大跨度斜拉桥牵索挂篮的设计与施工

刘宝华

中铁十六局集团第三工程有限公司，浙江湖州 313000

0 引言

牵索挂篮是目前桥梁工程中斜拉桥悬臂施工的主要设备，具有结构坚固稳定、前移和装拆方便、受力后变形小等优点［1-3］，在桥梁建设中被广泛应用。但是在紧凑空间下，大体积、大重量的牵索挂篮在水上高空进行安装，存在较大施工安全隐患［4-5］。本文结合桐庐县舞象山路道路建设工程，采用三维虚拟信息化平台技术和“对称拼装、侧向滑移、整体提升”的组合技术，进行牵索挂篮安装施工，有效地保证了施工安全和施工质量。

1 项目概况

1.1 工程概况

桐庐县舞象山路道路建设工程中的洋塘大桥是一座横跨分水江的特大桥，桥位处河道宽度约320 m，航道等级为五级，最高通航水位为11.87 m。本桥上跨分水江现浇主肋梁梁底标高最低处为20.62 m。挂篮施工兜底防护系统底面至现浇梁底距离2.0 m。挂篮行走时，模板下放0.5 m，即本次现浇梁在挂篮施工时与分水江的航道最小净空=20.62-11.87-2.0-0.5=6.25 m（桥下净空≥5.0 m）。其中洋塘大桥主桥采用（115+115）m两孔独塔双索面混凝土主梁斜拉桥（牵索挂篮），塔、梁、墩固结体系。索塔采用“H”型索塔，平行直立塔柱；主梁采用混凝土双主肋主梁；斜拉索采用平行钢丝成品索，空间扇形双索面，见图1。

主梁标准断面采用预应力混凝土双主肋（π形）断面，桥面宽度39 m（两侧挑臂设150 mm后浇带），主梁中心高度2.8 m，肋宽2.0 m。主梁两主肋之间用横梁与桥面板相连，桥面板厚0.28 m，预应力横梁高度2.6 m，主跨横梁梁宽为0.3 m，横梁间距与拉索间距相同，均为6 m。全桥根据施工顺序分为B0～B19 共20 个节段，主梁从索塔起始段包括B0、B1（B0′、B1′）支架现浇对称节段，长度12 m；B02～B17梁段采用牵索（前支点）挂篮悬浇施工，节段长度均为6.0 m；B18 主跨合龙段，长度2.0 m 合龙段，采用吊架施工；B19段长度4.88 m+0.12 m采用支架现浇。

1.2 工况说明

在牵索挂篮安装施工时，一方面由于钢栈桥与1#块顶板的最大施工净空高度只有5 m。另一方面牵索挂篮长约15.1 m，宽28.6 m，高2.0 m，而钢栈桥上拼装区域（单侧）仅仅略大于其外轮廓，故牵索挂篮安装施工作业的空间极为紧凑，无法满足塔吊或者履带吊的使用条件。除此之外，牵索挂篮安装施工需跨越通航分水江，增大了施工难度，并存在安全风险。

2 牵索挂篮

2.1 牵索挂篮结构

挂篮采用长平台牵索挂篮，一套挂篮重约180 t，并由以下几个主要部分组成：1）承重系统：主要由主纵梁、横梁等组成；2）牵索系统：主要由张拉机构、斜拉索接长装置及弧形首分配梁组成，其中牵索接长装置由现场按斜拉索生产厂家方案设置；3）走行系统：主要由C 型梁挂腿、平衡千斤顶（升降过程保持挂篮平衡）、反力轮、滑道、顶推千斤顶和反力座组成；4）定位锚固系统：主要由前水平千斤顶、剪力键、中吊挂和后吊挂组成；5）模板系统：主要由底模、侧模和内模组成。挂篮结构布置见图2。

2.2 拼装模拟

利用MIDAS Civi 建立牵索挂篮所有构件的单元，然后按照右侧主梁→右侧横梁→左侧横梁→左侧主梁顺序进行虚拟拼装，见图3。

图3 挂篮虚拟拼装过程

三维虚拟信息化平台技术：首先创建挂篮构件三维模型，对整体结构设计进行优化升级，提升彼此的吻合度以及安全系数，并整合到基于云空间建立的虚拟仿真信息化平台，实现“未造先拼”。通过三维模拟挂篮拼装过程，精确地获得了安装施工过程中主要控制要素，包括挂篮最佳起吊点位置、现场存放构件位置、挂篮拼装顺序、各节段与斜拉索角度的变化范围、滑轨铺设位置、吊车作业位置，以及吊装过程中钢绞线与挂篮之间的连接方式等。

2.3 安装方案

采用“对称拼装、侧向滑移、整体提升”的组合技术进行安装，见图4～6。在1#块两侧对称铺设拼装平台，然后将挂篮构件对称拼装；利用拼装平台上铺设的轨道进行侧向滑移，到达指定位置；通过液压千斤顶进行整体提升，到达指定位置后便锚固锁定。

图4 对称拼装

图5 侧向滑移

图6 整体提升

2.4 工况分析

以2#节段为例，分析各个工况下牵索挂篮的应力、竖向位移、支点反力。

1）工况一：挂篮安装就位，第一次调整索力

挂篮构件应力、竖向位移、支点反力，见图7～9。

图7 工况一挂篮应力

图8 工况一挂篮竖向位移

2）工况二：浇注50%的混凝土

挂篮构件应力、竖向位移、支点反力，见图10～12。

图10 工况二挂篮应力

图11 工况二挂篮竖向位移

图12 工况二挂篮支点反力

3）工况三：第二次调整索力

挂篮构件应力、竖向位移、支点反力，见图13～15。

图13 工况三挂篮应力

图14 工况三挂篮竖向位移

图15 工况三挂篮支点反力

4）工况四：浇注100%的混凝土

挂篮构件应力、竖向位移、支点反力，见图16～18。

图16 工况四挂篮应力

图17 工况四挂篮竖向位移

图18 工况四挂篮支点反力

5）工况五：挂篮走行

挂篮构件应力、竖向位移、支点反力，见图19～21。挂篮走行时，挂篮最大应力为190 MPa，发生在前横梁处，走行支撑点反力C 型挂钩处为145 t，后走行轮处反力为41 t，其计算时考虑1.3倍的安全系数，满足设计要求。

图19 工况五挂篮应力

图20 工况五挂篮竖向位移

图21 工况五挂篮支点反力

通过三维模拟，对各个工况下牵索挂篮应力、竖向位移、支点反力进行分析，结果表明牵索挂篮在各个工况下的安全系数均满足设计要求。

3 牵索挂篮安装施工过程

3.1 施工准备

3.1.1 施工机械与设备配置

吊车选用25 t汽车吊，用于材料的上桥以及挂篮构件现场拼装；穿心式千斤顶选用500、800 t，用于后续挂篮吊装。

3.1.2 场地准备

根据分水江历年水位、通航情况，按照施工图纸核对分水江周边地形、地貌、地质情况，留存原状影像后进行场地平整、清理浮渣等准备工作，规范布置风、水管线和照明等设施。承台墩身施工时，按照钢管支架的方案，准确定位预埋地脚螺栓、托架及钢板。

3.2 搭设临时支架

支架采用钢管柱贝雷梁支架的形式，由钢管柱基础、钢管、横向型钢分配梁、贝雷梁、护栏等组成，见图22。

图22 临时支撑

下部结构：基础采用Φ630 mm 钢管桩，钢管壁厚10 mm，长度根据现场地质情况综合考虑。管桩纵向标准间距为12 m，每隔3跨设置一个制动墩。制动墩采用双排6根钢管桩，排距为3 m。桩顶布置2根I40a工字钢横梁，管桩与管桩之间用槽钢水平向和剪刀向牢固焊接。

上部结构：根据行车荷载及桥面宽度要求，12 m 跨纵梁布置单层6 片321 型贝雷片，横向布置形式为8 m宽和6 m宽。贝雷片纵向用贝雷销联结，横向用90型定型支撑片联结以保证其整体稳定性，贝雷片与工字钢横梁间用U型铁件联结以防滑动。

桥面结构：横向铺设I16工字钢，间距300 mm，工字钢上铺10 mm压花钢板。桥面采用小钢管（直径50 mm）做成的栏杆进行防护，栏杆高度1.2 m，栏杆纵向3 m 1根立柱（与桥面槽钢焊接）、高度方向设置两道横杆，安装完成后涂上红白油漆。

3.3 铺设拼装平台

为保证拼装平台的占位精准性与吊装时的安全性，拼装平台的铺设参照以下步骤进行：

1）根据建模所确定的坐标，使用履带吊在钢栈桥上铺设工字钢。

2）根据挂篮滑移的精准路线，将轨道对称铺设在左右两侧。同时将轨道尾端标高适当调高20 mm，沿滑移方向设置微小的倾角，便于后续滑移。

3）铺设完成之后，在轨道上铺设不锈钢片，减小滑移的摩擦力。

4）拼装平台铺设完毕之后，检查焊缝、标高等细节，确保其稳定性、安全性。

3.4 挂篮构件运输至钢栈桥

在拼装平台铺设完成后，平板车按照牵索挂篮构件的拼装顺序，依次运至钢栈桥上。由于受钢栈桥宽度限制，平板车不易调头，因此平板车需倒入钢栈桥。平板车缓慢行进至地面已标识好的中心点附近并驻车，见图23。

图23 平板车到达指定位置

3.5 对称拼装、调整标高

平板车到达标识位置之后，利用提前到达指定位置的履带吊进行拼装。

挂篮拼装按照右侧主梁→右侧横梁→左侧横梁→左侧主梁顺序进行。具体拼装步骤如下：

1）利用35 t级卡环将4 根Φ65 mm 钢丝绳固定于挂篮构件侧边的吊耳中，同时在其另一侧拴上两条缆风绳，可供人工调整挂篮构件的姿态。

2）缓慢落到拼装平台上，利用摩擦型高强螺栓进行连接，然后用小锤（0.3 kg）敲击法对高强螺栓进行普查，以防漏拧；查验合格后，连接板缝及时用腻子封闭，连接处用防锈油漆进行涂刷。

3）根据拼装顺序，重复上述步骤，直至拼装完成。待拼装完成后，利用底部工字钢进行标高调整，保证整体稳定性、安全性。

4）另一侧挂篮构件拼装步骤同上。

3.6 侧向滑移、精确定位

待挂篮对称拼装完成后，利用水平千斤顶将其沿着轨道上的不锈钢片滑移到指定位置。然后利用竖向千斤顶、手拉葫芦对挂篮的标高和线性进行微调。

选择合理吊点：每侧利用2片贝雷梁作为前吊点，1#块预留孔作为后吊点进行提升，挂篮段吊点选择在有加劲板的位置。后吊点为主吊点，前吊点辅助平衡挂篮。前吊点单侧选用5根9 m长Φ15.2预应力钢绞线，后吊点单侧选用9根9 m长Φ15.2预应力钢绞线，前后吊点均采用YDC3000千斤顶牵引。

3.7 吊装作业

3.7.1 吊装前准备与检查

吊装前，详细观察吊装周围环境，检查承重支架的稳定性，查看机械索具、夹具、吊环等是否符合要求，出入口设置临时围护，非吊装人员不得入内，保证施工安全。

3.7.2 试吊

按20%、60%、80%、100%分级加载，直至结构全部离地200 mm。检查结构焊缝是否正常，吊架变形是否异常，吊点是否变形，后锚点是否牢固。

3.7.3 正式吊装

当试吊没有问题后，开始正式吊装。将挂篮顶升离地后，空中停滞约30 min。悬停期间，定时组织人员观察结构，检查挂篮各部位变形情况以及焊缝情况，并做好有关记录。

为了保证吊杆拉力基本一致，要求挂篮提升过程中其四角高程偏差小于100 mm。挂篮提升前前横梁与纵梁交界处和纵梁尾部顶面四处挂钢卷尺，记录好纵梁底面处卷尺刻度。千斤顶顶升时每顶行程300 mm，随时测量顶升高度。两次回程后在拼装平台采用水准仪测量卷尺刻度，推算挂篮纵梁底面高程。若高程偏差超过提升要求，须及时进行调整。

待挂篮提升到位后，进行挂篮其他构件的安装。牵索挂篮全部安装好后，精准调整、焊接，采用凸出式新型止推块进行锚固，保证整体的稳定性。最后利用挂篮自带施工平台进行挂篮挂索并预紧（在塔柱上预紧），见图24。

图24 挂篮对称吊装完成

4 安全对策

1）现场挂篮拼装时，挂篮构件可以根据虚拟仿真技术确定顺序、点位和方式，然后利用摩擦型高强螺栓进行连接；栓接时对摩擦面采用喷砂除锈处理，以增大摩擦系数。

2）挂篮起吊时应选择合理的吊点，即每侧利用两片贝雷梁作为前吊点，1#块预留孔作为后吊点进行提升，挂篮段吊点选择在有加劲板的位置。

3）前吊点单侧选用5根预应力钢绞线，后吊点单侧选用9根预应力钢绞线，均采用钢绞线锚具进行连接。

4）吊装区域周围设置防护栏杆、警示牌、消防设施，施工人员佩戴安全帽。

5）挂篮构件运输至钢栈桥后，控制存放时堆码高度，采取临时固定措施，确保支垫牢固。

6）由于在水上高空吊装，支架上搭设人员上下通道、安全操作平台、临边防护栏杆及梁端行走限位，确保防护无死角；要求高处作业必须佩戴好安全绳、防坠器等用品。

7）吊装作业应设置缆风绳等软固定设施。

8）吊装应尽量选择在天气晴好、低潮位时进行，严禁在5级以上大风或者汛期期间进行吊装作业。

9）拼装完成后严格按要求进行试吊，并全面检查工索具，机具状态符合要求后方可进入后续施工。

5 结论

1）运用三维虚拟信息化平台，对牵索挂篮进行拼装模拟，从而对其结构进行优化升级，实现“未造先拼”，提升现场拼装的精度，为提升成桥质量打下基础；模拟各个工况下，牵索挂篮的受力情况，保证安全施工。

2）采用“对称拼装、侧向滑移、整体提升”的组合技术，有效解决有限空间下牵索挂篮吊装施工难题。

3）洋塘大桥在紧凑空间下成功完成了牵索挂篮安装作业，不影响分水江通航，社会效益显著［6］，为今后解决类似工程提供了参考。