纳界河特大桥扣挂系统设计研究

纳界河特大桥扣挂系统设计研究

叶颜伟

铁二局第五工程有限公司 四川 成都 610091

[摘要]纳界河特大桥为352m上承式钢桁提篮拱桥，本文结合大桥钢桁拱提篮内倾的结构特点，研究设计了钢桁拱扣挂系统;通过对施工阶段模拟计算分析，设计了利用交界墩与钢塔结合的扣塔结构型式，扣挂系统设计合理，确保了钢桁拱的快速精确合龙，为今后同类桥梁扣挂系统设计提供参考。

[关键词]提篮结构 扣挂系统 悬臂拼装 扣索联结器

1 工程概况

纳界河特大桥主桥为352m上承式钢桁提篮拱桥，主桥桥面为钢混结合梁，交界墩位置为T构连续梁，大桥全长810.1m。纳界河大桥为跨山谷桥梁，河两侧岸壁陡峭，桥面至水面高差约300m，施工难度大。

大桥钢桁拱轴线采用2.5次抛物线，矢高64.5m，矢跨比1/5.46。桁拱采用N型桁架，桁拱中心立面投影拱顶高8m，拱脚高13m；平面投影拱顶桁间距8m，拱脚桁间距27m，桁拱内倾角度8.378°。

图1 主拱结构布置图

2 施工特点及难点

大桥钢桁拱提篮结构（内倾角度8.378°）的设计，给扣挂系统设计带来了极大困难。主要体现在：

（1）受钢桁拱内倾角度影响，扣索需沿内倾面布置，扣塔高度受限。

（2）扣塔位置选择受限，采用交界墩作为扣塔基础，钢塔设计紧凑且复杂。

（3）扣索竖向角度过小，单组扣索索力大。

（4）受吊装空间影响，扣塔无法设置侧向缆风。

（5）钢桁拱线形调整困难，合龙精确高。

3 扣挂系统设计

扣挂系统是钢桁拱悬臂拼装状态拱肋自重荷载的平衡系统，关系主桥钢桁拱施工安全质量。扣挂系统由扣塔、扣锚索、扣索联结器、扣锚梁、锚索地垄等组成。

图2 扣挂系统布置图

3.1扣塔方案确定

大桥钢桁拱采用“吊扣分离”的方案：缆索系统索塔和扣挂系统扣塔分开设置，吊装时扣塔不会产生偏移，易于钢桁拱线形控制和过程调整，更易达到合龙时的精度要求。对“吊扣合一”与“吊扣分离”两种方案进行比选，确定采用“吊扣分离”布置，同时扣塔设置于交界墩顶。主要优点有：①索塔和扣塔结构受力清晰，无相互影响；②扣塔设置于交界墩顶，扣索布置两岸完全对称，扣索索力相同，易于索力调整；③扣索布置在钢拱桁内倾8.378°平面内，扣索与钢桁拱无偏角。

扣塔立于纳界河特大桥T构交界墩墩顶，两岸扣塔高度均为19.2m，扣塔结构中心距尺寸为4.6m(顺桥向)×4m(横桥向)，扣塔层高2.5m，每层对称设置一组扣锚梁，共设置七组。扣塔为全钢桁架结构，立柱通过法兰与交界墩梁面预埋件连接，预埋件布置于腹板及0#段横隔板位置。

3.2扣锚索及扣锚梁确定

扣索与锚索均为临时锚固结构，锚具采用OVM250体系，索体采用钢绞线体外索，采用带PE钢绞线，避免钢铰线生锈腐蚀。全桥扣索共28束(4×7束)，锚索共28束(4×7束)，扣锚索单塔分为7层，每层2.5m，双索面对称布置。扣索钢桁拱肋端采用扣索联结器与上弦拱上立柱连接板连接，扣塔端锚固于扣锚梁上；锚索扣塔端锚固在扣锚梁上，地垄端锚固于锚索地垄上。扣锚梁考虑结构受力及前后扣锚索角度设置，采用箱形结构。

3.3扣索联结器确定

扣点布置于主拱5#、8#、11#、14#、17#、21#拱上立柱节点位置，同时为减少17#和21#节点的扣索扣力，在19#节点位置增加一对扣索。扣索联结器通过拱上立柱联结螺栓与主拱肋进行连接，该方案能确保不损坏主拱结构的情况下完成扣索与拱肋的连接，保证扣挂体系的完美实施。

3.4锚索地垄确定

锚索地垄是确保整个扣挂系统在受力状态下安全的最关键结构。单岸扣索地垄承受约为3000t扣力，转换成竖向力和水平力分别为700t、2800t。扣锚索采用钢绞线通过锚具锚固于地垄上，使地垄承受水平力及竖向力，产生倾覆及滑移。地垄结构同样采用板桩形式，长宽高尺寸分别为26×4.6×7m，锚固深度6.5m，上下游主拱扣索锚固于同一地垄上。设计主要从地垄选址上考虑，尽量减少地垄前方抵抗土体宽度，契合纳界河两岸地形。

4扣挂系统计算分析

4.1计算分析原则

（1）塔架立柱及锚梁考虑弯矩影响，其余杆件按轴向受力杆件考虑。

（2）扣塔底固结于交界墩顶，考虑到扣塔承载力大，按塔高的1/500对塔顶位移进行控制。

（3）整体稳定性失稳系数，参考类似工程对永久结构取大于4。

（4）扣锚索索力以平衡水平力进行控制，同时满足平衡拱肋自重，保证拱肋安装线形。

4.2加载工况

根据钢桁拱肋安装顺序，采用MIDAS CIVIL有限元软件对扣挂系统进行仿真分析，具体工况见表1：

表1 加载工况表

钢桁拱肋采用“单杆件吊装，斜拉扣挂”施工，自A5节点开始每三节段弦杆采用一组扣锚索进行锚固平衡，在扣锚索安装张拉前，有三节段拱肋为悬臂状态，施工过程极其复杂。为了模拟整个结构体系的受力行为，采用空间杆系有限元程序对主要受力结构进行模拟，包括交界墩、扣塔、扣锚索、桁架拱肋。从扣塔拼装、1-5节段安装完成到合龙拆扣锚索，根据扣塔受力及结构的变化，划分了16个施工阶段对扣塔进行模拟分析计算。建模时交界墩、扣塔立柱与锚梁、拱肋杆件采用梁单元，扣索联结系采用桁架单元，扣锚索采用只受拉桁架单元。

图3 扣挂系统模型图

4.3工况分析

对各工况进行计算分析，扣挂系统结构均满足规范及设计要求：①扣索索力最大值出现在工况11（悬拼18#-19#节段），5#扣索索力最大值为346t；②扣塔立柱最大组合应力出现在工况15（合龙段安装），扣塔最大组合应力为109MPa；③结构整体一阶弹性屈曲稳定系数最小为144.4，扣塔结构整体稳定性满足施工要求；④扣塔刚度很好，塔顶最大位移68mm，与交界墩顶相对位移22mm，小于允许值h/500=38.4mm。

4.4锚索地垄结构计算

地垄抗拔采用摩擦桩轴向受拉容许承载力公式计算，地垄自重大于竖向力安全储备，满足抗拔要求。两岸地垄位置地质均为灰岩，东岸岩层层理面倾角平缓，其基本与水平面平行，考虑沿节理破坏，抗滑移安全系数最小k=1.22；西岸节理不平行于水平面，抗滑移安全系数为1.27。桩式地垄四周为岩石，地垄抗倾覆安全系数达到6.7。

5扣索张拉

扣锚索为体外束，受环境温度、钢桁架拱变形等影响较大，故张拉采用“等张力法”单根对称张拉技术，以确保整束索索力均匀，与设计索力值误差较小。“等张力法”优点有：①设备轻便，方便挂索、拆索施工;②保证索力均匀，误差小，为拱肋线性控制与结构安全提供准确索力参考;③保证扣锚索张拉过程中，作用于扣锚梁上水平力的平衡控制;④方便拱肋线形的微调。

6扣挂系统设计及施工注意事项

（1）对扣索与钢桁拱的联结构造设计要仔细计算。本文中暂不详述。

（2）钢扣塔立于交界墩顶，该位置波纹管较多，连接锚栓要预埋准确，同时要确保混凝土捣固密实。

（3）“等张力法”单根张拉技术进行钢绞线索力控制，对传感器及张拉油表的精度有较高要求，张拉过程中传感器、油表的稳定性及精度对拉索索力影响大。

7结束语

本文通过对钢桁拱桥扣挂系统分析与研究，结合拱桥结构特点和现场地形，选择采用“吊扣分离”的扣挂施工方案，确保了大桥钢桁拱的精确合龙，为大桥顺利完工提供技术支撑。通过本工程，取得了以下几点经验，值得后续类似工程借鉴：

（1）扣塔与缆索索塔分开设置，更易于钢桁拱的线形调整，同时安全性更大。

（2）监控单位对索力进行优化后，实际扣塔位移比结构设计时理论位移小，可对扣塔结构进行一定的优化设计。

图4 纳界河特大桥

[1]《钢结构设计规范》(GB50017-2003).中国计划出版社,2003,10.

[2]《铁路桥涵设计规范》（TB 10002-2017）.中国铁道出版社，2017,05.

[3]《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB 10091-2017）.中国铁道出版社，2017,05.

[4]吴德安.混凝土结构计算手册.中国建筑工业出版社,2002,12.

[5]江正荣.建筑施工计算手册.中国建筑工业出版社,2007,7.