王海峰，李 明，李國華

(中鐵上海工程局集團(tuán)建筑工程有限公司，上海 201906)

0 引言

對于大跨度拱橋，施工方法通常有原位支架拼裝法、低位拼裝提升法、懸臂拼裝法、轉(zhuǎn)體對位法、無支架纜索吊機(jī)斜拉扣掛法等。本文結(jié)合工程實(shí)例，在纜索吊機(jī)斜拉扣掛法的基礎(chǔ)上，針對纜索吊機(jī)結(jié)構(gòu)形式及拱肋扣掛方式進(jìn)行比選研究，在解決工程實(shí)際問題的同時(shí)，進(jìn)一步豐富該領(lǐng)域施工技術(shù)。

1 工程背景

1.1 工程概況

新建鄭萬鐵路重慶段土建4標(biāo)奉節(jié)梅溪河雙線特大橋，全長687.8m，設(shè)計(jì)速度350km/h。主橋?yàn)閯判怨羌茕摻罨炷辽铣惺教峄@拱橋，拱跨340m，一孔跨越梅溪河，無鉸拱結(jié)構(gòu)，拱圈設(shè)計(jì)勁性骨架，主弦管內(nèi)壓注C60混凝土，拱圈外包C55混凝土。

1.2 鋼拱肋設(shè)計(jì)概況

鋼拱肋為變寬變高鋼桁拱架，拱軸立面為懸鏈線，拱軸系數(shù)m=3.2，計(jì)算跨徑340m，矢高74m，矢跨比1/4.595。拱圈平面呈提籃形布置，分拱腳分叉段和拱頂合并段，分叉段半跨采用3道橫梁連接；豎面整體內(nèi)傾3.48°，形成拱腳分叉的X形結(jié)構(gòu)，拱腳中心距16m，拱頂軸線中心距7m，分叉段單肢弦管水平中心距3.8m。拱肋高度按1.5次拋物線變化，上、下弦管中心高度從拱腳10m過渡到拱頂5m。拱肋主要由8根主弦管及相關(guān)連接系桿件組成，上、下主弦管各4根，主弦管φ750×24，橫梁弦管φ560×16，連接系為4∟200×20等規(guī)格的四肢組合角鋼結(jié)構(gòu)。拱肋用鋼量4 083.3t，弦管材質(zhì)Q390D，連接系及節(jié)點(diǎn)板Q345D，填板等小型零件Q235，拱肋橫斷面如圖1所示。

圖1 拱肋橫斷面

1.3 自然條件

梅溪河為U字形河谷地貌，地面高程140.000～480.000m，地形起伏大，兩岸邊坡陡峭，自然坡度25°～60°，河面寬度約為280m。梅溪河為II級航道，受長江三峽蓄水倒灌影響，每年9月至次年4月底為三峽庫區(qū)蓄洪期，蓄水后最高水位為173.450m，5—9月中旬回落至低水位，維持在143.000～145.000m。

2 總體施工組織

受地形限制，本工程采用纜索吊機(jī)吊裝鋼拱肋，并輔助后續(xù)工程施工。綜合考慮后選用額定起重150t纜索吊機(jī)，并據(jù)此將拱肋半跨劃分16個(gè)節(jié)段，共計(jì)32個(gè)節(jié)段、48個(gè)吊裝單元(拱腳預(yù)埋段及拱頂合龍段除外)。鋼拱肋在廠內(nèi)分段加工，主弦管以折代曲制作，整體輪次匹配拼裝后，船運(yùn)至現(xiàn)場通過纜索吊機(jī)吊裝，從兩岸拱腳向跨中拱頂對稱安裝拱肋節(jié)段，在拱頂實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫合龍。總體遵循主橋拱肋及引橋平行施工、纜索吊機(jī)設(shè)計(jì)及施工與主引橋互不干涉原則。

鋼拱肋最大節(jié)段重150t，采用纜索吊機(jī)斜拉扣掛法安裝，纜索吊機(jī)系統(tǒng)、扣掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)是本工程重難點(diǎn)。拱肋節(jié)段安裝精度直接影響成橋線形效果，是本橋建造成敗的關(guān)鍵，而尺寸龐大的變寬變高鋼桁拱架結(jié)構(gòu)及雙向曲線造型使拱肋節(jié)段空中安裝定位困難，因此拱肋安裝精度及成橋線形控制是本工程重點(diǎn)也是難點(diǎn)，高空大懸臂拱肋安裝及合龍施工難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高。

3 纜索吊機(jī)結(jié)構(gòu)形式比選

在確定150t額定起重的基礎(chǔ)上，根據(jù)主橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及現(xiàn)場條件，針對纜索吊機(jī)的索跨布置及結(jié)構(gòu)形式，經(jīng)咨詢考察、分析研究，提出纜扣共塔與纜扣分離、單塔式與雙塔式等多種形式，初步擬定以下3種方案進(jìn)行比選。

3.1 方案1：纜扣共塔，索跨布置(145.9+356.8+196.8)m

本方案為設(shè)計(jì)推薦方案，纜扣共塔布置于兩岸交界墩墩頂，采用鋼管桁架門式結(jié)構(gòu)，纜塔和扣塔通過活動轉(zhuǎn)軸連接(見圖2)。

圖2 方案1(纜扣共塔)總體布置示意(單位：cm)

優(yōu)點(diǎn)：只有2個(gè)塔架結(jié)構(gòu)，材料用量較少。

缺點(diǎn)：①纜索系統(tǒng)拼裝需在交界墩施工完畢后才能進(jìn)行，嚴(yán)重制約工期；②交界墩寬度只有9m，其上布置纜塔空間有限，施工難度大；③第1段拱肋安裝處于纜索吊機(jī)盲區(qū)(距纜塔15～20m)，需設(shè)置輔助牽引裝置才能就位；④纜索吊機(jī)覆蓋范圍小，對引橋區(qū)域無法提供幫助；⑤扣索、錨索安裝困難，無法利用工作吊一次提升到位，需設(shè)置輔助牽拉機(jī)械。

3.2 方案2：纜扣分離單塔式，索跨布置(10.3+726.5+115)m

纜扣分離單塔結(jié)構(gòu)，鄭州端設(shè)計(jì)無纜塔，萬州端為門式纜塔，纜塔高100m，纜扣分離，扣塔布置于兩岸交界墩墩頂(見圖3)。

優(yōu)點(diǎn)：①纜索系統(tǒng)與主橋拱座、交界墩可平行施工，總工期明顯提前；②扣索、錨索安裝方便，可用工作吊一次提升到位；扣塔拼裝工藝簡單，整體組裝后利用纜索吊機(jī)整體安裝到位；③纜索系統(tǒng)覆蓋范圍大，可輔助引橋區(qū)域施工材料倒運(yùn)。

圖3 方案2(纜扣分離單塔式)總體布置示意(單位：cm)

缺點(diǎn)：①有1個(gè)纜塔、2個(gè)扣塔，材料用量較多；②鄭州端主索錨碇處地方民用電力線路密集，征拆難度大，費(fèi)用高；③若萬州端設(shè)置為無塔式，該處位于本標(biāo)段以外，用地協(xié)調(diào)困難。

圖4 方案3(纜扣分離雙塔式)總體布置示意(單位：m)

圖5 3種纜索吊機(jī)結(jié)構(gòu)形式模型

3.3 方案3：纜扣分離雙塔式，索跨布置(96.1+492.95+123.15)m

纜扣分離雙塔結(jié)構(gòu)，鄭州端纜塔位于1號墩附近，萬州端纜塔位于2號墩與3號墩之間，扣塔布置于兩岸交界墩墩頂，纜塔為門式框架結(jié)構(gòu)，扣塔為格構(gòu)式結(jié)構(gòu)(見圖4)。

優(yōu)點(diǎn)：①纜索系統(tǒng)與主橋拱座、交界墩可平行施工，主橋與引橋可同時(shí)施工，總工期明顯提前；②扣索、錨索安裝方便，可用工作吊一次提升到位；扣塔拼裝工藝簡單，地面組裝后利用纜索吊機(jī)整體一次安裝到位；③纜索系統(tǒng)覆蓋范圍大，可輔助引橋區(qū)域施工材料倒運(yùn)；④充分考慮現(xiàn)場地形條件，纜塔布置在紅線范圍內(nèi)，場地較平整，施工較方便。

缺點(diǎn)：雙纜塔、纜扣分離結(jié)構(gòu)，材料用量最多。

3.4 方案比選分析

3種方案的纜索吊機(jī)結(jié)構(gòu)形式模型如圖5所示，方案比選以充分利用纜索吊機(jī)使用功能為原則，要求纜塔及繩索系統(tǒng)不影響引橋施工，在保證總工期的基礎(chǔ)上，充分考慮地形條件的限制。

經(jīng)比選發(fā)現(xiàn)，方案3雖臨時(shí)結(jié)構(gòu)投入多、成本較高，但其能最大限度地利用纜索吊機(jī)的使用功能并明顯縮短工期，綜合考慮后最終選擇方案3的纜扣分離雙塔式結(jié)構(gòu)。

4 扣掛方式比選

鋼拱肋采用斜拉扣掛法安裝，扣掛系統(tǒng)主要由扣塔、錨索錨碇、側(cè)風(fēng)纜、扣錨索及扣掛錨固結(jié)構(gòu)等組成(見圖6)。根據(jù)節(jié)段劃分及施工特點(diǎn)，半跨拱肋共設(shè)置16組扣錨索，錨索與扣索對應(yīng)設(shè)置，前5組扣索錨固于交界墩身上，其余扣索均錨固于扣塔上。兩岸交界墩上設(shè)置4層錨點(diǎn)，底層錨索固定于拱座承臺上，其上3層錨索固定于纜塔基礎(chǔ)上；扣塔上設(shè)置3層錨固平臺，其錨索均錨固于錨索錨碇上。

圖6 扣掛系統(tǒng)立面布置

針對拱肋扣掛方式，從是否設(shè)置扣掛分配梁及臨時(shí)索方面考慮，提出方案1(設(shè)置扣掛分配梁、采用臨時(shí)索與正式索交替扣掛張拉)和方案2(取消扣掛分配梁和臨時(shí)索、全部采用正式索扣掛張拉)，通過咨詢研究、分析論證，綜合考慮國內(nèi)該領(lǐng)域施工技術(shù)水平，對兩種方案作如下比選。

4.1 方案1：設(shè)置扣掛分配梁、采用臨時(shí)索與正式索交替扣掛張拉

半跨拱肋共設(shè)置16組扣索，每組2束，其中K1，K3，K5，K7，K9，K11為臨時(shí)索(共6組)，其余10組為正式索。在每節(jié)段上弦管前端節(jié)點(diǎn)設(shè)置扣掛吊耳，采用橫向扣掛分配梁連接扣掛吊耳及扣索，每束扣索錨固于扣掛分配梁中間，扣掛分配梁構(gòu)造如圖7所示。施工過程隨拱肋節(jié)段安裝，逐一安裝并張拉扣索，在下一節(jié)段扣索張拉完成后拆除前一節(jié)段的臨時(shí)扣索，拱頂節(jié)段12～16逐一安裝張拉正式索，無須在過程中拆除。臨時(shí)索與正式索交替扣掛張拉流程：安裝節(jié)段1→張拉1號臨時(shí)索→安裝節(jié)段2→張拉2號正式索并拆除1號臨時(shí)索→安裝節(jié)段3→張拉3號臨時(shí)索→安裝節(jié)段4→張拉4號正式索并拆除3號臨時(shí)索→依次安裝后續(xù)節(jié)段并交替扣掛張拉扣錨索→拱頂合龍。

圖7 方案1扣掛分配梁

4.2 方案2：取消扣掛分配梁和臨時(shí)索，全部采用正式索扣掛張拉

半跨16組扣索中，每組扣索包含4束(每束扣索配置鋼絞線具體根數(shù)由對應(yīng)索力確定)，分別對應(yīng)同一節(jié)段的,4根上弦管，拱肋節(jié)段制作時(shí)在每根上弦管前端節(jié)點(diǎn)位置焊接扣掛吊耳，采用扣掛錨箱將扣掛吊耳與每束扣索直接相連?？蹝爝B接構(gòu)造如圖8所示，節(jié)段安裝時(shí)，扣掛張拉本節(jié)段對應(yīng)扣索，之前已安裝的扣索無須拆除。

圖8 方案2扣掛連接構(gòu)造

4.3 比選分析

方案1設(shè)置臨時(shí)索與正式索交替扣掛張拉，主要因?yàn)殡S著節(jié)段安裝，拱腳1/4跨處會逐漸出現(xiàn)反拱現(xiàn)象(具體反拱值與扣塔高度、扣索角度等因素相關(guān))，尤其在合龍前的大懸臂狀態(tài)反拱較明顯，設(shè)置部分臨時(shí)索用于當(dāng)前節(jié)段安裝時(shí)調(diào)整線形、之后拆除，以避免后續(xù)反拱現(xiàn)象出現(xiàn)。但設(shè)置扣掛分配梁，增加臨時(shí)結(jié)構(gòu)投入，且因傳力路徑復(fù)雜致使施工風(fēng)險(xiǎn)增大?？蹝旆峙淞翰捎脝问鬯鬟M(jìn)行張拉，在調(diào)整當(dāng)前節(jié)段空間扭曲時(shí)較麻煩，無法對內(nèi)、外側(cè)弦管進(jìn)行單獨(dú)張拉作業(yè)。此外，由于各類扣錨索在空中交織，拆除臨時(shí)索易碰觸已參與受力的正式索，整體扣掛體系存在風(fēng)險(xiǎn)隱患，且拆除臨時(shí)索占用關(guān)鍵線路，致總工期延長。

方案2全部采用正式索參與全過程扣掛施工，采用未知荷載系數(shù)法求解優(yōu)化扣錨索力，實(shí)現(xiàn)一次張拉的目標(biāo)。針對大懸臂狀態(tài)出現(xiàn)的反拱現(xiàn)象，索力優(yōu)化時(shí)，設(shè)置拱肋合龍狀態(tài)的線形約束條件(一般設(shè)置為±10mm)，在施工階段分析中，人為調(diào)節(jié)反拱區(qū)域的部分扣索索力，以保證整體拱度線形滿足要求。不設(shè)扣掛分配梁，優(yōu)化傳力路徑，在減少臨時(shí)結(jié)構(gòu)投入的同時(shí)，降低了因臨時(shí)結(jié)構(gòu)加工質(zhì)量缺陷可能導(dǎo)致的施工風(fēng)險(xiǎn)，并且內(nèi)外側(cè)獨(dú)立掛索張拉也有利于對節(jié)段的線形調(diào)整。

從安裝線形控制、施工風(fēng)險(xiǎn)、工作量、臨時(shí)結(jié)構(gòu)投入及總工期等方面對比分析兩種扣掛方式，發(fā)現(xiàn)方案2更優(yōu)，因此最終選用方案2。

5 關(guān)鍵技術(shù)探索

5.1 纜索吊機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

纜索吊機(jī)選用纜扣分離、雙塔三跨結(jié)構(gòu)，主要由繩索系統(tǒng)、纜塔塔架系統(tǒng)、基礎(chǔ)錨碇系統(tǒng)、起重吊掛系統(tǒng)、自動化控制系統(tǒng)組成，設(shè)2套75t固定式主吊機(jī)和2套20t橫移式工作吊機(jī)，工作吊機(jī)位于主吊機(jī)中間，主吊機(jī)中心間距20.8m。塔架采用門式框架結(jié)構(gòu)，立柱為φ630×20鋼管。鄭州端纜塔高95m，萬州端纜塔因地形影響不等高，右幅高92m、左幅高85m。利用MIDAS Civil軟件建立纜塔塔架整體模型，分析其受力狀態(tài)及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，根據(jù)吊裝質(zhì)量計(jì)算配置主索、起重索、牽引索等繩索系統(tǒng)，再由繩索系統(tǒng)的受力設(shè)計(jì)自動化控制系統(tǒng)及基礎(chǔ)錨碇。

5.2 扣掛索力優(yōu)化思路

根據(jù)拱肋節(jié)段劃分及扣錨索一次張拉的目標(biāo)，建立拱肋和扣錨索整體模型，設(shè)置施工階段模擬拱肋安裝順序，通過限制拱肋及扣塔關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位移約束，采用未知荷載系數(shù)法正裝迭代計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果結(jié)合實(shí)際工況手動調(diào)整優(yōu)化部分索力，最終得出1組最優(yōu)索力，真實(shí)指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

5.3 拱肋節(jié)段扣掛安裝

纜索吊機(jī)主吊鉤下設(shè)橫向吊裝扁擔(dān)梁，分叉段上、下游兩肢獨(dú)立吊裝，單肢設(shè)4個(gè)吊點(diǎn)，合并段整體吊裝設(shè)8個(gè)吊點(diǎn)。起吊后，調(diào)整拱肋空中姿態(tài)、安裝就位，兩側(cè)設(shè)置側(cè)風(fēng)纜進(jìn)行橫向精調(diào)，主管對接口采用匹配件及螺栓臨時(shí)固定，安裝扣索并根據(jù)監(jiān)控指令進(jìn)行張拉，保證安裝線形滿足要求。在斜拉索扣掛狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)主管環(huán)縫零彎矩焊接，依次安裝拱肋節(jié)段，環(huán)縫焊接滯后不得多于2個(gè)節(jié)段。

6 結(jié)語

針對纜索吊機(jī)結(jié)構(gòu)形式，通過比選采用纜扣分離、雙塔三跨結(jié)構(gòu)；針對拱肋扣掛方式，通過比較確定取消扣掛分配梁和臨時(shí)索、全部采用正式索扣掛張拉方式作為最終方案。鄭萬鐵路奉節(jié)梅溪河雙線特大橋按此方案實(shí)施，于2019年6月20日開始首節(jié)段安裝，10月30日順利完成合龍，施工快捷、質(zhì)量良好，成拱線形滿足要求，最終合龍口對接精度偏差控制在±2mm。本工程通過比選確定的最終實(shí)施方案可供以后同類工程參考借鑒。