空間曲梁單邊懸索橋的水平環(huán)索張拉施工技術(shù)

上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002

0 引言

隨著我國橋梁設(shè)計(jì)施工的不斷發(fā)展，在滿足橋梁本身功能性的前提下，其結(jié)構(gòu)也越來越注重新穎與美觀。在此背景下，上海國際旅游度假區(qū)景觀步行橋設(shè)計(jì)采用圓弧形單邊懸吊索橋，其結(jié)構(gòu)新穎，造型美觀，給人一種漂浮的感覺，該類型橋梁在國內(nèi)乃至全亞洲尚屬首例，無類似橋梁施工的經(jīng)驗(yàn)可借鑒。本文通過對張拉錨固端進(jìn)行優(yōu)化，并設(shè)計(jì)合理的張拉工裝，最終實(shí)現(xiàn)了水平環(huán)索的順利張拉。

1 工程概況

上海國際旅游度假區(qū)景觀橋分為東、西2座橋梁，結(jié)構(gòu)形式相同，均為圓弧形單邊懸吊索橋。以東橋?yàn)槔?，橋梁上部結(jié)構(gòu)由內(nèi)、外側(cè)鋼梁，鋼主塔及空間纜索系統(tǒng)組成。其中空間纜索系統(tǒng)分為主纜、背索、吊桿索、法向拉索及水平環(huán)索，水平環(huán)索采用φ115 mm的大直徑進(jìn)口涂層全密閉索，全長111.09 m，沿橋梁弧形分布于副橋底部索夾內(nèi)，兩端與混凝土橋臺進(jìn)行錨固。其作用是平衡整個(gè)空間纜索系統(tǒng)，是整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)中最關(guān)鍵的構(gòu)造之一（圖1～圖3）。

圖1 景觀步行橋總體布置示意

圖2 橋梁結(jié)構(gòu)斷面示意

圖3 橋梁效果圖

2 張拉錨固端的構(gòu)造及優(yōu)化

由于本工程橋梁結(jié)構(gòu)形式的特殊性，水平環(huán)索在混凝土橋臺處的錨固端無常規(guī)索體張拉的張拉空間及構(gòu)造，設(shè)計(jì)采用在混凝土橋臺預(yù)埋張拉錨固節(jié)點(diǎn)板，水平環(huán)索的錨頭與張拉錨固節(jié)點(diǎn)板之間用銷軸進(jìn)行錨固（圖4）[1-3]。

圖4 橋臺張拉錨固端示意

原設(shè)計(jì)水平環(huán)索的索體及索頭均采用定尺寸進(jìn)行加工，鑒于橋梁結(jié)構(gòu)的特殊性，如采用上述節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，則將對張拉施工帶來以下幾個(gè)方面的難題。

1）施工工期難以保證。由于采用定尺寸加工，因此索體制作必須在兩端混凝土橋臺施工完成并進(jìn)行實(shí)測實(shí)量后方能確定最終的索體長度，而本工程水平環(huán)索采用國外全進(jìn)口的密閉索，加工周期在0.5 a以上，所以索體的加工制作及施工的工期難以保證。

2）加工誤差難以控制。按原設(shè)計(jì)進(jìn)行索體加工時(shí)，索體長度應(yīng)減去張拉的延伸量，而實(shí)際加工索體時(shí)的測量誤差、理論延伸量的計(jì)算誤差、實(shí)測索體彈性模量的偏差以及加工制作的誤差等因素，均會對最終成品的索體長度產(chǎn)生影響。

3）施工過程中無法進(jìn)行調(diào)整。定尺寸加工的索體與索頭與采用銷軸連接的錨固方式，導(dǎo)致索體的長度直接影響水平環(huán)索的索力，并最終影響整個(gè)橋梁的受力平衡及橋梁的最終線形，因此，一旦定尺寸加工制作的索體長度出現(xiàn)問題，將給整個(gè)工程帶來無法挽回的損失。

為解決上述難題，在實(shí)際施工時(shí)建議設(shè)計(jì)單位在索體與索頭之間設(shè)置剛性可調(diào)節(jié)端，調(diào)節(jié)范圍為-200～200 mm，如此索體加工則能與混凝土加工同步進(jìn)行，可大大縮短工期，且一切與索體長度有關(guān)的誤差均能在調(diào)節(jié)端內(nèi)進(jìn)行消化。該設(shè)計(jì)在確保索體的索力滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，能調(diào)節(jié)索體的長度并最終與混凝土橋臺上的預(yù)埋錨固節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行銷軸錨固，可操作性強(qiáng)（圖5）。

圖5 索體張拉錨固端的優(yōu)化示意

3 張拉方式的對比及選擇

根據(jù)橋臺錨固端及索體張拉端的構(gòu)造，張拉方式可分為銷軸錨固后張拉索體及索體張拉后進(jìn)行銷軸錨固。2種張拉方式都需設(shè)計(jì)制作專用的張拉工裝，區(qū)別在于銷軸錨固后張拉索體是通過索體受力后，索體與索頭之間的調(diào)節(jié)桿產(chǎn)生足以轉(zhuǎn)動(dòng)的間隙，隨后調(diào)整調(diào)節(jié)桿的長度，直至索體的張拉力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。索體張拉后進(jìn)行銷軸錨固是通過索體張拉至設(shè)計(jì)值后，調(diào)整調(diào)節(jié)桿的長度，使索頭銷軸孔與橋臺錨固板的錨固孔在同一直線上，最后進(jìn)行銷軸錨固。2種張拉方式的優(yōu)缺點(diǎn)對比如表1所示。

表1 2種張拉方式的對比

根據(jù)上述2種張拉方式的對比情況并結(jié)合各方面的因素，本工程最終選擇索體張拉后錨固的張拉方式，并按此方式進(jìn)行張拉工裝的設(shè)計(jì)[4-6]。

4 張拉工裝的詳細(xì)構(gòu)造

鑒于橋梁的特殊性和復(fù)雜性，在確保施工質(zhì)量、安全的前提下，項(xiàng)目部擬采用落梁法進(jìn)行施工，以完成橋梁受力體系轉(zhuǎn)換，即在橋面梁體施工時(shí)，橋面及水平環(huán)索的索體預(yù)先抬高一定的高度（橋臺錨固端不變），通過千斤頂同步落低梁體，使吊桿索受力，在落梁的過程中，同時(shí)張拉水平環(huán)索，落梁與張拉交替進(jìn)行，直至完成橋梁受力體系轉(zhuǎn)換。為滿足上述工況，水平環(huán)索的張拉工裝（圖6）的詳細(xì)構(gòu)造如下。

圖6 張拉工裝示意

1）張拉反力架。張拉反力架由上、下2塊定型鋼構(gòu)件拼裝而成，鋼材材質(zhì)為Q345b，翼緣板厚25 mm、腹板厚25 mm、加勁板厚16 mm。拼裝螺母采用16個(gè)M24的高強(qiáng)螺栓。

2）張拉桿件。張拉桿件采用φ95 mm單耳全螺紋鋼拉桿，材質(zhì)采用45#鋼，其長度應(yīng)滿足穿心式千斤頂及張拉延伸量的要求，并附有一定的余量。單套張拉工裝配2根張拉桿件。

3）張拉轉(zhuǎn)向件。通過在張拉錨固端及張拉桿件之間設(shè)置張拉轉(zhuǎn)向件來實(shí)現(xiàn)張拉過程中角度的變化。轉(zhuǎn)向件采用鑄造件，材質(zhì)為42CrMo，螺母采用機(jī)加工，材質(zhì)為Q345b，單個(gè)轉(zhuǎn)向件配2個(gè)螺母。

4）調(diào)節(jié)傳力架。通過在反力架及千斤頂之間設(shè)置調(diào)節(jié)傳力架并配置螺母，以滿足張拉過程中的臨時(shí)鎖定及放張施工要求。調(diào)節(jié)傳力架采用Q345b鋼板焊接而成，翼緣板厚30 mm，腹板厚50 mm。

5）張拉千斤頂。根據(jù)水平環(huán)索張拉的施工工藝，選擇2臺2 000 kN穿心式千斤頂作為張拉設(shè)備，2臺千斤頂之間采用同步控制系統(tǒng)進(jìn)行同步控制，確保2臺千斤頂之間的同步性。

上述工裝的主要優(yōu)點(diǎn)有3個(gè)方面：一是張拉工裝構(gòu)造簡單、設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安拆簡便；二是由于采用落梁法進(jìn)行成橋施工，索體進(jìn)行抬升后與錨固端存在一定的角度，且在張拉并恢復(fù)至設(shè)計(jì)位置的過程中，索頭與錨固端的角度不斷變化，通過轉(zhuǎn)向件的設(shè)置，能解決張拉過程中索頭與錨固端角度變化的難題；三是通過設(shè)置調(diào)節(jié)傳力架并配置螺母，能滿足張拉過程中的臨時(shí)鎖定及放張施工要求。

5 張拉的具體步驟

5.1 張拉前的準(zhǔn)備工作

張拉前檢查張拉工裝安裝的情況并確保張拉千斤頂?shù)葟埨O(shè)備的完好無損。

根據(jù)設(shè)計(jì)及施工控制單位提供的張拉理論延伸量，預(yù)先進(jìn)行索體調(diào)節(jié)端的調(diào)整，使張拉完成后的銷軸孔接近于橋臺張拉錨固板的銷軸孔，便于進(jìn)行最終錨固。在水平環(huán)索索夾位置進(jìn)行索體的標(biāo)記，以檢驗(yàn)試張拉時(shí)水平環(huán)索是否能順利地在索夾內(nèi)滑動(dòng)及張拉的可操作性。

5.2 試張拉

水平環(huán)索的設(shè)計(jì)張拉力為2 951 kN，理論延伸量為每端伸長116 mm，試張拉時(shí)的張拉力為10%的設(shè)計(jì)張拉力。試張拉的目的是檢驗(yàn)張拉工裝及張拉設(shè)備能否滿足張拉的工況及完好性，同時(shí)也檢驗(yàn)水平環(huán)索的滑動(dòng)性及延伸量是否在設(shè)計(jì)及規(guī)范要求的范圍內(nèi)。試張拉完成并檢驗(yàn)滿足要求后進(jìn)行分級張拉。

5.3 分級張拉

根據(jù)落梁步驟采用兩端同步分級張拉，張拉步驟為：20%環(huán)索力→40%環(huán)索力→60%環(huán)索力→80%環(huán)索力→100%環(huán)索力。每一級張拉后，采用張拉工裝調(diào)節(jié)傳力架內(nèi)的螺母進(jìn)行臨時(shí)鎖定，同時(shí)進(jìn)行索力、橋面線形的監(jiān)測，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，調(diào)整并確定下一級的環(huán)索張拉力，重復(fù)上述步驟直至環(huán)索張拉力達(dá)到設(shè)計(jì)要求（圖7、圖8）。在張拉的過程中由專人對水平環(huán)索的索體、張拉工裝及副橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，如發(fā)現(xiàn)異常情況則立即停止張拉，查明原因后方可繼續(xù)張拉[7-9]。

圖7 張拉初始工況

圖8 張拉至設(shè)計(jì)值工況

5.4 銷軸錨固

水平環(huán)索張拉至設(shè)計(jì)值后，通過調(diào)節(jié)索體與索頭之間的可調(diào)裝置，伸長索頭使索頭銷軸孔與橋臺銷軸錨固孔在同一直線上，最后進(jìn)行銷軸錨固。

6 施工結(jié)果

通過項(xiàng)目部充分的技術(shù)準(zhǔn)備及嚴(yán)格的現(xiàn)場控制，上海國際旅游度假區(qū)景觀人行橋水平環(huán)索張拉施工順利完成，最終成橋后的環(huán)索線形、張拉力及延伸量均滿足設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范的要求，張拉過程中沒有影響安全或質(zhì)量的異常情況發(fā)生。

7 結(jié)語

通過對索體張拉錨固端的優(yōu)化設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)合理的張拉工裝并確定可行的張拉方式，上海國際旅游度假區(qū)景觀步行橋水平環(huán)索張拉施工順利完成，整個(gè)施工過程安全可靠、施工功效高，為今后類似的工程積累了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)。