宜昌伍家崗長江大橋橋塔上橫梁施工分析*

石 廣，曹振杰，方小林，何承林

(1.中建三局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430064； 2.中建三局第三建設(shè)工程有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074)

1 工程概況

宜昌伍家崗長江大橋主橋(290m+1 160m+402m=1 852m)為正交異性橋面板鋼箱梁懸索橋。主橋主塔采用鋼筋混凝土門形框架結(jié)構(gòu)，塔高155m，混凝土強(qiáng)度等級為C50。主塔由塔柱、上橫梁、鋼桁架及下橫梁組成，塔柱采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上、下橫梁均采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，鋼桁架采用箱形框架結(jié)構(gòu)。主塔立面如圖1所示。

圖1 主塔立面(單位：cm)

主塔上橫梁采用矩形截面，距塔柱內(nèi)壁1.3m范圍為實(shí)心截面。上橫梁在塔柱間長21m，其中間19m為等截面，高6.5m，寬6.6m，壁厚均為0.8m；兩側(cè)各1m為變截面，高度由6.5m漸變?yōu)?m。上橫梁設(shè)有預(yù)應(yīng)力，采用20束16孔預(yù)應(yīng)力鋼束，預(yù)應(yīng)力筋采用高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fptk=1 860MPa，Ep=1.95×105MPa。

2 上橫梁施工方案

橋塔上、下橫梁間凈距為129.5m，上橫梁澆筑時采用托架。托架主梁采用貝雷片，順橋向布置22片。根據(jù)上橫梁斷面荷載分布不同，貝雷片單側(cè)腹板范圍布置5片，單側(cè)人行道布置1片，底板范圍布置10片。托架砂筒以下為支撐體系，采用3榀π形架順橋向布置，π形架間距為2.8m。整個托架支點(diǎn)采用可周轉(zhuǎn)牛腿，單支塔柱上、下2層共布置6個牛腿。托架具體布置如圖2所示。

圖2 上橫梁托架布置

為避免模板在上橫梁位置拆除和二次安裝，上橫梁與塔柱采用異步施工方案。塔柱施工時預(yù)先埋入上橫梁鋼筋套筒，待智能頂升模架爬升后再連接上橫梁鋼筋與套筒。同時，在托架牛腿對應(yīng)位置預(yù)埋定位板，牛腿安裝時通過可周轉(zhuǎn)螺栓栓接作為托架的受力支承點(diǎn)。該方式可有效減少現(xiàn)場高空焊接，保證結(jié)構(gòu)傳力可靠；可周轉(zhuǎn)牛腿也可重復(fù)利用，降低工程造價。

上橫梁混凝土分2層澆筑，第1層澆筑的混凝土(高5.0m，混凝土方量約376.5m3)達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的90%后，現(xiàn)場張拉上橫梁下層的8束預(yù)應(yīng)力鋼筋；澆筑的第2層混凝土(高1.5m，混凝土方量為157.1m3)達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，張拉剩余的預(yù)應(yīng)力鋼筋。

3 上橫梁施工模擬

采用有限元軟件MIDAS FEA分析上橫梁在整個施工過程中的受力和變形。為準(zhǔn)確模擬托架各構(gòu)件所受的真實(shí)荷載及反映上橫梁首層澆筑的混凝土剛度作用，建模時上橫梁采用實(shí)體單元模擬，托架所受的澆筑荷載也通過該實(shí)體單元的自重直接施加；塔柱及下橫梁均采用實(shí)體單元模擬，不考慮普通鋼筋參與受力，上橫梁預(yù)應(yīng)力采用鋼筋預(yù)應(yīng)力荷載模擬；托架采用梁單元模擬。

根據(jù)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處實(shí)際約束情況定義模型的邊界條件。主塔塔柱根部固結(jié)，托架下層牛腿處可周轉(zhuǎn)螺栓布置在節(jié)點(diǎn)外圍，可有效限制桿件轉(zhuǎn)動，近似為剛接，模擬時約束6個方向自由度；托架上層牛腿處π形架直接擱置在牛腿槽內(nèi)，桿件可沿x向平動，繞y向轉(zhuǎn)動，近似為鉸接，模擬時釋放x向平動自由度和繞y向轉(zhuǎn)動自由度。塔柱、橫梁及托架的局部有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

為有效反映上橫梁施工時分層澆筑及張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋的作用，對上橫梁施工過程共進(jìn)行3種工況模擬。

1)工況1 上橫梁施工過程共分5個階段：①塔柱施工完成；②上橫梁托架安裝完成；③上橫梁完成第1層(5m厚)混凝土澆筑；④第1層混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的90%后張拉上橫梁下層8束預(yù)應(yīng)力鋼筋；⑤上橫梁完成第2層(1.5m厚)混凝土澆筑。

2)工況2 不進(jìn)行工況1中的步驟④，即上橫梁第1次澆筑后不張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋，其余步驟同工況1。

3)工況3 上橫梁不分層澆筑，一次澆筑完成，即在工況1中步驟③上橫梁完成全部澆筑。

經(jīng)3種工況分析，各施工階段π形架拉桿軸力和最大變形如表1所示。

表1 各施工階段π形架軸力和變形

對比工況2，3的計算結(jié)果可知，因工況2分層澆筑，托架邊拉桿最終所受的拉力減少541.7kN，占第2層澆筑混凝土總重的78.2%，即已澆筑的第1層混凝土承受了第2層混凝土的大部分荷載，故分層澆筑可有效減小托架受力。

對比工況1，2的計算結(jié)果可知，首層混凝土澆筑后，因張拉上橫梁下層的部分預(yù)應(yīng)力鋼筋，托架拉桿軸力會減小，由1 660.0kN減小到1 388.1kN(以邊拉桿為例)，第2層混凝土澆筑后，工況1中托架拉桿內(nèi)力增加48.2kN，工況2中托架拉桿內(nèi)力增加115.2kN，說明張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋增大了首層上橫梁混凝土的剛度，減小了托架所受的荷載。

工況1，2中的第1層混凝土應(yīng)力如圖4所示。

圖4 上橫梁下層混凝土最終應(yīng)力分布(單位：MPa)

由圖4可知，未張拉上橫梁底層預(yù)應(yīng)力時，上橫梁下層混凝土最大拉應(yīng)力為0.4MPa，最大壓應(yīng)力為0.7MPa；張拉預(yù)應(yīng)力筋后，上橫梁下層混凝土(除預(yù)應(yīng)力管道孔壁附近外)基本處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力為1.5MPa。因此，通過張拉上橫梁下層部分預(yù)應(yīng)力鋼筋可有效降低上橫梁已澆筑混凝土應(yīng)力。

4 結(jié)語

宜昌伍家崗長江大橋上橫梁與塔柱采用異步施工，可避免模板在上橫梁位置拆除和二次安裝，加快橋塔的施工進(jìn)度。上橫梁分2層澆筑，并分次張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋，可有效減小托架所受荷載，從而減少支架鋼結(jié)構(gòu)用量，提高高空施工的安全性。

上橫梁已于2019年底完成施工，施工階段的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，托架各構(gòu)件受力和變形與模擬結(jié)果吻合。該橋塔上橫梁施工技術(shù)可為今后同類橋塔快速化施工提供參考。