常泰長(zhǎng)江大橋主航道橋輔助墩鋼桁梁拼裝支架設(shè)計(jì)研究*

袁 燦,王 超,楊 柳

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司,湖北 武漢 430040; 2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430040; 3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心,湖北 武漢 430040; 4.中交公路長(zhǎng)大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司,湖北 武漢 430040)

1 工程概況

常泰長(zhǎng)江大橋采用“高速公路+城際鐵路+普通公路”方式過江[1],是國內(nèi)第一座“三位一體”跨江大橋,也是目前世界上最大跨度的公鐵兩用斜拉橋和最大面積的水中沉井基礎(chǔ)[2-3],主航道橋立面布置如圖1a所示。泰興側(cè)主航道橋輔助墩即4號(hào)墩上方主梁采用箱桁組合桁架結(jié)構(gòu),桁寬35m,桁高15.5m,截面如圖1b所示。輔助墩墩高61.32m,采用八邊形空心截面墩柱,墩身縱向外輪廓坡度為 45∶1。 輔助墩設(shè)置支架便于上部鋼桁梁拼裝架設(shè)[4],如圖2所示,墩頂先利用起重船架設(shè)鋼桁梁Z8-9,Z10-11梁段,待Z12-13吊裝到位后,再依次滑移Z8-9,Z10-11梁段,拼接合龍。輔助墩墩頂存梁?jiǎn)蝹€(gè)梁段長(zhǎng)28m,最重達(dá)1 865.5t。本文依托常泰長(zhǎng)江大橋,對(duì)承受大風(fēng)、大噸位且自身高度大的輔助墩鋼桁梁拼裝支架進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

圖1 主航道橋

圖2 輔助墩鋼桁梁拼裝示意

2 技術(shù)難點(diǎn)及分析

1)鋼桁梁預(yù)偏量大。輔助墩墩頂架梁吊機(jī)對(duì)稱懸臂安裝[5]至Z14-15梁段后,為了安裝Z12-13鋼桁梁節(jié)段,需先將Z8-9,Z10-11梁段向泰興側(cè)預(yù)偏安放,如圖3所示。鋼桁梁下放安裝時(shí)需考慮斜腹桿間干涉問題,鋼桁梁預(yù)偏量控制原則為:Z14-15梁段安裝到成橋位置后,Z12-13與Z14-15梁段斜腹桿角點(diǎn)水平間距≤100mm,Z10-11與Z12-13梁段斜腹桿角點(diǎn)水平間距為0,Z8-9與Z10-11梁段斜腹桿角點(diǎn)水平間距≤300mm,最終Z8-9梁段向泰興側(cè)偏離成橋位置3.693m,偏位導(dǎo)致梁段下方斜立柱傾角加大。再者,梁段自重大,導(dǎo)致單個(gè)扶墻在鋼桁梁自重下對(duì)墩身水平力加大,扶墻選型和埋件布置難度大。

圖3 鋼桁梁縱向偏移示意

2)支架設(shè)計(jì)要考慮風(fēng)速Vs10=32.4m/s[6],該風(fēng)速等級(jí)為暴風(fēng),且支架高60m,頂層扶墻長(zhǎng)10m,受風(fēng)荷載影響大,扶墻選型和埋件布置難度升級(jí)。

3)扶墻埋件約束可采用鉸接、剛接形式。扶墻拉力大,若采用鉸接形式,則耳板、銷軸、錨筋設(shè)計(jì)需加強(qiáng),對(duì)施工考驗(yàn)加大,難以保證施工質(zhì)量,以達(dá)到鉸接效果;扶墻傾向采用剛接形式,但剛接扶墻抵抗彎矩比鉸接扶墻能力弱,埋件設(shè)計(jì)難度再升級(jí)。

4)斜立柱柱頂水平拉力大,需對(duì)柱頂進(jìn)行局部分析,采取柱頂加強(qiáng)措施。

5)支架設(shè)計(jì)方案擬將頂層扶墻替換為對(duì)拉拉桿,抵抗巨大水平力,即拉桿間采用鋼絞線[7]穿過墩身連接。拉桿和鋼絞線間采用型鋼橫梁連接。受主橫梁中心需對(duì)準(zhǔn)鋼桁梁豎桿及主橫梁跨度限制,鋼絞線需穿過墩身倒角位置。鋼絞線預(yù)拉緊后,受倒角影響(見圖4),橫梁將產(chǎn)生變形,此時(shí)鋼絞線對(duì)拉桿的約束不能看作剛接,需分析對(duì)拉拉桿在模型中不同約束形式對(duì)支架受力的影響,驗(yàn)算鋼絞線拉緊時(shí)橫梁翼緣板受拉強(qiáng)度是否會(huì)滿足規(guī)范要求。

圖4 對(duì)拉拉桿、橫梁與墩身相對(duì)位置

6)由于鋼桁梁自重大,則千斤頂對(duì)鋼桁梁反力大,需驗(yàn)算鋼桁梁下弦桿受力是否滿足要求。

3 支架總體設(shè)計(jì)

支架為存梁+滑梁支撐結(jié)構(gòu),支架滑移靠位于主橫梁的步履式千斤頂完成。支架整體由φ1 200×14立柱、φ600×8平聯(lián)、φ600×8 / 2[20a / 2[28a斜撐、φ800×12/φ600×8 /2[20a扶墻、6HM588×300墊梁、2HN900×300對(duì)拉拉桿及6HN900×300主橫梁組成支撐結(jié)構(gòu)。除鋼立柱和對(duì)拉拉桿采用Q355B材料外,其余均采用Q235B材料。立面如圖5所示。支架結(jié)構(gòu)整體最大應(yīng)力270MPa,位于對(duì)拉拉桿,小于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值295MPa,水平最大位移91.0mm,小于位移容許值397mm,豎向最大位移30.9mm,小于位移容許值35mm,主橫梁最大變形8.5mm,小于變形容許值10mm。支架主要構(gòu)件強(qiáng)度及剛度均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求[8]。

圖5 支架縱橋向立面

4 對(duì)拉拉桿分析

4.1 對(duì)拉拉桿不同約束分析

如圖6所示,建模將對(duì)拉拉桿簡(jiǎn)化成2個(gè)獨(dú)立桿件,鋼絞線拉緊,安裝錨具固定后,對(duì)拉拉桿位移可全部約束,但由于墩身倒角導(dǎo)致橫梁變形,此時(shí)只有拉桿軸向位移受約束,對(duì)拉拉桿靠近墩身端約束不同,對(duì)拉拉桿及下層扶墻拉力值如表1所示,可知,對(duì)拉拉桿約束越強(qiáng),下層扶墻拉力越小,支架結(jié)構(gòu)越安全,同時(shí)也降低了扶墻埋件設(shè)計(jì)難度。因此,需在墩身倒角位置設(shè)置錨固塊,如圖7所示,將對(duì)拉拉桿和墩身頂緊,此時(shí)對(duì)拉拉桿約束可處理為位移全約束,轉(zhuǎn)角全釋放。鋼絞線預(yù)拉后,錨固塊1傳遞壓力,錨固塊2鋼棒承受壓力分解產(chǎn)生的剪力,其中錨固塊1隔板與拉桿腹板對(duì)齊,有利于傳力。錨固塊1在鋼絞線位置提前焊接鋼套管,預(yù)防后期焊接熔斷鋼絞線。對(duì)拉拉桿橫梁擱置在型鋼牛腿上,由于墩身變截面,橫梁與墩身間有空隙,需采用楔形板塞墊密實(shí),保證傳力可靠。

表1 對(duì)拉拉桿不同約束結(jié)果對(duì)比

圖6 支架模型

圖7 對(duì)拉拉桿錨固塊布置

4.2 對(duì)拉拉桿橫梁局部受拉分析

橫梁受力最不利的工況是鋼絞線拉緊,還未安裝對(duì)拉拉桿,需建立局部模型,如圖8所示,判斷橫梁靠近拉桿側(cè)翼緣板是否會(huì)被拉壞。模型中約束橫梁與墩身接觸位置的節(jié)點(diǎn)位移,釋放轉(zhuǎn)角,錨固塊2底板節(jié)點(diǎn)剛接。單個(gè)對(duì)拉拉桿對(duì)應(yīng)的橫梁錨具區(qū)域施加壓力3 900kN,得到橫梁靠近拉桿側(cè)翼緣板應(yīng)力如圖9所示,橫梁材料型號(hào)為Q235B,翼緣板局部最大應(yīng)力176MPa,位于橫梁鋼絞線穿孔邊緣,最大應(yīng)力小于抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值205MPa,可知橫梁安全。

圖8 鋼絞線預(yù)拉工況橫梁局部模型

4.3 柱頂受拉分析

對(duì)拉拉桿拉力設(shè)計(jì)值3 900kN,柱頂需采取抗拉措施,具體為柱頂加灌1.5m深C30混凝土[9],平行于拉桿腹板的柱頂隔板加長(zhǎng),如圖10所示。采取加固措施后,鋼立柱應(yīng)力為182MPa,鋼立柱材料為Q355B,柱頂最大應(yīng)力小于抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值305MPa,滿足規(guī)范要求。

圖10 柱頂受拉應(yīng)力云圖(單位:Pa)

5 拉桿下一層扶墻及埋件比選

扶墻選材受項(xiàng)目部現(xiàn)有材料限制,扶墻本身拉力、彎矩大,錨筋布置也受墩身主筋限制。錨筋根數(shù)滿足受力條件下應(yīng)越少越好。最終經(jīng)比選,如表2所示,確定了方案1,即拉桿下一層扶墻選用φ800×12鋼管。扶墻橫橋向采用2[28a“K”字斜撐連接,剛接端環(huán)抱貼板加強(qiáng)。扶墻與鋼立柱連接端,鋼立柱貼板加強(qiáng)。支架扶墻均與墩身剛接。

表2 拉桿下一層扶墻及埋件比選

6 鋼桁梁下弦桿受力分析

對(duì)于鋼桁梁滑移工況,千斤頂設(shè)備或其反力座將傳遞反力至主航道橋下弦桿,如圖11a所示,需對(duì)下弦桿進(jìn)行受力分析驗(yàn)算。千斤頂始終位于下弦桿的節(jié)點(diǎn)板[10]長(zhǎng)度范圍內(nèi),取下弦桿節(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部建模。主要構(gòu)件尺寸:節(jié)點(diǎn)板厚62mm,隔板厚16mm,頂、底板厚30mm,材料均為Q500qE。結(jié)構(gòu)采用板單元模擬。下弦桿底板兩端約束Dx,Dy,Dz,釋放轉(zhuǎn)動(dòng)約束,約束豎桿、斜桿頂端的豎向自由度,約束下弦桿與鋼箱橫梁連接處節(jié)點(diǎn)橫向自由度。節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算荷載:9 780kN(標(biāo)準(zhǔn)值),加載在下弦桿單側(cè)千斤頂反力座對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)板位置,整體應(yīng)力云圖如圖11b所示。局部最大應(yīng)力位于節(jié)點(diǎn)加載位置,最大為250MPa,小于鋼材容許應(yīng)力360MPa,強(qiáng)度滿足要求。為了保證下弦桿局部支撐穩(wěn)定性,在千斤頂滑移經(jīng)歷的長(zhǎng)度范圍新增短隔板,采用單面焊縫與下弦桿焊接,如圖11c所示。

圖11 下弦桿

7 結(jié)語

常泰長(zhǎng)江大橋輔助墩鋼桁梁拼裝支架高60m,存梁重達(dá)1 865.5t,縱向預(yù)偏3.693m。設(shè)計(jì)考慮風(fēng)速Vs10=32.4m/s,支架受力及對(duì)墩身反力均較大。本支架設(shè)計(jì)時(shí),經(jīng)充分分析得出以下結(jié)論。

1)對(duì)拉拉桿經(jīng)過墩身倒角位置時(shí),可采取鋼棒錨固塊措施,保證對(duì)拉拉桿在鋼絞線預(yù)拉緊狀態(tài)下可視為約束全部位移。同時(shí),通過驗(yàn)算橫梁翼緣板受拉,斜立柱柱頂受拉,確保與對(duì)拉拉桿相連接的構(gòu)件滿足受力要求。

2)扶墻預(yù)埋件型號(hào)不同,拉力、彎矩均不同,但并不是材料型號(hào)越強(qiáng),錨筋根數(shù)越少,因?yàn)閯偨佣藦澗貢?huì)增大,從而導(dǎo)致需要的錨筋根數(shù)增加。

3)鋼桁梁下弦桿節(jié)點(diǎn)板較厚、較大,剛度比底板、隔板大很多,為主要受力構(gòu)件,力傳遞方式為千斤頂或其反力座→墊塊→節(jié)點(diǎn)板。千斤頂及其反力墊塊縱橋向至少長(zhǎng)1m,保證力能傳遞至下弦桿節(jié)點(diǎn)板,即傳力范圍縱橋向至少長(zhǎng)1m,可保證主梁承受千斤頂調(diào)位反力。為保證下弦桿局部支撐的穩(wěn)定性,可增加短端隔板的加固措施。