云桂铁路南盘江特大桥扣锚索系统施工设计

樊秋林

(中铁十八局集团有限公司，天津 300222)

1 概述

1.1 工程设计概况

南盘江特大桥全长为852.430 m，引桥及主桥拱上梁孔跨布置为:3-42 m简支变截面连续梁+(60.9 m+104 m+60.9 m)预应力混凝土刚构 +8-39.5 m预应力混凝土简支梁+2×60.9 m预应力混凝土T构+1-43.7 m预应力混凝土简支梁，主桥采用单跨416 m上承式钢筋混凝土拱桥。如图1所示。

图1 南盘江特大桥桥跨总体布置(单位:m)

主桥为1孔净跨416 m的上承式钢筋混凝土拱桥，拱圈为悬链线，拱轴系数 m=1.8，矢高99 m，矢跨比为f/L=1/4.2。拱圈采用单箱三室的等高变宽箱形截面，高8.5 m，宽度从拱顶至拱脚18～28 m变化(两端变宽段水平投影长均为65 m);拱箱中间箱室采用9.80 m 等宽截面，左右两个边箱 3.5～8.5 m 变化(等宽段水平投影长度286 m)，外包C60混凝土;拱上为2联4×39.5 m连续梁;劲性骨架采用双幅四管变截面钢管桁架组合结构，除1 m合龙段外分38个吊装节段(每半跨拱肋分19个吊装节段)，单节长约12 m，高7.5 m，节段最大质量近130 t。拱圈截面如图2所示。

图2 拱圈截面布置(单位:cm)

1.2 地质和气象概况

2 劲性骨架安装及拱圈混凝土外包总体方案

2.1 劲性骨架安装

劲性骨架3+1匹配制造经检验合格后运输至缆索吊钩下，利用缆索吊吊运至安装位置后逐段对称斜拉扣挂悬臂拼装，所有悬臂劲性骨架节段安装完成后，在拱轴线与设计值达到最佳吻合时进行合龙。施工步骤如下。

第一步安装第1节段劲性骨架，就位后对称安装并张拉扣索S1，同步安装并张拉对应锚索;第二步安装第2节段劲性骨架，就位后应及时采用外法兰高强度螺栓连接，在后一拼装节段扣索张拉后，根据监控监测结果调整线形后对接头进行焊连;重复前述工序，直至完成安装第19节段劲性骨架，对称安装并张拉相应的扣索和锚索，所有悬臂劲性骨架节段安装完成，等待合龙。骨架合龙采用强制合龙，在清晨气温稳定时，通过扣索调整合龙口长度、角度、高程至可以连接法兰螺栓，安装嵌填管至合龙口，并将管口与弦管管口施焊，完成劲性骨架的合龙。

劲性骨架所有节点连接完成且经检验合格后从上至下分级、对称、均衡的放松扣索。

2.2 拱圈外包混凝土施工

待劲性骨架合龙后，由上到下依次拆除劲性骨架扣索，按照先下弦、后上弦，先外侧、后内侧的顺序，采用顶升法压注钢管内混凝土。待混凝土强度达到设计强度后进行外包混凝土施工，全拱共分为6环(图3)，分别为:边箱底板、边箱下腹板、边箱上腹板、边箱顶板、中箱底板、中箱顶板。每环单侧分为3工作面9个节段浇筑，节段划分见图5。每环每次浇筑3个节段，3次浇筑完成。施工顺序:张拉扣索 S1’、S2’和相应锚索，支架浇筑拱脚实体段;每环浇筑的节段顺序为:节段 7、节段 1、节段 4，节段 8、节段 2、节段 5，节段 9、节段3、节段6，同一批次浇筑的3个节段混凝土必须在混凝土达到终凝之前全部浇筑完成;边箱形成后拆除扣索S1、S2和相应锚索;按照与边箱相同的顺序，每侧分3个工作面依次浇筑中箱底板与顶板，拱圈全断面形成。

图3 拱圈外包混凝土分环浇筑划分

3 扣锚索系统施工设计总体思路

扣、锚索系统由扣塔、扣点、扣索、锚索及其锚碇系统组成。扣塔分别由主体5号、6号交界墩、0号段及其上部钢扣塔组成;扣点利用Q345B钢板在劲性骨架上弦管节点位置焊接而成，销轴采用调质处理的Cr40钢;扣锚索均采用 7φ5 mm(φj15.24 mm，Rby=1 860 MPa)钢绞线束，张拉端采用OVM250K型防松锚具，锚固端采用OVM.P15固定端P型锚具;锚碇系统采用岩锚和桩基承台锚碇两种形式，充分利用现有的交界墩、0号段和主体桩基承台及边坡地形和地质条件，在交界墩、0号段空心箱体内设置张拉扣锚索锚块，主体工程的桩基承台作后锚碇、边坡上设置岩锚。劲性骨架安装阶段扣锚索系统总体布置如图4所示。

图4 劲性骨架安装阶段扣锚索系统总体布置(单位:cm)

4 扣锚索系统施工设计

4.1 扣索

本桥在劲性骨架吊装阶段共设置扣索40束(南宁侧、昆明侧各20束)，扣索均由1860型 φj15.24 mm钢绞线组成，扣索锚固端采用 OVM.P15型锚具进行锚固，其中扣索 S1～S4锚固于交界墩箱体内，S5～S10锚固于塔架锚梁上;拱圈混凝土外包阶段共分别设置8束扣索和锚索，分别锚固在0号段和4号墩、7号墩上。

4.1.1 劲性骨架安装阶段控制索力确定

主要基于以下原则:控制索力最大值不能超过扣索容许值，对钢绞线，扣索容许索力值一般取其40%破断力作为其容许值，即有2.5倍的安全系数;施工时，考虑后续节段安装对该扣索影响;控制索力与节段预抬高量相协调，使最终松扣后的拱肋线形与裸拱一次成拱的线形接近。

本桥采用MIDAS/Civil桥梁专业软件进行索力计算原理:基本假设拱脚处先为铰接，合龙后为固结，扣索与扣塔为刚性连接，且塔架无位移，模型计算根据基本假设和上述基本原理;将计算后续节段影响的索力增量值与扣索索力值相加，作为承受下一个节段安装时该扣索总索力值，多次计算，就可以计算出合龙时各扣索的最大索力值，即控制索力值;在模型中，扣索采用索单元，其他构件均采用分段直梁单元来模拟。具体各扣索参数详见表1。

4.1.2 拱圈混凝土外包阶段控制索力确定

在合龙后的劲性骨架上浇筑混凝土形成拱圈过程中应力大、变形大、危险大，原因是混凝土作为荷载比桥建成后的活荷载大十几倍，而承载构件弱，采用拱圈混凝土斜拉扣挂+分环分段组合法模注能有效解决降低每环浇筑应力和变形，如图5所示。

表1 劲性骨架安装阶段单肋扣索参数

主要基于以下原则:外包混凝土施工时，通过斜拉扣索调整使钢管和钢管混凝土应力和变形得到有效控制;扣点的选择根据控制截面内力影响线确定，对称设置在拱脚区段的29号和33号节点上;根据应力超标截面的受力，计算扣索组的数量。

图5 拱圈混凝土外包阶段扣锚索系统总体布置(单位:cm)

采用MIDAS/Civil桥梁专业软件进行索力计算原理:基本假设拱脚处为固结，扣索与扣塔为刚性连接，且塔架无位移。模型计算根据基本假设和上述基本原理;计算采用应力叠加法，分析施工过程中的结构控制截面应力及扣索索力调整。根据有限元模型分环分段施工过程仿真计算分析，在拱脚底部5 m实心段支架法浇筑之前张拉8组初始索力(每组索力1 000 kN)能有效的将后续施工工况中的钢管和钢管混凝土的应力和变形控制在规范以内，同时在后续工况中随着拱圈荷载的增加，变形增大，扣索索力也会增大至最大值(即控制索力)，见表2。

表2 拱圈混凝土外包阶段扣索参数

4.2 锚索

在劲性骨架吊装及外包混凝土阶段，以交界墩墩顶位移不大于30 mm、墩底不出现拉应力为依据，确定扣塔所能承受的不平衡水平荷载，为基本平衡在此状态下扣索产生的水平力，对锚索索力进行计算。

根据表1、表2中扣索索力计算结果，确定了锚索型号及控制索力。经计算，劲性骨架安装阶段单束锚索安全系数最小值为2.56＞2.5，混凝土外包阶段单束锚索安全系数为3.3＞2.5，均满足规范要求。

4.3 扣塔

扣塔设置分上下两部分:下部分为交界墩及其上连续刚构的0号段，上部分为钢塔架及锚梁。

4.3.1 5号、6号交界墩及其上0号段作扣塔

交界墩设置在拱座上，高102 m，中间设置4处空心段，为满足劲性骨架吊装和拱圈混凝土外包阶段扣锚索张拉端张拉空间和竖向、横向偏角要求，分别设置扣索S1～S4、锚索 MN(K)1～MN(K)4锚块和扣索S1'(S2')、锚索MN(K)1'(MN(K)2')锚块，锚块均采用C40混凝土。其中锚块 1(尺寸为 3.6 m×2.4 m×1.23 m)立面布置如图6所示。

图6 锚块1立面(单位:mm)

4.3.2 钢塔架及锚梁作扣塔

钢塔架固定于连续刚构0号段上，锚梁分两层焊接于钢塔架上，钢塔架单钢管立柱由4根φ32 mm精轧螺纹钢将0号块和塔架连接固定，塔架高15.1 m，宽15 m，为双立柱桁架结构。塔架主要由桁架立柱、上桁架组成，其中桁架立柱部分的钢管立柱直径为1 000 mm，横向、斜向连接φ300 mm的钢管，上桁架上横梁采用双槽钢焊接，材质均为Q235钢材，上桁架纵梁、横纵向连接及张拉锚梁均为Q345B钢板焊接成的箱形结构组成。钢塔架和锚梁布置见图7。

图7 锚梁立面布置(单位:mm)

4.4 扣点

扣点利用Q345B钢板在劲性骨架上弦管节点位置焊接而成，销轴采用调质处理的Cr40钢材。根据劲性骨架等宽段和变宽段的不同形式，在对钢管拱扣点进行设计时，将变宽段内、外侧拱肋扣点和等宽段拱肋扣点分类进行了设计，等宽段劲性骨架扣点布置见图8。

4.5 锚碇系统

锚碇分为岩锚和桩基承台锚碇2种，其中岩锚共有8个，分别为1～4号锚碇(桥轴线两侧对称布置);桩基承台锚碇共5个，分别为3号墩、4号墩、5号拱座、7号墩、8号台。

图8 扣点立面布置(单位:mm)

4.5.1 岩锚

岩锚设置在地质条件较好的昆明侧拱座边坡上，主要由钢筋混凝土梁、预应力锚索、锚筋、锚块、锚座和锚箱组成。岩锚1布置见图9。

图9 岩锚布置(单位:mm)

钢筋混凝土梁采用C30混凝土，厚度均为2 m。

预应力锚索均采用8束(每束锚索由6根1 860 MPa型7φ5 mm钢绞线组成)拉力分散型布置，依据预应力锚索钢绞线自身抗拉强度安全系数大于1.6，锁定单束锚索的锚固力为900 kN，根据锚索设置位置的岩石性质，通过计算，锚固段在W2地层中的锚固深度不得小于10 m，单束预应力锚索的埋深35 m。

锚筋采用φ32 mm精轧螺纹钢，锚筋垫板锚固于钢筋混凝土梁的深度不小于1.5 m。单个锚座下布置6根精轧螺纹钢，单根锚筋初始张拉力设定为400 kN，考虑初张拉的要求，需在锚筋垫板至混凝土边缘范围内对锚筋外套φ50 mm的波纹管。

锚块采用C30混凝土，为满足锚块局部承压的要求，在锚块混凝土内设置了5层钢筋网。锚块与锚座接触面上设置钢垫板。

锚座和锚箱均由Q345B钢板焊制而成，钢板之间采用不小于10 mm的连续角焊缝进行焊接。锚座与锚箱之间采用Cr40调质钢材销轴连接。

4.5.2 桩基承台锚碇

考虑南宁侧地质条件差和主体工程永临结合的原则，利用南宁侧3号、4号、5号墩及昆明侧7号、8号墩台的桩基承台作锚碇。桩基承台锚碇由桩基、承台、锚块、锚筋、锚座及锚箱组成。其中3号桩基承台锚如图10所示。

3 号墩承台尺寸为 16.5 m×9.3 m×3.5 m，桩基共10根，单桩长47 m，锚固于此承台上的锚索为MN9～MN10分2层布置，其中MN10布置在上层，MN9布置在下层，经计算受力此桩基承台锚碇满足抗倾覆、抗拔及抗滑移的安全系数要求。4号墩和8号台锚碇为满足受力要求，利用原有的桩基承台均加桩6根和横桥向加宽承台6 m进行加强，确保结构安全。锚块、锚筋、锚座和锚箱结构与岩锚基本相同。

图10 3号桩基承台锚碇布置(单位:mm)

5 结语

扣锚索系统施工设计充分利用了主体工程结构和现有的地形地质条件设置扣塔及锚碇，有效地发挥了扣锚索预应力材料受力大，结构轻巧，便于施工的特点。利用扣锚索系统进行劲性骨架斜拉扣挂悬臂拼装、拱圈混凝土斜拉扣挂+分环分段组合法模注，改变了传统的少支架法施工工艺，很好地解决了高山深谷地形条件下大高差、大跨度、大吨位劲性骨架及拱圈混凝土的快速施工。既安全又经济，为后续类似桥梁施工提供了宝贵经验。

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