花江峽谷大橋索塔下橫梁支架設(shè)計(jì)及驗(yàn)算

吳朝明

（貴州橋梁建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，貴州貴陽(yáng) 550000）

1 工程概況

花江峽谷大橋?yàn)榱χ涟昌埜咚俟讽?xiàng)目控制性工程，橋梁全長(zhǎng)2890m，結(jié)構(gòu)形式為5×40m（T梁）+1420m鋼桁梁懸索橋+8×40m（T梁）+（86+160+86）m連續(xù)剛構(gòu)+15×40m（T梁）。安龍岸索塔的結(jié)構(gòu)形式是門式框架結(jié)構(gòu)，共有兩個(gè)塔柱和兩道橫梁。塔柱采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，均采用C55級(jí)混凝土。塔柱總高為204m，其中下塔柱高47m，上塔柱高157m。下橫梁為空心箱形截面，橫梁高10m，寬度10.1m。橫梁與塔柱采用自爬升架+貝雷梁現(xiàn)澆方案并異步施工，高度方向上分兩次澆筑，每次澆筑5m。

2 下橫梁支架設(shè)計(jì)

下橫梁現(xiàn)澆支架縱橋向布置4排自爬升架作為支撐，每排2根，共計(jì)8根自爬升支撐立柱，自爬升架橫橋向布置間距7.5m+9m+7.5m，縱橋向布置間距9m，兩排自爬升架全部置于塔柱底承臺(tái)及承臺(tái)地系梁頂面，在承臺(tái)及系梁施工時(shí)預(yù)埋相應(yīng)預(yù)埋件[1]。

自爬升架支架自塔柱底橫梁以上設(shè)置二道平聯(lián)連接，然后每隔12m設(shè)置一道平聯(lián)連接，平聯(lián)立柱采用扣件連接。自爬升架頂部安裝卸載砂箱，沿縱橋向方向在每列自爬升架頂部搭設(shè)一組12m長(zhǎng)的I63a三拼工字鋼作為主承重梁。在該工字鋼承重主梁上架設(shè)12組共24片貝雷桁架，貝雷桁架片上方以0.3m間距鋪設(shè)12m長(zhǎng)的I16工字鋼作為分配梁，分配梁上以0.2m的間距沿縱橋向方向滿鋪10×10cm方木跳板，然后鋪設(shè)下橫梁底部模板以及側(cè)模。下橫梁施工支架布置情況見(jiàn)圖1。

圖1 下橫梁施工支架布置圖（單位：cm）

2.1 自爬升架

單枝的立柱由四部分構(gòu)成，分別是頂、底、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段以及立柱提升框架。自爬升架的材質(zhì)為Q345鋼，其標(biāo)準(zhǔn)節(jié)高3m，調(diào)整節(jié)節(jié)高2m，頂節(jié)段高2.5m。節(jié)段立柱焊接鋼管的直徑為219mm，壁厚為14mm。節(jié)段間的連接方式采用高強(qiáng)螺栓，尺寸為M24×90[2]。機(jī)架結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 機(jī)架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.2 貝雷梁

本支架由12組共24片貝雷桁架組成，一組梁由2片桁架及支撐架組成，兩片桁架間距均為45cm。根據(jù)下橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況，各組貝雷梁間距為（0.68+0.68+0.9+1.2+1.2+1.2+0.9+0.68+0.68）m。

3 計(jì)算說(shuō)明

依據(jù)支架設(shè)計(jì)方案，采用工程有限元計(jì)算軟件Midas/civil對(duì)該支架進(jìn)行了設(shè)計(jì)校核工作。下橫梁現(xiàn)澆支架各個(gè)桿件均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行輸入，I16縱橋向分配梁頂部建立板單元用于荷載傳遞。

下橫梁高10m，實(shí)際施工時(shí)分成5m+5m兩層進(jìn)行分層澆筑，首先完成下部5m高度范圍內(nèi)的下橫梁混凝土澆筑，等混凝土凝固后達(dá)到要求的強(qiáng)度等級(jí)時(shí)方可進(jìn)行上層的5m混凝土澆筑。分層澆筑施工工藝決定了上層混凝土澆筑時(shí)，下層混凝土已經(jīng)達(dá)到了一定的強(qiáng)度，可以承受一定的荷載，后續(xù)澆筑時(shí)現(xiàn)澆支架將不再承受下橫梁混凝土全部的自重荷載。為保證下橫梁現(xiàn)澆支架的安全性，下橫梁現(xiàn)澆支架的設(shè)計(jì)校核工作需針對(duì)下橫梁開(kāi)口箱（即9m高）的澆筑混凝土自重荷載及相應(yīng)活荷載進(jìn)行。在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，將下橫梁開(kāi)口箱澆筑高度為9m的混凝土，然后對(duì)自重及對(duì)應(yīng)施工荷載進(jìn)行組合分析。

4 荷載計(jì)算

下橫梁澆筑時(shí)現(xiàn)澆支架主要承受支架、上部分配梁、支架模板、澆筑的混凝土等的自身重量、施工荷載以及混凝土振搗荷載等。計(jì)算模型采用了梁、板單元結(jié)合的方式建立，所有上述荷載均轉(zhuǎn)化為梁?jiǎn)卧€荷載及板單元壓力荷載進(jìn)行計(jì)算[3]。

各個(gè)荷載的詳細(xì)統(tǒng)計(jì)情況如下：

（1）支架自重Q1（恒載）

包括自爬升支架，3I63a主承重梁，貝雷片以及上部I16小分配梁、木方均通過(guò)軟件建立出結(jié)構(gòu)模型，利用重力密度計(jì)算公式由計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算。

（2）模板自重Q2（恒載）

采用15mm厚的竹膠板作為支架的底模，均布荷載值取0.35kN/m2，分布于下橫梁投影范圍內(nèi)，寬度10.27m，長(zhǎng)度29.44m。

（3）施工均布活荷載Q3（活載）

根據(jù)橋梁施工相關(guān)規(guī)范，并結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)，施工均布活荷載值?。?kN/m2，分布于下橫梁投影范圍內(nèi)，縱橋向?qū)挾?0.27m，長(zhǎng)度29.44m。

（4）混凝土振搗荷載Q4（活載）

依據(jù)相關(guān)規(guī)范，混凝土振搗均布荷載值取2kN/m2，分布于下橫梁投影范圍內(nèi)，縱橋向?qū)挾?0.27m，長(zhǎng)度29.44m。

（5）下橫梁澆筑混凝土自重Q5（恒載）

①腹板部分自重

腹板部分澆筑厚度為1m，澆筑高度按開(kāi)口箱計(jì)算，為9m。

腹板部分布荷載：26kN/m3×9m=234kN/m2。

②底板部分自重

底板部分計(jì)算澆筑厚度為1m。

底板部分分布荷載：26kN/m3×1m=26kN/m2。

③端部實(shí)心段自重

端部實(shí)心段計(jì)算澆筑高度為9m。

腹板部分布荷載：26kN/m3×9m=234kN/m2

將統(tǒng)計(jì)得到的荷載值施加到下橫梁現(xiàn)澆支架模型進(jìn)行計(jì)算，得到該支架結(jié)構(gòu)在各設(shè)計(jì)荷載條件下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況，根據(jù)相關(guān)的規(guī)范要求對(duì)設(shè)計(jì)荷載進(jìn)行組合：

①?gòu)?qiáng) 度驗(yàn) 算荷 載 組 合：1.2×（Q1+Q2+Q5）+1.4×（Q3+Q4）；

②剛度驗(yàn)算荷載組合：1×（Q1+Q2+Q5）

對(duì)于設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)值S應(yīng)該滿足式（1）：

式（1）中：γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，對(duì)于支架結(jié)構(gòu)其值為0.9，為保證支架結(jié)構(gòu)在施工期間的安全，本處取1.0，γ0=1.0；R為結(jié)構(gòu)抗力，依據(jù)規(guī)范進(jìn)行確定[4]。

5 強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果

花江峽谷大橋安龍岸索塔下橫梁現(xiàn)澆支架的貝雷片最大組合應(yīng)力268.2MPa＜f1=310MPa，最大剪應(yīng)力118.8MPa＜f1v=180MPa，均滿足承載力要求。支架的3I63a型鋼主承重梁最大組合應(yīng)力155.2MPa＜f2=205MPa，最大剪應(yīng)力82.3MPa＜f2v=120MPa，支架材料滿足承載力要求。

自爬升鋼管柱的最大組合應(yīng)力111.8MPa＜f2=205MPa，考慮鋼管樁豎向受壓，對(duì)其進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算如，計(jì)算鋼管對(duì)應(yīng)穩(wěn)定因數(shù)φ=0.9378，則自爬升鋼管柱設(shè)計(jì)應(yīng)力值在軸壓不變的情況下應(yīng)如式（2）：

該值大于鋼管立柱在設(shè)計(jì)組合荷載下的最大組合應(yīng)力值111.8MPa及最大軸向應(yīng)力88.6MPa，鋼管立柱滿足穩(wěn)定性要求。

下橫梁現(xiàn)澆支架3I63a的相對(duì)撓度最大值w=34.2mm-27.4mm=6.8mm＜L/400=5800mm/400=14.5mm，3I63a型 鋼主承重梁滿足模板支撐剛度要求。貝雷片相對(duì)撓度最大值w=37.4mm-34.3mm=3.1mm＜L/400=9000mm/400=22.5mm，滿足模板支撐所需要的剛度條件。

6 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)計(jì)算，下橫梁自爬升架+貝雷梁支架體系強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，自爬升架豎向剛度大，承載能力強(qiáng)，體系穩(wěn)定安全。相比鋼管樁本方案采用自爬升架裝配化程度高，現(xiàn)場(chǎng)安裝速度快。且因橫橋向取消了托架，避免了預(yù)埋牛腿安裝和拆除等施工工序，避免了焊接等工藝不足而帶來(lái)的安全隱患。本項(xiàng)目索塔下橫梁的支架設(shè)計(jì)可為其他類似特大型橋梁索塔橫梁支架設(shè)計(jì)提供參考。