大跨度斜拉橋牽索掛籃的設計與施工

劉寶華

中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江湖州 313000

0 引言

牽索掛籃是目前橋梁工程中斜拉橋懸臂施工的主要設備，具有結構堅固穩定、前移和裝拆方便、受力后變形小等優點［1-3］，在橋梁建設中被廣泛應用。但是在緊湊空間下，大體積、大重量的牽索掛籃在水上高空進行安裝，存在較大施工安全隱患［4-5］。本文結合桐廬縣舞象山路道路建設工程，采用三維虛擬信息化平臺技術和“對稱拼裝、側向滑移、整體提升”的組合技術，進行牽索掛籃安裝施工，有效地保證了施工安全和施工質量。

1 項目概況

1.1 工程概況

桐廬縣舞象山路道路建設工程中的洋塘大橋是一座橫跨分水江的特大橋，橋位處河道寬度約320 m，航道等級為五級，最高通航水位為11.87 m。本橋上跨分水江現澆主肋梁梁底標高最低處為20.62 m。掛籃施工兜底防護系統底面至現澆梁底距離2.0 m。掛籃行走時，模板下放0.5 m，即本次現澆梁在掛籃施工時與分水江的航道最小凈空=20.62-11.87-2.0-0.5=6.25 m（橋下凈空≥5.0 m）。其中洋塘大橋主橋采用（115+115）m兩孔獨塔雙索面混凝土主梁斜拉橋（牽索掛籃），塔、梁、墩固結體系。索塔采用“H”型索塔，平行直立塔柱；主梁采用混凝土雙主肋主梁；斜拉索采用平行鋼絲成品索，空間扇形雙索面，見圖1。

主梁標準斷面采用預應力混凝土雙主肋（π形）斷面，橋面寬度39 m（兩側挑臂設150 mm后澆帶），主梁中心高度2.8 m，肋寬2.0 m。主梁兩主肋之間用橫梁與橋面板相連，橋面板厚0.28 m，預應力橫梁高度2.6 m，主跨橫梁梁寬為0.3 m，橫梁間距與拉索間距相同，均為6 m。全橋根據施工順序分為B0～B19 共20 個節段，主梁從索塔起始段包括B0、B1（B0′、B1′）支架現澆對稱節段，長度12 m；B02～B17梁段采用牽索（前支點）掛籃懸澆施工，節段長度均為6.0 m；B18 主跨合龍段，長度2.0 m 合龍段，采用吊架施工；B19段長度4.88 m+0.12 m采用支架現澆。

1.2 工況說明

在牽索掛籃安裝施工時，一方面由于鋼棧橋與1#塊頂板的最大施工凈空高度只有5 m。另一方面牽索掛籃長約15.1 m，寬28.6 m，高2.0 m，而鋼棧橋上拼裝區域（單側）僅僅略大于其外輪廓，故牽索掛籃安裝施工作業的空間極為緊湊，無法滿足塔吊或者履帶吊的使用條件。除此之外，牽索掛籃安裝施工需跨越通航分水江，增大了施工難度，并存在安全風險。

2 牽索掛籃

2.1 牽索掛籃結構

掛籃采用長平臺牽索掛籃，一套掛籃重約180 t，并由以下幾個主要部分組成：1）承重系統：主要由主縱梁、橫梁等組成；2）牽索系統：主要由張拉機構、斜拉索接長裝置及弧形首分配梁組成，其中牽索接長裝置由現場按斜拉索生產廠家方案設置；3）走行系統：主要由C 型梁掛腿、平衡千斤頂（升降過程保持掛籃平衡）、反力輪、滑道、頂推千斤頂和反力座組成；4）定位錨固系統：主要由前水平千斤頂、剪力鍵、中吊掛和后吊掛組成；5）模板系統：主要由底模、側模和內模組成。掛籃結構布置見圖2。

2.2 拼裝模擬

利用MIDAS Civi 建立牽索掛籃所有構件的單元，然后按照右側主梁→右側橫梁→左側橫梁→左側主梁順序進行虛擬拼裝，見圖3。

圖3 掛籃虛擬拼裝過程

三維虛擬信息化平臺技術：首先創建掛籃構件三維模型，對整體結構設計進行優化升級，提升彼此的吻合度以及安全系數，并整合到基于云空間建立的虛擬仿真信息化平臺，實現“未造先拼”。通過三維模擬掛籃拼裝過程，精確地獲得了安裝施工過程中主要控制要素，包括掛籃最佳起吊點位置、現場存放構件位置、掛籃拼裝順序、各節段與斜拉索角度的變化范圍、滑軌鋪設位置、吊車作業位置，以及吊裝過程中鋼絞線與掛籃之間的連接方式等。

2.3 安裝方案

采用“對稱拼裝、側向滑移、整體提升”的組合技術進行安裝，見圖4～6。在1#塊兩側對稱鋪設拼裝平臺，然后將掛籃構件對稱拼裝；利用拼裝平臺上鋪設的軌道進行側向滑移，到達指定位置；通過液壓千斤頂進行整體提升，到達指定位置后便錨固鎖定。

圖4 對稱拼裝

圖5 側向滑移

圖6 整體提升

2.4 工況分析

以2#節段為例，分析各個工況下牽索掛籃的應力、豎向位移、支點反力。

1）工況一：掛籃安裝就位，第一次調整索力

掛籃構件應力、豎向位移、支點反力，見圖7～9。

圖7 工況一掛籃應力

圖8 工況一掛籃豎向位移

2）工況二：澆注50%的混凝土

掛籃構件應力、豎向位移、支點反力，見圖10～12。

圖10 工況二掛籃應力

圖11 工況二掛籃豎向位移

圖12 工況二掛籃支點反力

3）工況三：第二次調整索力

掛籃構件應力、豎向位移、支點反力，見圖13～15。

圖13 工況三掛籃應力

圖14 工況三掛籃豎向位移

圖15 工況三掛籃支點反力

4）工況四：澆注100%的混凝土

掛籃構件應力、豎向位移、支點反力，見圖16～18。

圖16 工況四掛籃應力

圖17 工況四掛籃豎向位移

圖18 工況四掛籃支點反力

5）工況五：掛籃走行

掛籃構件應力、豎向位移、支點反力，見圖19～21。掛籃走行時，掛籃最大應力為190 MPa，發生在前橫梁處，走行支撐點反力C 型掛鉤處為145 t，后走行輪處反力為41 t，其計算時考慮1.3倍的安全系數，滿足設計要求。

圖19 工況五掛籃應力

圖20 工況五掛籃豎向位移

圖21 工況五掛籃支點反力

通過三維模擬，對各個工況下牽索掛籃應力、豎向位移、支點反力進行分析，結果表明牽索掛籃在各個工況下的安全系數均滿足設計要求。

3 牽索掛籃安裝施工過程

3.1 施工準備

3.1.1 施工機械與設備配置

吊車選用25 t汽車吊，用于材料的上橋以及掛籃構件現場拼裝；穿心式千斤頂選用500、800 t，用于后續掛籃吊裝。

3.1.2 場地準備

根據分水江歷年水位、通航情況，按照施工圖紙核對分水江周邊地形、地貌、地質情況，留存原狀影像后進行場地平整、清理浮渣等準備工作，規范布置風、水管線和照明等設施。承臺墩身施工時，按照鋼管支架的方案，準確定位預埋地腳螺栓、托架及鋼板。

3.2 搭設臨時支架

支架采用鋼管柱貝雷梁支架的形式，由鋼管柱基礎、鋼管、橫向型鋼分配梁、貝雷梁、護欄等組成，見圖22。

圖22 臨時支撐

下部結構：基礎采用Φ630 mm 鋼管樁，鋼管壁厚10 mm，長度根據現場地質情況綜合考慮。管樁縱向標準間距為12 m，每隔3跨設置一個制動墩。制動墩采用雙排6根鋼管樁，排距為3 m。樁頂布置2根I40a工字鋼橫梁，管樁與管樁之間用槽鋼水平向和剪刀向牢固焊接。

上部結構：根據行車荷載及橋面寬度要求，12 m 跨縱梁布置單層6 片321 型貝雷片，橫向布置形式為8 m寬和6 m寬。貝雷片縱向用貝雷銷聯結，橫向用90型定型支撐片聯結以保證其整體穩定性，貝雷片與工字鋼橫梁間用U型鐵件聯結以防滑動。

橋面結構：橫向鋪設I16工字鋼，間距300 mm，工字鋼上鋪10 mm壓花鋼板。橋面采用小鋼管（直徑50 mm）做成的欄桿進行防護，欄桿高度1.2 m，欄桿縱向3 m 1根立柱（與橋面槽鋼焊接）、高度方向設置兩道橫桿，安裝完成后涂上紅白油漆。

3.3 鋪設拼裝平臺

為保證拼裝平臺的占位精準性與吊裝時的安全性，拼裝平臺的鋪設參照以下步驟進行：

1）根據建模所確定的坐標，使用履帶吊在鋼棧橋上鋪設工字鋼。

2）根據掛籃滑移的精準路線，將軌道對稱鋪設在左右兩側。同時將軌道尾端標高適當調高20 mm，沿滑移方向設置微小的傾角，便于后續滑移。

3）鋪設完成之后，在軌道上鋪設不銹鋼片，減小滑移的摩擦力。

4）拼裝平臺鋪設完畢之后，檢查焊縫、標高等細節，確保其穩定性、安全性。

3.4 掛籃構件運輸至鋼棧橋

在拼裝平臺鋪設完成后，平板車按照牽索掛籃構件的拼裝順序，依次運至鋼棧橋上。由于受鋼棧橋寬度限制，平板車不易調頭，因此平板車需倒入鋼棧橋。平板車緩慢行進至地面已標識好的中心點附近并駐車，見圖23。

圖23 平板車到達指定位置

3.5 對稱拼裝、調整標高

平板車到達標識位置之后，利用提前到達指定位置的履帶吊進行拼裝。

掛籃拼裝按照右側主梁→右側橫梁→左側橫梁→左側主梁順序進行。具體拼裝步驟如下：

1）利用35 t級卡環將4 根Φ65 mm 鋼絲繩固定于掛籃構件側邊的吊耳中，同時在其另一側拴上兩條纜風繩，可供人工調整掛籃構件的姿態。

2）緩慢落到拼裝平臺上，利用摩擦型高強螺栓進行連接，然后用小錘（0.3 kg）敲擊法對高強螺栓進行普查，以防漏擰；查驗合格后，連接板縫及時用膩子封閉，連接處用防銹油漆進行涂刷。

3）根據拼裝順序，重復上述步驟，直至拼裝完成。待拼裝完成后，利用底部工字鋼進行標高調整，保證整體穩定性、安全性。

4）另一側掛籃構件拼裝步驟同上。

3.6 側向滑移、精確定位

待掛籃對稱拼裝完成后，利用水平千斤頂將其沿著軌道上的不銹鋼片滑移到指定位置。然后利用豎向千斤頂、手拉葫蘆對掛籃的標高和線性進行微調。

選擇合理吊點：每側利用2片貝雷梁作為前吊點，1#塊預留孔作為后吊點進行提升，掛籃段吊點選擇在有加勁板的位置。后吊點為主吊點，前吊點輔助平衡掛籃。前吊點單側選用5根9 m長Φ15.2預應力鋼絞線，后吊點單側選用9根9 m長Φ15.2預應力鋼絞線，前后吊點均采用YDC3000千斤頂牽引。

3.7 吊裝作業

3.7.1 吊裝前準備與檢查

吊裝前，詳細觀察吊裝周圍環境，檢查承重支架的穩定性，查看機械索具、夾具、吊環等是否符合要求，出入口設置臨時圍護，非吊裝人員不得入內，保證施工安全。

3.7.2 試吊

按20%、60%、80%、100%分級加載，直至結構全部離地200 mm。檢查結構焊縫是否正常，吊架變形是否異常，吊點是否變形，后錨點是否牢固。

3.7.3 正式吊裝

當試吊沒有問題后，開始正式吊裝。將掛籃頂升離地后，空中停滯約30 min。懸停期間，定時組織人員觀察結構，檢查掛籃各部位變形情況以及焊縫情況，并做好有關記錄。

為了保證吊桿拉力基本一致，要求掛籃提升過程中其四角高程偏差小于100 mm。掛籃提升前前橫梁與縱梁交界處和縱梁尾部頂面四處掛鋼卷尺，記錄好縱梁底面處卷尺刻度。千斤頂頂升時每頂行程300 mm，隨時測量頂升高度。兩次回程后在拼裝平臺采用水準儀測量卷尺刻度，推算掛籃縱梁底面高程。若高程偏差超過提升要求，須及時進行調整。

待掛籃提升到位后，進行掛籃其他構件的安裝。牽索掛籃全部安裝好后，精準調整、焊接，采用凸出式新型止推塊進行錨固，保證整體的穩定性。最后利用掛籃自帶施工平臺進行掛籃掛索并預緊（在塔柱上預緊），見圖24。

圖24 掛籃對稱吊裝完成

4 安全對策

1）現場掛籃拼裝時，掛籃構件可以根據虛擬仿真技術確定順序、點位和方式，然后利用摩擦型高強螺栓進行連接；栓接時對摩擦面采用噴砂除銹處理，以增大摩擦系數。

2）掛籃起吊時應選擇合理的吊點，即每側利用兩片貝雷梁作為前吊點，1#塊預留孔作為后吊點進行提升，掛籃段吊點選擇在有加勁板的位置。

3）前吊點單側選用5根預應力鋼絞線，后吊點單側選用9根預應力鋼絞線，均采用鋼絞線錨具進行連接。

4）吊裝區域周圍設置防護欄桿、警示牌、消防設施，施工人員佩戴安全帽。

5）掛籃構件運輸至鋼棧橋后，控制存放時堆碼高度，采取臨時固定措施，確保支墊牢固。

6）由于在水上高空吊裝，支架上搭設人員上下通道、安全操作平臺、臨邊防護欄桿及梁端行走限位，確保防護無死角；要求高處作業必須佩戴好安全繩、防墜器等用品。

7）吊裝作業應設置纜風繩等軟固定設施。

8）吊裝應盡量選擇在天氣晴好、低潮位時進行，嚴禁在5級以上大風或者汛期期間進行吊裝作業。

9）拼裝完成后嚴格按要求進行試吊，并全面檢查工索具，機具狀態符合要求后方可進入后續施工。

5 結論

1）運用三維虛擬信息化平臺，對牽索掛籃進行拼裝模擬，從而對其結構進行優化升級，實現“未造先拼”，提升現場拼裝的精度，為提升成橋質量打下基礎；模擬各個工況下，牽索掛籃的受力情況，保證安全施工。

2）采用“對稱拼裝、側向滑移、整體提升”的組合技術，有效解決有限空間下牽索掛籃吊裝施工難題。

3）洋塘大橋在緊湊空間下成功完成了牽索掛籃安裝作業，不影響分水江通航，社會效益顯著［6］，為今后解決類似工程提供了參考。