悬索桥主缆锚碇前支墩支架拆除技术

朱 文，刘志林，黄舒驰

（湖北省路桥集团有限公司，湖北 武汉 430056）

0 引言

随着我国交通行业的迅猛发展，悬索桥在桥梁建设中所占的比重越来越大［1］。锚碇是地锚式悬索桥锚固主缆索股的重要结构物，其功能是通过主缆索股锚固系统将主缆拉力传递给锚体，再通过锚体将荷载传递至基础，最后传至地基，从而起到平衡主缆拉力的锚固作用［2］。

重力式锚碇由锚体和锚碇基础组成，锚体的结构一般由锚块、散索鞍支墩、后锚室、前锚室和后浇段等组成［3］，如图 1 所示。重力式锚碇施工一般采用支架施工法，锚碇施工完成后进行支架拆除施工，支架拆除是悬索桥锚碇施工过程中的重要环节，拆除不当会对锚碇造成不利影响。刘楠［4］利用 Midas Gen 软件对开拓桥锚碇支架拆除前、后各部位内力进行计算，以指导后续施工。红河特大桥锚碇支架施工采用自上而下的顺序逐步拆除，在前锚室底板预埋φ110mm 的 PVC 管，PVC 管的中心线与承重梁的中心线重合，确保支架拆除的安全及支架拆除的方便［5］。由于依托的宜都长江大桥宜都侧锚碇散索鞍支墩三角区空间狭窄［6］，不方便支架单根杆件拆除施工作业，同时拆除后的支架杆件无法使用起吊机械吊运至水平地面。为解决这一工程难题，技术人员自主设计了一套通过辅助平台进行施工的解决方案，可为类似工程做参考。

图1 锚体结构示意图

1 工程概况

宜都长江公路大桥是宜昌至张家界公路在湖北省宜昌市境内跨越长江的通道。宜张高速公路宜昌段是湖北省“753”骨架公路网中规划纵 6 线——郧县至五峰高速公路的重要组成部分，为主跨 1 000 m 的单跨悬索桥，主缆边跨跨度分别为 276 m 和 269 m。

宜都侧锚碇为重力式锚碇，锚碇基础采用扩大基础，平面尺寸为 101 m×71.50 m，高 8.0 m；基底标高为 37.5 m，持力层为卵石层，基底进入卵石层 2.5 m 左右。锚体长 62.65 m、宽 65.5 m，锚体顶设置卵石砂压重块，兼做行车道；锚体顶设置 2.5 % 的纵坡，与该段主线纵坡一致；横向对称桥中心线，在 33.5 m 宽的范围内设置 2 % 的“人”字形横坡，其余部分为平坡。

2 辅助平台设计与计算

2.1 辅助平台设计

钢结构平台自下而上布设为：C20 混凝土垫层+立柱+I16 工字钢平连、斜撑+横向双拼 I 45a 工字钢+纵向 I 45a 工字钢+钢轨。平台共有 4 排钢管立柱，2 排立柱为一组，支撑于混凝土条形基础上，每组两排立柱横向中心线间距 1.5 m，两组中心线间距 11.023 m。每组两排立柱横向布置 I 45a 工字钢作为分配梁，布设于立柱顶部；每组两排立柱间纵向布置 I 45a 工字钢作为承重梁，布设于分配梁上部；每组两排立柱横向平连采用 I 16 工字钢，布设于立柱底部；每组两排立柱纵向平连采用 I 16 工字钢，布设于立柱中部；每组两排立柱斜撑采用 I 16 工字钢，沿立柱纵向布设。钢轨铺设于承重梁上，两条钢轨对接散索鞍三角区支架最左及最右侧圆钢管立柱。钢结构平台构造图如图 2 所示。

图2 施工平台搭设位置三维简图

2.2 有限元计算

利用 midas civil 软件分别对分块支架与整体钢结构平台进行建模，计算在拆除过程中不同工况下的结构的应力、位移等指标。

2.2.1 分块支架整体建模计算

拆除时将原有长 57 m、宽 18 m 的整块支架拆分为 5 块，理论长度分别为 12 m+12 m+9 m+12 m+12 m，宽度均为 18 m。在分块支架的最左及最右排圆钢管下设置 2 条轨道，因此对分块支架约束最左及最右排钢管立柱节点，验算分块支架在自重荷载作用下结构的强度、刚度及稳定性，确保拖拽过程中分块支架在自重作用下不发生破坏。结构模型如图 3 所示。

图3 分块支架模型总体结构图

工况一为分块支架仅在自重荷载作用，工况二为分块支架整体下落时，采用千斤顶顶起支架然后切割钢管立柱底部，再整体下放。计算结果如表 1 所示。

表1 不同工况下分块支架整体计算结果

由表 1 可知，分块支架在两种工况下最大应力值分别为 27.98 MPa 与 34.83 MPa，均小于［σ］=215 MPa，各杆件强度满足要求；结构一阶屈曲模态对应的临界荷载系数即最小稳定安全系数分别为 19.75 与 14.38，满足要求。

2.2.2 钢结构平台建模计算

使用千斤顶将分块支架拖拽至钢结构平台，考虑分块支架从开始拖拽至完全搁支在钢结构平台上的全过程存在的几种不利荷载工况。利用 Midas Civil 建立钢结构平台整体模型分别计算几种不同工况下整体结构及各构件的强度、刚度、稳定性。对模型添加分块支架自重荷载通过钢轨转化成的线荷载，结构计算模型如图 4 所示，计算结果如表 2 所示。

图4 钢结构平台模型总体结构图

表2 各部位最大组合应力计算结果汇总

工况 1：拖拽开始分块支架移动。千斤顶通过精轧高强钢筋对分块支架施加水平作用力，拖拽分块支架发生移动，支架移动但并未进入钢结构平台时需对结构进行计算分析。根据施工经验，实际现场添加的拖拽力高于理论计算值有利于施工，结构验算时也偏于安全，因此将千斤顶作用在钢结构施工平台的反力提高为 200 kN。

工况 2：拖拽将要完成的临界状态。千斤顶通过精轧钢筋对分块支架施加水平作用力，存在分块支架将要完全进入钢结构平台的临界状态，此时需对结构进行计算分析。

工况 3：拖拽完成仅有分块支架自重荷载。此工况为拖拽完成，钢结构平台外部荷载仅为分块支架自重。

计算结果表明结构各杆件材料强度均满足设计要求，在分块支架自重荷载作用下钢结构平台各杆件均不发生破坏。此时还应对结构进行屈曲分析，求得结构的一阶屈曲模态对应的临界荷载系数，判断结构的稳定性是否满足要求。结构一阶屈曲模态对应的临界荷载系数即为最小稳定安全系数，分析所得钢结构平台临界荷载系数为 68.90，结构整体稳定性较好，满足要求。

3 支架拆除施工方案

3.1 支架结构体系

前锚室及散索鞍支墩之间采用落地钢管桩支架施工，支架立柱采用φ720 mm×10 mm 的钢管， 横桥向布置 19 排，间距 3 m，顺桥向布置 4 排，间距为 3～4.5 m。钢管桩之间通过φ42 mm×10 mm 及 I25a 工字钢作为横向连接及斜撑。钢管桩立柱顶部顺桥向嵌入 2I45a 工字钢为承重主梁，并在主梁上顺桥向按 0.4 m 间距铺设 I25a 工字钢分配梁。

3.2 支架拆除总体方法及流程

锚碇散索鞍支墩三角区空间狭窄，不方便支架单根杆件拆除施工作业，同时拆除后的支架杆件无法使用起吊机械吊运至水平地面。为解决这一难题，在锚碇顺桥向一侧布设钢结构平台，同时沿支架长度方向分块切割支架（5 片为一组），然后使用千斤顶配合精轧高强钢筋通过钢轨将分块支架拖拽至钢结构平台，最后拆除分块支架，具体拆除顺序如下所述。

1）锚碇旁侧钢结构平台搭设；

2）沿支架长度方向分块切割支架；

3）千斤顶拖拽分块支架；

4）拆除 10 mm 钢板；

5）拆除 I25a 工字钢分配梁；

6）拆除双拼 I45a 工字钢承重梁；

7）分榀拆除分块支架并吊运至地面；

8）拆除单榀支架纵横向平连支撑；

9）循环拆除下一块分块支架。

3.3 支架拆除方法

3.3.1 钢结构平台搭设

结合实际现场施工情况设计了钢结构平台，包括杆件尺寸、平面位置、地基处理等内容。要求严格按照设计方案进行平台搭设施工，保证施工质量满足要求。施工如下顺序为：

1）地基处理及基础浇筑；

2）搭设立柱钢管桩，安装斜撑及平连安装分配梁及承重梁；

3）安装钢轨、安装千斤顶及反力梁；

4）安装精轧螺纹钢筋。

具体施工如下所述。

1）基础处理及基础浇筑。测量人员根据支架设计图纸施工放样支架基础位置，现场采用挖机开挖支架条形基础基坑，单条基础基坑开挖尺寸为 15 m×5 m×0.8 m，基坑开挖至设计标高后，需进行地基承载力检测，地基承载力≥ 20 kPa。基坑开挖完成后开始安装条形基础钢筋，基础采用φ16 钢筋制作钢筋笼，基础采用 C20 混凝土，在浇筑混凝土前安装钢管桩预埋板。条形基础之间原地面用 C20 混凝土硬化。

2）钢支架搭设。现场基础施工完成后，开始搭设钢管桩支架，立柱采用φ72 cm×1 cm 钢管桩，钢管桩之间设置剪刀撑，剪刀撑采用 I16a 工字钢。立柱顶面安装双拼 I45a 工字钢做为横梁，横梁上安装双拼 I45a 工字钢做为纵梁，纵梁顶面铺设 45# 钢轨做为滑移轨道，轨道采用卡板固定在纵梁上，轨道标高与支墩基础顶面标高一致。

3.3.2 分块切割支架

沿三角支架长度方向分块切割支架，将长度57 m 的支架分 5 块切割，每块支架理论长度为 12 m +12 m+9 m+12 m+12 m。考虑具体现场钢板、分配梁、承重梁的实际长度，每块切割长度可适当进行调整，但分块支架最大长度不得超过 12 m，同时保证切割后的分块支架与支架母体完全断开无连接。切割后的分块支架两侧存在突出角，为防止分块支架整体下落时碰撞锚碇混凝土，还应切割掉分块支架两端突出角。

3.3.3 拖拽分块支架

在支架两侧钢管立柱底部中心开孔，孔洞尺寸高 15 cm，宽度保证钢轨能顺利穿入，开孔后穿入钢轨道。轨道穿入后在分块支架最左及最右两排立柱中选取奇数号立柱安装牛腿，采用千斤顶顶起分块支架，然后对所有立柱底部进行切除，切除长度为 15 cm，此时分块支架自重荷载落在千斤顶上，松开千斤顶使得分块支架整体搁支在钢轨上。此时使用 2 台千斤顶同时拖拽分块支架，拖拽时保证 2 台千斤顶的拽拉力相同，避免分块支架 2 个拽拉节点受力大小不均而致使无法拖拽出分块支架。为方便拖拽，可考虑减小分块支架与钢轨的摩擦系数，采取一定的措施（如涂抹润滑剂等）。

3.3.4 拆除 10 mm 钢板

根据起吊设备的起吊能力，确定钢板是否需要切割。选择合适的吊点使得钢板不发生变形并固定好吊绳，然后将钢板与分配梁分离，分块吊运至地面（建议钢板穿孔安装吊绳，吊点设计根据现场调整）。本方案中起吊应按规范要求的起吊施工方法严格执行操作。

3.3.5 拆除 I25a 工字钢分配梁

沿分块支架长度方向依次拆除 I 25a 工字钢分配梁，先拆三角支架两斜面上的边分配梁，再拆顶面分配梁。选择合适的吊点并固定好吊绳将分配梁吊运至地面，分类分场地堆放 3 种不同长度规格的分配梁（两点捆绑调运，吊点位置及吊运方法根据现场调整）。

3.3.6 拆除双拼 I45a 工字钢承重梁

完成分配梁的拆除后进行双拼 I45a 工字钢承重梁的拆除并将其吊运至地面。先拆三角支架两斜面上的承重梁，再拆顶面承重梁（两点捆绑调运，吊点位置及吊运方法根据现场调整）。

3.3.7 分榀拆除分块支架并吊运至地面

双拼 I45a 工字钢拆除后的分块支架仅剩圆钢管立柱、横向平连及斜撑。沿分块支架长度方向将其切割成单榀结构并分别吊运至地面，为防止失稳，分块支架的最后两榀带圆钢管立柱的结构一起吊运至地面。

3.3.8 拆除单榀支架纵横向平连

将吊运至地面的单榀支架结构的纵横向平连拆除，并分场地摆放拆下来的材料。支架拆除详细方法及流程如图 5～12 所示。

图5 钢结构平台搭设

图6 分块切割支架

图7 拖拽出分块支架

图8 拆除 10 mm 钢板

图9 拆除 I25a 工字钢分配梁

图10 拆除双拼 I45a 工字钢承重梁

图11 分榀拆除分块支架

图12 吊运至地面拆除单榀支架杆件

4 结语

针对宜都长江公路大桥锚碇散索鞍支墩三角区空间狭小，支架拆卸不便这一工程难题，设计了一套钢结构辅助平台，利用 Midas Civil 软件分别对支架拆卸施工过程中的不同阶段下的分块支架与钢结构辅平台进行验算，计算结果表明不同工况下的分块支架与钢结构辅平台的强度、刚度、稳定性均满足要求，可保证施工安全。在有限元计算结果的基础上，制定了一套流程清晰、安全合理的锚碇散索鞍支墩三角区支架拆除施工方案，可为同类工程做参考。Q