主梁挂篮悬浇施工是斜拉桥整体施工中最重要的分部分项工程, 其中前支点牵索挂篮因其通过斜拉索与挂篮的前端锚固将节段混凝土一部分质量分摊至主塔以减轻对已浇筑主梁的承载量, 进而降低主梁结构的设计荷载, 在斜拉桥施工中较为常见。而牵索挂篮的安装施工在整个主梁施工工艺流程中是难度最大、安全风险最高的一个分项施工步骤。充分考虑桥位区施工环境、工期进度、安装方法等限制条件, 选择可行的挂篮安装方法, 是工程顺利推进的核心保障条件。

海华大桥工程全桥长1 055.14m, 其中主桥为预应力混凝土单塔双索面斜拉桥, 跨径布置为 (54+96+180) m, 道路等级为公路Ⅰ级, 双向八车道。主梁采用双边箱断面, 梁宽38m, 中心梁高3.5m, 桥面板厚0.28m, 桥面板设2%的双向横坡。风嘴部分宽0.25m。边箱箱底板宽4.0m, 三角部分宽7.0m, 标准段长度为6.0m, 标准段底板厚0.35m, 腹板厚0.4m, 三角部分顶板、底板厚0.28m。每侧桥面布有52 根索, 全桥共104 根索。除边跨现浇段部分斜拉索间距为4.0m 外, 其余斜拉索间距与横隔梁间距对应, 均为6m。标准节段单侧浇筑方量为184m³, 单节梁段重达462t。

主梁悬浇施工挂篮采用大型前支点牵索挂篮, 设计承载混凝土重500t。牵索挂篮是上部结构预应力混凝土主梁悬浇施工的主要设备, 其结构主要由承载平台、张拉机构、行走系统、顶升机构、锚固系统、模板系统等组成, 一套挂篮总重253.8t (不包含内模及内模支架) 。其中承载平台是挂篮支承悬浇荷载及模板体系的主体结构, 主承载平台桁架共重183.5 t (含主纵梁、次纵梁、小纵梁及前中后横梁、后斜腹杆, 拼接板、托架) , 如图1所示。

结构主体采用在顺桥向与斜拉索对应位置布置2根主纵梁, 主纵梁前端设置弧形张拉系统形成支点, 在主纵梁上设置承力面, 适应各节段斜拉索不同角度的变化, 后端与已浇段混凝土锚固, 如图2所示。

1) 主桥施工区域主要跨陈村河道及两岸河堤路, 主梁梁底距离原地面距离为12m。

2) 大里程侧距离河堤护坡边角距离短, 作业面狭小, 施工场地有限, 施工环境相对复杂, 河堤路往来车辆繁忙, 且陈村水道主要防护河堤外侧采用抛石加填筑砂土并结合植物防护方式, 其坡面承载力较低。

3) 小里程侧为主桥材料集中堆放场地以及物资运输的重要通道, 主塔施工升降机布置于主塔小里程塔座位置, 桥位区材料堆放场地已做抛石并硬化, 基础承载力较好。

主墩桥位区原地面面层土主要为生活垃圾、杂填土, 且其下层共有2处超厚软弱覆盖层, 从地面下挖1m即为淤泥层, 其表层淤泥层厚与杂填土层厚达5～7m, 而在透过粉砂层及粉质黏土后还存在淤泥质黏土夹层, 层厚达5.2～11.5m。

海华大桥主桥为全线控制性工程, 工期紧、施工任务重、质量要求高, 在考虑挂篮安装方案的同时, 需同步满足桥位区起重设施的起重能力及摆位。需采取有效措施保证主梁施工进度。综合考虑桥位区施工环境狭小, 需减少挂篮安装过程中施工占地, 降低对河堤影响, 避免影响河堤路交通通行及行车安全。

0号块支架现浇施工期间, 在桥位区左侧占用临时用地设置挂篮拼装平台及滑移轨道, 挂篮拼装前布设双拼I56焊接而成的滑块做支垫, 分别布置在挂篮前横梁、中横梁与纵梁交叉位置, 在轨道共计布设8个支垫, 利用50t大型起重机对挂篮承载平台主要构件 (不含挂钩) 进行地面拼装, 待0号块支架拆除完成后立即搭设挂篮水平滑移轨道及提升平台, 利用钢绞线及千斤顶对挂篮进行水平牵引, 使挂篮滑移至主梁下放, 并在桥面设置提升系统, 利用低松弛钢绞线4点同步提升大、小里程挂篮, 提升至梁底位置后, 立即安装挂钩及模板系统, 完成挂篮安装。

1) 大里程挂篮拼装及提升平台位置需充分考虑与河堤冲突问题, 故拼装平台采用钢管桩基础结合扩大基础的方式, 加高平台高度, 以错开与河堤冲突, 提升平台利用既有0号块支架钢管立柱基础搭设悬挑滑移轨道支架, 以避免对河堤开挖破坏。滑移通道需充分预留, 滑移时与主塔错开, 避免冲突, 同时减少拼装滑移时挂篮结构外伸至河堤路对交通的影响。

2) 小里程挂篮拼装采用地面换填砖渣并压实处理, 设置扩大基础, 减少基础不均匀沉降, 并沿横向通长布置混凝土条形梁滑移通道。

3) 大里程提升受河堤路限制, 横向滑移到位后, 在0号块位置梁体预留提升孔道, 在梁面布置提升系统进行挂篮提升, 提升到位后在桥面纵向移篮至1号节段, 完成安装。

4) 小里程考虑与施工升降机冲突, 采取桥面布置贝雷片提升架, 在1号节段位置原位提升, 安装完成后可直接投入使用。前支点挂篮提升设计如图3所示。

由于大里程侧与河堤存在交叉, 且场地狭小, 无法进出大型机械进行填筑基础, 故利用0号块支架外侧2排基础搭设悬挑平台及滑移轨道, 立柱预留高度为2.5m, 确保挂篮横移过程与河堤不存在冲突, 挂篮拼装平台沿左侧横向延伸, 左侧拼装平台基础采用扩大基础, 地基承载力100kPa, 扩大基础分2层布置, 底层基础2m×2m, 高度取20cm, 顶层基础部分为80cm×80cm, 高度取50cm, 并埋设预埋钢板, 搭设630×8钢管立柱, 轨道采用双拼I56, 横向布设长度为80m轨道。

小里程均采用扩大基础组合条形混凝土滑移基础。挂篮拼装完成后需水平由左向右滑移至主梁区域, 故采用Midas-civil 2015软件对大里程侧拼装平台的拼装工况, 以及滑移工况进行建模计算, 并分析其平台构件及基础承载力是否满足受力要求。

经计算, 拼装平台最不利工况为滑移工况, 其组合应力大位置位于主纵梁与轨道支撑位置滑移轨道处, 为117.4MPa<[f]=210MPa;拼装平台外排最大反力值为454.6kN, 内排最大反力值为390.3kN;悬挑提升平台组合应力最大位置在位于主纵梁与轨道支撑位置滑移轨道处, 为59.7MPa<[f]=210MPa, 外排最大反力值受压为298.9kN, 内排最大反力值为受压153.9kN。因0号块支架基础采用PHC管桩, 经检验, 其基础设计承载力为1 750kN, 故满足受力要求。

滑移采用钢绞线牵引, 在挂篮底部设置滑移支座, 并与挂篮结构焊接形成整体, 布置于前、中横梁端头位置, 滑移支座采用双拼I45, 并在端头设置坡口, 以减小滑移阻碍, 滑移牵引端将设置在滑移轨道右侧端头, 采用2台250t千斤顶提供牵引动力, 根据挂篮滑移支座与滑移轨道摩擦系数以及挂篮自重, 经计算最大牵引力需37.7t, 故每台千斤顶使用3根钢绞线, 使用现场5孔工具锚及工作锚作为锚固点及牵引固定点, 如图5, 6所示。

大、小里程侧挂篮提升采用整体对称起吊, 其中大里程直接在梁面设置提升台座进行提升, 小里程侧利用单侧六拼贝雷片组合吊架, 采用ϕ32精扎螺纹钢后锚, 防止侧翻。起吊采用4组穿心千斤顶顶升, 后2组设置于挂篮原设计的后锚点 (靠桥中线的两侧) , 前2组吊点采用四片拼的贝雷梁作为起吊桁架, 起吊采用挂篮的7根钢绞线, 200t以上穿心千斤顶张拉钢绞线提升。取单侧贝雷片提升吊架建模计算如图7, 8所示。

贝雷片起吊平台弯应力最大位置在位于贝雷片上弦杆吊点位置, 为f_max=205.5≤[f]=273MPa, 满足要求。轴应力最大位置在前支点竖杆位置受压位置, 受压σ_max=207.8MPa≤φ_f=0.698 ×310MPa=216.381MPa;贝雷片稳定性满足要求。

1) 挂篮采用高强度螺栓连接, 安装前应以细钢丝刷垂直于构件受力方向除去箱梁结构连表面以及连接板表面, 即各摩擦面的浮锈, 并确认连接摩擦面干燥、清洁、不应有飞边, 毛刺、焊接飞溅物、焊疤、氧化铁皮、污垢、油漆等, 方可进行高强度螺栓连接。

2) 施工用的扭矩扳手使用前应进行校正, 其扭矩相对误差≤±5%, 校正用的扭矩扳手, 其扭矩相对误差≤±3%, 施拧时, 应在螺母上施加扭矩;施拧应分为初拧和终拧, 大型节点应在初拧和终拧之间增加复拧。初拧扭矩可取施工终拧扭矩的50%, 复拧扭矩应等于初拧扭矩, 初拧或复拧后应对螺母涂画颜色标记。

3) 拼装过程大里程采用由右至左顺序拼装, 小里程采用由左至右进行拼装, 如大里程拼装顺序为:按主纵梁 (右) , 前横梁W (右) , 中横梁W (右) , 次纵梁 (右) , 前横梁N, 中横梁N, 次纵梁 (左) , 前横梁W (左) , 中横梁W (左) , 主纵梁 (左) , 斜腹杆 (右) , 斜腹杆 (左) , 后横梁, 小纵梁, 托架Q/托架B等其他构配件依序拼装。

4) 吊机摆位根据拼装杆件质量及场地, 摆放于中横梁滑移轨道位置处, 确保吊距满足起重性能技术要求。

5) 吊机摆放场地需铺设20cm预制混凝土板, 并铺设2cm钢板, 确保支腿位置稳固。

6) 大件吊装, 吊机适当挪动位置, 尽量靠近吊物进行起吊, 确保吊装过程安全。

7) 拼装完成后续对连接螺栓进行。

1) 支座替换, 将现有的拼装临时支座替换为滑移支座, 替换过程中使用50t千斤顶将支座安装位置顶起至48cm左右, 然后安装滑移支座, 安装过程中保证支座与轨道平行, 支座与挂篮主体采用焊接方式连接, 保证滑移过程整体行进。

2) 牵引系统安装, 在牵引台座位置安装牵引用千斤顶及限位角钢, 安装过程保证千斤顶位置水平, 牢固。

3) 前移钢绞线安装, 在滑移支座与牵引端安装钢绞线, 钢绞线锚固端要求安装挤压头, 安装过程保证钢绞线顺直, 锚具端工具夹片打牢。

4) 千斤顶牵引, 挂篮滑移, 两台千斤顶同步牵引, 达到千斤顶规定的最大行程 (19cm) 后, 退顶回油, 牵引端工具锚退锚, 重新装锚。依此重复作业, 直至挂篮滑移至预定位置。

提升过程首先压紧上层锚具上的工具夹片, 将千斤顶伸出15cm (行程23cm) , 压紧下层锚具上的工具夹片, 均匀的将千斤顶回缩, 回缩到位后再压紧上层锚具上的工具夹片, 然后将千斤顶伸出15cm, 再进行下一个循环。具体分以下步骤。

1) 压紧上层锚具上的工具夹片。

2) 千斤顶进油, 油缸顶起15cm, 使上层锚具上的工具夹片受力。

3) 压紧下层锚具上的工具夹片, 再均匀的将千斤顶回缩到位, 使下层锚具上的工具夹片受力。

4) 再压紧下层锚具上的工具夹片, 循环以上操作。提升张拉台座设计如图9所示。

大里程安装4套提升台座, 小里程先安装贝雷片提升架, 并布置4套提升工装。安装过程中注意千斤顶与预留提升孔道在同一垂线上, 避免钢绞线在提升过程中出现磨损。

将提前下料的等长并编号的钢绞线, 从主梁上方向下安装, 钢绞线安装到位后, 打紧上下层工具夹片, 安装压板, 通过挂篮自身的预留孔后, 按编号穿入工作锚, 打紧夹片, 安装压板。

大小里程挂篮同步提升离地, 提升挂篮前需进行试吊, 试吊使挂篮离地10cm后停止提升, 观测各提升装置及挂篮稳固情况, 持续时间≥1h, 安全性验证后, 按照提升步骤进行分行程提升。提升过程中必须注意挂篮提升系统的同步性, 防止在提升安装过程中对各吊点提升高度控制不合理, 将使相邻吊点被动加载, 可能会引起某一吊点的钢绞线受力太大, 甚至产生挂篮内部应力发生突变, 导致挂篮结构破坏。因此在挂篮整体提升过程中保持挂篮提升系统的同步性, 是挂篮整体提升的关键控制因素。

提升到设计位置后, 保持各提升装置工具锚紧固, 开始安装挂钩、吊挂及锚固系统, 挂钩使用50t汽车式起重机及塔顶配合安装, 并及时完成紧固螺栓分次复拧、终拧作业, 完成安装反向下落挂篮使挂钩落至滑移轨道, 拆除提升工装, 进行其他部分模板及平台系统安装。

1) 大小里程2个挂篮拟采用同步提升, 以避免出现不平衡荷载对塔柱及拉索结构造成不利影响。

2) 提升钢绞线的下料长度要统一, 并严格做好编号、编束;钢绞线下放过程不宜随意解束, 以防止钢绞线交错缠绕。

3) 用于提升挂篮的钢绞线在使用过程中易磨损, 提升前必须检查钢绞线质量情况, 并采取必要手段对钢绞线进行检测, 禁止受损钢绞线在提升过程中重复使用, 以确保安全。

4) 采用定位压板的方式固定钢绞线锚板, 以避免损伤锚板。

5) 由于挂篮吊杆预留孔的垂直度直接影响到挂篮平面准确定位, 在吊杆预留孔预埋时, 必须保证其准确性;挂篮吊杆采用的40铬材质高强螺杆需采用套管保护, 避免电流通过吊杆及吊杆打火, 对吊杆造成损伤;吊杆预紧力、吊杆垫板与螺母球头设置需严格按设计要求执行。

6) 挂篮提升过程, 必须安排专人统一指挥, 并做好安全防护工作, 确保各提升点同步提升, 防止单侧吊点集中受力。

在海华大桥挂篮安装施工过程中, 通过合理利用既有施工环境条件, 不断进行方案优化, 克服场地约束及施工冲突, 良好地解决了超宽前支点挂篮拼装横移及提升等技术难题, 不仅有效节约了施工成本, 缩短了施工工期, 更提高了生产效率。