非对称斜拉扣挂施工可行性分析及初步设计

    李哲+陈圆圆+孙克强

    

    

    

    摘 要:斜拉扣挂法施工属于拱桥无支架缆索吊装法的一种,扣索多为对称布置。西芹大桥为主跨230m的下承式简支拱桥,受环境、地理条件影响,需采用非对称斜拉扣挂体系施工。本文以西芹大桥为依托,介绍了非对称斜拉扣挂法拱肋施工可行性分析及初步设计,为类似工程提供参考。

    关键词:拱桥;非对称斜拉扣挂;可行性分析;初步设计

    中图分类号:U445 文献标识码:A 文章编号:1006—7973(2017)05-0060-03

    1 引言

    斜拉扣挂法悬拼施工是一项较为成熟的施工方法,自90年代中期以来,已在国内多座桥梁建设中得以应用。以往工程采用斜拉扣挂法施工时,为了避免不平衡力的影响,扣索多设计为沿跨中对称的形式。西芹大桥由于受环境因素影响,水中支架无法施工,又由于岸侧道路、山体位置的限制,因此选择非对称布置的斜拉扣挂体系进行施工。本文以西芹大桥为依托,针对这种较少见的非对称扣挂体系进行可行性分析及结构初步设计。

    2 工程简介

    西芹大桥主桥为下承式简支拱桥,拱肋箱型截面采用提篮形式,主跨为230m,矢高38m,矢跨比1/6.05;纵梁采用钢结构,箱型截面。钢主梁全宽34.12m,由纵、横梁和正交异形桥面板组成,桥型布置详见图1。

    3 施工可行性分析

    3.1 非对称斜拉扣挂体系设计

    本工程采用的非对称斜拉扣挂体系主要包含缆索吊、锚碇、扣塔(含扣索背索)、临时系杆(含系杆牛腿)、拱肋支架、主梁支架以及其他附属结构。非对称斜拉扣挂体系总体布置见图2。

    3.2 方案可行性分析

    3.2.1 缆索吊起吊能力分析

    目前,我国缆索吊机技术较为成熟,最大起吊重量已突破400t,本桥最大起吊重量50t,选用缆索吊机进行块段悬拼安装可行。

    3.2.2 非对称水平力分析

    非对称斜拉扣挂体系施工时,两侧扣索水平分力不等。经分析,在临时系杆作用下,单边单侧拱脚仍产生近100t水平力。经设计院对永久结构计算并通过评审讨论,该荷载可由墩身承担,传载结构为墩顶牛腿,非对称水平力影响得以克服。墩顶牛腿结构见图3、图4。

    3.2.3 临时结构受力

    方案可行性分析时,需对缆索吊、锚碇、扣塔(含扣索背索)、临时系杆(含系杆牛腿、墩顶牛腿)、拼装支架等结构进行计算,结构设计均满足受力要求。在此列出扣塔模型计算,扣塔计算分别见图5、图6。

    3.3 施工安排

    3.3.1 总体施工概述

    西芹大桥主桥钢结构采用临时支墩+斜拉扣挂相结合的方式进行施工,钢结构施工采用“先拱后梁”的顺序进行。其中,205国道侧拱脚及近拱脚段主梁、拱肋采用临时支架拼装法施工,其余节段均采用斜拉扣挂法悬拼施工;南平西站侧拱脚段采用临时支架施工,其余节段均采用斜拉扣挂法悬拼施工。拱肋合龙后,拆除扣索、背索,利用缆索吊逐节拼装主梁、安装吊杆。主梁合龙后,拆除临时系杆,完成体系转换。缆索吊悬拼区施工示意图见图7。

    3.3.2 施工流程

    (1)步骤一:利用低水位时间段,进行临时支架、扣塔、塔吊基础施工;利用履带吊安装临时支架、扣塔起始段、塔吊起始段;扣塔立柱灌注混凝土至设计标高并等强;进行后锚锚碇施工。

    (2)步骤二:两侧均利用引桥作为运输通道,借助履带吊及塔吊,拼装拱脚段;205国道侧拼装支架区主梁,并在其上铺装履带吊型钢轨道;后锚锚碇施工完成。

    (3)步骤三:205国道侧安装拱肋支架,借助履带吊拼装支架区拱肋;利用塔吊接高扣塔至设计标高,接高过程同时安装塔吊附墙、扣塔平联。

    (4)步骤四:扣塔施工完成后,进行缆索吊系统安装,包括主索、承重索、起重索、跑车等;缆索吊系统安装完成后,按缆索起重机设计规范对缆索吊系统进行试吊,检验吊装系统可靠性。

    (5)步骤五:安装临时系杆,此时系杆为松弛状态;拱肋悬拼施工时,按监控要求进行张拉;拱肋块段经南平西站侧引桥运至中跨缆索吊吊装范围,由缆索吊起吊拱肋,水平牵引就位进行安装。

    (6)步骤六:拱肋分段吊装,每吊装就位一个节段,均安装相对应的扣索、背索;块段安装就位后,按照监控要求,进行扣索、背索、临时系杆张拉;按照上述步骤,逐段进行拱肋安装,直至拱肋合龙;合龙前,应按照监控要求进行调索,拱肋线形满足要求后,进行合龙段配切及安装;本步骤施工期间,应根据监控要求分级、分批张拉系杆。

    (7)步骤七:拱肋合龙完成,根据设计及监控要求,按顺序拆除扣索、背索、拱肋支架;本步骤施工期间,调整系杆索力,安装吊杆。

    (8)步骤八:安装南平西站侧纵梁、横梁,张拉吊杆,并按对称原则张拉205国道侧吊杆,实现主梁逐级落架。利用缆索吊對称拼装纵梁、横梁,张拉吊杆、直至合龙。

    (9)步骤九:主梁合龙后,拆除临时系杆,完成体系转换,主桥钢结构施工完成。

    4 主要结构初步设计

    4.1 缆索吊设计

    缆索吊主要由主承重索(后简称主索)、起重索、牵引索、支索器、跑车、塔顶索鞍、锚固系统等组成。缆索吊机参数表如表1所示。

    缆索吊关键结构设计如下。

    (1)主索设计。缆索吊左、右幅各布置一组主索,每组主索由6根φ48钢丝绳组成。每根主索一端采用锚头连接,另一端采用绳夹连接,待线形调整完成后,在锚固端采用锁紧装置将各根钢丝绳进行锁紧。

    (2)起重系统设计。缆索吊左、右幅各设置一套起重系统,单套起重系统由2台起重小车,2根起重索和2台10t起重卷扬机组成,起重索采用φ32mm钢丝绳走4线,一端与起重卷扬机连接,另一端与地面锚固。起重卷扬机及固定端地锚分别布置于两岸主索锚碇上。

    (3)牵引系统设计。缆索吊左、右幅各设一套牵引系统,牵引索采用φ28mm钢丝绳,单侧走3线,采用8t牵引卷扬机。

    (4)支索器设计。支索器采用等间距布置,间距约50m,起重小车单侧需10个,全桥支索器数量为20个,支索器采用1根Φ16防扭转钢丝绳定位。

    (5)起重、牵引卷扬机。缆索吊起重卷扬机、牵引卷扬机均采用变频调速卷扬机。起重卷扬机采用10t变频调速卷扬机,全桥共4台。牵引卷扬机采用8t变频调速卷扬机,布设在主索锚碇上,全桥共4台。

    (6)信息监控系统设计。利用成熟的自动控制技术和计算机网络技术,通过智能信息监测控制系统,使缆索吊装系统的运行状况能够在电脑上直观反应,便于施工控制。系统能够实现单台或多台卷扬机的钢丝绳张力、速度、行程等监测和调控功能,减少多台卷扬机协同作业的张力、速度和行程等同步控制误差。

    4.2 锚碇设计

    主索锚固于锚碇上,利用承台和桩基作为主要承载结构,在锚碇承台上埋设精轧螺纹钢筋,在承台前斜面安装锚固滑轮,形成主索锚固系统。每组主索、缆风索、起重索及牵引索均锚碇于同一桩锚结构中。桩基采用直径1.8m的钢筋混凝土灌注桩,桩间距横桥向4.0m,纵桥向4.0m,桩长205国道侧17.5m,南平西站侧14.5m,承台采用C40混凝土,桩基采用C30混凝土。

    4.3 扣塔设计

    扣塔是扣索的支点,扣塔立柱柱底入岩,柱脚灌注混凝土做栽桩处理。扣塔总高100.91m,宽37.4m,两岸扣塔中心距为210.45m。扣塔立柱采用φ1020×10mm钢管,柱间连接采用φ630×8mm钢管。扣索、背索均为1860Mpa钢绞线拉索。

    扣塔基础采用栽桩法施工。在枯水期抢钻冲孔,冲孔完成后,安装起始段立柱及平联,并灌注栽桩混凝土。基础处理完成后,灌注钢管内混凝土至设计标高。扣塔塔身结构在钢结构加工场加工,现场起重拼装。现场拼装采用螺栓連接。塔身每安装到一横梁处时,应先进行横梁连接,然后继续安装下一节段塔柱。扣塔拼装起重设备采用QTZ160塔吊,塔吊随扣塔安装进度逐渐接高,单侧塔吊共设置3道附墙,附墙与扣塔立柱连接。爬梯采用组合框架式爬梯,由专业厂家设计、加工。

    4.4 支架设计

    205国道侧主梁支架采用钢管贝雷结构,钢管立柱采用φ630×8mm,起始段纵桥向2排,横桥向设置8根,其余标准节段纵桥向3排,横桥向4根。桩顶梁为2I40a,上方设置贝雷分配梁,贝雷在起始段设置14排,标准段横桥向设置8排,贝雷梁上方为2I25a横向分配梁,其上设置临时支座和调位千斤顶,用于梁段精确调位。南平西站侧起始段支架采用钢管贝雷结构,其布置与205国道侧起始段支架结构相同。

    拱肋支架采用钢管型钢结构,在节段接缝两侧搭设钢管立柱,立柱采用φ325×8mm钢管,钢管立柱上搭设2I20a横梁,横梁和拱肋之间采用型钢胎架调节高程,每个拱肋节段设置两个胎架,钢管立柱之间采用2[14a平联和斜撑连接为整体。

    4.5 临时系杆设计

    临时系杆采用φs15.2钢绞线,标准抗拉强度1860Mpa,全桥数量2×10-φs15.2×22。在临时系杆锚固位置设置系杆牛腿,系杆牛腿焊接在拱脚段外侧。在墩顶设置墩顶牛腿,抵抗系杆系统水平荷载。施工时,系杆根据设计及监控要求,分批、分次张拉。

    5 结语

    本文针对西芹大桥特殊的环境,设计了非对称斜拉扣挂体系,对其进行了方案可行性分析,介绍了关键施工流程以及主要结构的初步设计。经研究分析,非对称斜拉扣挂体系可应用于本文依托工程,并可为类似工程提供参考借鉴。

    参考文献:

    [1] 段鋆,大跨度钢管混凝土拱桥扣挂系统研究[D]重庆交通大学硕士学位论文,2012

    [2]国内最大的缆索吊机试吊成功[J] 施工技术, 2006(4):13-13

    [3] 郑春玲,雷霆.某钢管拱桥拱肋悬拼中的扣索计算[J] 桥梁建设 2001(4),35-37

    [4] JTG/T F50-2011.公路桥涵施工技术规范[S]

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