懸索橋主塔上橫梁支架形式對比分析

盧新宇，韋苡松

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

懸索橋作為目前跨越能力最大的橋型，隨著材料及技術(shù)的更新，懸索橋主跨已經(jīng)向2 000 m突破。主塔作為懸索橋重要的受力結(jié)構(gòu)，主要承載橋梁結(jié)構(gòu)的大部分豎向荷載。主塔上橫梁是主塔結(jié)構(gòu)不可或缺的一部分，其施工臨時(shí)支架的形式將影響主塔整體進(jìn)度安排。本文從影響主塔上橫梁臨時(shí)支架形式的因素進(jìn)行分析，介紹龍門大橋主塔上橫梁支架施工東岸及西岸的兩種不同方案，分析不同方案的合理性、可操作性、安全性及經(jīng)濟(jì)性。

1 依托項(xiàng)目概況

懸索橋是用懸掛在主塔上的強(qiáng)大纜索作為主要承重結(jié)構(gòu)，主塔作為懸索橋的重要受力構(gòu)件，起著支撐主纜的作用。主塔的高度通常與橋梁跨徑有關(guān)，一般懸索橋主纜垂度較大，故橋梁跨越長度越大，主塔越高。主塔的設(shè)計(jì)形式多種多樣，且為保證主塔結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，一般均設(shè)計(jì)有橫梁結(jié)構(gòu)。

龍門大橋?yàn)閱慰缛◇w系懸索橋，主跨為1 098 m，主塔高174 m，塔柱向內(nèi)傾斜坡率為1∶26.52(偏移距離∶塔柱高度)。主塔上設(shè)計(jì)有上橫梁及下橫梁，下橫梁設(shè)計(jì)與承臺連接，上橫梁高度為12 m，底緣最大長度為27.2 m，底面距承臺頂150.4 m。上橫梁混凝土方量共1 280 m3，分兩層進(jìn)行澆筑，單次最大澆筑方量為660 m3。

2 影響支架形式的因素分析

主塔上橫梁混凝土荷載集度大，采用的施工臨時(shí)支架一般分為鋼管支架、牛腿托架、內(nèi)置支架及組合支架幾種類型。對于支架形式的選擇，有以下幾項(xiàng)因素會對其產(chǎn)生影響[1-5]：

(1)支架施工高度對支架形式的影響。上橫梁一般作業(yè)高度較高，若采用鋼管支架，則對鋼管安裝的垂直度要求十分嚴(yán)格，否則會給支架帶來偏心受力，嚴(yán)重影響支架穩(wěn)定性。另外，鋼管支架的施工周期相對較長，施工過程需要較多作業(yè)平臺，安全風(fēng)險(xiǎn)也相對較高。故支架施工高度較高時(shí)，一般采用牛腿托架的方式進(jìn)行上橫梁施工。

(2)上橫梁結(jié)構(gòu)長度及澆筑分層高度對支架形式的影響。上橫梁結(jié)構(gòu)長度越長，則對支架的跨越能力要求越高；上橫梁澆筑分層的層數(shù)越少，單次澆筑混凝土方量就越大，則需要支架的承載能力越強(qiáng)。這兩項(xiàng)因素對于支架選型影響不大，主要影響支架整體材料的用鋼量，跨徑越大，分層越少，則支架整體用鋼量就會增多。

(3)主塔塔柱的構(gòu)造對支架形式的影響。主塔塔柱的構(gòu)造主要影響牛腿支架的形式，鋼管支架一般搭設(shè)在下方的承臺或橫梁上，牛腿支架及內(nèi)置支架一般采取在塔柱上施作牛腿進(jìn)行支撐。牛腿的形式有直接預(yù)埋型鋼、預(yù)埋錨錐、預(yù)留拉桿通道等，故可根據(jù)主塔塔柱截面尺寸及材料構(gòu)成來選擇適當(dāng)?shù)呐Ｍ刃问健?/p>

鋼管支架與牛腿支架兩種支架的對比如表1所示。龍門大橋主塔上橫梁施工高度高，施工跨徑大，故采用牛腿支架的形式施工。由于橋位東岸與西岸的施工條件、工藝選擇及施工進(jìn)度等原因，采用了不同的牛腿支架形式：東岸采用塔柱內(nèi)預(yù)埋牛腿+K型托架的形式進(jìn)行支撐，西岸采用張拉型牛腿+桁架梁的形式進(jìn)行支撐。下文將具體介紹這兩種支架形式的設(shè)計(jì)與施工。

表1 鋼管支架與牛腿支架對比分析表

3 東岸主塔上橫梁支架設(shè)計(jì)

3.1 支架形式

圖1 東岸上橫梁牛腿支架結(jié)構(gòu)示意圖(mm)

因龍門大橋主塔內(nèi)腔為直徑6 m的鋼圓筒，鋼圓筒厚度達(dá)16 mm。為不破壞塔柱內(nèi)腔鋼圓筒結(jié)構(gòu)，減少現(xiàn)場補(bǔ)焊作業(yè)，保證鋼圓筒結(jié)構(gòu)整體性，支架牛腿采用預(yù)埋在塔柱混凝土內(nèi)的形式。支架牛腿由4塊3 cm厚鋼板組拼而成，高0.4 m、長1.3 m，以在主塔塔身內(nèi)預(yù)留鐵盒的形式進(jìn)行預(yù)埋，預(yù)埋深度≥0.7 m，在支架安裝前將整個(gè)牛腿安裝至預(yù)埋盒中。

3.2 設(shè)計(jì)荷載及驗(yàn)算結(jié)果

東岸擬將12 m高的上橫梁分兩層澆筑，在第一層澆筑完成之后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉，上橫梁第二層荷載大部分由已完成的上橫梁第一層承載，故支架設(shè)計(jì)支承荷載為上橫梁第一層混凝土荷載，共為660 m3×26 kN/m3=17 160 kN。支架的臨時(shí)荷載包括模板荷載、混凝土傾倒荷載及振搗荷載、人群荷載，共計(jì)6.5 kN/m2；支架的風(fēng)荷載根據(jù)規(guī)范計(jì)算為3.22 kN/m2。

采用Midas Civil軟件對牛腿支架進(jìn)行模擬分析，荷載組合為：1.2×支架自重+1.2×第一層混凝土荷載+1.4×施工荷載+1.1×風(fēng)荷載。計(jì)算結(jié)果如表2所示，從表2可知，托架結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件強(qiáng)度、剛度均滿足要求。經(jīng)模型計(jì)算，托架最不利工況屈曲模態(tài)特征值為16.57，大于設(shè)計(jì)要求的最小值4，支架穩(wěn)定性滿足要求。

表2 東岸牛腿支架主要構(gòu)件計(jì)算結(jié)果匯總表

4 西岸主塔上橫梁支架設(shè)計(jì)

4.1 支架形式

圖2 西岸上橫梁牛腿支架結(jié)構(gòu)示意圖(cm)

為保證主塔塔柱混凝土澆筑，減少對鋼筋安裝的影響，采用張拉型牛腿進(jìn)行桁架梁支撐。張拉型牛腿包括牛腿構(gòu)件、塔柱內(nèi)腔錨梁、張拉精軋螺紋鋼及抗剪銷棒。錨梁通過加工若干支撐桿以適應(yīng)塔柱內(nèi)腔圓筒，使錨梁處于直線上。牛腿受到桁架梁傳遞來的剪力與彎矩，剪力由抗剪銷棒承載，彎矩通過對拉的精軋螺紋鋼抵消。

4.2 設(shè)計(jì)荷載及驗(yàn)算結(jié)果

西岸擬將12 m高的上橫梁分3層澆筑，在先澆筑層完成之后進(jìn)行該層預(yù)應(yīng)力張拉，后續(xù)上橫梁施工層的荷載大部分由已完成的先澆筑層混凝土承載，故支架設(shè)計(jì)支承荷載為上橫梁第一層混凝土荷載，共326.4 m3×26 kN/m3=8 486.4 kN。支架的臨時(shí)荷載包括模板荷載、混凝土傾倒荷載及振搗荷載、人群荷載，臨時(shí)荷載及風(fēng)荷載，計(jì)算值同東岸牛腿支架驗(yàn)算取值一樣。

采用Midas Civil軟件對牛腿桁架梁進(jìn)行模擬分析，荷載組合為：1.2×支架自重+1.2×第一層混凝土荷載+1.4×施工荷載+1.1×風(fēng)荷載。計(jì)算結(jié)果如后頁表3所示。從表3可知，托架結(jié)構(gòu)各構(gòu)件強(qiáng)度、剛度均滿足要求。經(jīng)模型計(jì)算，托架最不利工況屈曲模態(tài)特征值為26.4，大于計(jì)算要求的最小值4，支架穩(wěn)定性滿足要求。

表3 西岸牛腿桁架梁主要構(gòu)件計(jì)算結(jié)果匯總表

4.3 東岸及西岸支架對比分析

對于東岸牛腿支架形式，其優(yōu)點(diǎn)是承載能力高，可減少混凝土澆筑分層數(shù)量。另采用預(yù)埋盒的方式進(jìn)行牛腿安裝，可保證塔柱鋼圓筒不受破壞，使鋼圓筒整體質(zhì)量得到保障，降低開孔處出現(xiàn)質(zhì)量缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。此外，K型托架的形式節(jié)點(diǎn)較少，焊接作業(yè)面少，便于進(jìn)行作業(yè)及焊縫質(zhì)量檢測，以把控托架加工質(zhì)量。但該支架設(shè)計(jì)也存在一定缺陷，由于存在上下兩層牛腿，K架片的安裝相對繁瑣，需調(diào)整空間姿態(tài)進(jìn)行就位，且牛腿的預(yù)埋盒需要增強(qiáng)后續(xù)修補(bǔ)的質(zhì)量。另外，卸架方式采用楔形塊，拆除時(shí)作業(yè)面窄，較為不便。

對于西岸張拉型牛腿桁架梁形式，其優(yōu)點(diǎn)是支架采用砂筒進(jìn)行卸載，操作安全性高，且牛腿預(yù)埋僅需要在塔柱上進(jìn)行開孔，對塔柱混凝土影響較小。該支架設(shè)計(jì)相對東岸的牛腿支架，承載力相對較低，相應(yīng)施工分層數(shù)量增多，也增加了作業(yè)工期。另外，張拉型的牛腿形式，需要在塔柱鋼圓筒上進(jìn)行開孔，后續(xù)修補(bǔ)耗費(fèi)的人力較多。

對于龍門大橋主塔上橫梁支架設(shè)計(jì)，東岸及西岸整體方案有所區(qū)別，但均具有結(jié)構(gòu)受力方式簡明、高空施工風(fēng)險(xiǎn)相對鋼管支架小的特點(diǎn)。且對于剛性托架，可不需進(jìn)行預(yù)壓施工，在縮短施工工期、提高施工工效方面表現(xiàn)明顯。此外，加工托架的材料在施工完成后可進(jìn)行周轉(zhuǎn)，施工經(jīng)濟(jì)性顯著。

5 結(jié)語

本文依托廣西濱海公路龍門大橋項(xiàng)目，通過對比鋼管支架及牛腿支架的優(yōu)缺點(diǎn)，并分析影響施工支架選擇的若干因素，選擇適當(dāng)?shù)氖┕ぶЪ苄问?，提出了龍門大橋東岸及西岸兩種上橫梁施工支架設(shè)計(jì)，并通過有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證支架各構(gòu)件的強(qiáng)度及剛度均滿足施工要求，同時(shí)，簡要對比了東西兩岸支架的優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)相似工程施工提供參考。目前，龍門大橋東西兩岸均已安全高效地完成上橫梁施工，驗(yàn)證了兩種支架方案的可行性。