橋塔橫梁施工支撐體系設計與分析*

高 昊，蘇俊省，楊 科，周任建

(1.中交路橋建設有限公司，北京 100027；2.天津大學建筑工程學院，天津 300350)

0 引言

橋塔橫梁作為塔肢間的連系構(gòu)件，一般分為上橫梁和下橫梁，對增加橋塔的整體穩(wěn)定性具有重要作用。下橫梁還為支座、阻尼器、防落梁等裝置提供安裝空間，承受主梁的部分荷載。橫梁施工方法總體上可分為無支架法、有支架法2類。無支架法需在橫梁位置處預埋型鋼桁架，利用結(jié)構(gòu)自身的剛度固定模板，因支撐體系相對較弱，混凝土澆筑工作需分多次進行，該類施工方法在澧水特大橋上橫梁施工中得到應用[1]。無支架法每施工1道橫梁，都需預埋相應的型鋼桁架，材料投入相對較多，有支架法則不需要。

從提供支架反力的角度，支架施工方法又可分為落地支架法和牛腿支架法，前者通過落地支架依靠基礎和地基提供反力，后者通過牛腿構(gòu)件依靠塔柱提供反力。二者僅反力提供來源不同，滿足落地支架法施工條件的工程場景，牛腿支架法一般也適用。施工支撐體系除應滿足強度、剛度、穩(wěn)定性等基本受力要求外，還應具備高度易調(diào)整、方便卸載、操作簡單等特點?，F(xiàn)有研究成果及設計資料多側(cè)重于橋梁橫梁支撐體系的設計和驗算，針對支撐體系技術方案和設計要點的橫向?qū)Ρ确治鲅芯可胁欢嘁?。本文結(jié)合具體橋例對3種典型支撐體系的受力特點和技術特征進行對比分析，總結(jié)相關核心要點，旨在為橋塔橫梁施工支撐體系的設計和優(yōu)化提供一定借鑒和參考。

1 支撐體系組成

選取典型橋梁橋塔橫梁施工支撐體系進行分析，如表1所示[2-7]。將橫梁施工支撐體系的設計組成提煉總結(jié)為反力支點、承重單元、分配體系和調(diào)節(jié)模塊4部分。

表1 橋塔橫梁施工支撐體系典型案例

1.1 反力支點

支撐體系通過牛腿及預埋件與塔柱聯(lián)結(jié)，為橫梁澆筑工作平臺提供反力。作為重要的連接節(jié)點，不僅要滿足基本的傳力要求，還應基于主體結(jié)構(gòu)免損傷的理念設計，具備操作簡單、拆卸方便等特點。爬錐系統(tǒng)和“錨固筋+剪力銷”系統(tǒng)[8-9]2種典型的牛腿及預埋件形式如圖1所示，實踐應用時可根據(jù)塔柱截面形式、鋼筋布置情況等進行選擇。

圖1 牛腿及預埋件形式

1.2 承重單元

作為支撐體系中的承重模塊，在滿足強度、剛度和穩(wěn)定性的前提下，應具備施工方便的特點。常見的熱軋工字鋼、H型鋼均可作為底層承重單元的受力桿件。因貝雷梁(片)和花架固定系統(tǒng)在施工中可快速集成梁格體系[10-11]，常用作上層承重單元，其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。有時出于橫梁特殊幾何線形的需要，也會定制異形承重單元，如異形貝雷梁(片)、異形桁架等。

圖2 貝雷梁(片)結(jié)構(gòu)形式

1.3 分配體系

橫梁施工支撐設計中，為均勻分配荷載、改善承重單元的受力狀態(tài)，需設置分配模塊，其布設通常需參考其他模塊的集成情況，如支架(鋼管腳手架)水平布距、承重單元的跨越能力等，進而布置型鋼桿件，形成分配體系。

1.4 調(diào)節(jié)模塊

調(diào)節(jié)模塊除能傳遞荷載外，還應具備沿豎向可伸縮功能，以用于調(diào)節(jié)模板高程、找平施工面；調(diào)節(jié)模塊在拆除支撐系統(tǒng)時還起到卸載落架的作用。工程上已見的具備此類功能的裝置或組件有砂箱(砂筒)、鋼墊塊等。本文將各類形式的支架系統(tǒng)，如盤扣式鋼管腳手架[12]、碗扣式鋼管腳手架[13]等也歸類于此模塊。

2 支撐體系的代表性設計示例

本節(jié)以某懸索橋為例(見圖3)，對比介紹3種具有代表性的塔柱橫梁施工支撐體系，如圖4所示。橋梁主跨485m，左側(cè)主塔承臺以上塔總高83m，其中上塔柱高55m，下塔柱高28m；右側(cè)主塔承臺以上塔總高86.5m，其中上塔柱高55m，下塔柱高31.5m。上、下橫梁均采用箱形斷面，按預應力A類構(gòu)件設計。

圖3 案例橋梁結(jié)構(gòu)

2.1 體系1

如圖4a所示，體系1自下而上依次為牛腿、承重托架、貝雷下分配梁、貝雷梁(片)、貝雷上分配梁、盤扣式鋼管腳手架、橫向分配梁、順向分配梁、底模系統(tǒng)。A表示反力支點模塊，B表示承重單元模塊，C表示分配體系模塊，D表示調(diào)節(jié)模塊。結(jié)構(gòu)體系組成要素如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)體系組成要素

圖4 橫梁施工支撐體系(單位：cm)

2.2 體系2

與體系1不同的是，體系2中承重托架上方設置分配梁后，直接布置承盤扣式鋼管腳手架。該體系的設計特點為去掉了體系1承重單元中的貝雷梁(片)及其上方相應的分配系統(tǒng)。

2.3 體系3

與體系1不同的是，體系3中承重托架上方設置分配梁后設置砂箱，跨中部分砂箱上方設置貝雷梁(片)，由于橫梁底部幾何線形需要，靠近支點處的砂箱上方設置定制異形桁架，該桁架和跨中部分貝雷梁(片)頂部依次上接順向、橫向分配梁及底模系統(tǒng)。該體系的設計特點為將體系1調(diào)節(jié)模塊中的盤扣式鋼管腳手架替換為砂箱。

3 有限元模型建立

按圖4所示的結(jié)構(gòu)體系，基于MIDAS Civil[14]，根據(jù)表2中的截面形式采用空間三維梁單元建立桿件有限元模型，各桿件間采用彈性連接建立對應的約束關系。

施加荷載主要分為2部分：①豎向荷載 包括新澆混凝土自重、模板自重、施工人群及機械荷載、混凝土振搗產(chǎn)生的荷載等，按相應的荷載組合進行疊加后均勻分配到模板下方的橫向分配梁上；②水平荷載 包括風荷載，相關計算參考GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[15]。計算得到的荷載集度如表3所示。

表3 模型荷載集度

4 受力特征分析

4.1 受壓狀態(tài)分析

以受壓為主的構(gòu)件主要為盤扣式鋼管支架系統(tǒng)，體系1，2盤扣式支架的軸向應力如圖5所示。

圖5 盤扣式支架的軸向應力(單位：MPa)

由圖5可知，體系1最大軸向應力為199.4MPa，小于體系2中的227.5MPa，說明體系1中的支架軸向受力狀態(tài)要優(yōu)于體系2。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是2種體系中鋼管腳手架底部構(gòu)件的變形出現(xiàn)了較大差異，體系1中支架系統(tǒng)A，B點的相對變形為1.8mm，體系2中則為3.2mm。這是因為體系1中的貝雷梁(片)更加均勻地分散了來自支架系統(tǒng)的荷載，從而使傳遞到承重托架的荷載模式優(yōu)于支架直接作用于承重托架的模式。

4.2 受彎狀態(tài)分析

承重托架的受力狀態(tài)直接決定了上方支架系統(tǒng)的變形及受力。各支撐體系承重托架的受力狀態(tài)如圖6～8所示。

圖6 體系1中承重托架的受力(單位：MPa)

圖7 體系2中承重托架的受力(單位：MPa)

圖8 體系3中承重托架的受力(單位：MPa)

由圖6～8可知，體系1中承重梁跨中部分的最大組合應力為51.6MPa，體系2中則為75.9MPa，體系1的受力狀態(tài)總體上優(yōu)于體系2，這與體系1中的支架受力優(yōu)于體系2直接相關。為進一步分析，現(xiàn)將體系2中托架承重梁的跨中截面由HW400×400 加強為HW502×470，重新進行計算，得到的組合應力則減小至44.1MPa，上方支架的軸向應力相應減小至201.0MPa。各體系中主要構(gòu)件的受彎狀態(tài)如表4所示。

表4 各體系中主要構(gòu)件的受彎狀態(tài)

由表4可知，體系2受力在3種體系中相對較差，托架承重梁跨中截面進行局部加強后，有關構(gòu)件的受力狀態(tài)與體系1，3相當；體系3中貝雷梁(片)的受彎情況略優(yōu)于體系1。說明針對本文橋例，在相同布距(體系1中支架豎桿的水平距離和體系3中貝雷梁(片)上部順向分配梁的水平距離均為60cm)的情況下，荷載通過底模系統(tǒng)下方分配梁直接傳遞至貝雷梁(片)的作用模式要優(yōu)于通過支架系統(tǒng)間接傳遞至貝雷梁(片)的作用模式。

5 技術特征對比

5.1 可拼裝性

從模塊組成討論各體系的可拼裝性，具體從可重復利用、周轉(zhuǎn)使用效率等方面展開。

1)體系1 承重單元模塊中的貝雷梁(片)及調(diào)節(jié)模塊中的盤扣式鋼管腳手架均屬于可重復使用構(gòu)件。針對本案例橋梁，兩岸索塔上、下橫梁施工時可多次周轉(zhuǎn)使用，除承重托架，無需定制其他組件，整個體系具有較強的可拼裝性。

2)體系2 省去了體系1中的貝雷梁(片)承重模塊，承重托架上方直接布置盤扣式鋼管腳手架。與體系1相比，模塊組件的種類較單一、更便于管理，在一定程度上增強了體系的可拼裝性。

3)體系3 與前2種體系不同，調(diào)節(jié)模塊中不再設置支架系統(tǒng)，該功能由砂箱(砂筒)替代實現(xiàn)。進一步豐富了承重單元模塊中的組件類型，增加了定制桁架片與原有貝雷梁(片)共同作為承重主體，但前述異形桁架片在澆筑不同位置處的橫梁時可能需要調(diào)整，周轉(zhuǎn)使用效率較低，整個體系的可拼裝性不如前兩者。

5.2 易操作性

1)體系1 各模塊組件均具有較強的可拼裝性，通過盤扣式鋼管腳手架實現(xiàn)對有關高程調(diào)節(jié)和控制的功能需求。體系的整個施工過程操作簡單、工序成熟、施工效率較高。

2)體系2 省去了搭設貝雷梁(片)的施工環(huán)節(jié)，承重托架吊裝就位后，只需按要求搭設鋼管支架、調(diào)高找平。與體系1相比，理論上易操作性更強，施工效率更高。

3)體系3 與體系2類似，承重托架安裝完成后，通過砂箱(砂筒)完成調(diào)高，隨即搭設桁架和貝雷梁(片)。如能熟練掌握砂箱(砂筒)的操作要領，該體系下的施工效率與體系2相當，甚至更高。

綜合受力特征分析和技術特征對比，歸納3種橫梁施工支撐體系比較分析結(jié)果，如表5所示。實際施工中，案例橋梁采用了結(jié)構(gòu)體系1進行懸索橋橋塔上、下橫梁的澆筑。

表5 橫梁施工支撐體系比較分析結(jié)果

6 結(jié)語

本文將典型橋塔橫梁施工支撐設計劃分為反力支點、承重單元、分配體系和調(diào)節(jié)模塊4部分，每種模塊下列出了豐富的組件類型，以集成不同的支撐體系。并通過實際橋例，對3種具有代表性的體系進行對比，主要得到以下結(jié)論。

1)調(diào)節(jié)模塊中使用鋼管腳手架時，一般會增加相鄰構(gòu)件(如貝雷梁(片)、承重托架)的受力負擔，尤其直接與承重梁接觸時，應特別注意有關跨中區(qū)域的驗算。必要時應對梁體進行局部加強，以改善相關承重構(gòu)件及支架本身的受力狀態(tài)。

2)貝雷梁(片)作為承重單元模塊中的典型組件，能以更好的荷載作用模式傳遞至下方承重構(gòu)件，有效改善底層承重單元的受力狀態(tài)，這也是體系1受力狀態(tài)優(yōu)于體系2的根本原因。

3)僅保留承重托架作為承重單元，配合使用調(diào)節(jié)模塊中鋼管腳手架的支撐體系(體系2)具有重復利用率高、易操作性強、施工速度快等優(yōu)勢。

4)通過砂箱(砂筒)實現(xiàn)調(diào)節(jié)模塊的功能，同時進一步豐富承重單元模塊中的組件類型，增加定制桁架與貝雷梁(片)共同作為承重主體的支撐方案，在一些特定工程案例中(如橫梁底部幾何線形特殊、設置有幕墻等場景)具備一定競爭力。算例結(jié)果也表明，該種體系的受力狀態(tài)較好。