摘要：跨徑小于400米的斜拉橋主梁多采用預應力鋼筋混泥土結構，斷面形式一般有箱形、邊主梁（π形）等類型，設計一般要求采用牽索掛籃施工，本文以廣東順德高贊大橋和重慶云陽梅溪河大橋為對象重點介紹了斜拉橋主梁牽索掛籃的設計與施工關鍵技術。
　　關鍵詞：斜拉橋，牽索掛籃，設計與施工
　　一、工程概述
　　隨著我國橋梁設計與施工技術的不斷進步，斜拉橋已普遍在交通基礎設施建設中被采用，特別是在受地形、地質、水文限制影響的區域更加廣泛采用。對于跨徑小于400米的多采用采用預應力鋼筋混泥土主梁，結構設計上有邊主梁、箱梁等，其中廣東順德高贊大橋和重慶云陽梅溪河特大橋主梁結構形式在混泥土主梁結構形式中具有典型性。
　　高贊大橋長1727.8m，橋跨組合為14×30m+5×31m+(61+89+280+89+61)m+3×40m+15×30m。主橋采用雙塔單索面，墩、塔、梁固結的預應力砼斜拉橋，跨徑組合為61m+89m+280m+89m+61m，主梁采用近似三角形斷面，單箱三室結構，梁高3.5米，箱寬30.5米。主梁0#塊長13米，0-1#塊長6米，標準節段長6米（橫隔板間距也為6米），共21對。標準梁段斷面尺寸為：頂板全寬30.5米，底板寬4米，懸臂長4米。
　　高贊大橋主梁斷面單位：cm
　　梅溪河特大橋主橋采用43m+147m+386m+147m+43m的雙塔雙索面預應力砼斜拉橋，主梁標準截面采用雙主肋斷面，主梁中心高度2.6m，頂板寬23.5m，厚0.30m，主梁懸澆節段長6.0m，索塔處設23m的0號塊，中跨合攏段長3.0m，邊跨合攏段長2.0m，全橋124對斜拉索。
　　
　　梅溪河特大橋主梁橫斷面單位：cm
　　二、斜拉橋牽索掛籃施工技術研究
　　斜拉橋混泥土主梁有邊主梁、標準箱梁、倒三角形箱梁等形式，從施工方式上講有懸拼、懸澆及現澆幾種，其中牽索掛籃懸澆最為普遍。牽索懸澆掛籃在銅陵長江大橋上首次應用，隨后在江西南昌新八一大橋、武漢江漢四橋、湖南岳陽洞庭湖大橋、江西鄱陽湖大橋、湖北荊沙長江大橋、湖北巴東長江大橋等多座斜拉橋上成功應用，技術成熟可靠，掛籃結構較標準化，其主要結構包括行走系統、底籃系統、模板系統，底籃系統主要由縱梁（位于主梁肋板下方）及橫梁（連接兩道縱梁，一般設兩道或三道）組成；行走系統由C型掛鉤（支撐在主梁肋板頂面）、C型掛鉤側向導向輪、縱梁尾部滾輪、滑道、C型掛鉤頂升設施、牽引設施等組成；模板系統考慮到施工方便一般設計成整體提升式。
　　高贊大橋主梁采用的是倒三角形箱梁，底板寬度為4米，斜拉索橫向間距2米，設計上根據結構需要明確要求采用牽索掛籃施工；在考慮設計方案時對國內多座相對類似橋梁施工進行了調研與分析，同時廣泛咨詢了多位行內專家的意見，最終采用復合式牽索掛籃，即將牽索掛籃和普通中支點掛籃綜合使用，常規C型掛鉤滑行方式無法實現，在此參考中支點掛籃的行走方式，即在梁頂設置行走桁架來負責掛籃的前移，但其在砼施工過程中不參與受力；底籃前端只有斜拉索約束，橫向懸臂大，若直接通過桁架自身結構來實現足夠的剛度，桁架高度將很大，并直接導致自重的增加，在此考慮設置橫向對拉系統（可以看作體外預應力），施工時根據需要隨時施加需要的對拉力以滿足橫向剛度問題
　　梅溪河特大橋主橋主梁寬度較大，在初步計算中發現前橫梁撓度很大，遠遠超過規范值，經調整橫梁截面高度試算，效果都不太理想，而且自重明顯加大。后來對前橫梁施加體外預應力，使之起拱，在施工過程中與斜拉索同步分級進行，起到了良好的效果，該措施使前橫梁的變形和掛籃前端盡量保持在了一個水平面上。該橋主梁肋板底部設有錨塊，最大豎向高度為80cm，設計時將縱梁鋼箱整體下降80cm，然后在鋼箱兩側增加三角桁架，桁架中間形成一U型槽，掛藍行走時只需下降10～20cm即可，操作相對簡單，安全性較好，且縱梁結構規則受力性能好。從掛籃初步計算中發現斜拉索在施工過程中承受的荷載偏小，即索力小于設計上提供的階段索力，這樣導致中支點承受荷載較大，較為不利，經分析計算結果知在上述計算受力下掛籃前端存在向下的位移，若加大受力，前端位移將向上，但中支點受力將減小。為解決這個矛盾，通過增加斜拉索張拉次數，使斜拉索和中支點承受較合理的荷載。
　　三、牽索掛籃設計
　　（一）設計要點
　　1、總體結構設計
　　充分研究主梁結構形狀、尺寸及自重，確定總體結構框架，明確縱梁、橫梁的位置分布，參考其他同類工程初擬縱梁、橫梁、C型梁截面尺寸和結構材料選型，同時初擬頂板底模系統。對于常規邊主梁，其結構相對標準化，只是自重和結構尺寸不同而調整截面尺寸和材料規格；對于箱形主梁，則需要根據主梁的荷載分布確定縱梁、橫梁位置，明確C型梁設置的可行性，底模則需根據箱梁底面形狀及荷載分布確定總體布置
　　2、止推器設計
　　牽索掛籃利用斜拉索承受主梁豎向荷載，同時也產生了較大的水平荷載，此荷載是通過止推器來克服，止推器設計的好壞直接關系到主梁施工質量和安全。止推器結構采用較普遍的是錨固結構（利用高強螺栓錨固在已澆梁段上），部分采用的是穿過主梁的擋塊，設計時一方面要對主梁與止推器接觸部位進行詳細驗算，另一方面需保證止推器本身的受力性能，同時還要考慮止推器與縱梁間的緊密接觸問題，避免較大非彈性變形。另外，還要充分考慮止推器的安裝方便性，盡量控制其自重。
　　3、仿真模型
　　結構驗算首先需建立仿真模型，該模型應最大限度與實際情況吻合，特別是邊界條件，以保證計算結果真實可靠，否則將出現大問題。為避免問題出現仿真模型需經過2人以上進行復核，最好采用不同的軟件分別計算復核。
　　4、驗算工況
　　準確定義掛籃施工中的各種工況，具體說明各工況的荷載情況、邊界條件，按工況分別進行驗算，通過驗算結果明確控制要點。牽索掛籃根據施工步驟一般有以下五個工況：
　　（1）掛籃空載前移：掛籃已整體脫模，掛籃依靠C型梁或其他結構懸掛于已澆梁的頂面，縱梁尾端裝置反頂使掛籃平衡；
　　（2）掛籃行走到位，安裝斜拉索并第一次張拉斜拉索調整模板到設計標高，該次的索力需滿足梁段施工一半砼時掛籃總體變形不超過容許范圍，同時也不能使空載時掛籃前端向上的變形超過容許范圍及掛籃結構應力過大；
　　（3）澆注完一半砼，掛籃總體變形不超過容許范圍；
　　（4）澆注完一半砼進行第二次張拉斜拉索，該次的索力需滿足梁段施工剩余砼時，同時也不能使澆注一半砼時掛籃前端向上的變形超過容許范圍及掛籃結構應力過大；
　　（5）砼澆注完畢，掛籃總體變形不超過容許范圍。
　　（二）具體結構設計實例
　　1、梅溪河特大橋掛籃
　　（1）總體設計
　　該掛籃總體上包括底籃系統、行走系統、模板系統三大部分。總體圖一
　　（2）分部具體設計
　　單個底籃系統由兩道縱梁、三道橫梁、兩個弧形梁組成，其中縱梁采用高贊大橋縱梁鋼箱結構（1.6mX1.0m和2.0mx1.0m）；前橫梁底部設置體外預應力，共三束，每束三根φ15.24鋼絞線；后橫梁采用1.5mX1.0m桁架。行走、錨固系統由C型掛鉤、C型掛鉤側向導向輪、縱梁尾部滾輪、滑道、C型掛鉤頂升設施、牽引設施等組成，C型掛鉤采用鋼箱結構；錨固系統包括中錨桿、止推器、后吊桿及斜拉索。模板系統由肋板側模、頂板模板、橫隔墻模板及頂板模板支撐下放系統組成。
　　（3）結構計算
　　該掛籃結構采用ANSYS空間計算程序進行實體建模計算，充分分析結構的剛度、強度和穩定性。
　　主要計算結果及分析
　　A、調節掛籃變形的方法
　　選取拉索索力和體外預應力是調節掛籃結構變形的主要手段，缺一不可。兩個手段具有獨立性，調節拉索索力時，掛籃前端的位移發生變化，影響整個掛籃的上下撓度；調節體外預應力時，它只改變前橫梁跨中處的相對位移，屬于體系內部的預應力，不影響整個掛籃的上下撓度。簡言之，拉索索力調節整個掛籃的整體撓度，管“外”；體外預應力調節前橫梁跨中處的相對位移，管“內”。
　　B、斜拉索索力的選擇
　　原則明確，實際操作簡單，及時地調節拉索索力，令掛籃前端的位移在零附近擺動。理論上，case11、case12、case21、case22時，拉索索力各不相同。實際操作時，取索力1（case11為控制量，case12為驗算值）、索力2（case21為控制量，case22為驗算值），共2種情況。該方法既可以令掛籃的整體和局部撓度不至于過大，也使得掛籃幾乎沒有上下變形，因此應力水平較低。
　　2、高贊大橋掛籃
　　（1）、總體構造
　　該掛籃主要由底籃系統及行走提籃系統兩大部分組成，總體結構如下圖所示：
　　        
　                                                                  　掛籃橫斷面圖
　                                                                     　掛籃縱斷面圖
　　
　　（2）、結構計算
　　①計算工況分析
　　計算時將底籃和行走桁架單獨進行，根據對該掛籃施工過程的研究，底籃結構最不利工況為梁段砼澆注結束時和掛籃剛行走到位時，計算時分別對1＃（斜拉索傾角最大）和21＃（斜拉索傾角最小）梁段進行了計算，同時考慮到止推器的受力分析，最不利為21＃梁段施工時；行走桁架最不利工況為掛籃行走到位時。
　　②、具體計算
　　底籃系統為本設計的關鍵，21＃塊段懸澆滿載為最不利施工狀況，計算時采用的是功能強大的ANSYS空間有限元程序軟件，具體計算情況如下。
　　最大變形發生在底籃桁架橫向的最外端，最大值為13.14mm（方向向下）。
　　最大拉應力為111Mpa。最大壓應力為95.9Mpa。
　　四、主要施工工藝
　　（一）、掛籃的安裝
　　由于各項目施工現場情況不同，有的項目是在0#托架上進行部分安裝，澆注完0#后前移掛籃，然后拼裝完剩余部分，余下按正常節段施工（梅溪河特大橋按此方案實施）；有的項目先利用托架施工完0#塊，再在托架上拼裝掛籃；還有的項目在地面合適區域將底籃拼裝完成，然后運輸至墩位，起吊安裝在已澆梁段上（高贊大橋按此方案實施）。梅溪河特大橋掛籃總的拼裝順序為：拼裝托架¬——測量定位放樣¬——安裝縱梁高鋼箱——安裝弧形梁——安裝中橫梁鋼箱——安裝前橫梁鋼箱——安裝C型梁鋼箱——安裝前橫梁鋼箱對拉支撐架構——安裝中錨桿及中、后吊桿——安裝底籃模板并與底籃固定——安裝橋面行走鋼板——垂直提升整個底籃系統并錨固——安裝臨時止推系統——前端掛索并預錨固——預緊中錨桿——0#塊砼施工——掛籃下放并前移——安裝縱梁尾鋼箱。
　　（二）、壓載試驗
　　掛籃在拼裝并錨固好后須進行預壓試驗，以檢測實際結構內力狀態及變形與設計是否吻合。預壓載荷為Z1＃塊荷載的1.2倍，采取分級施加的方式（至少為4級，荷載可采取模擬等代的方式施加，應盡量與箱梁的實際重力作用位置相吻合。施工前應對各位置編號并在實物上做永久記號。
　　（三）主要施工流程
　　一個標準梁段的掛籃施工順序為：掛籃行走——測量放樣——掛籃錨固就位——斜拉索掛索安裝并初拉——底模調校——肋板、橫隔墻鋼筋綁扎——肋板模、橫隔墻模板及內頂模安裝—頂板鋼筋綁扎——澆注50％砼——索力二次調整——澆注剩余砼——砼養生¬——主梁體內預應力張拉——斜拉索體系轉換——斜拉索張拉至設計噸位——安裝行走系——卸錨、吊桿底籃落模——掛籃前移行走至下一塊段施工——重復以上步驟進行下一塊段懸澆施工。
　　（四）施工監控
　　施工監控對斜拉橋上部結構施工相當關鍵，總體來說，施工監控包括的內容很多，而且這個工作需要與設計單位、監控單位、監理單位及施工單位來共同完成。在掛籃設計時為滿足施工過程中的監控需要，按施工程序對每一塊段施工時的各個階段進行模擬計算，統計出各控制位置的撓度、關鍵構件的內力、斜拉索的張拉力等數據，另外為保證計算數據的準確性，在正式施工前進行壓載試驗，將試驗結果與計算結果比較，認真分析后對計算數據進行修正，最后用于指導施工。監控單位在梁段施工期間按不同節段分別對主橋整體計算分析，充分考慮前段梁段施工反映的各項數據，不斷修正模型、調整參數，然后及時提供下一梁段施工參數。施工過程中高度關注索力的控制和調整，實施應力、應變雙控。
　　五、結束語
　　斜拉橋牽索掛籃設計與施工技術經過多座橋梁的實踐和檢驗，日趨成熟完善，不但適用于常規邊主梁，也適用于箱梁及其他特殊主梁，為斜拉橋的進一步發展奠定了良好的基礎。在高贊大橋和梅溪河特大橋的掛籃中都采用了體外預應力設施，大大減輕了結構自重；另外，將多種掛籃的特點綜合利用，起到了較好效果；這些思路也將促進我們更進一步開闊視野，追求技術的不斷進步。