斜拉桥牵索挂篮设计与施工关键技术
关键词：斜拉桥，牵索挂篮，设计与施工
一、工程概述
随着我国桥梁设计与施工技术的不断进步，斜拉桥已普遍在交通基础设施建设中被采用，特别是在受地形、地质、水文限制影响的区域更加广泛采用。对于跨径小于400米的多采用采用预应力钢筋混泥土主梁，结构设计上有边主梁、箱梁等，其中广东顺德高赞大桥和重庆云阳梅溪河特大桥主梁结构形式在混泥土主梁结构形式中具有典型性。
高赞大桥长1727.8m，桥跨组合为14×30m+5×31m+(61+89+280+89+61)m+3×40m+15×30m。主桥采用双塔单索面，墩、塔、梁固结的预应力砼斜拉桥，跨径组合为61m+89m+280m+89m+61m，主梁采用近似三角形断面，单箱三室结构，梁高3.5米，箱宽30.5米。主梁0#块长13米，0-1#块长6米，标准节段长6米（横隔板间距也为6米），共21对。标准梁段断面尺寸为：顶板全宽30.5米，底板宽4米，悬臂长4米。
高赞大桥主梁断面单位：cm
梅溪河特大桥主桥采用43m+147m+386m+147m+43m的双塔双索面预应力砼斜拉桥，主梁标准截面采用双主肋断面，主梁中心高度2.6m，顶板宽23.5m，厚0.30m，主梁悬浇节段长6.0m，索塔处设23m的0号块，中跨合拢段长3.0m，边跨合拢段长2.0m，全桥124对斜拉索。
梅溪河特大桥主梁横断面单位：cm
二、斜拉桥牵索挂篮施工技术研究
斜拉桥混泥土主梁有边主梁、标准箱梁、倒三角形箱梁等形式，从施工方式上讲有悬拼、悬浇及现浇几种，其中牵索挂篮悬浇最为普遍。牵索悬浇挂篮在铜陵长江大桥上首次应用，随后在江西南昌新八一大桥、武汉江汉四桥、湖南岳阳洞庭湖大桥、江西鄱阳湖大桥、湖北荆沙长江大桥、湖北巴东长江大桥等多座斜拉桥上成功应用，技术成熟可靠，挂篮结构较标准化，其主要结构包括行走系统、底篮系统、模板系统，底篮系统主要由纵梁（位于主梁肋板下方）及横梁（连接两道纵梁，一般设两道或三道）组成；行走系统由C型挂钩（支撑在主梁肋板顶面）、C型挂钩侧向导向轮、纵梁尾部滚轮、滑道、C型挂钩顶升设施、牵引设施等组成；模板系统考虑到施工方便一般设计成整体提升式。
高赞大桥主梁采用的是倒三角形箱梁，底板宽度为4米，斜拉索横向间距2米，设计上根据结构需要明确要求采用牵索挂篮施工；在考虑设计方案时对国内多座相对类似桥梁施工进行了调研与分析，同时广泛咨询了多位行内专家的意见，最终采用复合式牵索挂篮，即将牵索挂篮和普通中支点挂篮综合使用，常规C型挂钩滑行方式无法实现，在此参考中支点挂篮的行走方式，即在梁顶设置行走桁架来负责挂篮的前移，但其在砼施工过程中不参与受力；底篮前端只有斜拉索约束，横向悬臂大，若直接通过桁架自身结构来实现足够的刚度，桁架高度将很大，并直接导致自重的增加，在此考虑设置横向对拉系统（可以看作体外预应力），施工时根据需要随时施加需要的对拉力以满足横向刚度问题
梅溪河特大桥主桥主梁宽度较大，在初步计算中发现前横梁挠度很大，远远超过规范值，经调整横梁截面高度试算，效果都不太理想，而且自重明显加大。后来对前横梁施加体外预应力，使之起拱，在施工过程中与斜拉索同步分级进行，起到了良好的效果，该措施使前横梁的变形和挂篮前端尽量保持在了一个水平面上。该桥主梁肋板底部设有锚块，最大竖向高度为80cm，设计时将纵梁钢箱整体下降80cm，然后在钢箱两侧增加三角桁架，桁架中间形成一U型槽，挂蓝行走时只需下降10～20cm即可，操作相对简单，安全性较好，且纵梁结构规则受力性能好。从挂篮初步计算中发现斜拉索在施工过程中承受的荷载偏小，即索力小于设计上提供的阶段索力，这样导致中支点承受荷载较大，较为不利，经分析计算结果知在上述计算受力下挂篮前端存在向下的位移，若加大受力，前端位移将向上，但中支点受力将减小。为解决这个矛盾，通过增加斜拉索张拉次数，使斜拉索和中支点承受较合理的荷载。
三、牵索挂篮设计
（一）设计要点
1、总体结构设计
充分研究主梁结构形状、尺寸及自重，确定总体结构框架，明确纵梁、横梁的位置分布，参考其他同类工程初拟纵梁、横梁、C型梁截面尺寸和结构材料选型，同时初拟顶板底模系统。对于常规边主梁，其结构相对标准化，只是自重和结构尺寸不同而调整截面尺寸和材料规格；对于箱形主梁，则需要根据主梁的荷载分布确定纵梁、横梁位置，明确C型梁设置的可行性，底模则需根据箱梁底面形状及荷载分布确定总体布置
2、止推器设计
牵索挂篮利用斜拉索承受主梁竖向荷载，同时也产生了较大的水平荷载，此荷载是通过止推器来克服，止推器设计的好坏直接关系到主梁施工质量和安全。止推器结构采用较普遍的是锚固结构（利用高强螺栓锚固在已浇梁段上），部分采用的是穿过主梁的挡块，设计时一方面要对主梁与止推器接触部位进行详细验算，另一方面需保证止推器本身的受力性能，同时还要考虑止推器与纵梁间的紧密接触问题，避免较大非弹性变形。另外，还要充分考虑止推器的安装方便性，尽量控制其自重。
3、仿真模型
结构验算首先需建立仿真模型，该模型应最大限度与实际情况吻合，特别是边界条件，以保证计算结果真实可靠，否则将出现大问题。为避免问题出现仿真模型需经过2人以上进行复核，最好采用不同的软件分别计算复核。
4、验算工况
准确定义挂篮施工中的各种工况，具体说明各工况的荷载情况、边界条件，按工况分别进行验算，通过验算结果明确控制要点。牵索挂篮根据施工步骤一般有以下五个工况：
（1）挂篮空载前移：挂篮已整体脱模，挂篮依靠C型梁或其他结构悬挂于已浇梁的顶面，纵梁尾端装置反顶使挂篮平衡；
（2）挂篮行走到位，安装斜拉索并第一次张拉斜拉索调整模板到设计标高，该次的索力需满足梁段施工一半砼时挂篮总体变形不超过容许范围，同时也不能使空载时挂篮前端向上的变形超过容许范围及挂篮结构应力过大；
（3）浇注完一半砼，挂篮总体变形不超过容许范围；
（4）浇注完一半砼进行第二次张拉斜拉索，该次的索力需满足梁段施工剩余砼时，同时也不能使浇注一半砼时挂篮前端向上的变形超过容许范围及挂篮结构应力过大；
（5）砼浇注完毕，挂篮总体变形不超过容许范围。
（二）具体结构设计实例
1、梅溪河特大桥挂篮
（1）总体设计
该挂篮总体上包括底篮系统、行走系统、模板系统三大部分。总体图一
（2）分部具体设计
单个底篮系统由两道纵梁、三道横梁、两个弧形梁组成，其中纵梁采用高赞大桥纵梁钢箱结构（1.6mX1.0m和2.0mx1.0m）；前横梁底部设置体外预应力，共三束，每束三根φ15.24钢绞线；后横梁采用1.5mX1.0m桁架。行走、锚固系统由C型挂钩、C型挂钩侧向导向轮、纵梁尾部滚轮、滑道、C型挂钩顶升设施、牵引设施等组成，C型挂钩采用钢箱结构；锚固系统包括中锚杆、止推器、后吊杆及斜拉索。模板系统由肋板侧模、顶板模板、横隔墙模板及顶板模板支撑下放系统组成。
（3）结构计算
该挂篮结构采用ANSYS空间计算程序进行实体建模计算，充分分析结构的刚度、强度和稳定性。
主要计算结果及分析
A、调节挂篮变形的方法
选取拉索索力和体外预应力是调节挂篮结构变形的主要手段，缺一不可。两个手段具有独立性，调节拉索索力时，挂篮前端的位移发生变化，影响整个挂篮的上下挠度；调节体外预应力时，它只改变前横梁跨中处的相对位移，属于体系内部的预应力，不影响整个挂篮的上下挠度。简言之，拉索索力调节整个挂篮的整体挠度，管“外”；体外预应力调节前横梁跨中处的相对位移，管“内”。
B、斜拉索索力的选择
原则明确，实际操作简单，及时地调节拉索索力，令挂篮前端的位移在零附近摆动。理论上，case11、case12、case21、case22时，拉索索力各不相同。实际操作时，取索力1（case11为控制量，case12为验算值）、索力2（case21为控制量，case22为验算值），共2种情况。该方法既可以令挂篮的整体和局部挠度不至于过大，也使得挂篮几乎没有上下变形，因此应力水平较低。
2、高赞大桥挂篮
（1）、总体构造
该挂篮主要由底篮系统及行走提篮系统两大部分组成，总体结构如下图所示：
（2）、结构计算
①计算工况分析
计算时将底篮和行走桁架单独进行，根据对该挂篮施工过程的研究，底篮结构最不利工况为梁段砼浇注结束时和挂篮刚行走到位时，计算时分别对1＃（斜拉索倾角最大）和21＃（斜拉索倾角最小）梁段进行了计算，同时考虑到止推器的受力分析，最不利为21＃梁段施工时；行走桁架最不利工况为挂篮行走到位时。
②、具体计算
底篮系统为本设计的关键，21＃块段悬浇满载为最不利施工状况，计算时采用的是功能强大的ANSYS空间有限元程序软件，具体计算情况如下。
最大变形发生在底篮桁架横向的最外端，最大值为13.14mm（方向向下）。
最大拉应力为111Mpa。最大压应力为95.9Mpa。
四、主要施工工艺
（一）、挂篮的安装
由于各项目施工现场情况不同，有的项目是在0#托架上进行部分安装，浇注完0#后前移挂篮，然后拼装完剩余部分，余下按正常节段施工（梅溪河特大桥按此方案实施）；有的项目先利用托架施工完0#块，再在托架上拼装挂篮；还有的项目在地面合适区域将底篮拼装完成，然后运输至墩位，起吊安装在已浇梁段上（高赞大桥按此方案实施）。梅溪河特大桥挂篮总的拼装顺序为：拼装托架¬——测量定位放样¬——安装纵梁高钢箱——安装弧形梁——安装中横梁钢箱——安装前横梁钢箱——安装C型梁钢箱——安装前横梁钢箱对拉支撑架构——安装中锚杆及中、后吊杆——安装底篮模板并与底篮固定——安装桥面行走钢板——垂直提升整个底篮系统并锚固——安装临时止推系统——前端挂索并预锚固——预紧中锚杆——0#块砼施工——挂篮下放并前移——安装纵梁尾钢箱。
（二）、压载试验
挂篮在拼装并锚固好后须进行预压试验，以检测实际结构内力状态及变形与设计是否吻合。预压载荷为Z1＃块荷载的1.2倍，采取分级施加的方式（至少为4级，荷载可采取模拟等代的方式施加，应尽量与箱梁的实际重力作用位置相吻合。施工前应对各位置编号并在实物上做永久记号。
（三）主要施工流程
一个标准梁段的挂篮施工顺序为：挂篮行走——测量放样——挂篮锚固就位——斜拉索挂索安装并初拉——底模调校——肋板、横隔墙钢筋绑扎——肋板模、横隔墙模板及内顶模安装—顶板钢筋绑扎——浇注50％砼——索力二次调整——浇注剩余砼——砼养生¬——主梁体内预应力张拉——斜拉索体系转换——斜拉索张拉至设计吨位——安装行走系——卸锚、吊杆底篮落模——挂篮前移行走至下一块段施工——重复以上步骤进行下一块段悬浇施工。
（四）施工监控
施工监控对斜拉桥上部结构施工相当关键，总体来说，施工监控包括的内容很多，而且这个工作需要与设计单位、监控单位、监理单位及施工单位来共同完成。在挂篮设计时为满足施工过程中的监控需要，按施工程序对每一块段施工时的各个阶段进行模拟计算，统计出各控制位置的挠度、关键构件的内力、斜拉索的张拉力等数据，另外为保证计算数据的准确性，在正式施工前进行压载试验，将试验结果与计算结果比较，认真分析后对计算数据进行修正，最后用于指导施工。监控单位在梁段施工期间按不同节段分别对主桥整体计算分析，充分考虑前段梁段施工反映的各项数据，不断修正模型、调整参数，然后及时提供下一梁段施工参数。施工过程中高度关注索力的控制和调整，实施应力、应变双控。
五、结束语
斜拉桥牵索挂篮设计与施工技术经过多座桥梁的实践和检验，日趋成熟完善，不但适用于常规边主梁，也适用于箱梁及其他特殊主梁，为斜拉桥的进一步发展奠定了良好的基础。在高赞大桥和梅溪河特大桥的挂篮中都采用了体外预应力设施，大大减轻了结构自重；另外，将多种挂篮的特点综合利用，起到了较好效果；这些思路也将促进我们更进一步开阔视野，追求技术的不断进步。