龍?zhí)堕L(zhǎng)江大橋南塔上橫梁支架設(shè)計(jì)與施工

劉 鴿,江曉陽,彭 鵬,賀希英,付文宣,胥雅韌

(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)

1 工程概況

龍?zhí)哆^江通道位于南京長(zhǎng)江四橋與潤(rùn)揚(yáng)大橋之間,線路起自儀征境內(nèi)江北長(zhǎng)江大堤,向南跨長(zhǎng)江,經(jīng)南京龍?zhí)?止于與省道S338交叉處。龍?zhí)堕L(zhǎng)江大橋是主跨1 560m的兩塔單跨鋼箱梁懸索橋,索塔包含2根塔柱和上、下橫梁,采用C55混凝土門形結(jié)構(gòu)(見圖1)。塔柱頂高程245.500m,底高程4.000m,塔底設(shè)4m高塔座,索塔順橋向?qū)挾扔伤數(shù)?0m直線變化至塔底的12m,橫橋向由塔頂?shù)?m直線變化至塔底的9m。塔頂?shù)礁叱?45.000m處塔柱順橋向、橫橋向塔壁厚1.3,1.2m。

圖1 索塔立面示意(單位:m)

上橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),橫橋向28.19m,縱橋向10m。上橫梁腹板下兩側(cè)設(shè)有裝飾塊。設(shè)計(jì)底標(biāo)高234.800m,設(shè)計(jì)頂標(biāo)高245.500m,頂、底板厚0.8m,設(shè)2道壁厚0.8m豎向隔板(見圖2)。在上橫梁外立面設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)裝飾球,裝飾球范圍內(nèi)腹板厚0.7m,裝飾球范圍外腹板厚1.2m?；炷练搅? 398.5m3。預(yù)應(yīng)力鋼束采用高強(qiáng)度低松弛鋼絞線,共布置52束鋼絞線。

圖2 上橫梁斷面(單位:m)

2 施工方案及設(shè)計(jì)重難點(diǎn)

2.1 總體施工方案

根據(jù)索塔及上橫梁的構(gòu)造特點(diǎn),參考以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)[1-10],現(xiàn)場(chǎng)焊接條件、工程經(jīng)濟(jì)性及工期安排,上、下橫梁與索塔異步施工,采用落地支架施工下橫梁,采用牛腿托架施工上橫梁。兩肢索塔間設(shè)置6道水平橫撐,以確保施工階段索塔受力滿足要求。上橫梁分2次澆筑,在滿足受力的前提下,減輕施工支架外荷載。第1次澆筑裝飾塊+5m橫梁,待第1層橫梁混凝土澆筑達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%以上時(shí),張拉橫梁底板處預(yù)應(yīng)力鋼絞線,最后澆筑上部5.7m橫梁。施工完成后,設(shè)置下放系統(tǒng)將支架整體下放至地面。

結(jié)合現(xiàn)有資源,塔柱施工時(shí)采用2臺(tái)1 600t·m塔式起重機(jī)作為起重設(shè)備,2臺(tái)斜爬升降機(jī)作為人員上下通道,2臺(tái)拖泵用于混凝土輸送。

2.2 設(shè)計(jì)重難點(diǎn)

1)上橫梁自重大(3 637t)、高度高(不含裝飾塊10m),根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn),必須分層施工。施工中須確保支架設(shè)計(jì)合理,后澆筑混凝土凝固前,先澆筑的橫梁不開裂,受力滿足要求。

2)兩側(cè)裝飾板的特殊構(gòu)造,托架設(shè)計(jì)需適應(yīng)不同底面高差(>2m),結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜。

3)超重荷載作用下,牛腿受力>3 500kN,塔身倒角導(dǎo)致牛腿埋設(shè)空間受限,須向中間移動(dòng),將進(jìn)一步增大牛腿受力。因此,牛腿設(shè)計(jì)的安全合理性是橫梁施工的關(guān)鍵所在。

3 橫梁托架設(shè)計(jì)

3.1 托架承受荷載分析

托架除承受第1層橫梁荷載外,第2次澆筑荷載應(yīng)由第1層橫梁和托架共同承受。第1次橫梁澆筑完成后張拉橫梁底板處26束預(yù)應(yīng)力鋼束,有利于提高第1層橫梁的承載力。采用有限元軟件真實(shí)模擬索塔及橫梁的澆筑過程,結(jié)果表明,底部預(yù)應(yīng)力張拉前后,第1層橫梁混凝土由拉應(yīng)力0.4MPa轉(zhuǎn)變?yōu)槿孛媸軌?最大壓應(yīng)力5.5MPa。第2次澆筑完混凝土尚未凝固時(shí),第1層橫梁混凝土最大拉應(yīng)力0.2MPa,頂部預(yù)應(yīng)力張拉后,全截面受壓,橫梁受力滿足要求。

為明確第2次澆筑時(shí)托架承受荷載比例,將第2層橫梁自重分別作用于托架和第1層橫梁(張拉預(yù)應(yīng)力后)上,不考慮結(jié)構(gòu)自重影響,計(jì)算得托架位移與第1層橫梁位移分別為9.0,3.9mm,根據(jù)二者豎向位移與剛度成反比的原理,托架與第1層橫梁剛度比為0.43∶1,因此,第2次混凝土澆筑荷載的30%由托架承受,即托架需承受豎向荷載為:第1次澆筑荷載(裝飾塊4 370kN+第1層橫梁16 000kN)+第2次澆筑按比例分配荷載(4 800kN)+模板、振搗、施工荷載(1 820kN)+托架自重(3 670kN),共計(jì)30 660kN。

3.2 托架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1總體設(shè)計(jì)

橫梁裝飾塊、底板考慮整體支撐受力,共設(shè)置3片托架支撐,由于橫梁為單箱單室截面,兩側(cè)托架在牛腿避開塔身倒角、保證埋設(shè)空間的情況下,盡量靠近腹板下緣布置,托架間增設(shè)橫向聯(lián)系。異形裝飾塊下主梁采用圓弧桁架支撐,底板下主梁采用貝雷梁支撐。支撐面高差通過立柱或型鋼支撐調(diào)節(jié)。豎向在3個(gè)標(biāo)高位置設(shè)置牛腿,托架上、下支點(diǎn)牛腿受力大,采用新型鋼板承插型牛腿結(jié)構(gòu)。底板貝雷下牛腿受力相對(duì)較小,采用錨錐式牛腿。

3.2.2方案比選

橫梁托架共設(shè)計(jì)了2個(gè)方案(見圖3),兩方案設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)對(duì)比如表1所示。兩方案結(jié)構(gòu)方面區(qū)別在于圓弧桁架與托架分開還是一體化設(shè)計(jì),兩者均可行,但要滿足現(xiàn)場(chǎng)吊重要求,A方案有一定優(yōu)勢(shì),且A方案用鋼量較少。托架設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于埋件設(shè)計(jì),B方案僅托架下支點(diǎn)承受豎向力,單個(gè)牛腿受力達(dá)到5 600kN,常規(guī)牛腿不能滿足要求,牛腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度很大,A方案采用上、下支點(diǎn)共同承受豎向力,支點(diǎn)反力減小到3 400kN,考慮新型的鋼板承插型牛腿可滿足受力要求。但此種結(jié)構(gòu)對(duì)上、下支點(diǎn)牛腿相對(duì)標(biāo)高精度控制提出了很高要求,施工時(shí)要特別重視,確保上、下支點(diǎn)同步受力。綜合考慮以上因素,A方案為推薦方案。

表1 橫梁托架兩方案設(shè)計(jì)對(duì)比

圖3 上橫梁支架立面

3.2.3托架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

橫梁托架從上至下布置依次為:模板系統(tǒng)、橫向分配梁(I25a)、貝雷梁(321型、12片)/圓弧形桁架(型鋼焊接、單側(cè)裝飾塊下2片)、調(diào)節(jié)高差立柱(φ800×12)、主橫梁(2HN700×300)、卸荷塊、托架(3片間橫向聯(lián)系、雙拼型鋼焊接而成)及牛腿。整個(gè)托架通過上、下支點(diǎn)處牛腿與塔柱連接。

根據(jù)澆筑過程,托架計(jì)算分2個(gè)工況:①工況1 澆筑裝飾塊(2～7.5m)+第1層橫梁(5m);②工況2 澆筑第2層橫梁(5.7m)。

工況2更為不利。建立有限元模型(見圖4),托架在牛腿處剛接,托架與主橫梁、主橫梁與上部主梁間均采用鉸接。經(jīng)計(jì)算,各構(gòu)件最大應(yīng)力179MPa,托架中部最大撓度14mm,托架強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性均滿足要求。

圖4 上橫梁支架應(yīng)力云圖(單位:MPa)

3.2.4牛腿設(shè)計(jì)

荷載通過托架傳遞給牛腿,托架處單側(cè)共設(shè)置6個(gè)支點(diǎn),由于橫梁荷載主要集中于腹板、裝飾塊下,中間牛腿豎向荷載較小,最不利支點(diǎn)處受力如表2所示。

表2 牛腿受力結(jié)果(標(biāo)準(zhǔn)值)

調(diào)研發(fā)現(xiàn),以往項(xiàng)目中,牛腿受力最大為 1 500kN, 承受荷載>3 000kN的牛腿設(shè)計(jì)難度大、施工風(fēng)險(xiǎn)大。大牛腿常用的形式有錨錐式牛腿、剪力銷與爬錐組合型牛腿及型鋼(鋼靴)插入式牛腿,但也很少有如此大的荷載。而且,墩身內(nèi)埋入型鋼(鋼靴)要求墩身開洞處理,開洞尺寸根據(jù)受力大小調(diào)整,導(dǎo)致墩身主筋斷開,對(duì)主體結(jié)構(gòu)削弱明顯。后期修復(fù)灌漿處理,新舊界面受力不連貫。針對(duì)此項(xiàng)目,提出了一種鋼板承插型牛腿,由于埋入的是細(xì)高截面的鋼盒,主筋可從鋼盒中間穿過,避免了割斷主筋,影響較小。

應(yīng)用于本項(xiàng)目的牛腿由4塊預(yù)埋鋼盒結(jié)構(gòu)與4塊抗剪件組成,其中預(yù)埋鋼盒結(jié)構(gòu)由窄鋼盒、壓力擴(kuò)散及傳遞鋼板(鋼筋)組成,抗剪件插入端為工字形截面,外露端為多腹板組合截面。單個(gè)預(yù)埋鋼盒外尺寸為1 034mm(高)×90mm(寬)×1 062mm(深),埋入墩身表面下50mm處。預(yù)埋鋼盒中心距32cm,其之間設(shè)有加勁鋼筋及鋼板。鋼盒由12mm厚鋼板焊接而成,下設(shè)有30mm厚墊板,墊板應(yīng)提前在主筋位置開孔?？辜艏迦攵藶楣ぷ中谓孛?單個(gè)尺寸為1 000mm(高)×60mm(寬),外露端多腹板組合截面尺寸為1 000mm(高)×1 240mm(寬)。抗剪件由30mm厚鋼板焊接而成,外露端設(shè)有肋板(見圖5)。

圖5 牛腿結(jié)構(gòu)

上支點(diǎn)受力特點(diǎn)為剪、拉、彎,采用牛腿抗剪、抗彎,精軋螺紋鋼筋(4φ32)對(duì)拉于塔身的形式。下支點(diǎn)受力特點(diǎn)為剪、壓、彎,采用牛腿抗剪、抗彎,斜撐端部設(shè)置墊塊,將水平壓力傳遞到混凝土塔上?？紤]到主塔為空心薄壁結(jié)構(gòu),在牛腿對(duì)應(yīng)位置設(shè)置撐桿。

牛腿處混凝土受力復(fù)雜,且有應(yīng)力集中現(xiàn)象,采用有限元軟件建立牛腿與索塔的模型。混凝土塔采用實(shí)體單元模擬,牛腿鋼板采用殼單元模擬,鋼筋采用桁架單元模擬。預(yù)埋鋼盒、主筋完全嵌入索塔,完全耦合。抗剪件與鋼盒采用接觸單元模擬,加載實(shí)際荷載。計(jì)算結(jié)果表明,牛腿最大應(yīng)力112MPa,鋼筋最大應(yīng)力40MPa,索塔混凝土局部最大拉應(yīng)力3.65MPa(局部應(yīng)力集中,除應(yīng)力集中位置外均<2.40MPa),最大壓應(yīng)力17.1MPa,受力滿足要求。為驗(yàn)證此牛腿受力,特選取2片鋼盒抗剪件結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)(見圖6),試驗(yàn)結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)受力安全可靠,有進(jìn)一步推廣價(jià)值。

圖6 牛腿荷載試驗(yàn)

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 托架安裝

筑塔機(jī)施工索塔時(shí),在37號(hào)節(jié)段施工時(shí)預(yù)埋牛腿鋼盒,38號(hào)節(jié)段施工時(shí)預(yù)埋牛腿鋼盒、精軋螺紋鋼孔道,40號(hào)節(jié)段安裝錨筋預(yù)埋件。牛腿預(yù)埋鋼盒與加勁板、加勁錨筋加工成整體后,利用塔式起重機(jī)吊裝,在主塔上準(zhǔn)確定位并安裝固定,確保加工及安裝精度滿足要求。然后進(jìn)行抗剪件的匹配安裝,安裝時(shí)嚴(yán)格控制上、下牛腿相對(duì)標(biāo)高、牛腿埋設(shè)精度及托架的焊接精度,確保同步受力。

塔式起重機(jī)吊裝托架,托架吊裝到位后,上牛腿處墊梁位置對(duì)穿精軋螺紋鋼,施加預(yù)緊力,托架桿件需開坡口,與牛腿焊接牢固。依次吊裝主橫梁、立柱及其間平聯(lián)斜撐、圓弧桁架及貝雷梁,安裝到位后,及時(shí)焊接橫向聯(lián)系,確保橫向穩(wěn)定性。

4.2 模板、鋼筋及預(yù)應(yīng)力管道安裝

由于橫梁自重大,為防止變形嚴(yán)重,底模、側(cè)模采用定制鋼模,在專業(yè)廠家加工,出場(chǎng)前進(jìn)行試拼,以檢驗(yàn)尺寸、平整度、拼縫、錯(cuò)臺(tái)等指標(biāo)。內(nèi)模采用竹膠板+方木+型鋼縱肋,與外模間采用拉桿對(duì)拉。頂模采用滿堂扣件式腳手架,支撐于已澆筑底板上。

在塔柱預(yù)埋筋施工時(shí),預(yù)埋主筋與模板結(jié)合面處車半絲,安裝套筒并擰壓到位,套筒端頭用膠帶整體纏包密封并頂緊模板。在塔柱模板拆除后,鑿毛,露出套筒,與橫梁鋼筋連接。橫梁鋼筋通過部品整體吊裝+部分綁扎安裝,交界面上、下各布設(shè)1層防裂鋼筋網(wǎng),全截面設(shè)置抗剪鋼筋,間距15cm。

橫梁預(yù)應(yīng)力施工均有部分預(yù)埋在左、右塔肢內(nèi),因此在施工塔柱時(shí)需嚴(yán)格按測(cè)量提供的錨頭及波紋管的平面位置安裝,精確定位。采用架立鋼筋對(duì)預(yù)應(yīng)力孔道進(jìn)行定位,混凝土澆筑前在波紋管內(nèi)插入膠管做支撐,以免波紋管發(fā)生變形或堵塞現(xiàn)象。

4.3 混凝土澆筑

橫梁采用泵管配合布料機(jī)澆筑拌合混凝土的方法,如前所述分2次澆筑、2次張拉預(yù)應(yīng)力鋼束。先澆筑下倒角、底板,停頓適當(dāng)時(shí)間,再對(duì)稱澆筑邊腹板,最后澆筑頂板及上倒角?；炷琳駬v采用50型及30型插入式振搗棒振搗密實(shí)。振搗時(shí),應(yīng)避免振搗棒碰撞模板、波紋管、冷卻水管及其他預(yù)埋件。

4.4 托架拆除

托架各構(gòu)件位于橫梁裝飾板內(nèi)側(cè),無法進(jìn)行常規(guī)自上而下拆除作業(yè)。經(jīng)過調(diào)研比選,采用整體下放系統(tǒng)拆除托架(見圖7)。首先塔式起重機(jī)拆除裝飾塊下圓弧桁架,然后進(jìn)行內(nèi)側(cè)貝雷梁及模板的除。橫梁施工時(shí)在頂板位置預(yù)埋分配梁埋件,采用4臺(tái)千斤頂+鋼絞線將貝雷梁同步緩慢下放至下面3片托架上,縱橋向滑移至塔式起重機(jī)可作業(yè)位置,利用塔式起重機(jī)拆除。

圖7 拆除下放結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語

龍?zhí)堕L(zhǎng)江大橋上橫梁已順利實(shí)施,充分驗(yàn)證了托架設(shè)計(jì)施工的合理性,可得出以下結(jié)論。

1)橫梁2次澆筑、2次張拉受力分析,支架與第1層橫梁分擔(dān)荷載比例的研究,優(yōu)化了托架設(shè)計(jì),確保了施工安全。

2)研究新型鋼板承插型牛腿結(jié)構(gòu),解決了>3 500kN 超重荷載下牛腿設(shè)計(jì)的難題,此種牛腿結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,廣泛推廣應(yīng)用。

3)采用下放系統(tǒng)整體拆除托架,解決了異形結(jié)構(gòu)構(gòu)件無法通過塔式起重機(jī)吊裝拆除的問題。