鋼箱提籃拱自錨式扣掛體系及扣掛法施工技術(shù)研究

劉亞麗

（中鐵建大橋工程局集團(tuán)第一工程有限公司 遼寧大連 116033）

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

大連普灣十六號(hào)路跨海橋橫跨普蘭店灣，其主橋位于海灣中心，設(shè)計(jì)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(shè)置7道風(fēng)撐、2道拱間橫梁；次邊跨拱肋間布置5道風(fēng)撐、2道拱間橫梁。主橋結(jié)構(gòu)布置見圖1。

橋位處均填筑便道、筑島，具備大型起吊、運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)及總體施工構(gòu)想

1.2.1 邊跨具備錨固條件

（1）邊跨拱肋截面強(qiáng)大且與拱座固結(jié)，能夠提供強(qiáng)大水平方向上的約束力。邊跨跨度50 m，設(shè)計(jì)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(shè)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(shè)計(jì)有壓重混凝土，共計(jì)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(diǎn)提供強(qiáng)大豎向約束力。

（3）可先施作邊跨拱肋結(jié)構(gòu)，拱肋安裝高度10 m，采用支架法安裝。拱座完成后即可進(jìn)行邊跨拱肋節(jié)段的安裝，可與拱座上的扣塔安裝同時(shí)進(jìn)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(biāo)高相同，每個(gè)拱座承臺(tái)下布置12根直徑2.5 m樁基礎(chǔ)，單個(gè)承臺(tái)尺寸為23.25×17×5.5 m；拱座為16.5×11.8×8.3 m棱臺(tái)，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，承載力強(qiáng)大，距離適當(dāng)，且便于預(yù)埋鋼拉帶。

1.2.3 總體施工構(gòu)想

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，邊跨側(cè)扣掛體系可通過錨點(diǎn)布置在邊跨拱肋端部以實(shí)現(xiàn)自錨；中跨側(cè)扣掛體系可在相鄰拱座預(yù)埋鋼拉帶，利用主體結(jié)構(gòu)自身進(jìn)行錨固。

此外，次邊跨單片拱肋計(jì)劃分為23個(gè)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(jiǎn)化安裝施工步驟、降低施工控制難度，將制造節(jié)段運(yùn)至橋位后在地面進(jìn)行組拼，2～3個(gè)制造節(jié)段組成一個(gè)安裝節(jié)段，將次邊跨的57個(gè)節(jié)段在地面組拼成33個(gè)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(shè)想為:拱座施工時(shí)預(yù)埋鋼拉帶及扣塔塔座預(yù)埋件，拱座完成后在其頂部安裝萬能桿件扣塔；同時(shí)支架法安裝邊跨拱肋及橫縱梁，此時(shí)還可同時(shí)進(jìn)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(jìn)行扣掛安裝，安裝順序遵循對(duì)稱、穩(wěn)定的原則，即安裝完中跨側(cè)的左右第一個(gè)安裝節(jié)段，并安裝對(duì)應(yīng)的拱間橫梁或風(fēng)撐，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)后，對(duì)稱安裝邊跨側(cè)左右第一個(gè)安裝節(jié)段及對(duì)應(yīng)拱間橫梁或風(fēng)撐，然后進(jìn)行第二、三、四個(gè)安裝節(jié)段的吊裝，最后安裝合龍段，安裝頂部風(fēng)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(gòu)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(diǎn)布置在中跨側(cè)相鄰拱座上，錨固裝置采用預(yù)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(xì)部構(gòu)造

邊跨側(cè)扣掛體系的錨點(diǎn)布置在邊跨拱肋端部，錨固裝置采用多點(diǎn)異向錨固裝置；中跨側(cè)扣掛體系的錨索錨點(diǎn)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(diǎn)構(gòu)造

邊跨側(cè)錨固裝置設(shè)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(gòu)造大大提高了錨點(diǎn)的局部承載能力。施工時(shí)，預(yù)留B8節(jié)段內(nèi)的部分壓重混凝土?xí)翰皇┕?，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(diǎn)構(gòu)造見圖4。

圖4 邊跨錨點(diǎn)構(gòu)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(diǎn)板通過焊腳高度20 mm角焊縫雙拼32a槽鋼頂板焊接，節(jié)點(diǎn)板通過焊腳高度10 mm角焊縫與槽鋼腹板焊接，節(jié)點(diǎn)板通過熔透焊縫與B8隔板焊接。

錨固節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)實(shí)際錨索的方向確定其角度。一根錨索對(duì)應(yīng)一個(gè)錨固節(jié)點(diǎn)，將多個(gè)錨固節(jié)點(diǎn)與承壓錨梁組焊成一體，既節(jié)省了空間，又增強(qiáng)了整體性。一個(gè)拱箱內(nèi)可布置多個(gè)承壓錨梁，一個(gè)錨梁上也可布置多個(gè)錨固節(jié)點(diǎn)，各錨固節(jié)點(diǎn)的角度都可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，這樣就實(shí)現(xiàn)了不同角度的多點(diǎn)錨固。

（2）中跨側(cè)錨點(diǎn)構(gòu)造

整個(gè)鋼拉帶長(zhǎng)3.5 m、寬0.35 m，板材厚均為20 mm，鋼板間焊縫設(shè)計(jì)均采用熔透焊縫。鋼拉帶一端預(yù)埋在拱座混凝土內(nèi)部，其預(yù)埋深度為2.0 m；另一端設(shè)置鋼錨箱結(jié)構(gòu)的錨固節(jié)點(diǎn)，預(yù)埋時(shí)其角度與扣塔上對(duì)應(yīng)布置的鋼錨梁對(duì)準(zhǔn)，必須保證鋼錨箱承壓面與錨索張拉方向垂直。外露端長(zhǎng)度應(yīng)滿足錨索穿過并擠錨的要求。鋼拉帶錨梁構(gòu)造見圖5所示。

圖5 鋼拉帶錨梁構(gòu)造圖（單位：mm）

2.3 計(jì)算模型及檢算

2.3.1 計(jì)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(jié)構(gòu)模型，采用數(shù)據(jù)仿真的方法進(jìn)行計(jì)算［6-7］?？鬯f能桿件采用梁?jiǎn)卧M，風(fēng)纜和臨時(shí)索均采用桁架單元模擬。次邊跨扣掛施工計(jì)算模型見圖6。

圖6 次邊跨扣掛施工計(jì)算模型

針對(duì)自錨式扣掛結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，分別進(jìn)行邊跨與中跨側(cè)自錨扣掛體系及錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)計(jì)算，涉及的相關(guān)數(shù)據(jù)自模型計(jì)算結(jié)果中提取。

2.3.2 邊跨拱肋自錨體系計(jì)算

（1）邊跨拱肋應(yīng)力

從計(jì)算模型中得出邊跨拱肋最大應(yīng)力，邊跨拱肋及縱橫梁在次邊跨合龍狀態(tài)應(yīng)力最大，最大拉應(yīng)力24.8 MPa，最大壓應(yīng)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(jìn)行，錨索作用在B8上的豎向分力逐漸增大，經(jīng)過模型計(jì)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(diǎn)承壓及焊縫

以受力最大的BT3錨點(diǎn)為例，經(jīng)過模型計(jì)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(yīng)力集中現(xiàn)象，不過應(yīng)力集中影響區(qū)域很小，范圍在1 cm以內(nèi)。除了應(yīng)力集中區(qū)的個(gè)別單元外最大應(yīng)力為377 MPa，其他區(qū)域應(yīng)力基本在200 MPa以下，小于許用應(yīng)力260 MPa，所以錨頭是安全的。錨點(diǎn)計(jì)算模型見圖7。

圖7 錨點(diǎn)計(jì)算模型

BT3錨點(diǎn)節(jié)點(diǎn)板與錨梁焊接，計(jì)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(yīng)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(diǎn)計(jì)算

計(jì)算時(shí)考慮錨固結(jié)構(gòu)不均勻系數(shù)1.1和動(dòng)力影響系數(shù)1.2，用于驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的錨固力。

（1）鋼拉帶抗拉計(jì)算

（2）混凝土抗剪計(jì)算

（3）預(yù)埋件抗拔計(jì)算

其中:［τ］為粘結(jié)強(qiáng)度，取1.5 MPa；S為鋼板帶周長(zhǎng)，S＝（20+350）×2＝740 mm；L為鋼板帶長(zhǎng)度，L＝2 000 mm；n為鋼板個(gè)數(shù)，n＝2。

此外，鋼拉帶預(yù)埋件的抗拔力在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，具體做法是在新澆混凝土內(nèi)預(yù)埋鋼拉帶錨箱，鋼拉帶上不設(shè)置圓孔及鋼筋，僅驗(yàn)證粘結(jié)強(qiáng)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(jié)構(gòu)安裝工藝流程

鋼結(jié)構(gòu)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(yù)埋段安裝

拱座預(yù)埋段均采用支架法安裝，在承臺(tái)上放出定位點(diǎn)，并在承臺(tái)上根據(jù)定位點(diǎn)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(jī)、千斤頂、側(cè)向風(fēng)纜調(diào)整好拱肋坐標(biāo)后，用定位板與支架焊接固定，避免澆筑拱座混凝土?xí)r移動(dòng)。

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(jié)處向邊跨交接墩處分6個(gè)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(duì)應(yīng)吊裝段接口位置設(shè)置基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)的預(yù)埋鋼板上焊接臨時(shí)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(yàn)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(duì)接口焊縫，伸出150 mm，碼板焊接位置對(duì)應(yīng)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(shí)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(cè)量定位，組對(duì)焊口，焊接碼板臨時(shí)固定，并穿入高強(qiáng)螺栓，將該段與支架臨時(shí)連接，使拱肋與臨時(shí)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(gè)節(jié)段，預(yù)留其中一個(gè)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(shè)置可移動(dòng)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(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)高調(diào)平以便測(cè)量坐標(biāo)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(yù)拼時(shí)安裝的匹配件完成初步定位，再通過測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)精確調(diào)整兩拱肋間距及位置，然后通過測(cè)量拱肋平面角點(diǎn)的對(duì)角線校核，調(diào)整好后用碼板臨時(shí)固定；再進(jìn)行C4節(jié)段組拼。待多段拱肋都調(diào)整好并臨時(shí)固定后進(jìn)行拱肋環(huán)縫焊接，最后進(jìn)行高強(qiáng)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(duì)應(yīng)的錨索穿好，錨索采用鋼絞線，張拉前先將每根鋼絞線長(zhǎng)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(shè)置臨時(shí)胎架完成節(jié)段的臥位組拼施工，組焊檢驗(yàn)合格，臥位轉(zhuǎn)體成立位后，由一臺(tái)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(tái)履帶吊吊裝到位后，初步調(diào)整兩節(jié)拱肋箱口對(duì)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(shí)拼接板，分步實(shí)現(xiàn)前端吊機(jī)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(qiáng)螺栓，完成該組合段拱肋安裝。

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

扣索、錨索的張拉端均設(shè)置在扣塔上，邊跨拱肋錨點(diǎn)處設(shè)置人孔，進(jìn)入拱箱內(nèi)進(jìn)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(shí)時(shí)監(jiān)控塔架頂部位移，還要監(jiān)控邊跨錨固點(diǎn)的標(biāo)高、位置變化。施工時(shí)采用高精度電子水準(zhǔn)儀測(cè)量監(jiān)控邊跨錨點(diǎn)，標(biāo)高變化在±2 mm以內(nèi)，且不隨錨點(diǎn)加載而變化，可認(rèn)為是環(huán)境影響、測(cè)量誤差，可忽略不計(jì)。

3.2.5 合龍段安裝

合龍段制造長(zhǎng)度在加工圖尺寸的基礎(chǔ)上，兩端各加長(zhǎng)300 mm，在合龍段兩端各500 mm范圍內(nèi)的箱口僅進(jìn)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(cè)數(shù)據(jù)后，根據(jù)實(shí)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(duì)拱肋合龍的影響，合龍段安裝時(shí)間盡量選擇在溫度變化較小時(shí)進(jìn)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(shí)鎖定，進(jìn)行主拱箱環(huán)向焊縫施焊，拼接板配鉆，最后施擰高強(qiáng)螺栓［13］。

4 施工成本比較分析

根據(jù)計(jì)算得出群樁承臺(tái)錨碇的形式為:樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)直徑1.2 m，樁長(zhǎng)約40 m，內(nèi)部設(shè)置鋼筋籠；承臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸5.8×5.8×2.0 m，內(nèi)部綁扎鋼筋，同時(shí)預(yù)埋錨點(diǎn)鋼構(gòu)件，用于錨索張拉的錨固端。共布置4個(gè)錨碇基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)材料用量匯總見表1。

表1 錨碇基礎(chǔ)設(shè)計(jì)材料用量

群樁承臺(tái)錨碇基礎(chǔ)因其地處海上回填區(qū)，施工時(shí)主要涉及樁基礎(chǔ)施工、承臺(tái)鋼板樁圍堰施工及承臺(tái)施工，總計(jì)費(fèi)用約300萬元。

采用自錨式扣掛體系，邊跨充分利用主體結(jié)構(gòu)，邊跨錨梁的制作僅需2.0 t鋼材，中跨側(cè)錨點(diǎn)的鋼拉帶錨箱共計(jì)8.6 t。關(guān)于錨點(diǎn)總計(jì)費(fèi)用約10萬元。

采用自錨式扣掛體系與群樁承臺(tái)錨碇基礎(chǔ)施工費(fèi)用對(duì)比，節(jié)約施工成本約300萬元，其經(jīng)濟(jì)性可觀。

5 結(jié)束語

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

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙、布局合理，大量節(jié)約成本。在臨時(shí)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，充分利用主體結(jié)構(gòu)自生的承載能力，利用拱座做為塔架基礎(chǔ)、錨點(diǎn)基礎(chǔ)，利用邊跨拱肋截面強(qiáng)大且與拱座固結(jié)的特點(diǎn)、利用拱肋內(nèi)的細(xì)部構(gòu)造，通過簡(jiǎn)單調(diào)整邊跨拱肋先施工的施工順序，僅增加設(shè)計(jì)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(tái)等臨時(shí)結(jié)構(gòu)，節(jié)約大量施工成本，降低臨時(shí)工程施工難度。雖大量利用主體結(jié)構(gòu)，但扣掛體系未給主體結(jié)構(gòu)帶來明顯的結(jié)構(gòu)變化及構(gòu)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(jiǎn)化安裝過程、降低施工控制難度，可操作性強(qiáng)。邊跨實(shí)現(xiàn)自錨的前提條件是先進(jìn)行邊跨拱肋的安裝，將邊跨拱肋安裝同塔架安裝同時(shí)進(jìn)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(fù)程度及監(jiān)控難度；地面組拼、空中對(duì)接施工形成流水作業(yè)，吊機(jī)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(qiáng)。

綜上所述，自錨式扣掛體系及其扣掛法施工技術(shù)，無論是在臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上還是在施工具體操作上都體現(xiàn)出其經(jīng)濟(jì)、安全、施工快速緊湊、可操作性強(qiáng)的巨大優(yōu)勢(shì)，值得推廣。