斜拉橋超高索塔上橫梁裝配桁架式支撐體系設(shè)計施工關(guān)鍵技術(shù)

王鵬

(中鐵十一局集團第六工程有限公司, 湖北 襄陽 441104)

隨著中國橋梁建設(shè)的飛速發(fā)展，斜拉橋跨度的增大，使得索塔越來越高。多采用橫梁將斜拉橋兩側(cè)橋塔聯(lián)結(jié)起來，形成橫向框架結(jié)構(gòu)，用以抵抗橫橋向的風(fēng)力或地震作用。由于上橫梁具有結(jié)構(gòu)尺寸大、高度高等特點，從而導(dǎo)致橫梁施工支撐體系高度大、承載能力大，支架施工質(zhì)量不易控制。

上橫梁支撐體系有落地鋼管支架法和懸空預(yù)埋托架法兩種施工方法，針對高塔而言，落地鋼管支架施工耗材大，且需在塔肢上進行大量預(yù)埋，施工周期長，拆除及周轉(zhuǎn)不易。一般的橫梁托架采用索塔兩側(cè)安裝焊接三角托架，為滿足現(xiàn)澆承載力要求，三角托架結(jié)構(gòu)尺寸大、片數(shù)多，與預(yù)埋件采用焊接連接，焊縫受力大，對焊縫質(zhì)量要求極高，安全風(fēng)險大。

西江特大橋主橋索塔上橫梁現(xiàn)澆采用托架進行施工，結(jié)合有限元設(shè)計軟件，對托架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化、驗算，采用牛腿作剪力鍵，通過裝配桁架式托架進行受力，可大大提高材料利用率和支架的安全性，確保斜拉橋施工質(zhì)量。

1 工程概況

跨西江主橋采用(2×57.5+172.5+600+4×57.5)m混合梁斜拉橋，主跨600 m跨越西江，結(jié)構(gòu)總長1 118.7 m，采用雙H形雙索面等高索塔結(jié)構(gòu)形式，索塔全高分別為200、208 m。上塔柱為兩分離式豎直塔柱；中塔柱為兩分離式傾斜塔柱，向內(nèi)側(cè)傾斜；下塔柱亦為兩分離式傾斜塔柱，向外側(cè)傾斜。上塔柱和中塔柱在索塔錨固區(qū)下方設(shè)置上橫梁；中塔柱和下塔柱在主梁下方設(shè)置下橫梁，索塔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 索塔結(jié)構(gòu)示意圖(單位：cm)

索塔上橫梁采用等寬度變高度截面，截面全寬8 m，高4.5～7.5 m，內(nèi)部設(shè)計一道0.8 m寬的橫隔梁，上橫梁混凝土總方量391.9 m3，設(shè)計40束預(yù)應(yīng)力束，上橫梁結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 索塔上橫梁結(jié)構(gòu)示意圖(單位：除標高為m外，其余：cm)

2 上橫梁施工方案

索塔塔肢施工采用液壓自爬模分節(jié)澆筑，單次澆筑節(jié)段高度6 m，上橫梁結(jié)構(gòu)與相應(yīng)塔肢節(jié)段采用同步澆筑工藝。上橫梁為全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用托架現(xiàn)澆的施工方案。

大型托架結(jié)構(gòu)自身承載大，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，施工精度要求高，考慮托架結(jié)構(gòu)加工質(zhì)量和現(xiàn)場安裝的可操作性，方案選定為裝配桁架式支撐托架。首先將索塔兩肢內(nèi)側(cè)剪力鍵結(jié)構(gòu)安裝和對拉到位，再將承重橫梁安裝就位，最后進行托架主桁結(jié)構(gòu)的分組整體吊裝；主桁系統(tǒng)安裝完成后，依次安裝排架和分配梁，鋪裝模板系統(tǒng)，完成上橫梁托架安裝。

待上橫梁混凝土澆筑完成并張拉完成后，進行上橫梁托架結(jié)構(gòu)拆除，受空間條件限制，主桁結(jié)構(gòu)拆除采用空中雙向轉(zhuǎn)體拆除工藝。

3 托架結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

3.1 托架結(jié)構(gòu)設(shè)計

上橫梁托架結(jié)構(gòu)設(shè)計為裝配桁架式支撐體系。上橫梁托架結(jié)構(gòu)布置見圖3。

圖3 上橫梁托架結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 埋入式剪力鍵結(jié)構(gòu)示意圖

托架主桁系統(tǒng)安裝在墊梁上方，采用HN350×175型鋼制作，以兩片為一組，共設(shè)置6組。主桁系統(tǒng)加工為裝配式，桁架各桿件間采用銷軸連接，各桁架間連接系采用法蘭連接，形成空間穩(wěn)定支承體系，桁架結(jié)構(gòu)及裝配示意見圖5、6。

圖5 桁架結(jié)構(gòu)示意圖

主桁系統(tǒng)上方依次為墊塊、承重梁、排架、分配梁及模板系統(tǒng)。

3.2 結(jié)構(gòu)有限元分析

托架結(jié)構(gòu)體系采用橋梁結(jié)構(gòu)通用有限元分析與設(shè)計軟件Midas/Civil進行建模分析，桁架、承重梁、排架、分配梁等結(jié)構(gòu)采用梁單元模擬，對剪力鍵位置處墊梁按照一般剛性固結(jié)添加，即約束Dx、Dy、Dz、Rx、Ry、Rz各項自由度；其他部位托架與橫梁，橫梁與分配梁間采用彈性連接，釋放桿件長度方向轉(zhuǎn)動值；剪力鍵分別采用板單元和FEA的實體單元進行建模分析。

圖6 桁架拼裝示意圖

支架設(shè)計按照橫梁全荷載考慮，并以線荷載形式添加于分配梁上，支架荷載考慮結(jié)構(gòu)自重、橫梁鋼筋混凝土荷載、模板荷載、施工機械荷載、振搗混凝土荷載、傾倒混凝土荷載、風(fēng)荷載等。Midas/Civil程序?qū)χЪ茏灾刈詣佑嬎?，橫梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)重量考慮1.05倍擴大系數(shù)，上橫梁托架及剪力鍵分析模型見圖7、8。

圖7 上橫梁托架分析模型

按最不利原則，考慮兩種工況對索塔上橫梁施工托架進行結(jié)構(gòu)計算分析。

工況1：空載狀態(tài)。該工況下，上橫梁模板系統(tǒng)已安裝，但未進行混凝土澆筑，風(fēng)壓選取最大風(fēng)速37.3 m/s狀態(tài)(臺風(fēng)風(fēng)速調(diào)查)下風(fēng)壓。此時托架處于承受水平荷載作用最不利狀態(tài)。

圖8 上橫梁托架剪力鍵分析模型

工況2：混凝土澆筑狀態(tài)。混凝土選取風(fēng)速不超過13.8 m/s時進行澆筑。當混凝土剛澆筑完成，此時托架處于承受豎向荷載作用最不利狀態(tài)。

分析計算采用容許應(yīng)力法，針對兩種工況設(shè)立強度計算組合、剛度計算組合和屈曲穩(wěn)定計算組合分別進行驗算，兩種工況下結(jié)構(gòu)最不利受力結(jié)果如表1、2所示。

由表1可知：托架結(jié)構(gòu)各部件受力均滿足規(guī)范要求。由表2可知：托架結(jié)構(gòu)最小臨界荷載系數(shù)為147，屈曲模態(tài)為側(cè)向屈曲，滿足規(guī)范要求。該托架系統(tǒng)設(shè)置合理可行。

表2 上橫梁托架屈曲穩(wěn)定模態(tài)分析結(jié)果

4 上橫梁塔梁同步施工關(guān)鍵技術(shù)

上橫梁采用塔梁同步施工工藝，保障了塔、梁鋼筋工程及混凝土工程的緊密結(jié)合，且大大地縮短了施工周期，其施工工藝流程見圖9。

圖9 上橫梁塔梁同步施工流程圖

4.1 剪力鍵錨固系統(tǒng)施工

剪力鍵安裝前，首先安裝固定對拉精軋螺紋鋼，隨后塔吊吊裝組拼完成后的剪力鍵對孔安裝，剪力鍵就位后采用穿心式千斤頂預(yù)拉精軋螺紋鋼至設(shè)計噸位。

為保證預(yù)拉后剪力鍵下底面與槽口底面密貼，更好地完成荷載傳遞，對預(yù)拉完成后剪力鍵底部采用高強支座灌漿料進行灌漿處理。

4.2 裝配桁架式支撐體系安裝及拆除

上橫梁托架結(jié)構(gòu)主要分為上層排架和下層主桁架兩部分，模板系統(tǒng)采用的則是大塊鋼模。主桁架及排架在鋼結(jié)構(gòu)加工場加工制造并完成預(yù)拼，主桁架桿件間采用銷軸連接，排架采用全焊結(jié)構(gòu)。

完成剪力鍵錨固施工后，利用塔吊安放墊梁結(jié)構(gòu)，根據(jù)測量定位按先中間后兩邊的順序安放3組托架主桁架，并完成連接系施工，連接系采用法蘭與桁架連接。

主桁架施工完成后，利用塔吊分別吊裝卸落塊、承重橫梁、承重排架結(jié)構(gòu)。支架安裝結(jié)構(gòu)安裝完成后，安裝并固定分配梁，鋪裝底模系統(tǒng)。

上橫梁支架采用混凝土預(yù)壓塊按120%施工荷載進行預(yù)壓，以消除支架結(jié)構(gòu)非彈性變形并計算其彈性變形。支架預(yù)壓完成后重新調(diào)整支架標高，安裝側(cè)面模板，進行上橫梁施工。

上橫梁預(yù)應(yīng)力工程施工完成后，首先拆除側(cè)面鋼模，隨后進行上橫梁支架拆除。割除卸落塊完成支架結(jié)構(gòu)脫模，并依次完成底模系統(tǒng)、分配梁、承重排架、承重梁、墊塊的拆除。托架主桁架拆除受條件限制，采用蕩移+空中雙向轉(zhuǎn)體拆除的施工工藝。

上橫梁側(cè)面兩組主桁拆除利用塔吊采用蕩移法完成，中間一組主桁通過橫梁上預(yù)留孔洞下放纖維吊帶進行橫梁結(jié)構(gòu)雙向轉(zhuǎn)體、下放、旋轉(zhuǎn)、吊點轉(zhuǎn)換等工序，完成上橫梁支架拆除。

4.3 上橫梁鋼筋、預(yù)應(yīng)力工程安裝

采用同步施工工藝，避免了異步施工中將鋼筋截斷于同一截面的問題，有效地保證了鋼筋工程的施工質(zhì)量。上橫梁共計設(shè)計40束鋼絞線，鋼絞線波紋管定位及線形控制是施工過程控制的重點項目，通過定位胎架控制波紋管位置及線形。為保證波紋管密封性良好，混凝土澆筑前對波紋管進行通水試驗，檢驗波紋管連接施工質(zhì)量。

4.4 上橫梁混凝土工程施工

上橫梁混凝土施工分兩次澆筑，首次澆筑上橫梁底板及腹板部分混凝土，第2次完成全部混凝土施工。待混凝土強度、彈性模量和齡期達到設(shè)計要求后，對上橫梁腹板部分預(yù)應(yīng)力進行張拉。上橫梁支架屬于桁架梁結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)受力簡單明確，支架結(jié)構(gòu)跨中彎矩和撓度最大，剪力鍵位置承受全部上部結(jié)構(gòu)荷載，因此上橫梁混凝土澆筑應(yīng)從橫梁中部向塔肢方向澆筑。

5 結(jié)論

依托西江特大橋跨西江600 m混合梁斜拉橋超高索塔上橫梁裝配桁架式支撐體系進行研究，得出以下結(jié)論：

(1)該托架采用埋入式剪力鍵結(jié)構(gòu)，大大減小了托架結(jié)構(gòu)尺寸，且使得托架結(jié)構(gòu)體系受力明確，減少了對現(xiàn)場施焊質(zhì)量的依賴，現(xiàn)場施工質(zhì)量更有保障，承載性能可靠，安全性高。

(2)采用裝配桁架式支撐體系，主桁架桿件間采用銷軸連接，有效地釋放了桁架桿件彎矩，減小了桿件受力。與連接系間采用法蘭盤連接，避免了焊接質(zhì)量不達標、對桿件造成損傷等可能性，保證了桁架結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量。

(3)由現(xiàn)場施工實際可知，采用該裝配桁架式支撐體系，施工周期短，安全性高，現(xiàn)場施工質(zhì)量有保障，且該托架體系可多次周轉(zhuǎn)利用，托架加工所需鋼材少，經(jīng)濟效益高。

索塔上橫梁裝配桁架式支撐體系施工技術(shù)的成功實踐，為今后同類型超高索塔上橫梁結(jié)構(gòu)施工提供了可靠的經(jīng)驗。