苏坝特大桥拱肋悬臂拼装斜拉扣挂系统设计

收稿日期：2024-01-05

作者简介：强永林（1992—），男，本科，工程师，从事桥梁工程施工管理及施工技术研究工作。

摘要 苏坝特大桥主桥为净跨径350 m的劲性骨架钢筋混凝土拱桥，拱肋节段采用“缆索吊装+斜拉扣挂”的方法进行悬臂拼装，斜拉扣挂系统的设计是本桥施工的关键。根据本桥特点，对悬臂拼装的斜拉扣挂系统开展了相应研究。一是研究弱刚度拱肋少扣索施工方法，在以往工程一段一扣（满扣或设置临时扣索）的基础上取消了部分扣索或临时扣索；二是研究扣塔与缆索吊装系统的位置关系，避免扣塔阻碍拱肋节段的吊装；三是本着永临结合的设计理念，充分利用永久结构承载，研究开发了一种岩锚与桥梁永久结构相结合的拱桥背索锚固系统及施工方法。通过在本桥运用研究成果，达到了提升施工质量、优化施工流程、加快施工进度、节约施工材料、保障施工安全等目的，可为今后斜拉扣挂系统的设计提供思路。

关键词 拱桥；拱肋；劲性骨架；少扣索；悬臂拼装；斜拉扣挂

中图分类号 U445.4文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）09-0059-04

0 引言

针对山区大跨度拱桥拱肋安装施工，由于山区的特殊地形，桥位处坡度陡，高差大，施工现场往往不具备构件整节段地面运输及支架安装的条件。缆索吊装系统具有定点起吊、水平运输等特点，斜拉扣挂悬臂拼装施工方法又完美地解决了高落差地区的拱肋安装问题。“缆索吊装+斜拉扣挂”施工方法大量运用到山区大跨度拱桥的拱肋安装施工中。斜拉扣挂系统是悬臂拼装的关键之处，因此对该系统开展设计研究非常必要。

1 工程概况

乐西高速苏坝特大桥跨越马边河与国道G348，桥位处两岸有乡村公路通过，交通条件较好。

大桥长835.5 m。主桥桥面纵坡0.54%，采用整幅设计。桥跨径组合为（9×28.5）m的预应力简支小箱梁和净跨径350 m的劲性骨架钢筋混凝土拱桥（拱上结构跨径13 m×28.5 m），以及（7×28.5）m预应力简支小箱梁，主桥全长370.50 m，引桥长为456 m[1]。桥型立面布置见图1所示。

1.1 建设条件

桥位两岸的基岩大面积出露，自然斜坡坡角多变化在20 °～30 °间，呈台阶折线型。少量细砂岩出露地段形成陡坎（最高陡坎可达20 m），粉砂质泥岩出露段大多形成了缓坡平台。桥区马边河河谷呈V字形，现河道顺直，水流湍急，两岸岸边基岩出露，一级阶地（在桥轴右侧约200 m外零星出露）呈长条状、新月状，沿河右岸展布，微向河及河下游倾斜。该层上部以黏土为主，下部为卵石夹（质）土层，是明显的二元结构。二级阶地呈台阶状分布，主要分布于左岸山顶，上覆主要为冰水堆积层的黏土，含卵石黏土及卵石，多为基座阶地，桥区山顶海拔841 m，河谷底部海拔568 m，桥区属构造侵蚀堆积地貌低山地貌[1]。

1.2 拱肋结构

主拱断面如图2所示，采用两幅设计，拱肋之间通过横联相连，单幅拱肋截面设计为单箱双室截面，尺寸为8 m×5.8 m（宽×高）。每幅拱肋劲性骨架由三片桁架组成，每片桁架包含上、下两根钢管混凝土弦杆，钢管内填充标号为C120的补偿收缩自密实混凝土。桁架竖腹杆及斜腹杆采用角钢制作，三片桁架之间通过角钢进行水平连接，在拱肋横联位置设交叉撑，以加强横向连接[1]。劲性骨架拱肋共划分为42个吊装节段，节段长20.88 m，宽7.6 m，高5.134 m，节段吊装重量约65.5 t。

图2 拱肋断面布置图（cm）

2 拱肋总体施工方法

该工程桥位处地形复杂，拱顶至河谷高差大，不具备搭设支架安装拱肋的条件，因此拟采用“缆索吊装+斜拉扣挂”的方法进行施工。分别在5#墩和12#墩设置缆索吊装索塔，形成缆索吊装系统[2]。在5#墩前搭设平台作为拱肋节段起吊平台，通过缆索吊装系统将节段运输至设计位置安装。在两岸交界墩上设置扣塔，对拱肋节段进行斜拉扣挂的悬臂拼装。

拱肋吊装顺序为每节段对称进行，即昭觉岸安装一节段，然后在马边岸安装对应节段，完成后安装拱肋横向抗风，再进行下节段的吊装，每完成两个标准节段的安装，张拉对应的扣、背索。

拱肋节段运输至设计位置，缆索吊具下放与拱肋连接，启动卷扬机，提升拱肋，至设计高程附近后，同时启动牵引索卷扬机纵向牵引拱肋至合适位置，然后缓慢下放拱肋就位，将拱肋接头临时连接。通过起吊卷扬机、牵引卷扬机、链条葫芦调整拱肋线形，经监控、监理单位认可后由钢结构厂家进行钢管接头的焊接施工。节段接头焊接完成后，为保证拱肋结构安全，先暂不解除缆索吊点，然后进行对应扣索、背索的安装及张拉施工。扣索及背索张拉到设计值后，再对吊点进行解除。

3 扣索系统设计

3.1 扣索、背索設计

拱肋扣索与背索是拱桥拱肋悬臂拼装的关键受力构件，一般成对进行布置。钢筋混凝土劲性骨架拱桥及钢管混凝土拱桥，由于拱肋刚度较弱，常采用一段一扣（满扣或设置临时扣索）的方式进行施工，例如犍为岷江特大桥[3]、合江长江一桥[4]。钢桁架拱桥因其刚度大、悬臂能力强，一般采用少扣索方式施工，例如梅山春晓大桥[5]仅布置2对扣背索。拱肋少扣索施工方法较一段一扣施工方法具有诸多优点：①少扣索可以减少扣背索安装、张拉工序的数量，节约施工工期；②少扣索结构简单，受力明确，拱肋线形控制较简单；③省去了临时扣索，节约了工程材料，经济性好。

在犍为岷江特大桥的基础上，苏坝特大桥扣索的系统设计取消了临时扣索，采用少扣索设计，大节段悬臂拼装，扣、背索系统布置如图3所示。

大桥单幅拱肋共布置5对扣、背索，分别布置于1#、2-2#、3-2#、4-2#、5-2#节段。单个节段布置两根扣索，K1到K3-2扣索在拱肋上，锚固于节段外侧两根上弦杆处。塔顶锚固于9#墩或10#墩盖梁锚梁上，背索锚固于7#墩或12#墩承台。K4-2到K5-2拱肋上锚固于节段外侧的两根上弦杆处，塔顶锚固于扣塔顶部锚梁上，背索锚固于6#墩或13#墩承台。背索布置于承台及墩柱两侧，避让相关墩柱和盖梁。

图3 扣、背索系统布置图

扣、背索均采用Φj15.24（Rby=1 860 MPa）钢绞线，锚固采用群锚体系，截面按施工阶段最大索力进行控制设计，扣、背索参数分别见表1～2所示：

表1 扣索参数表

扣索编号 K1 K2-2 K3-2 K4-2 K5-2

束数/束 3 5 7 11 11

初拉力/kN 262 260 447 1 060 1 218

最大索力/kN 286 468 785 1 117 1 245

安全系数 2.73 2.77 2.31 2.56 2.3

表2 背索参数表

背索编号 B1 B2-2 B3-2 B4-2 B5-2

束数/束 2 4 8 11 12

初拉力/kN 70 227 476 957 1 317

最大索力/kN 122 347 701 1 029 1 335

安全系数 4.23 2.99 2.97 2.78 2.33

3.2 扣塔设计

临时扣塔的高度影响扣索的受力。为减小扣索受力，临时扣塔应具有合理的高度。该工程采用吊扣分离设计，扣塔设置在交界墩处，拱肋节段在交界墩后方拼装，节段吊装时需要水平运输跨越扣塔。为避免拱肋节段与扣塔发生碰撞，扣塔顶到缆索吊主索应有足够的距离。根据节段高度、吊具、跑车、起吊索最短距离等因素综合考虑，确定该距离不应小于10 m。根据文献[6]的计算方法计算得到节段运至此处时缆索吊装系统主索的标高，然后推算确定临时扣塔的高度为10.14 m。扣塔采用钢管及型钢焊接成塔状，单幅扣塔采用4根φ630×10 mm钢管作为立柱，为保证盖梁受力安全，立柱布置于盖梁实心段，立柱间距4.67 m×4.5 m，立柱之间以及两幅扣塔之间采用φ325×6 mm钢管连接成整体。在盖梁顶面及扣塔顶，采用2I56型钢布置两层扣锚梁。

3.3 缆风索设计

由于拱肋为柔性结构，拱肋横桥向受风影响较大，每完成一部分拱肋吊装，需在拱肋两侧对称张拉一组临时缆风索。缆风索的作用，其一可以增加拱肋横向刚度，确保拱肋拼装安全性；其二可调节拱肋横桥向偏位。

缆风索采用Ф28（6×37+1）mm钢绳，与拱肋采用捆绑连接，分别在节段2-2、节段3-2和节段4-2布置拱肋抗风索。每个节段单侧布置4根Ф28 mm钢绳，上下弦杆各2根，每根索力10t。待拱肋合龙后，方可拆除临时缆风索。

3.4 锚碇系统设计

背索系统锚碇常用的形式有桩基+承台、岩锚、重力锚等形式，根据苏坝特大桥地形及地质情况，并结合永临结合的设计理念，充分利用永久结构进行承载，考虑将背索锚碇设置在引桥承台上。

桥梁承台尺寸为5 m×5 m×2.5 m，承台下为4根直径1.3 m的钢筋混凝土桩基。为减小单个承台受力及便于锚点布置，将背索分为2组进行布置，背索B1、B2-2、B3-2锚固在7#、12#承台处（锚碇一），背索B4-2、B5-2锚固在6#、13#承台处（锚碇二）。

图4 背索锚碇荷载图（kN）

对背索锚碇进行结构设计时，其设计荷载如果按照将单根最大荷载相加考虑，锚碇一荷载为2 340 kN，锚碇二荷载为4 728 kN。如果按照对各施工阶段背索受力相加，再取施工阶段中最大值，锚碇一荷载为2 340 kN，锚碇二荷载为4 214 kN。从图4可以看出，前者计算方式结果更安全，后者计算方式则更经济适用。

根据文献[7]计算得到承台单桩水平承载力特征值为409 kN，考虑群桩桩的相互影响效应时承台单桩水平承载力特征值为501 kN，再计入承台侧向土作用时承台单桩水平承载力特征值1 131 kN。显然，承台结构安全系数小于2，为此该工程研发了一种岩锚与桥梁永久结构相结合的拱桥背索锚固系统[8]，使承台结构安全系数满足要求。

背索锚碇结构如图5所示。在承台内埋设锚固钢带与背索连接，直接承受背索传递的荷载。锚固钢带主要依靠与混凝土的黏结力进行承载，同时，在钢带上设置PBL剪力键作为安全储备。为避免混凝土开裂，通过在钢带的前端50 cm长度范围内涂抹隔离剂，以及在钢带厚度方向设置横向分布钢筋[9]等措施避免混凝土开裂。承台上布置两组岩锚索（锚索A和锚索B）与承台桩基形成共同受力体系，其参数见表3所示。锚索自由段、锚固段各10 m，尾端设0.5 m的沉渣端。两组锚索相互成一定夹角，保证锚索锚固段的空间距离大于1.5 m。

图5 背索锚碇构造图（cm）

表3 岩锚索参数表

锚索 规格 数量 张拉力/kN

锚碇一 锚碇二

锚索A Φj15.24-4 2 3 625

锚索B Φj15.24-6 2 2 760

当张拉岩锚索时，桩基会承受岩锚索的水平力（方向指向邊跨），随着扣索系统锚索的安装，桩基受到岩锚索的水平力逐渐减小，然后变成零，最终反向增大（指向中跨）。为保证整个施工过程中，桩基水平承载始终具有2倍的安全系数，通过验算，优化锚碇岩锚索施工流程如下：

锚碇一：

（1）张拉岩锚索A，承台承受来自岩锚索的水平力。

（2）安装拱肋至3-2节段。

（3）张拉锚索B。

（下转第58页）

（上接第61页）

（4）继续吊装拱肋节段。

锚碇二：

（1）张拉1根锚索A。

（2）安装拱肋节段到张拉B4-2施工阶段。

（3）继续张拉2根锚索A。

（4）继续安装拱肋至5-1节段。

（5）在张拉K5-2扣索、背索的同时同步张拉2根锚索B。

4 结语

通过对苏坝特大桥劲性骨架拱肋悬臂拼装施工中斜拉扣挂系统的设计进行研究，总结出以下几个设计要点，可为今后的斜拉扣挂系统设计提供思路。

（1）针对弱刚度的拱肋，应对拱肋安装过程进行计算分析，充分利用拱肋自身刚度，釆用少扣索的施工方法，取消部分扣索或临时扣索，优化施工流程。

（2）扣塔设置应充分考虑与缆索吊装系统的位置关系、扣索角度、基础受力等因素，综合确定扣塔高度及平面尺寸。

（3）锚碇设计应采用永临结合的设计理念，通过岩锚索辅助承台受力、优化岩锚索张拉流程等措施充分发挥永久结构的力学性能。

参考文献

[1]四川省公路规划勘察设计研究院有限公司. 乐山至西昌高速公路马边至昭觉段（S1标段）两阶段施工图设计[Z]. 成都：2020.

[2]周咏凯. 山区超大跨径拱桥缆索吊装系统设计研究[J]. 城市道桥与防洪， 2023（8）： 228-231+22.

[3]张维福. 犍为岷江钢管混凝土拱桥安装关键技术[J]. 公路， 2021（7）： 142-146.

[4]何佳， 段鋆， 张雪松， 等. 拱桥施工中扣塔钢锚箱有限元分析[J]. 中外公路， 2012（3）： 224-226.

[5]陈伟. 钢桁拱桥固塔少扣索缆索吊装施工技术[J]. 中国高新科技， 2022（2）： 120-121.

[6]邓亨长， 胡洪俊. 基于分段悬链线和索力连续算法的缆索吊装系统准确计算[J]. 公路， 2018（11）： 161-164.

[7] 建筑桩基技术规范： JGJ94—2008[S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2008.

[8]一种岩锚与桥梁永久结构相结合的拱桥背索锚固系统[P]. 中国. 实用新型. CN218932834U. 2023-04-28.

[9]汪维安. 混合结构中PBL剪力键群的力学特性研究[D]. 成都：西南交通大学， 2016.