勁性骨架在無背索主塔施工中的應(yīng)用

中交第三航務(wù)工程有限工程局廈門分公司　莊國卿

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勁性骨架在無背索主塔施工中的應(yīng)用

中交第三航務(wù)工程有限工程局廈門分公司莊國卿

該文結(jié)合漳州港內(nèi)環(huán)北路橋主塔施工，論述勁性骨架在施工中的作用，探討了勁性骨架尺寸確定及布設(shè)、勁性骨架結(jié)構(gòu)計算，結(jié)果表明勁性骨架在主塔施工中能夠滿足結(jié)構(gòu)要求。

主塔施工 勁性骨架 建立模型 計算分析

1　工程概況

漳州港內(nèi)環(huán)北路橋型為無背索獨(dú)塔斜拉橋、塔梁墩固結(jié)的剛構(gòu)體系，主梁為鋼—砼混合梁結(jié)構(gòu)，主塔為鋼筋砼結(jié)構(gòu)，斜拉索單索面布置在中央分隔帶?？鐝讲贾脼?110m+25m。鋼主梁采用單箱三室斜腹板截面，頂板采用正交異性板結(jié)構(gòu)，砼主梁采用單箱三室斜腹板截面預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

2　主塔施工

2.1主塔施工工藝

索塔為獨(dú)塔無背斜拉異型結(jié)構(gòu)，總高度 72.0m，最大傾斜角度達(dá)52.7°，有10對索。索塔分為下塔柱和上塔柱兩個部分，均為實(shí)心結(jié)構(gòu)。如圖1所示，索塔結(jié)構(gòu)尺寸為異型八邊形，縱橋向從下塔柱長為 1175m 到塔頂異型變化為346.4m，橫橋向結(jié)構(gòu)尺寸為 3m，從下塔柱到上塔柱保持不變。塔柱分為 19個節(jié)段，其中第一節(jié)主塔與承臺同時澆筑（1m），第四節(jié)與箱梁固結(jié)同時澆筑且高出箱梁 1m。主塔采用木模，借鑒爬模工藝模板施工，但每節(jié)段異型曲面、結(jié)構(gòu)尺寸呈不均衡變化，每節(jié)段模板需調(diào)整尺寸，沿主塔方向分節(jié)段施工。前期利用混凝土輸送泵將混凝土輸送到模板內(nèi)，后期利用塔吊吊運(yùn)到模板內(nèi)，以此完成主塔混凝土澆筑。

圖1　橋梁形式示意圖

2.2勁性骨架預(yù)制安裝

如圖2～圖4所示，勁性骨架施工按分節(jié)段預(yù)制，考慮吊裝難度，根據(jù)節(jié)段高度和長度，分塊預(yù)制吊裝，安裝就位后通過75∠聯(lián)系成整體。安裝下一層勁性骨架時高出上一層勁性骨架混凝土面15cm，每節(jié)段高度按設(shè)計要求安裝。其中勁性骨架立桿上下兩節(jié)連接采用預(yù)先焊接在骨架上的坡口鋼板（15cm×15cm×1cm）焊接，保證焊接質(zhì)量。先用吊車將焊好在勁性骨架上坡口鋼板移動到相對位置，再利用坡口鋼板預(yù)先取孔，用沖釘臨時固定，通過不斷測量調(diào)節(jié)骨架，再設(shè)計結(jié)構(gòu)位置。確定勁性骨架精度，將坡口鋼板焊接固結(jié)。

圖2　上下層勁性骨架連接示意圖

圖3　連接上下層勁性骨架鋼板示意圖

圖4　勁性骨架上下層連接坡口鋼板

3　設(shè)置勁性骨架的作用

3.1安全控制

本橋梁施工中增加勁性骨架的作用主要是承受異型面混凝土自重和側(cè)向壓力，在施工中對安全質(zhì)量控制至關(guān)重要。勁性骨架在主塔設(shè)計有三個安全控制目標(biāo)：第一，模板對拉螺桿作用在勁性骨架上起傳遞承受混凝土澆筑過程產(chǎn)生的荷載；第二，固定主塔鋼筋，使每節(jié)段上端鋼筋有可靠的支撐點(diǎn)；第三，施工人員在操作過程可以把安全帶固定在勁性骨架上，起保護(hù)作用。

3.2質(zhì)量控制

內(nèi)環(huán)北路橋加設(shè)勁性骨架后，考慮到主塔鋼筋密集度較大，安裝難度大，在后場預(yù)制時先按結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙放樣主塔模型在平整場地上，按勁性骨架施工圖紙預(yù)制成整體，再分塊截斷運(yùn)輸現(xiàn)場安裝。通過放樣定位勁性骨架精確位置，分塊安裝勁性骨架用角鋼焊接連成框架整體結(jié)構(gòu)，上下分節(jié)段立桿用事先焊接在勁性骨架上的坡口鋼板焊接牢固。由于主塔鋼筋為雙支曲線型，在鋼筋安裝過程，將勁性骨架按主塔鋼筋間距劃分區(qū)域，使鋼筋安裝速度加快，便于雙支鋼筋固定，精確定位，確保鋼筋保護(hù)層。同時，在主塔施工時，勁性骨架在安裝主塔索導(dǎo)管時，定位過程起重要作用（見圖5、圖6）。

圖5　現(xiàn)場預(yù)制加工勁性骨架

圖6　施工現(xiàn)場吊裝勁性骨架

4　勁性骨架尺寸確定

4.1 結(jié)構(gòu)形式

如圖7所示，勁性骨架結(jié)構(gòu)為桁架結(jié)構(gòu)，由∠125×125×10角鋼作為勁性骨架立桿，∠ 75×75×10角鋼作為勁性骨架橫桿和斜撐。在結(jié)構(gòu)尺寸最大位置設(shè)置12根立桿，并且在受力最大的 8個角各設(shè)置立桿。勁性骨架結(jié)構(gòu)比外層鋼筋尺寸小5cm，使勁性骨架更易安裝。

圖7　勁性骨架平面布置示意圖

4.2勁性骨架設(shè)計

勁性骨架沿主塔方向，按主塔節(jié)段高度設(shè)計。每節(jié)段分兩層勁骨架，每層分成18小塊，每個截面有桿件連接，標(biāo)準(zhǔn)塊（長×寬×高=175cm×175cm×175cm）骨架組合成整體桁架結(jié)構(gòu)。斜塔在混凝土施工有勁性骨架參與受力，考慮勁性骨架剛度要求，在上下層勁性骨架預(yù)留不超過15cm焊接。

5　勁性骨架計算

5.1設(shè)計荷載

正常使用最大風(fēng)力: 25m/s；

最大容許承載風(fēng)力: 40.3 m/s；

立桿∠125=19.133kg/m ；

橫桿∠75=11.089 kg/m；

Q235 鋼材容許應(yīng)力:

［σ］ = 17MPa， ［τ］=85 MPa

受力荷載分析主要考慮施工時混凝土傳遞部分荷載、勁性骨架自重、鋼筋荷載、風(fēng)荷載、施工荷載。

以主塔第 9節(jié)凈高度為 3.577m，其中本階段傾角為52.7°，傾斜長度為 4.781m作為計算分析參考。勁性骨架施工工程考慮上下預(yù)留30cm長桿件，為上下層焊接。傾斜長度為5.081m，在本節(jié)段勁性骨架分為兩層整體式桁架結(jié)構(gòu)。

（1）勁性骨架自重荷載

按最大骨架傾斜長度為 5.081m，自重=立桿+橫桿，G1=41.6kN。

（2）鋼筋荷載

每延米鋼筋自重g1=63.1N/m（主塔主筋采用φ32鋼筋），單根鋼筋最大綁扎長度 L =5.281m，其中斜截面鋼筋有勁性骨架支撐部分荷載，總重G2=（63.1×5.281×16/1000）sin52.7° =4.24kN，其中豎向主筋底部通過連接套筒支撐在下層鋼筋上。

（3）風(fēng)荷載

風(fēng)壓計算: W=K1×K2×K3×K4×W0，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》。

其中 W0為基本風(fēng)壓值，W0=V為設(shè)計風(fēng)速。

W0=1.02 kN·m，最大容許承載風(fēng)力: V=40.3m/s；

W0=0.71 kN·m，正常使用最大風(fēng)力: V =25m/s；

K1=1，為設(shè)計風(fēng)速頻率換算系數(shù)，K2=1.3，為風(fēng)載體型系數(shù)；K3=1.3，為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，K4=1.4，為地形、地理變化系數(shù)；

桁架風(fēng)壓: W=K1×K2×K3×K4×W0=2.41 kN/m （最大容許承載風(fēng)力）；

W= K1×K2×K3×K4×W0=0.95 kN/m （正常使用最大風(fēng)力）。

風(fēng)荷載計算取最大值進(jìn)行驗(yàn)算，通過分解作用在桁架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)。按風(fēng)壓對每根桿件作用進(jìn)行荷載分配，取最長桿件風(fēng)壓計算：

F=2.41×2.801=6.75kN。

（4）混凝土作用荷載

由于混凝土施工過程對橫橋向兩個弧線面模板有側(cè)向壓力和部分自重，施工設(shè)計過程沒有設(shè)置對拉桿件，而是通過勁性骨架進(jìn)行對拉。 通過分析每層勁性骨架承受荷載，分布在桁架節(jié)點(diǎn)上。

按施工要求計算混凝土作用在模板上的荷載：

式中：F——新澆筑混凝土對模板的最大側(cè)壓力（kN/m3）；

γc——混凝土的重力密度（kN/m3），取25 kN/m3；

t0——新澆混凝土的初凝時間（h），可按實(shí)測確定。當(dāng)缺乏實(shí)驗(yàn)資料時，可采用t=200/（T+15）計算；T=25°；取5h；

V——混凝土的澆灌速度（m/h），取2m/h；

H——混凝土側(cè)壓力計算位置處至新澆混凝土頂面的總高度（m）；

β1——外加劑影響修正系數(shù)，不摻外加劑時取1；添加外加劑時取1.2；

β2——混凝土塌落度影響系數(shù)，當(dāng)塌落度小于 30mm時，取0.85；50～90mm時，取1；110～150mm時，取1.15。

其中混凝土自重（35°）為15.2 kN/m2，取二者中的較小值，F(xiàn)=53.7 kN/m2作為模板側(cè)壓力的標(biāo)準(zhǔn)值，并考慮傾倒混凝土產(chǎn)生的水平載荷標(biāo)準(zhǔn)值（4kN/m2），分別取荷載分項(xiàng)系數(shù) 1.2 和1.4，則作用于模板的總荷載設(shè)計值為：

q=53.7×1.2+4×1.4=70 kN/m2；

合計：q=70+15.2=85.2 kN/m2。

施工現(xiàn)場對拉螺栓采用D20螺桿；縱向間距為1200mm，橫向間距為 1300mm?？紤]勁性骨架分層高度和螺桿布置不

一，驗(yàn)算按最不利情況計算。

按對拉螺栓經(jīng)驗(yàn)公式計算如下：N≤A×f。

第一層取縱向間距為2800mm，橫向間距為1200mm。N=1.2×2.8×85.2=286.27kN

第二層取縱向間距為1980mm，橫向間距為1200mm。

N=1.2×1.98×85.2=202.435kN

5.2結(jié)構(gòu)計算分析

本文利用 Midas civil進(jìn)行建模計算。勁性骨架底端埋設(shè)在混凝土中，設(shè)為剛接支座。勁性骨架構(gòu)架之間均采用焊接，設(shè)為剛性連接。分別將各種荷載進(jìn)行加載，建立其受力模型。

工況: 正常施工工況

荷載組合: 勁性骨架自重荷載 + 鋼筋自重 + 混凝土施工荷載+風(fēng)荷載

（1）建立模型

利用 Midas civil 建立主塔第 9節(jié)段勁性骨架模型如圖9～圖10所示。

圖8　勁性骨架結(jié)構(gòu)模型圖

圖9　勁性骨架實(shí)體模型圖

（2）內(nèi)力和應(yīng)力計算模型

利用 Midas civil對勁性骨架在荷載工況作用下的內(nèi)力和應(yīng)力進(jìn)行分析。

圖10　勁性骨架內(nèi)力模型圖

圖11　勁性骨架應(yīng)力模型圖

經(jīng)計算工況，自重作用下產(chǎn)生內(nèi)力和應(yīng)力值最大，根據(jù)建模分析，均滿足要求。

6　勁性骨架在工程中的應(yīng)用

內(nèi)環(huán)北路橋勁性骨架設(shè)計從安全優(yōu)質(zhì)和節(jié)約成本的原則出發(fā)，從下塔柱和承臺連接處施工時開始安裝勁性骨架。從施工措施過程、安裝勁性骨架后鋼筋綁扎時可以利用勁性骨架定位，鋼筋的安裝精度較高，保護(hù)層厚度得到了良好的控制。同時，斜拉橋主塔塔柱施工工藝復(fù)雜，需要控制測量、質(zhì)量的地方較多，對塔柱的外形要求很高，具有足夠剛度的勁性骨架作為塔柱施工的支撐體系，能很好地控制塔柱的外形，為其他工作能夠高質(zhì)量完成提供平臺。

安裝勁性骨架后，結(jié)構(gòu)物和施工人員的安全程度有了明顯提高。從受力作用要求，由于橫橋向斜截面的傾斜角度大，靠對拉螺桿無法保證整體穩(wěn)定要求。設(shè)計過程利用勁性骨架參與混凝土施工過程受力，把對拉螺桿固定在勁性骨架的受力形式，提高混凝土澆筑過程整體穩(wěn)定性。

7　結(jié)束語

通過在主塔施工過程中安裝勁性骨架，解決混凝土澆筑過程的整體穩(wěn)定性要求，以及主塔施工作業(yè)中鋼筋骨架的定位問題，充分說明了使用勁性骨架在安全、質(zhì)量控制方面能收到良好的效果。

［1］ 住建部.城市橋梁工程與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范， CJJ2-2008［S］.

［2］ 程文瀼等.混凝土結(jié)構(gòu)（中冊）-混凝土結(jié)構(gòu)與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［3］ 橋梁工程軟件midas Civil使用指南.

［4］ 住建部.公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范， JTG/TF50-2011［S］.

［5］ 住建部.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范， GB50017-2003［S］.