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：
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