劉亞麗

（中鐵建大橋工程局集團第一工程有限公司 遼寧大連 116033）

1 工程概況

1.1 工程簡介

大連普灣十六號路跨海橋橫跨普蘭店灣，其主橋位于海灣中心，設計為50+170+200+170+50＝640 m鋼箱提籃拱橋，橋?qū)?8.6 m。拱肋采用鋼箱截面，拱肋軸線總體內(nèi)傾9°，鋼拱箱截面由拱腳處4×3 m漸變至拱頂3×3 m。次邊跨拱肋矢高44.5 m，中跨拱肋矢高61.5 m。

中跨拱肋間設置7道風撐、2道拱間橫梁；次邊跨拱肋間布置5道風撐、2道拱間橫梁。主橋結構布置見圖1。

橋位處均填筑便道、筑島，具備大型起吊、運輸設備進入作業(yè)條件。

本文就170 m次邊跨拱肋安裝為例介紹本橋采用的自錨式扣掛體系及扣掛法施工工藝。

1.2 橋梁結構特點及總體施工構想

1.2.1 邊跨具備錨固條件

（1）邊跨拱肋截面強大且與拱座固結，能夠提供強大水平方向上的約束力。邊跨跨度50 m，設計為上承式，拱肋截面尺寸為4×3 m，頂、底板厚32 mm，腹板厚28 mm。兩拱肋間設置工形中橫梁與箱形端橫梁。

（2）邊跨拱肋距端橫梁8 m范圍內(nèi)、端橫梁內(nèi)均設計有壓重混凝土，共計204 m3。邊跨拱肋及橫縱梁重約1 800 t，壓重混凝土重約490 t，為其作為錨點提供強大豎向約束力。

（3）可先施作邊跨拱肋結構，拱肋安裝高度10 m，采用支架法安裝。拱座完成后即可進行邊跨拱肋節(jié)段的安裝，可與拱座上的扣塔安裝同時進行，不占用總體工期［1］。

1.2.2 中跨側(cè)利用相鄰拱座錨固

中跨側(cè)相鄰拱座距離200 m，拱座頂標高相同，每個拱座承臺下布置12根直徑2.5 m樁基礎，單個承臺尺寸為23.25×17×5.5 m；拱座為16.5×11.8×8.3 m棱臺，為鋼筋混凝土結構，承載力強大，距離適當，且便于預埋鋼拉帶。

1.2.3 總體施工構想

根據(jù)結構特點，邊跨側(cè)扣掛體系可通過錨點布置在邊跨拱肋端部以實現(xiàn)自錨；中跨側(cè)扣掛體系可在相鄰拱座預埋鋼拉帶，利用主體結構自身進行錨固。

此外，次邊跨單片拱肋計劃分為23個節(jié)段，最重節(jié)段為C1段，單節(jié)段重量68.8 t。拱肋安裝擬采用大型履帶吊吊裝。為減少高空焊接作業(yè)工作量、減少扣錨索布置束數(shù)、簡化安裝施工步驟、降低施工控制難度，將制造節(jié)段運至橋位后在地面進行組拼，2～3個制造節(jié)段組成一個安裝節(jié)段，將次邊跨的57個節(jié)段在地面組拼成33個吊裝節(jié)段，最重節(jié)段為C2～C4組合節(jié)段，重167 t，采用400 t與150 t履帶吊吊裝。

綜上，總體施工設想為:拱座施工時預埋鋼拉帶及扣塔塔座預埋件，拱座完成后在其頂部安裝萬能桿件扣塔；同時支架法安裝邊跨拱肋及橫縱梁，此時還可同時進行次邊跨拱肋節(jié)段的地面組拼；扣塔及邊跨拱肋安裝完成后，將地面組拼好的次邊跨拱肋安裝節(jié)段逐段進行扣掛安裝，安裝順序遵循對稱、穩(wěn)定的原則，即安裝完中跨側(cè)的左右第一個安裝節(jié)段，并安裝對應的拱間橫梁或風撐，形成穩(wěn)定結構后，對稱安裝邊跨側(cè)左右第一個安裝節(jié)段及對應拱間橫梁或風撐，然后進行第二、三、四個安裝節(jié)段的吊裝，最后安裝合龍段，安裝頂部風撐，逐步放松扣錨索，拆除扣塔［2-4］。

2 自錨式扣掛體系及模型

2.1 自錨式扣掛體系

邊跨側(cè)扣掛體系主要由拱座、邊跨拱肋及橫縱梁、主引交接墩下部構造、塔架、次邊跨拱肋節(jié)段、扣錨索等組成［5］。邊跨側(cè)扣掛體系見圖2。

圖2 邊跨側(cè)扣掛體系示意

中跨側(cè)扣掛體系主要由拱座、塔架、次邊跨拱肋節(jié)段、扣錨索等組成。錨索的錨點布置在中跨側(cè)相鄰拱座上，錨固裝置采用預埋鋼拉帶。中跨側(cè)扣掛體系見圖3。

圖3 中跨側(cè)扣掛體系示意

2.2 細部構造

邊跨側(cè)扣掛體系的錨點布置在邊跨拱肋端部，錨固裝置采用多點異向錨固裝置；中跨側(cè)扣掛體系的錨索錨點布置在中跨側(cè)相鄰拱座上，錨固裝置采用鋼拉帶錨箱。

（1）邊跨側(cè)錨點構造

邊跨側(cè)錨固裝置設置在邊跨拱肋B8節(jié)段鋼拱箱內(nèi)部，利用拱箱內(nèi)橫隔板及其后方的壓重混凝土，將承壓錨梁焊接在距離邊跨拱肋端部最近的一道橫隔板上，此構造大大提高了錨點的局部承載能力。施工時，預留B8節(jié)段內(nèi)的部分壓重混凝土暫不施工，做為擠錨、張拉的作業(yè)空間，待拆除錨索后再填充混凝土。邊跨錨點構造見圖4。

圖4 邊跨錨點構造示意

邊跨錨固裝置由雙拼32a槽鋼組成，雙拼32a槽鋼通過焊腳高度為10 mm角焊縫與B8隔板焊接，錨頭節(jié)點板通過焊腳高度20 mm角焊縫雙拼32a槽鋼頂板焊接，節(jié)點板通過焊腳高度10 mm角焊縫與槽鋼腹板焊接，節(jié)點板通過熔透焊縫與B8隔板焊接。

錨固節(jié)點可以根據(jù)實際錨索的方向確定其角度。一根錨索對應一個錨固節(jié)點，將多個錨固節(jié)點與承壓錨梁組焊成一體，既節(jié)省了空間，又增強了整體性。一個拱箱內(nèi)可布置多個承壓錨梁，一個錨梁上也可布置多個錨固節(jié)點，各錨固節(jié)點的角度都可以根據(jù)實際情況進行設置，這樣就實現(xiàn)了不同角度的多點錨固。

（2）中跨側(cè)錨點構造

整個鋼拉帶長3.5 m、寬0.35 m，板材厚均為20 mm，鋼板間焊縫設計均采用熔透焊縫。鋼拉帶一端預埋在拱座混凝土內(nèi)部，其預埋深度為2.0 m；另一端設置鋼錨箱結構的錨固節(jié)點，預埋時其角度與扣塔上對應布置的鋼錨梁對準，必須保證鋼錨箱承壓面與錨索張拉方向垂直。外露端長度應滿足錨索穿過并擠錨的要求。鋼拉帶錨梁構造見圖5所示。

圖5 鋼拉帶錨梁構造圖（單位：mm）

2.3 計算模型及檢算

2.3.1 計算模型

次邊跨扣掛施工階段采用Midas civil有限元軟件建立空間結構模型，采用數(shù)據(jù)仿真的方法進行計算［6-7］?？鬯f能桿件采用梁單元模擬，風纜和臨時索均采用桁架單元模擬。次邊跨扣掛施工計算模型見圖6。

圖6 次邊跨扣掛施工計算模型

針對自錨式扣掛結構的特點，分別進行邊跨與中跨側(cè)自錨扣掛體系及錨點結構計算，涉及的相關數(shù)據(jù)自模型計算結果中提取。

2.3.2 邊跨拱肋自錨體系計算

（1）邊跨拱肋應力

從計算模型中得出邊跨拱肋最大應力，邊跨拱肋及縱橫梁在次邊跨合龍狀態(tài)應力最大，最大拉應力24.8 MPa，最大壓應力-43.5 MPa，說明邊跨在吊裝過程中始終處于安全狀態(tài)。

（2）支座反力

邊跨錨索錨固在B8節(jié)段，隨著次邊跨吊裝進行，錨索作用在B8上的豎向分力逐漸增大，經(jīng)過模型計算得出邊跨端橫梁支座受壓最小值為-3 068.9 kN?？梢钥闯?，次邊跨吊裝過程中，邊跨端橫梁支座始終處于受壓狀態(tài)。

（3）錨點承壓及焊縫

以受力最大的BT3錨點為例，經(jīng)過模型計算得出:錨頭豎板與夾板相交處及錨墊板與錨頭相交處產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，不過應力集中影響區(qū)域很小，范圍在1 cm以內(nèi)。除了應力集中區(qū)的個別單元外最大應力為377 MPa，其他區(qū)域應力基本在200 MPa以下，小于許用應力260 MPa，所以錨頭是安全的。錨點計算模型見圖7。

圖7 錨點計算模型

BT3錨點節(jié)點板與錨梁焊接，計算由四邊圍成的矩形框焊縫承受由于水平、豎直分力及扭矩產(chǎn)生的綜合應力為［8-9］:

焊縫滿足受力要求。

2.3.3 中跨側(cè)扣掛體系錨點計算

計算時考慮錨固結構不均勻系數(shù)1.1和動力影響系數(shù)1.2，用于驗算結構的錨固力。

（1）鋼拉帶抗拉計算

（2）混凝土抗剪計算

（3）預埋件抗拔計算

其中:［τ］為粘結強度，取1.5 MPa；S為鋼板帶周長，S＝（20+350）×2＝740 mm；L為鋼板帶長度，L＝2 000 mm；n為鋼板個數(shù)，n＝2。

此外，鋼拉帶預埋件的抗拔力在現(xiàn)場進行試驗，具體做法是在新澆混凝土內(nèi)預埋鋼拉帶錨箱，鋼拉帶上不設置圓孔及鋼筋，僅驗證粘結強度，千斤頂張拉至2 200 kN后持荷5 min回油，證明抗拔力 ＞1 793 kN。

3 扣掛法施工工藝

3.1 鋼結構安裝工藝流程

鋼結構安裝施工工藝流程見圖8。

圖8 施工工藝流程

3.2 鋼拱肋安裝

3.2.1 預埋段安裝

拱座預埋段均采用支架法安裝，在承臺上放出定位點，并在承臺上根據(jù)定位點安裝、固定鋼支架，通過150 t履帶吊安裝首節(jié)段拱肋。通過吊機、千斤頂、側(cè)向風纜調(diào)整好拱肋坐標后，用定位板與支架焊接固定，避免澆筑拱座混凝土時移動。

3.2.2 邊跨拱肋安裝

邊跨拱肋安裝采用支架法，通過150 t履帶吊，自拱座固結處向邊跨交接墩處分6個節(jié)段（其中B2+B3為組合段）逐段安裝。首先放樣邊跨拱肋在地面的投影位置，并在對應吊裝段接口位置設置基礎，在基礎的預埋鋼板上焊接臨時支架，支架互相連接，確保其整體穩(wěn)定性。邊跨拱肋各節(jié)段檢驗合格后焊接吊耳，在組合段下端頂板上焊接兩塊碼板，方向垂直于對接口焊縫，伸出150 mm，碼板焊接位置對應箱口內(nèi)部加勁板位置。采用150 t履帶吊將組合段吊裝就位，碼板伸出部分落在上一節(jié)段拱箱頂板上，吊裝段前端落在臨時支架上，利用千斤頂在支架上調(diào)整該段的高度和傾斜度，測量定位，組對焊口，焊接碼板臨時固定，并穿入高強螺栓，將該段與支架臨時連接，使拱肋與臨時支架形成整體。

逐段安裝各拱肋節(jié)段后，安裝各工字橫梁、端部箱形梁及小縱梁。端部箱形梁分3個節(jié)段，預留其中一個焊縫暫不焊接，待中橫梁全部安裝完成后再完成端橫梁焊接。在端橫梁安裝完成后拆除支架［10］。

3.2.3 地面組拼

鋼拱肋地面組拼裝均采用臥拼，以C2+C3+C4組合段為例。首先在地面上設置可移動胎架，將C2節(jié)段通過150 t履帶吊吊裝于胎架上就位，通過在胎架上布置的千斤頂將拱肋各基準點標高調(diào)平以便測量坐標調(diào)位；再將C3節(jié)段吊裝至胎架上，先通過節(jié)段間廠內(nèi)預拼時安裝的匹配件完成初步定位，再通過測量基準點坐標精確調(diào)整兩拱肋間距及位置，然后通過測量拱肋平面角點的對角線校核，調(diào)整好后用碼板臨時固定；再進行C4節(jié)段組拼。待多段拱肋都調(diào)整好并臨時固定后進行拱肋環(huán)縫焊接，最后進行高強螺栓施擰［11］。

3.2.4 次邊跨拱肋安裝

在各段拱肋吊裝前先將對應的錨索穿好，錨索采用鋼絞線，張拉前先將每根鋼絞線長度基本調(diào)整均勻，整束穿入千斤頂至整體可張拉狀態(tài)。拱肋節(jié)段在吊裝位置下方附近設置臨時胎架完成節(jié)段的臥位組拼施工，組焊檢驗合格，臥位轉(zhuǎn)體成立位后，由一臺400 t履帶吊與150 t履帶吊共同吊裝完成組合段的就位［12］。

安裝節(jié)段吊裝前，先在已安裝到位的拱肋節(jié)段底板外側(cè)焊接碼板，安裝節(jié)段通過兩臺履帶吊吊裝到位后，初步調(diào)整兩節(jié)拱肋箱口對接，后端吊車放松鉤頭，通過前端吊車、千斤頂?shù)葘⒐袄哒{(diào)整到監(jiān)控位置，之后焊接碼板、安裝接口處加勁肋的臨時拼接板，分步實現(xiàn)前端吊機與扣索受力轉(zhuǎn)換，摘除前端吊車鉤頭，焊接環(huán)縫，連接拱箱內(nèi)肋板高強螺栓，完成該組合段拱肋安裝。

拱肋安裝節(jié)段的標高主要通過前方吊機進行調(diào)整，平面位置通過兩側(cè)的風纜及拱箱內(nèi)部的千斤頂調(diào)整。

扣索、錨索的張拉端均設置在扣塔上，邊跨拱肋錨點處設置人孔，進入拱箱內(nèi)進行錨索錨固端的擠錨；中跨側(cè)在鋼拉帶錨箱后方擠錨。

安裝過程不僅要實時監(jiān)控塔架頂部位移，還要監(jiān)控邊跨錨固點的標高、位置變化。施工時采用高精度電子水準儀測量監(jiān)控邊跨錨點，標高變化在±2 mm以內(nèi)，且不隨錨點加載而變化，可認為是環(huán)境影響、測量誤差，可忽略不計。

3.2.5 合龍段安裝

合龍段制造長度在加工圖尺寸的基礎上，兩端各加長300 mm，在合龍段兩端各500 mm范圍內(nèi)的箱口僅進行打底焊接，以便調(diào)整箱口內(nèi)傾角度的誤差，使兩側(cè)箱口順接。在采集了2 d（或以上）的合龍口觀測數(shù)據(jù)后，根據(jù)實際合龍溫度，完成合龍段箱口尺寸的配切施工。

為減小日照及溫度對拱肋合龍的影響，合龍段安裝時間盡量選擇在溫度變化較小時進行。合龍段安裝采用400 t履帶吊將合龍段吊起，從合龍口上方下落至合龍位置，通過兩側(cè)碼板懸掛在兩側(cè)懸臂節(jié)段上，再通過龍門卡具用鋼楔微調(diào)合龍段焊縫寬度，并使合龍段與兩側(cè)節(jié)段的上下蓋板及腹板平整順接。調(diào)整好后通過碼板臨時鎖定，進行主拱箱環(huán)向焊縫施焊，拼接板配鉆，最后施擰高強螺栓［13］。

4 施工成本比較分析

根據(jù)計算得出群樁承臺錨碇的形式為:樁基礎設計直徑1.2 m，樁長約40 m，內(nèi)部設置鋼筋籠；承臺結構尺寸5.8×5.8×2.0 m，內(nèi)部綁扎鋼筋，同時預埋錨點鋼構件，用于錨索張拉的錨固端。共布置4個錨碇基礎，設計材料用量匯總見表1。

表1 錨碇基礎設計材料用量

群樁承臺錨碇基礎因其地處海上回填區(qū)，施工時主要涉及樁基礎施工、承臺鋼板樁圍堰施工及承臺施工，總計費用約300萬元。

采用自錨式扣掛體系，邊跨充分利用主體結構，邊跨錨梁的制作僅需2.0 t鋼材，中跨側(cè)錨點的鋼拉帶錨箱共計8.6 t。關于錨點總計費用約10萬元。

采用自錨式扣掛體系與群樁承臺錨碇基礎施工費用對比，節(jié)約施工成本約300萬元，其經(jīng)濟性可觀。

5 結束語

自錨式扣掛體系及扣掛法施工技術在普灣十六號路跨海橋主橋次邊跨拱肋安裝施工中成功應用，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下兩個方面:

（1）結構設計巧妙、布局合理，大量節(jié)約成本。在臨時結構的設計上，充分利用主體結構自生的承載能力，利用拱座做為塔架基礎、錨點基礎，利用邊跨拱肋截面強大且與拱座固結的特點、利用拱肋內(nèi)的細部構造，通過簡單調(diào)整邊跨拱肋先施工的施工順序，僅增加設計了少量的拱肋內(nèi)錨固裝置，便建立了安全可靠的扣掛體系，取消了錨碇、錨樁承臺等臨時結構，節(jié)約大量施工成本，降低臨時工程施工難度。雖大量利用主體結構，但扣掛體系未給主體結構帶來明顯的結構變化及構件損傷等不利影響。

（2）施工順序安排合理，施工工藝、具體措施滿足施工需要，簡化安裝過程、降低施工控制難度，可操作性強。邊跨實現(xiàn)自錨的前提條件是先進行邊跨拱肋的安裝，將邊跨拱肋安裝同塔架安裝同時進行，不影響總工期；將制作節(jié)段在地面組拼成安裝節(jié)段，減少了高空焊接作業(yè)，降低施工的繁復程度及監(jiān)控難度；地面組拼、空中對接施工形成流水作業(yè)，吊機等資源配置合理，空中姿態(tài)調(diào)整措施安全快速，可操作性強。

綜上所述，自錨式扣掛體系及其扣掛法施工技術，無論是在臨時結構設計上還是在施工具體操作上都體現(xiàn)出其經(jīng)濟、安全、施工快速緊湊、可操作性強的巨大優(yōu)勢，值得推廣。