下橫梁支架系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與施工

董春光, 王曉佳， 羅吉慶, 龔明

(1.保利長(zhǎng)大工程有限公司， 廣州 510230； 2.廣東省建設(shè)有限公司， 廣州 510230)

主塔是斜拉橋、懸索橋標(biāo)志性的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，有H型、A型、鉆石型等多種形式。下橫梁是主塔結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其主要作用表現(xiàn)在，一方面可以平衡左右塔肢水平分力；另一方面聯(lián)系主塔雙塔肢，增強(qiáng)主塔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。隨著橋梁跨度的增大，下橫梁的體量也在逐漸增大，另外，為了體現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)力與美的完美結(jié)合，下橫梁也會(huì)被設(shè)計(jì)成各種優(yōu)美且獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式，這無(wú)疑都大大地增加了下橫梁的施工難度[1-3]。

以往的下橫梁施工支架系統(tǒng)主要采用鋼管樁結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變鋼管樁的布置形式，實(shí)現(xiàn)承受下橫梁施工期各種荷載的目的。沈偉等[4]采用扇形落地鋼管樁支架進(jìn)行舟岱跨海大橋的下橫梁施工，分兩次澆筑，鋼管樁支架按照全部下橫梁荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)。李春江[5]采用鋼管樁支架法進(jìn)行石首長(zhǎng)江公路大橋的下橫梁施工，通過(guò)方案比選，采用分兩次澆筑、塔梁異步的施工方案，其中鋼管樁支架設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮第一次澆筑混凝土的施工荷載。高有德[6]采用鋼管貝雷梁支架進(jìn)行云南江底河特大橋的下橫梁施工，分兩次進(jìn)行澆筑，其中第二次澆筑混凝土荷載由第一次澆筑下橫梁與下橫梁支架共同承受，下橫梁支架按承受第二次澆筑混凝土荷載的50%。謝馬賢[7]采用落地鋼管樁支架進(jìn)行龍江特大橋的下橫梁施工，由于下橫梁離承臺(tái)面較高，下橫梁支架每隔12 m左右均與塔柱進(jìn)行連接，以增加下橫梁支架的穩(wěn)定性，分兩次澆筑，下橫梁支架設(shè)計(jì)時(shí)僅承受第一次澆筑混凝土荷載。潘博等[8]采用落地支架法進(jìn)行蕪湖長(zhǎng)江三橋2號(hào)橋的下橫梁施工，分兩次澆筑，鋼管樁支架設(shè)計(jì)時(shí)，僅考慮第一次澆筑混凝土重量，在第一次澆筑混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%時(shí)，通過(guò)張拉部分預(yù)應(yīng)力有效減小了支架受力。

雖鋼管樁支架成功運(yùn)用于各種下橫梁施工中，但是鋼管樁的單樁承載力有限，若鋼管樁受力過(guò)大，易造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，且鋼管樁打設(shè)困難，易出現(xiàn)卷邊。當(dāng)下橫梁體量較大時(shí)，只能通過(guò)增加鋼管樁數(shù)量來(lái)彌補(bǔ)單樁承載力受限的不足，這樣勢(shì)必導(dǎo)致施工經(jīng)濟(jì)性較差。另外由于下橫梁下方空間狹窄，鋼管樁數(shù)量較多時(shí)，其布置繁瑣，施工困難。對(duì)于在支架上分層施工的下橫梁，上層混凝土在澆筑施工時(shí)，由于下層混凝土已澆筑完成且存在一定的剛度，上層澆筑的混凝土荷載一部分由下層混凝土承載，另一部分由支架承擔(dān)，由支架承擔(dān)的這部分荷載則是支架承載力設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。在以往的施工過(guò)程中，對(duì)于支架承擔(dān)的荷載比率多根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)預(yù)估，在0～100%取值，若取值不足，則支架設(shè)計(jì)承載力不夠，帶來(lái)施工風(fēng)險(xiǎn)，若取值過(guò)大，則支架設(shè)計(jì)承載力太強(qiáng)，造成資源浪費(fèi)。

針對(duì)大體量的下橫梁施工難題，現(xiàn)以深中通道伶仃洋大橋?yàn)楣こ瘫尘?，旨在提出一種新的支架系統(tǒng)方案，用以解決采用鋼管樁支架系統(tǒng)施工時(shí)引起的一系列問(wèn)題；提出采用有限元分析方法確定下橫梁施工過(guò)程中新澆筑混凝土荷載在下層混凝土與支架中的分配比率；對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的支架系統(tǒng)進(jìn)行安全性驗(yàn)算，用以確保施工安全。希望本工程下橫梁安全、經(jīng)濟(jì)、高效的施工經(jīng)驗(yàn)，為其他同類(lèi)型工程施工方案的制定提供一定的借鑒意義。

1 工程概況

深中通道項(xiàng)目北距虎門(mén)大橋約30 km，南距港珠澳大橋約38 km，項(xiàng)目全長(zhǎng)約24 km，其中跨海段長(zhǎng)22.4 km。伶仃洋大橋?yàn)槿◇w系的三跨鋼箱梁懸索橋，跨徑布置為580 m+1 666 m+580 m，采用海中重力式錨碇結(jié)構(gòu)，矢跨比為1:9.65。索塔為門(mén)式塔結(jié)構(gòu)，采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，設(shè)置兩個(gè)分離式圓形承臺(tái)，塔柱采用8邊形截面，設(shè)置上、中、下3道橫梁[9]。下橫梁采用領(lǐng)結(jié)型設(shè)計(jì)，梁底與承臺(tái)頂面同標(biāo)高，端部高16.57 m，頂寬14.7 m，底寬15.5 m；跨中高13.0 m，頂寬10.3 m，底寬10.9 m，中間由頂面兩段直線過(guò)渡。采用箱形構(gòu)造，橫橋向設(shè)置3道隔板，其中底板、腹板厚度均為3 m，隔板厚度為2 m，總體方量約5 898.5 m3。下橫梁立面布置圖如圖1所示。

圖1 伶仃洋大橋下橫梁立面布置圖Fig.1 The elevation layout of the lower crossbeam of Lingdingyang Bridge

伶仃洋大橋西塔下橫梁施工存在幾大難點(diǎn)：①混凝土體量大，施工荷載大；②施工作業(yè)空間受限，涉及水下支架施工，施工風(fēng)險(xiǎn)和難度大；②確定分層澆筑砼結(jié)構(gòu)中上層砼荷載在下層砼與支架中的分配比率難度大，缺乏項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)。為解決上述難題，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)南聶M梁施工支架體系顯得尤為關(guān)鍵。

2 方案設(shè)計(jì)與比選

伶仃洋大橋分離式圓形承臺(tái)與下橫梁的位置關(guān)系分為接觸區(qū)域和未接觸區(qū)域，其中非接觸區(qū)域下橫梁段(脫空梁段)軸線長(zhǎng)度為19.9 m。下橫梁施工時(shí)，接觸區(qū)域由承臺(tái)頂面作為下橫梁澆筑時(shí)的底模板，非接觸區(qū)域由支架系統(tǒng)形成支撐結(jié)構(gòu)。

下橫梁按豎向分層、橫向分段的形式進(jìn)行施工。豎向分三層澆筑成型，澆筑高度為6 m+5.3 m+(1.7～5.27)m，每層澆筑方量分別為：2 644.5 m3+1 628.5 m3+1 625.5 m3；橫向分三段澆筑，左、右段同時(shí)澆筑，2 m寬后澆帶最后澆筑，后澆帶內(nèi)邊緣線距離橋梁中心線2.645 m。

2.1 鋼管樁支架系統(tǒng)

鋼管樁支架系統(tǒng)由25根直徑1.0 m的鋼管樁作為基礎(chǔ)支撐，在鋼管樁上依次鋪設(shè)卸荷砂箱、承重梁、分配梁、底模板作為承重結(jié)構(gòu)。

鋼管樁橫、豎向均布置5排，間距為2.5～4.0 m 不等；承重梁由3HN900組成，橫向擺放五排；分配梁由HM588組成，縱向擺放21排，底模板由雙拼10#槽鋼+1.8 cm竹膠板組成。鋼管樁支架系統(tǒng)布置如圖2所示。

圖2 鋼管樁支架系統(tǒng)布置圖Fig.2 Layout of steel pipe pile support system

2.2 鉆孔灌注樁支架系統(tǒng)

鉆孔灌注樁支架系統(tǒng)由12根直徑1.2 m的灌注樁作為基礎(chǔ)支撐，然后在灌注樁上依次鋪設(shè)卸荷砂箱、承重梁、分配梁、底模板作為承重結(jié)構(gòu)。灌注樁橫向布置三排，間距為6.5 m+6.5 m，縱向布置四排，間距為3.5 m+4.0 m+3.5 m;承重梁由3HN900組成，橫向擺放4排，分配梁由HM588組成，縱向擺放21排；底模板由雙拼10#槽鋼+1.8 cm竹膠板組成。鉆孔灌注樁支架系統(tǒng)布置如圖3所示。

2.3 有限元模型

下橫梁施工采用大型通用有限元軟件建立實(shí)體結(jié)構(gòu)分析模型，鋼管樁支架系統(tǒng)和鉆孔灌注樁支架系統(tǒng)施工分別建立模型，共計(jì)2個(gè)。

模型中鋼管樁、鉆孔灌注樁、承重梁、分配梁、底模板、下橫梁均采用實(shí)體(solid)單元模擬，采用六面體網(wǎng)格形式；普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼筋采用線(wire)單元模擬，采用桁架(truss)網(wǎng)格形式；鋼管樁支架系統(tǒng)共劃分為248 435個(gè)網(wǎng)格單元，鉆孔灌注樁支架系統(tǒng)共劃分為226 237個(gè)網(wǎng)格單元。

鋼管樁與承重梁、鉆孔灌注樁與承重梁、承重梁與分配梁之間采用捆綁(tie)連接方式，分配梁與底模板、底模板與下橫梁之間采用面面(surface-to-surface)連接方式；鋼管樁底部、鉆孔灌注樁底部、下橫梁與承臺(tái)接觸位置采用固定約束的邊界條件形式；結(jié)構(gòu)自重，在澆筑時(shí)以以面荷載的形式施加，當(dāng)形成實(shí)體時(shí)，以自重荷載的形式施加，預(yù)應(yīng)力荷載以降溫法的形式施加[10-11]。

實(shí)體結(jié)構(gòu)模型(未示出鋼管樁以及鉆孔灌注樁)及部分構(gòu)件網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 有限元分析圖Fig.4 Diagram of finite element analysis

2.4 方案比選

從以下3個(gè)方面進(jìn)行方案比選分析。

(1)技術(shù)方面：經(jīng)計(jì)算分析，鋼管樁支架系統(tǒng)在下橫梁施工過(guò)程中，單根鋼管樁的最大受力達(dá)到340 t，單樁承載力較大，穩(wěn)定性差，對(duì)打設(shè)設(shè)備能力要求較高；入土較深，達(dá)到50 m，且最下層持力層較堅(jiān)硬，鋼管樁端頭易出現(xiàn)卷邊等不利現(xiàn)象。

(2)經(jīng)濟(jì)方面：鋼管樁支架系統(tǒng)相比鉆孔灌注樁支架系統(tǒng)用鋼量方面多，如鋼管較長(zhǎng)及需增加兩排3HN900承重梁，且鋼材價(jià)格較混凝土價(jià)格高很多。經(jīng)核算，相比鋼管樁支架系統(tǒng)，采用鉆孔灌注樁支架系統(tǒng)可節(jié)約造價(jià)約100萬(wàn)元。

(3)施工工序：鉆孔灌注樁施工包括鉆樁成孔、鋼筋籠下放、混凝土澆筑等工序，而鋼管樁只需機(jī)械設(shè)備打設(shè)即可，相對(duì)來(lái)說(shuō)，鉆孔灌注樁支架系統(tǒng)較鋼管樁支架系統(tǒng)施工工序復(fù)雜。

經(jīng)綜合比選，鉆孔灌注樁支架系統(tǒng)更適合本項(xiàng)目下橫梁施工。

3 荷載傳遞比

3.1 荷載傳遞比分析

伶仃洋大橋主塔下橫梁采用在鉆孔灌注樁支架系統(tǒng)上豎向分3層施工的總體施工方案。第1層混凝土施工完成后，形成整體結(jié)構(gòu)，具有一定剛度，能夠承擔(dān)一定荷載作用。在第2層混凝土澆筑時(shí)，第2層混凝土荷載一部分由第1層混凝土承擔(dān)，另一部分傳到支架上，由支架承擔(dān)。同理，第3層混凝土荷載一部分由第1、2層混凝土承擔(dān)，另一部分傳到支架上，由支架承擔(dān)。本節(jié)以有限元模型為基礎(chǔ)，對(duì)上層混凝土荷載在下層混凝土與支架上的荷載分配比率進(jìn)行計(jì)算分析，得出荷載傳遞至支架上的比率，即荷載傳遞比，用于支架系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

計(jì)第1層混凝土澆筑施工為工況1，第2層混凝土澆筑施工為工況2，第3層混凝土澆筑施工為工況3。通過(guò)提取模型中鉆孔灌注樁底部支反力，扣除鉆孔灌注樁支架系統(tǒng)自身重力，得到混凝土澆筑后，支架上承擔(dān)的荷載。3種工況下，每根鉆孔灌注樁支反力計(jì)算結(jié)果(扣除支架系統(tǒng)自身重力)如表1所示，荷載傳遞比計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由以上計(jì)算結(jié)果可知：①已澆筑的下層混凝土在形成整體后，具有較大剛度，可承擔(dān)上層混凝土澆筑后的大部分荷載，第2層混凝土澆筑時(shí)，第1層混凝土承擔(dān)荷載值的71.4%，支架承擔(dān)荷載值的18.6%，第3層混凝土澆筑時(shí)，第1、2層混凝土承擔(dān)荷載值的92.9%，支架承擔(dān)荷載值的7.1%；②隨著澆筑混凝土層數(shù)增多，已澆筑混凝土結(jié)構(gòu)整體剛度越大，所能承擔(dān)的荷載值越大，支架所承擔(dān)的荷載值越小。

表1 鉆孔灌注樁支反力

表2 荷載傳遞比

3.2 混凝土應(yīng)力分析

在支架上澆筑的上層混凝土，其荷載小部分由支架承擔(dān)，大部分均由下層混凝土承擔(dān)，因此下層混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)隨支架產(chǎn)生一定的豎向位移，而下橫梁與承臺(tái)接觸區(qū)域支撐穩(wěn)固，基本不會(huì)發(fā)生豎向位移，這樣勢(shì)必在下層混凝土上緣產(chǎn)生不利于混凝土結(jié)構(gòu)安全的拉應(yīng)力，以下分析討論下橫梁在施工過(guò)程中的拉應(yīng)力。在下橫梁施工過(guò)程中，下橫梁結(jié)構(gòu)在工況2、工況3條件的主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示。

由以上計(jì)算結(jié)果可知：①下橫梁最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在與承臺(tái)接觸區(qū)域和非接觸區(qū)域交界面的混凝土上緣；②隨著澆筑層數(shù)的增加，下橫梁剛度逐漸增大，豎向位移變小，混凝土最大主拉應(yīng)力逐漸變??；③下橫梁后澆段設(shè)置在左半邊，左半邊脫離承臺(tái)較右半邊脫離承臺(tái)近，所以左半邊混凝土主拉應(yīng)力較右半邊小。

4 支架系統(tǒng)安全性驗(yàn)算

分層施工的混凝土結(jié)構(gòu)，當(dāng)計(jì)算得到荷載傳遞比后，可以對(duì)支架系統(tǒng)承載力進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。支架優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約的同時(shí)，滿足結(jié)構(gòu)安全性要求。結(jié)構(gòu)安全性是能夠進(jìn)行施工的前提條件。本節(jié)將對(duì)優(yōu)化后的鉆孔灌注樁支架系統(tǒng)進(jìn)行安全性驗(yàn)算，確保施工安全。

鉆孔灌注樁支架系統(tǒng)中承重梁(3HN900)、分配梁(HM588)在工況1、工況2、工況3條件下應(yīng)力、豎向位移的有限元計(jì)算結(jié)果云圖如圖7～圖10所示。

由以上計(jì)算結(jié)果可知：①承重梁所用材料的屈服應(yīng)力為345 MPa，三種工況條件下承重梁最大 Mises 應(yīng)力為324 MPa，承重梁的應(yīng)力響應(yīng)值在安全范圍內(nèi)；②分配梁所用材料的屈服應(yīng)力為235 MPa，在三種工況條件下分配梁的應(yīng)力響應(yīng)值基本在0～235 MPa的安全范圍內(nèi)，在分配梁腹板存在微小部分的應(yīng)力超限現(xiàn)象，超限區(qū)域?yàn)樯贁?shù)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)區(qū)域，可忽略不計(jì)，此為局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，不影響結(jié)構(gòu)的整體性能；③承重梁在三種工況條件下的最大豎向位移為18.8 mm，而對(duì)應(yīng)支點(diǎn)(鉆孔灌注樁)的豎向位移為6.0 mm，所以承重梁的絕對(duì)位移為12.8 mm，小于其豎向位移允許值17.96 mm；④分配梁在三種工況條件下的最大豎向位移為 17.9 mm，而對(duì)應(yīng)支點(diǎn)(承重梁)的豎向位移為 16.1 mm，所以分配梁的絕對(duì)位移為1.8 mm，小于其豎向位移允許值10.25 mm。所以鉆孔灌注樁支架系統(tǒng)的安全性滿足要求[12-13]。

圖5 下橫梁在工況2條件下的最大主拉應(yīng)力Fig.5 The maximum principal tensile stress of the lower crossbeam under the second condition

圖6 下橫梁在工況3條件下的最大主拉應(yīng)力Fig.6 The maximum principal tensile stress of the lower crossbeam under the third condition

圖7 承重梁應(yīng)力云圖Fig.7 Stress nephogram of load-bearing beam

圖8 承重梁位移云圖Fig.8 Displacement nephogram of load-bearing beam

圖9 分配梁應(yīng)力云圖Fig.9 Stress nephogram of distribution beam

圖10 分配梁位移云圖Fig.10 Displacement nephogram of distribution beam

5 結(jié)論

針對(duì)大體量主塔下橫梁的施工難題，以深中通道伶仃洋大橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過(guò)采用大型通用有限元軟件建立實(shí)體模型進(jìn)行計(jì)算分析的技術(shù)手段，展開(kāi)了一系列的分析和研究，得出如下結(jié)論。

(1)鉆孔灌注樁支架系統(tǒng)較鋼管樁支架系統(tǒng)在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面具有一定優(yōu)勢(shì)，在巧妙的解決鋼管樁支架系統(tǒng)中鋼管樁承載力受限且易失穩(wěn)、鋼管樁打設(shè)困難且易卷邊問(wèn)題的同時(shí)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益；

(2)分層施工的下橫梁結(jié)構(gòu)，下層混凝土形成整體后，具有一定剛度，能夠承擔(dān)上層混凝土施工時(shí)的一部分荷載，另一部分荷載傳遞至支架上，且隨著下層混凝土施工層數(shù)的增加，下層混凝土剛度隨之增大，傳遞至支架上的荷載隨之減小。

(3)在得到荷載傳遞比后，可以對(duì)支架系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約的同時(shí)，滿足結(jié)構(gòu)安全性要求。對(duì)優(yōu)化后的鉆孔灌注樁支架系統(tǒng)進(jìn)行安全性驗(yàn)算，結(jié)果表明該支架系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力、位移滿足施工安全性要求。