斷面單位：cm
梅溪河特大橋主橋采用43m+147m+386m+147m+43m的雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力砼斜拉橋，主梁標(biāo)準(zhǔn)截面采用雙主肋斷面，主梁中心高度2.6m，頂板寬23.5m，厚0.30m，主梁懸澆節(jié)段長(zhǎng)6.0m，索塔處設(shè)23m的0號(hào)塊，中跨合攏段長(zhǎng)3.0m，邊跨合攏段長(zhǎng)2.0m，全橋124對(duì)斜拉索�！ �
梅溪河特大橋主梁橫斷面單位：cm
二、斜拉橋牽索掛籃施工技術(shù)研究
斜拉橋混泥土主梁有邊主梁、標(biāo)準(zhǔn)箱梁、倒三角形箱梁等形式，從施工方式上講有懸拼、懸澆及現(xiàn)澆幾種，其中牽索掛籃懸澆最為普遍。牽索懸澆掛籃在銅陵長(zhǎng)江大橋上首次應(yīng)用，隨后在江西南昌新八一大橋、武漢江漢四橋、湖南岳陽(yáng)洞庭湖大橋、江西鄱陽(yáng)湖大橋、湖北荊沙長(zhǎng)江大橋、湖北巴東長(zhǎng)江大橋等多座斜拉橋上成功應(yīng)用，技術(shù)成熟可靠，掛籃結(jié)構(gòu)較標(biāo)準(zhǔn)化，其主要結(jié)構(gòu)包括行走系統(tǒng)、底籃系統(tǒng)、模板系統(tǒng)，底籃系統(tǒng)主要由縱梁（位于主梁肋板下方）及橫梁（連接兩道縱梁，一般設(shè)兩道或三道）組成；行走系統(tǒng)由C型掛鉤（支撐在主梁肋板頂面）、C型掛鉤側(cè)向?qū)蜉�、縱梁尾部滾輪、滑道、C型掛鉤頂升設(shè)施、牽引設(shè)施等組成；模板系統(tǒng)考慮到施工方便一般設(shè)計(jì)成整體提升式。
高贊大橋主梁采用的是倒三角形箱梁，底板寬度為4米，斜拉索橫向間距2米，設(shè)計(jì)上根據(jù)結(jié)構(gòu)需要明確要求采用牽索掛籃施工；在考慮設(shè)計(jì)方案時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)多座相對(duì)類(lèi)似橋梁施工進(jìn)行了調(diào)研與分析，同時(shí)廣泛咨詢(xún)了多位行內(nèi)專(zhuān)家的意見(jiàn)，最終采用復(fù)合式牽索掛籃，即將牽索掛籃和普通中支點(diǎn)掛籃綜合使用，常規(guī)C型掛鉤滑行方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)，在此參考中支點(diǎn)掛籃的行走方式，即在梁頂設(shè)置行走桁架來(lái)負(fù)責(zé)掛籃的前移，但其在砼施工過(guò)程中不參與受力；底籃前端只有斜拉索約束，橫向懸臂大，若直接通過(guò)桁架自身結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)足夠的剛度，桁架高度將很大，并直接導(dǎo)致自重的增加，在此考慮設(shè)置橫向?qū)到y(tǒng)（可以看作體外預(yù)應(yīng)力），施工時(shí)根據(jù)需要隨時(shí)施加需要的對(duì)拉力以滿(mǎn)足橫向剛度問(wèn)題
梅溪河特大橋主橋主梁寬度較大，在初步計(jì)算中發(fā)現(xiàn)前橫梁撓度很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)規(guī)范值，經(jīng)調(diào)整橫梁截面高度試算，效果都不太理想，而且自重明顯加大。后來(lái)對(duì)前橫梁施加體外預(yù)應(yīng)力，使之起拱，在施工過(guò)程中與斜拉索同步分級(jí)進(jìn)行，起到了良好的效果，該措施使前橫梁的變形和掛籃前端盡量保持在了一個(gè)水平面上。該橋主梁肋板底部設(shè)有錨塊，最大豎向高度為80cm，設(shè)計(jì)時(shí)將縱梁鋼箱整體下降80cm，然后在鋼箱兩側(cè)增加三角桁架，桁架中間形成一U型槽，掛藍(lán)行走時(shí)只需下降10～20cm即可，操作相對(duì)簡(jiǎn)單，安全性較好，且縱梁結(jié)構(gòu)規(guī)則受力性能好。從掛籃初步計(jì)算中發(fā)現(xiàn)斜拉索在施工過(guò)程中承受的荷載偏小，即索力小于設(shè)計(jì)上提供的階段索力，這樣導(dǎo)致中支點(diǎn)承受荷載較大，較為不利，經(jīng)分析計(jì)算結(jié)果知在上述計(jì)算受力下掛籃前端存在向下的位移，若加大受力，前端位移將向上，但中支點(diǎn)受力將減小。為解決這個(gè)矛盾，通過(guò)增加斜拉索張拉次數(shù)，使斜拉索和中支點(diǎn)承受較合理的荷載。
三、牽索掛籃設(shè)計(jì)
�。ㄒ唬┰O(shè)計(jì)要點(diǎn)
1、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
充分研究主梁結(jié)構(gòu)形狀、尺寸及自重，確定總體結(jié)構(gòu)框架，明確縱梁、橫梁的位置分布，參考其他同類(lèi)工程初擬縱梁、橫梁、C型梁截面尺寸和結(jié)構(gòu)材料選型，同時(shí)初擬頂板底模系統(tǒng)。對(duì)于常規(guī)邊主梁，其結(jié)構(gòu)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化，只是自重和結(jié)構(gòu)尺寸不同而調(diào)整截面尺寸和材料規(guī)格；對(duì)于箱形主梁，則需要根據(jù)主梁的荷載分布確定縱梁、橫梁位置，明確C型梁設(shè)置的可行性，底模則需根據(jù)箱梁底面形狀及荷載分布確定總體布置
2、止推器設(shè)計(jì)
牽索掛籃利用斜拉索承受主梁豎向荷載，同時(shí)也產(chǎn)生了較大的水平荷載，此荷載是通過(guò)止推器來(lái)克服，止推器設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到主梁施工質(zhì)量和安全。止推器結(jié)構(gòu)采用較普遍的是錨固結(jié)構(gòu)（利用高強(qiáng)螺栓錨固在已澆梁段上），部分采用的是穿過(guò)主梁的擋塊，設(shè)計(jì)時(shí)一方面要對(duì)主梁與止推器接觸部位進(jìn)行詳細(xì)驗(yàn)算，另一方面需保證止推器本身的受力性能，同時(shí)還要考慮止推器與縱梁間的緊密接觸問(wèn)題，避免較大非彈性變形。另外，還要充分考慮止推器的安裝方便性，盡量控制其自重。
3、仿真模型
結(jié)構(gòu)驗(yàn)算首先需建立仿真模型，該模型應(yīng)最大限度與實(shí)際情況吻合，特別是邊界條件，以保證計(jì)算結(jié)果真實(shí)可靠，否則將出現(xiàn)大問(wèn)題。為避免問(wèn)題出現(xiàn)仿真模型需經(jīng)過(guò)2人以上進(jìn)行復(fù)核，最好采用不同的軟件分別計(jì)算復(fù)核。
4、驗(yàn)算工況
準(zhǔn)確定義掛籃施工中的各種工況，具體說(shuō)明各工況的荷載情況、邊界條件，按工況分別進(jìn)行驗(yàn)算，通過(guò)驗(yàn)算結(jié)果明確控制要點(diǎn)。牽索掛籃根據(jù)施工步驟一般有以下五個(gè)工況：
�。�1）掛籃空載前移：掛籃已整體脫模，掛籃依靠C型梁或其他結(jié)構(gòu)懸掛于已澆梁的頂面，縱梁尾端裝置反頂使掛籃平衡；
�。�2）掛籃行走到位，安裝斜拉索并第一次張拉斜拉索調(diào)整模板到設(shè)計(jì)標(biāo)高，該次的索力需滿(mǎn)足梁段施工一半砼時(shí)掛籃總體變形不超過(guò)容許范圍，同時(shí)也不能使空載時(shí)掛籃前端向上的變形超過(guò)容許范圍及掛籃結(jié)構(gòu)應(yīng)力過(guò)大；
�。�3）澆注完一半砼，掛籃總體變形不超過(guò)容許范圍；
（4）澆注完一半砼進(jìn)行第二次張拉斜拉索，該次的索力需滿(mǎn)足梁段施工剩余砼時(shí)，同時(shí)也不能使?jié)沧⒁话腠艜r(shí)掛籃前端向上的變形超過(guò)容許范圍及掛籃結(jié)構(gòu)應(yīng)力過(guò)大；
�。�5）砼澆注完畢，掛籃總體變形不超過(guò)容許范圍。
（二）具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例
1、梅溪河特大橋掛籃
�。�1）總體設(shè)計(jì)
該掛籃總體上包括底籃系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、模板系統(tǒng)三大部分�？傮w圖一
（2）分部具體設(shè)計(jì)
單個(gè)底籃系統(tǒng)由兩道縱梁、三道橫梁、兩個(gè)弧形梁組成，其中縱梁采用高贊大橋縱梁鋼箱結(jié)構(gòu)（1.6mX1.0m和2.0mx1.0m）；前橫梁底部設(shè)置體外預(yù)應(yīng)力，共三束，每束三根φ15.24鋼絞線(xiàn)；后橫梁采用1.5mX1.0m桁架。行走、錨固系統(tǒng)由C型掛鉤、C型掛鉤側(cè)向?qū)蜉�、縱梁尾部滾輪、滑道、C型掛鉤頂升設(shè)施、牽引設(shè)施等組成，C型掛鉤采用鋼箱結(jié)構(gòu)；錨固系統(tǒng)包括中錨桿、止推器、后吊桿及斜拉索。模板系統(tǒng)由肋板側(cè)模、頂板模板、橫隔墻模板及頂板模板支撐下放系統(tǒng)組成。
�。�3）結(jié)構(gòu)計(jì)算
該掛籃結(jié)構(gòu)采用ANSYS空間計(jì)算程序進(jìn)行實(shí)體建模計(jì)算，充分分析結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性。
主要計(jì)算結(jié)果及分析
A、調(diào)節(jié)掛籃變形的方法
選取拉索索力和體外預(yù)應(yīng)力是調(diào)節(jié)掛籃結(jié)構(gòu)變形的主要手段，缺一不可。兩個(gè)手段具有獨(dú)立性，調(diào)節(jié)拉索索力時(shí)，掛籃前端的位移發(fā)生變化，影響整個(gè)掛籃的上下?lián)隙�；調(diào)節(jié)體外預(yù)應(yīng)力時(shí)，它只改變前橫梁跨中處的相對(duì)位移，屬于體系內(nèi)部的預(yù)應(yīng)力，不影響整個(gè)掛籃的上下?lián)隙�。�?jiǎn)言之，拉索索力調(diào)節(jié)整個(gè)掛籃的整體撓度，管“外”；體外預(yù)應(yīng)力調(diào)節(jié)前橫梁跨中處的相對(duì)位移，管“內(nèi)”。
B、斜拉索索力的選擇
原則明確，實(shí)際操作簡(jiǎn)單，及時(shí)地調(diào)節(jié)拉索索力，令掛籃前端的位移在零附近擺動(dòng)。理論上，case11、case12、case21、case22時(shí)，拉索索力各不相同。實(shí)際操作時(shí)，取索力1（case11為控制量，case12為驗(yàn)算值）、索力2（case21為控制量，case22為驗(yàn)算值），共2種情況。該方法既可以令掛籃的整體和局部撓度不至于過(guò)大，也使得掛籃幾乎沒(méi)有上下變形，因此應(yīng)力水平較低。
2、高贊大橋掛籃
�。�1）、總體構(gòu)造
該掛籃主要由底籃系統(tǒng)及行走提籃系統(tǒng)兩大部分組成，總體結(jié)構(gòu)如下圖所示：
（2）、結(jié)構(gòu)計(jì)算
①計(jì)算工況分析
計(jì)算時(shí)將底籃和行走桁架單獨(dú)進(jìn)行，根據(jù)對(duì)該掛籃施工過(guò)程的研究，底籃結(jié)構(gòu)最不利工況為梁段砼澆注結(jié)束時(shí)和掛籃剛行走到位時(shí)，計(jì)算時(shí)分別對(duì)1＃（斜拉索傾角最大）和21＃（斜拉索傾角最�。┝憾芜M(jìn)行了計(jì)算，同時(shí)考慮到止推器的受力分析，最不利為21＃梁段施工時(shí)；行走桁架最不利工況為掛籃行走到位時(shí)。
②、具體計(jì)算
底籃系統(tǒng)為本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，21＃塊段懸澆滿(mǎn)載為最不利施工狀況，計(jì)算時(shí)采用的是功能強(qiáng)大的ANSYS空間有限元程序軟件，具體計(jì)算情況如下。
最大變形發(fā)生在底籃桁架橫向的最外端，最大值為13.14mm（方向向下）。
最大拉應(yīng)力為111Mpa。最大壓應(yīng)力為95.9Mpa。
四、主要施工工藝
（一）、掛籃的安裝
由于各項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)情況不同，有的項(xiàng)目是在0#托架上進(jìn)行部分安裝，澆注完0#后前移掛籃，然后拼裝完剩余部分，余下按正常節(jié)段施工（梅溪河特大橋按此方案實(shí)施）；有的項(xiàng)目先利用托架施工完0#塊，再在托架上拼裝掛籃；還有的項(xiàng)目在地面合適區(qū)域?qū)⒌谆@拼裝完成，然后運(yùn)輸至墩位，起吊安裝在已澆梁段上（高贊大橋按此方案實(shí)施）。梅溪河特大橋掛籃總的拼裝順序?yàn)椋浩囱b托架¬——測(cè)量定位放樣¬——安裝縱梁高鋼箱——安裝弧形梁——安裝中橫梁鋼箱——安裝前橫梁鋼箱——安裝C型梁鋼箱——安裝前橫梁鋼箱對(duì)拉支撐架構(gòu)——安裝中錨桿及中、后吊桿——安裝底籃模板并與底籃固定——安裝橋面行走鋼板——垂直提升整個(gè)底籃系統(tǒng)并錨固——安裝臨時(shí)止推系統(tǒng)——前端掛索并預(yù)錨固——預(yù)緊中錨桿——0#塊砼施工——掛籃下放并前移——安裝縱梁尾鋼箱。
（二）、壓載試驗(yàn)
掛籃在拼裝并錨固好后須進(jìn)行預(yù)壓試驗(yàn)，以檢測(cè)實(shí)際結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)及變形與設(shè)計(jì)是否吻合。預(yù)壓載荷為Z1＃塊荷載的1.2倍，采取分級(jí)施加的方式（至少為4級(jí)，荷載可采取模擬等代的方式施加，應(yīng)盡量與箱梁的實(shí)際重力作用位置相吻合。施工前應(yīng)對(duì)各位置編號(hào)并在實(shí)物上做永久記號(hào)。
（三）主要施工流程
一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)梁段的掛籃施工順序?yàn)椋簰旎@行走——測(cè)量放樣——掛籃錨固就位——斜拉索掛索安裝并初拉——底模調(diào)校——肋板、橫隔墻鋼筋綁扎——肋板模、橫隔墻模板及內(nèi)頂模安裝—頂板鋼筋綁扎——澆注50％砼——索力二次調(diào)整——澆注剩余砼——砼養(yǎng)生¬——主梁體內(nèi)預(yù)應(yīng)力張拉——斜拉索體系轉(zhuǎn)換——斜拉索張拉至設(shè)計(jì)噸位——安裝行走系——卸錨、吊桿底籃落模——掛籃前移行走至下一塊段施工——重復(fù)以上步驟進(jìn)行下一塊段懸澆施工。
�。ㄋ模┦┕けO(jiān)控
施工監(jiān)控對(duì)斜拉橋上部結(jié)構(gòu)施工相當(dāng)關(guān)鍵，總體來(lái)說(shuō)，施工監(jiān)控包括的內(nèi)容很多，而且這個(gè)工作需要與設(shè)計(jì)單位、監(jiān)控單位、監(jiān)理單位及施工單位來(lái)共同完成。在掛籃設(shè)計(jì)時(shí)為滿(mǎn)足施工過(guò)程中的監(jiān)控需要，按施工程序?qū)γ恳粔K段施工時(shí)的各個(gè)階段進(jìn)行模擬計(jì)算，統(tǒng)計(jì)出各控制位置的撓度、關(guān)鍵構(gòu)件的內(nèi)力、斜拉索的張拉力等數(shù)據(jù)，另外為保證計(jì)算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在正式施工前進(jìn)行壓載試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果比較，認(rèn)真分析后對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，最后用于指導(dǎo)施工。監(jiān)控單位在梁段施工期間按不同節(jié)段分別對(duì)主橋整體計(jì)算分析，充分考慮前段梁段施工反映的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，不斷修正模型、調(diào)整參數(shù)，然后及時(shí)提供下一梁段施工參數(shù)。施工過(guò)程中高度關(guān)注索力的控制和調(diào)整，實(shí)施應(yīng)力、應(yīng)變雙控。
五、結(jié)束語(yǔ)
斜拉橋牽索掛籃設(shè)計(jì)與施工技術(shù)經(jīng)過(guò)多座橋梁的實(shí)踐和檢驗(yàn)，日趨成熟完善，不但適用于常規(guī)邊主梁，也適用于箱梁及其他特殊主梁，為斜拉橋的進(jìn)一步發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。在高贊大橋和梅溪河特大橋的掛籃中都采用了體外預(yù)應(yīng)力設(shè)施，大大減輕了結(jié)構(gòu)自重；另外，將多種掛籃的特點(diǎn)綜合利用，起到了較好效果；這些思路也將促進(jìn)我們更進(jìn)一步開(kāi)闊視野，追求技術(shù)的不斷進(jìn)步。
