高索塔橫梁托架結(jié)構(gòu)體系研究

韋景光,黃業(yè)圣,黃樹(shù)強(qiáng)

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530200)

0 引言

在跨徑>400 m的橋型中,斜拉橋或懸索橋具有一定經(jīng)濟(jì)性,因此被廣泛設(shè)計(jì)和建造。斜拉橋或懸索橋的索塔作為主要受力結(jié)構(gòu),具有高度高,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜等特點(diǎn)。在雙塔肢索塔結(jié)構(gòu)中,可能存在多道塔間橫梁。塔間橫梁施工高度高,跨度大,澆筑混凝土方量大,安全風(fēng)險(xiǎn)高,施工組織困難。

大跨徑斜拉橋或懸索橋常見(jiàn)的索塔設(shè)計(jì)有A型、H型、門(mén)型或鉆石型,均涉及大跨徑橫梁。橫梁臨時(shí)施工平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系主要有兩種:托架結(jié)構(gòu)和落地大鋼管支架結(jié)構(gòu)[1-2]。若采用大鋼管落地支架,支架結(jié)構(gòu)體系龐大,占用空間大,支架用鋼量大[3]。采用托架結(jié)構(gòu)體系,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,型鋼材料用量少,但存在型鋼焊縫受力大,對(duì)焊接質(zhì)量要求極高,安全風(fēng)險(xiǎn)大等缺點(diǎn)[4]。托架結(jié)構(gòu)體系平臺(tái)主要由預(yù)埋構(gòu)件和橫梁型鋼組成,預(yù)埋構(gòu)件一般作為抵抗剪力型牛腿[5],結(jié)構(gòu)受力大,往往導(dǎo)致設(shè)計(jì)牛腿結(jié)構(gòu)橫斷面較大,與索塔豎向主筋存在沖突,在安裝牛腿時(shí)會(huì)導(dǎo)致部分索塔主筋割斷,對(duì)索塔局部造成損傷。牛腿結(jié)構(gòu)上一般還設(shè)置對(duì)拉精軋螺紋鋼,導(dǎo)致牛腿結(jié)構(gòu)更復(fù)雜,安裝更困難,同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致模板損傷。此外,托架橫梁結(jié)構(gòu)多采用桁架結(jié)構(gòu)[6],結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜,桿件節(jié)點(diǎn)焊縫多,高空焊縫質(zhì)量控制難度大,高空焊接作業(yè)量大并且危險(xiǎn)度高。

因此,進(jìn)一步設(shè)計(jì)研究一種高索塔橫梁托架結(jié)構(gòu)體系至關(guān)重要,使得平臺(tái)具有結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)單,便于安裝和施工,質(zhì)量可控,安全風(fēng)險(xiǎn)低,可縮短施工周期等特點(diǎn)。

1 托架結(jié)構(gòu)布置

1.1 托架結(jié)構(gòu)體系

橫梁托架由牛腿結(jié)構(gòu)、K型橫梁、安裝橫梁、雙排盤(pán)扣支架等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體系組成,見(jiàn)圖1。該托架體系具有結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)潔、受力合理和豎向剛度大的特點(diǎn),同時(shí)可實(shí)現(xiàn)快速半裝配安裝拆除,減少大量高空焊接拼裝作業(yè),極大地降低施工風(fēng)險(xiǎn),且可交叉施工縮減工期。

圖1 橫梁托架結(jié)構(gòu)體系圖

1.2 牛腿結(jié)構(gòu)布置

牛腿結(jié)構(gòu)采用在塔身預(yù)埋盒子后內(nèi)插鋼板裝配成牛腿支撐結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖2。采用分體式預(yù)埋盒子避開(kāi)索塔主筋沖突,避免在施工預(yù)埋牛腿盒子時(shí)割斷索塔主筋,從而導(dǎo)致索塔結(jié)構(gòu)損傷。同時(shí)預(yù)埋盒子的施工工藝不需要在塔肢模板上開(kāi)孔,不損傷塔身模板。分體式預(yù)埋盒子由貼面鋼板連接形成整體預(yù)埋結(jié)構(gòu),該貼面鋼板具有提高預(yù)埋盒子的整體性,也具有環(huán)箍預(yù)埋盒子的作用,分散優(yōu)化牛腿結(jié)構(gòu)局部集中受力。

(a)牛腿布置圖

1.3 K型橫梁布置

片狀的K型橫梁由型鋼組焊拼接形成,見(jiàn)圖3(a)。在型鋼節(jié)點(diǎn)部位設(shè)置加勁板,避免節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中而局部屈曲。K型橫梁可在鋼結(jié)構(gòu)加工場(chǎng)的胎架上拼裝,確保了加工精度又實(shí)現(xiàn)了無(wú)風(fēng)險(xiǎn)的交叉作業(yè)。同時(shí)K型橫梁節(jié)點(diǎn)焊縫焊接環(huán)境可控,焊縫質(zhì)量可檢測(cè),避免了危險(xiǎn)性極大、質(zhì)量不可控的高空焊接作業(yè),確保橫梁主要受力結(jié)構(gòu)的可靠性。

(a)K型橫梁

1.4 橫梁安拆方式

在預(yù)埋牛腿上布置安拆橫梁,K型橫梁可實(shí)現(xiàn)半裝配安裝,見(jiàn)圖4。避免在中橫梁上設(shè)置預(yù)留卷?yè)P(yáng)機(jī)吊裝拆除孔的缺陷[7],拆除時(shí)只需將K型橫梁移出,塔吊配合吊裝下放即可完成托架體系拆除,見(jiàn)圖5。

圖4 牛腿安拆橫梁結(jié)構(gòu)圖

2 施工工藝流程

橫梁托架施工工藝流程:加工預(yù)埋盒子、K型橫梁→提前在索塔預(yù)埋牛腿盒子→組裝牛腿構(gòu)件→安裝安拆橫梁→安裝K型橫梁→安裝橫梁模板及維護(hù)平臺(tái)→橫梁施工→拆除中橫梁托架。

3 托架結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性措施

托架結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性由穩(wěn)定連接梁提供,見(jiàn)圖6,該托架結(jié)構(gòu)體系在豎直面上具有很大的剛度,但在K型橫梁水平面上的剛度小,從而導(dǎo)致托架體系在水平方向上的穩(wěn)定性較差。在未添加穩(wěn)定連接梁時(shí),托架結(jié)構(gòu)體系的水平向穩(wěn)定性較差,模態(tài)特征值均出現(xiàn)在主要受力K型橫梁上。添加穩(wěn)定結(jié)構(gòu)后,模態(tài)特征值則出現(xiàn)在局部結(jié)構(gòu)上,可見(jiàn)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)顯著地增加了托架結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性,見(jiàn)下頁(yè)圖7與表1。穩(wěn)定連接梁在架設(shè)完K型橫梁后搭焊在K型橫梁上,采用三角穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

表1 托架模態(tài)特征值分析結(jié)果表

圖6 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定圖

(a)初始結(jié)構(gòu)

4 工程應(yīng)用

4.1 工程背景

武宣黔江特大橋(56+48+87+618+87+48+56) m,主橋采用雙塔雙索面混合梁斜拉橋,索塔為鉆石型塔,高213 m,中橫梁距離下橫梁和塔座分別為83 m和132 m,如圖8所示。中橫梁施工應(yīng)用了該托架結(jié)構(gòu)體系。

圖8 武宣黔江特大橋總體布置圖(mm)

中橫梁為橫梁高6 m,寬7 m,凈跨16.99 m的箱型結(jié)構(gòu),跨中設(shè)計(jì)有橫隔板,分兩層進(jìn)行澆筑,第一層澆筑3 m,第二層澆筑3 m(見(jiàn)圖9),采用塔梁同步澆筑工藝。

圖9 中橫梁結(jié)構(gòu)示意圖(cm)

4.2 結(jié)構(gòu)復(fù)核

(1)橫梁分兩層澆筑,每層3 m,鋼筋混凝土鋼筋設(shè)計(jì)荷載為26 kN/m3、人員施工荷載為4 kN/m2、模板荷載為0.75 kN/m2、不確定性振搗沖擊荷載為1 kN/m2,同時(shí)考慮風(fēng)荷載對(duì)托架的影響。

(2)按極限應(yīng)力狀態(tài)法,荷載組合工況:1.0×(第一層鋼筋混凝土荷載+0.5×第二層鋼筋混凝土荷載施工荷載)+1.0×結(jié)構(gòu)自重+1.0模板荷載+1.0活荷載(人員施工荷載和不確定性振搗沖擊荷載)+1.0盤(pán)扣支架荷載+1.0風(fēng)荷載。

(3)對(duì)托架結(jié)構(gòu)各桿件組合應(yīng)力、剪切應(yīng)力、位移撓度、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和牛腿與索塔局部受力進(jìn)行驗(yàn)算,見(jiàn)圖10、表2。牛腿和索塔局部作用力主要為局部承壓和牛腿對(duì)索塔局部沖切作用力,根據(jù)《鋼筋混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)中的以下規(guī)定進(jìn)行驗(yàn)算:

表2 中橫梁托架受力分析結(jié)果表

圖10 中橫梁托架有限元三維模型圖

混凝土局部受壓承載力:Fl≤1.35βcβlfcAln

局部沖切承載力:Fl≤(0.7βhft+0.25σpc,m)ημmh0

由圖10和表2可知,托架結(jié)構(gòu)體系受力滿(mǎn)足要求,局部應(yīng)力滿(mǎn)足要求,整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。

同時(shí)在施工過(guò)程中監(jiān)控托架下?lián)衔灰谱兓闆r,監(jiān)控布置和監(jiān)控結(jié)果見(jiàn)圖11。

(a)監(jiān)控測(cè)點(diǎn)布置圖

綜上可知,中橫梁施工過(guò)程中,托架結(jié)構(gòu)位移撓度變形情況基本與理論計(jì)算吻合,施工過(guò)程安全可控,驗(yàn)證了橫梁托架結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)的合理性。

5 結(jié)語(yǔ)

橫梁施工托架結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)單,受力合理,豎向承載能力強(qiáng),適用于大跨徑高空橫梁施工托架的結(jié)構(gòu)選型。

該托架結(jié)構(gòu)體系通過(guò)在塔身預(yù)埋分離式牛腿盒子,避免了割斷索塔主筋、損傷模板、損傷塔身等問(wèn)題。K型橫梁采用片狀吊裝安裝組裝,極大降低了高空托架施工的安全和質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。托架結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)有安拆橫梁,不需要在橫梁預(yù)留吊裝安拆孔,不對(duì)橫梁造成損傷。該托架結(jié)構(gòu)體系還實(shí)現(xiàn)了牛腿結(jié)構(gòu)和整裝托架半裝配安裝,可在索塔塔肢施工期間,在鋼結(jié)構(gòu)加工廠提前加工組裝裝配構(gòu)件,實(shí)現(xiàn)了交叉作業(yè),極大節(jié)約工期,同時(shí)該結(jié)構(gòu)體系較落地鋼管支架體系,結(jié)構(gòu)鋼材使用量少,也具有顯著經(jīng)濟(jì)效益。

該托架結(jié)構(gòu)體系成功應(yīng)用于武宣黔江特大橋中橫梁施工中,驗(yàn)證了托架結(jié)構(gòu)體系的合理性,在施工周期和施工成本上有顯著效益。

本文設(shè)計(jì)研究的高索塔橫梁托架施工結(jié)構(gòu)體系,也可進(jìn)一步推廣研究應(yīng)用在其他橋型的高橫梁施工中。