無背索主塔在大型鋼管支架施工中的應(yīng)用

莊國卿

(中交第三航務(wù)工程局廈門分公司 福建廈門 363105)

福建漳州港雙魚島內(nèi)環(huán)北路橋型為無背索獨塔斜拉橋，索塔為獨塔無背斜拉異型結(jié)構(gòu)，總高度為72.0m，最大傾斜角度達52.7°，有10對索。索塔結(jié)構(gòu)尺寸為異型8邊形，縱橋向從下塔柱長為1 175m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。

1 主塔鋼管支架布置

1.1 主塔鋼管支架作用

主塔施工采用分節(jié)段施工，根據(jù)模板工藝要求，主塔分為19節(jié)段。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)尺寸成不均衡變化，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)，后期利用塔吊吊運到模板內(nèi)，以此完成主塔混凝土澆筑。

主塔施工利用大型鋼管支架作用施工平臺，且每個大平臺均設(shè)置小平臺，按節(jié)段劃分進行布置。大平臺設(shè)置9層，小平臺設(shè)置19層(見圖1)。

圖1 橋梁形式示意圖

1.2 主塔支架布置形式

鋼管支架布置形式如圖2所示。主塔鋼管支架以Φ630×8mm鋼管為支架立柱，通過Φ273×6mm鋼管平聯(lián)及斜撐鋼管，與立柱焊接組合而成的支架體系。鋼管立柱橫橋向設(shè)置4排，順橋向9列，縱橫向通過Φ273×6mm鋼管焊接；首層立柱均長9.8m，第二層以上的標準節(jié)段立柱單根6m長，通過法蘭盤連接固定；每層設(shè)置有操作平臺，2組共8片。由花紋鋼板和槽鋼焊接組成，施工時與Φ273×6mm平聯(lián)鋼管固定。

2 主塔鋼管支架計算過程

2.1 利用Midas進行建模

根據(jù)鋼管支架布置形式，利用Midas進行建模。主要考慮鋼管支架高度及當?shù)仫L(fēng)力情況，對鋼管支架與主塔進行固定連接。并在模型中進行約束邊界條件，使鋼管支架建模與實際情況相符合。主塔鋼管支架模型如圖3所示，主塔鋼管支架邊界條件見圖4。

圖3 主塔鋼管支架模型

圖4 主塔鋼管支架邊界條件

2.2 自重荷載

(1)單層施工平臺作業(yè)面自重。作業(yè)平臺由縱向I32b工字鋼、橫向[20a]槽鋼作為水平連接系，連接系上布置橫向分配梁為@1m[20a〗槽鋼，分配梁上布置滿鋪5cm厚腳手板，查五金手冊，得知：荷載標準值：0.7KN/m2。

(2)立柱鋼管自重。主塔支架立柱由單根12m長Φ630×8mm螺旋鋼管以及法蘭盤連接組成：荷載標準值：13.5KN/m·支。

(3)作業(yè)層欄桿及安全防護網(wǎng)。荷載標準值：0.15KN/m2。

2.3 風(fēng)荷載

按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012的規(guī)定，結(jié)構(gòu)腳手架用途，按照較大的3KN/m2制定。

(1)風(fēng)荷載計算依據(jù)。作用于主塔大型鋼管架上的水平風(fēng)荷載標準值，按照式(1)計算：

ωk=βμzμsω0

(1)

式中：ωk——風(fēng)荷載標準值(kN/m2)；β——陣風(fēng)系數(shù)，按離地高度取值。μz——風(fēng)壓高度變化系數(shù)，應(yīng)按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中表8.2.1的規(guī)定來確定；μs——風(fēng)荷載體型系數(shù)，經(jīng)過計算確定，參考《建筑施工碗扣鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》JGJ166-2008的規(guī)定，進行計算確定。ω0——基本風(fēng)壓(kN/m2)，按現(xiàn)行國家標準《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012的規(guī)定采用。

(2)風(fēng)荷載計算。①陣風(fēng)系數(shù)β。按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012，如表1取值。

表1 陣風(fēng)系數(shù)

②風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz。主塔支架總體高度57m，因橋址區(qū)風(fēng)荷載較大，因此風(fēng)壓高度變化系數(shù)劃分3段取值，取最大值作為計算取值，如表2所示。

表2 風(fēng)壓高度變化系數(shù)

③風(fēng)荷載體型系數(shù)μs。無遮攔多排支撐架的體型系數(shù)，按照式(2)計算：

(2)

式中，μst——單排架體型系數(shù)，μst=1.2Φ0；Φ0為擋風(fēng)系數(shù)；

經(jīng)計算：

④風(fēng)荷載標準值ω0。查現(xiàn)行國家標準《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012，“全國各城市的雪壓、風(fēng)壓和基本氣溫”，按重現(xiàn)期R=50年，確定福建廈門基本風(fēng)壓值為：

ω0=0.80KN/m2。

⑤風(fēng)荷載計算。具體計算情況詳見表3。

計算公式：ωk=βμzμsω0

表3 風(fēng)荷載計算情況

(3)荷載分布計算。主塔鋼管加載情況如圖5所示。

①線荷載。根據(jù)表3得知，風(fēng)荷載的面荷載分別為：8.53、9.43、10.11kN/m2，換算成線荷載作用在不同高度的鋼管和連接系上，分別如下：

立柱Φ630鋼管：

線荷載 q1-1=8.53*0.63=5.37KN/m

q1-2=9.43*0.63=5.94 KN/m

q1-3=10.11*0.63=6.37 KN/m

連接系I32b：

線荷載 q2-1=8.53*0.32=2.73 KN/m

q2-2=9.43*0.32=3.01 KN/m

q2-3=10.11*0.32=3.24 KN/m

②集中荷載。立柱豎向集中荷載由平臺作業(yè)層自重、立柱自重、施工荷載、安全護欄及安全網(wǎng)等組成，荷載疊加如下：

P1集中荷載計算：按照3層周轉(zhuǎn)作業(yè)平臺計算，其余疊加如下：

P2～P6集中荷載計算：按照P1計算過程，公式如下：

圖5 主塔鋼管加載示意圖

(4)利用Midas模型加載。 按照最大迎風(fēng)面積，對支架分別加載豎向集中荷載P1～P6，以及按照不同高度，加載水平風(fēng)荷載(單元線荷載)q1-1～q1-3和q2-1～q2-3，進行立柱穩(wěn)定計算分析，主塔鋼管豎向加載如圖6所示，水平加載如圖7所示。

圖6 主塔鋼管豎向加載示意圖

圖7 主塔鋼管水平加載示意圖

3 主塔鋼管支架計算結(jié)果

3.1 反力計算分析

(1)整體反力情況。主塔鋼管反力運算情況見圖8。

圖8 主塔鋼管反力運算示意圖

最大反力：節(jié)點219，F(xiàn)max=926.76KN；

最小反力：節(jié)點163，F(xiàn)max=0.137KN；

(2)節(jié)點反力分析。將反力結(jié)果圖，激活219節(jié)點查看。主塔鋼管反力最大值計算見圖9。

圖9 主塔鋼管反力最大值示意圖

節(jié)點219：FX=-3.8KN，F(xiàn)Y=-0.0518KN，F(xiàn)Z=926.7KN，滿足結(jié)構(gòu)要求。

3.2 鋼管支架變形和應(yīng)力計算分析

(1)變形分析。最大變形位于最西側(cè)的高處鋼管立柱，最大變形值52.7mm，符合規(guī)范要求，如圖10所示。

圖10 主塔鋼管變形分析示意圖

(2)應(yīng)力分析。根據(jù)Midas分析得到整體框架結(jié)構(gòu)，應(yīng)力最大值處于第三層(從上往下)，最大值：142.7Mpa，滿足材料應(yīng)能要求。主塔鋼管應(yīng)力運算如圖11所示。

圖11 主塔鋼管應(yīng)力運算示意圖

4 主塔大型鋼管支架結(jié)論

福建漳州港雙魚島內(nèi)環(huán)北路橋大型鋼管支架布置形式：鋼管立柱采用Φ630×8mm鋼管，橫橋向設(shè)置4排，順橋向9列；縱橫向連接通過Φ273×6mm鋼管焊接。 通過Midas建模驗收，該布置形式和結(jié)構(gòu)形式穩(wěn)定符合規(guī)范要求。

利用設(shè)置大型鋼管支架作為斜拉橋主塔塔柱施工平臺，通過施工平臺對主塔結(jié)構(gòu)施工和主塔斜拉索安裝提供可靠作業(yè)條件，從經(jīng)濟性、安全性、可操作性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性均符合現(xiàn)場施工條件要求，保證主塔施工整體質(zhì)量。