收稿日期：2024-01-05

作者簡介：強永林（1992—），男，本科，工程師，從事橋梁工程施工管理及施工技術研究工作。

摘要 蘇壩特大橋主橋為凈跨徑350 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”的方法進行懸臂拼裝，斜拉扣掛系統(tǒng)的設計是本橋施工的關鍵。根據(jù)本橋特點，對懸臂拼裝的斜拉扣掛系統(tǒng)開展了相應研究。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（滿扣或設置臨時扣索）的基礎上取消了部分扣索或臨時扣索；二是研究扣塔與纜索吊裝系統(tǒng)的位置關系，避免扣塔阻礙拱肋節(jié)段的吊裝；三是本著永臨結合的設計理念，充分利用永久結構承載，研究開發(fā)了一種巖錨與橋梁永久結構相結合的拱橋背索錨固系統(tǒng)及施工方法。通過在本橋運用研究成果，達到了提升施工質量、優(yōu)化施工流程、加快施工進度、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)的設計提供思路。

關鍵詞 拱橋；拱肋；勁性骨架；少扣索；懸臂拼裝；斜拉扣掛

中圖分類號 U445.4文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）09-0059-04

0 引言

針對山區(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)場往往不具備構件整節(jié)段地面運輸及支架安裝的條件。纜索吊裝系統(tǒng)具有定點起吊、水平運輸?shù)忍攸c，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)的拱肋安裝問題。“纜索吊裝+斜拉扣掛”施工方法大量運用到山區(qū)大跨度拱橋的拱肋安裝施工中。斜拉扣掛系統(tǒng)是懸臂拼裝的關鍵之處，因此對該系統(tǒng)開展設計研究非常必要。

1 工程概況

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

大橋長835.5 m。主橋橋面縱坡0.54%，采用整幅設計。橋跨徑組合為（9×28.5）m的預應力簡支小箱梁和凈跨徑350 m的勁性骨架鋼筋混凝土拱橋（拱上結構跨徑13 m×28.5 m），以及（7×28.5）m預應力簡支小箱梁，主橋全長370.50 m，引橋長為456 m[1]。橋型立面布置見圖1所示。

1.1 建設條件

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，呈臺階折線型。少量細砂巖出露地段形成陡坎（最高陡坎可達20 m），粉砂質泥巖出露段大多形成了緩坡平臺。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，一級階地（在橋軸右側約200 m外零星出露）呈長條狀、新月狀，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）土層，是明顯的二元結構。二級階地呈臺階狀分布，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)屬構造侵蝕堆積地貌低山地貌[1]。

1.2 拱肋結構

主拱斷面如圖2所示，采用兩幅設計，拱肋之間通過橫聯(lián)相連，單幅拱肋截面設計為單箱雙室截面，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)填充標號為C120的補償收縮自密實混凝土。桁架豎腹桿及斜腹桿采用角鋼制作，三片桁架之間通過角鋼進行水平連接，在拱肋橫聯(lián)位置設交叉撐，以加強橫向連接[1]。勁性骨架拱肋共劃分為42個吊裝節(jié)段，節(jié)段長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雜，拱頂至河谷高差大，不具備搭設支架安裝拱肋的條件，因此擬采用“纜索吊裝+斜拉扣掛”的方法進行施工。分別在5#墩和12#墩設置纜索吊裝索塔，形成纜索吊裝系統(tǒng)[2]。在5#墩前搭設平臺作為拱肋節(jié)段起吊平臺，通過纜索吊裝系統(tǒng)將節(jié)段運輸至設計位置安裝。在兩岸交界墩上設置扣塔，對拱肋節(jié)段進行斜拉扣掛的懸臂拼裝。

拱肋吊裝順序為每節(jié)段對稱進行，即昭覺岸安裝一節(jié)段，然后在馬邊岸安裝對應節(jié)段，完成后安裝拱肋橫向抗風，再進行下節(jié)段的吊裝，每完成兩個標準節(jié)段的安裝，張拉對應的扣、背索。

拱肋節(jié)段運輸至設計位置，纜索吊具下放與拱肋連接，啟動卷揚機，提升拱肋，至設計高程附近后，同時啟動牽引索卷揚機縱向牽引拱肋至合適位置，然后緩慢下放拱肋就位，將拱肋接頭臨時連接。通過起吊卷揚機、牽引卷揚機、鏈條葫蘆調整拱肋線形，經(jīng)監(jiān)控、監(jiān)理單位認可后由鋼結構廠家進行鋼管接頭的焊接施工。節(jié)段接頭焊接完成后，為保證拱肋結構安全，先暫不解除纜索吊點，然后進行對應扣索、背索的安裝及張拉施工?？鬯骷氨乘鲝埨皆O計值后，再對吊點進行解除。

3 扣索系統(tǒng)設計

3.1 扣索、背索設計

拱肋扣索與背索是拱橋拱肋懸臂拼裝的關鍵受力構件，一般成對進行布置。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（滿扣或設置臨時扣索）的方式進行施工，例如犍為岷江特大橋[3]、合江長江一橋[4]。鋼桁架拱橋因其剛度大、懸臂能力強，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：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少扣索結構簡單，受力明確，拱肋線形控制較簡單；③省去了臨時扣索，節(jié)約了工程材料，經(jīng)濟性好。

在犍為岷江特大橋的基礎上，蘇壩特大橋扣索的系統(tǒng)設計取消了臨時扣索，采用少扣索設計，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對扣、背索，分別布置于1#、2-2#、3-2#、4-2#、5-2#節(jié)段。單個節(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。K4-2到K5-2拱肋上錨固于節(jié)段外側的兩根上弦桿處，塔頂錨固于扣塔頂部錨梁上，背索錨固于6#墩或13#墩承臺。背索布置于承臺及墩柱兩側，避讓相關墩柱和蓋梁。

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行控制設計，扣、背索參數(shù)分別見表1～2所示：

表1 扣索參數(shù)表

扣索編號 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 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 扣塔設計

臨時扣塔的高度影響扣索的受力。為減小扣索受力，臨時扣塔應具有合理的高度。該工程采用吊扣分離設計，扣塔設置在交界墩處，拱肋節(jié)段在交界墩后方拼裝，節(jié)段吊裝時需要水平運輸跨越扣塔。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，確定該距離不應小于10 m。根據(jù)文獻[6]的計算方法計算得到節(jié)段運至此處時纜索吊裝系統(tǒng)主索的標高，然后推算確定臨時扣塔的高度為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 纜風索設計

由于拱肋為柔性結構，拱肋橫橋向受風影響較大，每完成一部分拱肋吊裝，需在拱肋兩側對稱張拉一組臨時纜風索。纜風索的作用，其一可以增加拱肋橫向剛度，確保拱肋拼裝安全性；其二可調節(jié)拱肋橫橋向偏位。

纜風索采用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布置拱肋抗風索。每個節(jié)段單側布置4根Ф28 mm鋼繩，上下弦桿各2根，每根索力10t。待拱肋合龍后，方可拆除臨時纜風索。

3.4 錨碇系統(tǒng)設計

背索系統(tǒng)錨碇常用的形式有樁基+承臺、巖錨、重力錨等形式，根據(jù)蘇壩特大橋地形及地質情況，并結合永臨結合的設計理念，充分利用永久結構進行承載，考慮將背索錨碇設置在引橋承臺上。

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

圖4 背索錨碇荷載圖（kN）

對背索錨碇進行結構設計時，其設計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，前者計算方式結果更安全，后者計算方式則更經(jīng)濟適用。

根據(jù)文獻[7]計算得到承臺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時承臺單樁水平承載力特征值為501 kN，再計入承臺側向土作用時承臺單樁水平承載力特征值1 131 kN。顯然，承臺結構安全系數(shù)小于2，為此該工程研發(fā)了一種巖錨與橋梁永久結構相結合的拱橋背索錨固系統(tǒng)[8]，使承臺結構安全系數(shù)滿足要求。

背索錨碇結構如圖5所示。在承臺內(nèi)埋設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力進行承載，同時，在鋼帶上設置PBL剪力鍵作為安全儲備。為避免混凝土開裂，通過在鋼帶的前端50 cm長度范圍內(nèi)涂抹隔離劑，以及在鋼帶厚度方向設置橫向分布鋼筋[9]等措施避免混凝土開裂。承臺上布置兩組巖錨索（錨索A和錨索B）與承臺樁基形成共同受力體系，其參數(shù)見表3所示。錨索自由段、錨固段各10 m，尾端設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

當張拉巖錨索時，樁基會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）。為保證整個施工過程中，樁基水平承載始終具有2倍的安全系數(shù)，通過驗算，優(yōu)化錨碇巖錨索施工流程如下：

錨碇一：

（1）張拉巖錨索A，承臺承受來自巖錨索的水平力。

（2）安裝拱肋至3-2節(jié)段。

（3）張拉錨索B。

（下轉第58頁）

（上接第61頁）

（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、背索的同時同步張拉2根錨索B。

4 結語

通過對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)的設計進行研究，總結出以下幾個設計要點，可為今后的斜拉扣掛系統(tǒng)設計提供思路。

（1）針對弱剛度的拱肋，應對拱肋安裝過程進行計算分析，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扣索，優(yōu)化施工流程。

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

（3）錨碇設計應采用永臨結合的設計理念，通過巖錨索輔助承臺受力、優(yōu)化巖錨索張拉流程等措施充分發(fā)揮永久結構的力學性能。

參考文獻

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