懸索橋橋塔大跨度上橫梁支架設(shè)計(jì)及施工技術(shù)

摘要：文章依托橫州大橋工程實(shí)例，總結(jié)了該工程為解決橋塔上橫梁跨度大、方量大、高度大的難題，提出采用大鋼管及貝雷梁組合形成大剛度組合支架體系，并通過有限元計(jì)算軟件進(jìn)行支架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算分析，同時(shí)提出從整體把控結(jié)構(gòu)的安全，局部節(jié)點(diǎn)采用澆筑混凝土補(bǔ)強(qiáng)的施工方式。該施工技術(shù)無須全面補(bǔ)強(qiáng)，且經(jīng)濟(jì)合理，具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：懸索橋；橋塔；上橫梁；支架；有限元

中圖分類號(hào)：U445.4? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文意編號(hào)：1673-4874（2024）04-0152-04

0 引言

在橋梁領(lǐng)域中，懸索橋因單跨跨越能力最大且造型美觀，得到廣泛的應(yīng)用。懸索橋上部的核心結(jié)構(gòu)是橋塔和懸索。一般情況下，懸索橋跨度越大，其橋塔越高，因而要克服穩(wěn)定性的問題，通過增加塔柱之間的橫梁可以保證橋塔的穩(wěn)定性，因此橫梁是懸索橋中非常重要的結(jié)構(gòu)，其施工質(zhì)量及進(jìn)度是整個(gè)橋施工的關(guān)鍵控制點(diǎn)［1］。本文研究的橫州大橋采用懸索橋的結(jié)構(gòu)形式，上橫梁施工中存在3個(gè)難點(diǎn)：跨度大、距離地面高、混凝土方量大。若上橫梁支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，嚴(yán)重時(shí)易造成支架垮塌破壞或支架結(jié)構(gòu)變形過大導(dǎo)致橫梁混凝土開裂，查閱相關(guān)資料，少有較為詳細(xì)的懸索橋上橫梁支架設(shè)計(jì)及施工方法介紹的文獻(xiàn)，本文通過工程實(shí)例，系統(tǒng)闡述支架的設(shè)計(jì)及施工要點(diǎn)，以供參考。

1 工程概況

橫州大橋地處廣西橫州市，是橫州市連接城區(qū)與郁江南岸的第二座橋梁，其結(jié)構(gòu)形式為懸索橋，主橋跨度為400 m。6號(hào)主塔位于陸地上，上橫梁下緣至下橫梁上緣總高度為51.865 m，上橫梁擬采用不落地支架法施工。本文以6號(hào)主塔上橫梁為例進(jìn)行支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工分析。6號(hào)主塔橫斷面布置圖見圖1，主塔上橫梁采用矩形空心截面，其中截面外輪廓尺寸為6.2 m×6.0 m，截面內(nèi)空心尺寸為4.6 m×4.4 m，帶30 cm×30 cm倒角，壁厚80 cm。

2 上橫梁施工難點(diǎn)分析

根據(jù)上橫梁設(shè)計(jì)圖紙及現(xiàn)場(chǎng)施工條件，分析施工難點(diǎn)主要有3個(gè)：（1）上橫梁跨度達(dá)28.12 m，要求支架具備較大的跨度；（2）上橫梁下緣至下橫梁上緣總高度為51.865 m，難以采用落地支架，需要高空吊裝作業(yè)，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大；（3）上橫梁混凝土方量大，總計(jì)為482 m3，重量約為1 253.2 t。因此上橫梁支架須具備大跨徑、高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性及大剛度的力學(xué)特點(diǎn)，同時(shí)為方便施工作業(yè)應(yīng)盡量降低構(gòu)件的自重，結(jié)構(gòu)盡量采用裝配式結(jié)構(gòu)，減少高空作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)［2］。

3 上橫梁支架設(shè)計(jì)

3.1 支架主要構(gòu)造形式

支架體系自上而下依次為15 mm厚竹膠板、100 mm×100 mm方木縱向分配梁、Ⅰ22a工字鋼橫向分配梁、14榀321貝雷梁（支點(diǎn)、銷軸處腹桿采用［8槽鋼加強(qiáng)）、雙拼Ⅰ56a橫梁、鋼管支架、預(yù)埋錨固鋼板。支架立面、橫斷面布置如圖2、下頁圖3所示。[HJ]

3.2 計(jì)算參數(shù)

3.2.1 設(shè)計(jì)荷載

支架荷載主要有：結(jié)構(gòu)自重（程序自動(dòng)計(jì)算）、橫梁混凝土荷載、人員機(jī)具荷載、機(jī)械振搗荷載、風(fēng)荷載。

3.2.2 橫梁混凝土荷載

3.2.2.1 橫梁等厚段

腹板、橫隔板處混凝土荷載=6×26=156.0 kN/m2。

空心箱室頂?shù)装寤炷梁奢d=1.6×26=41.6 kN/m2。

3.2.2.2 橫梁倒角段

腹板處混凝土荷載為182.0～156.0 kN/m2。

空心箱室頂?shù)装寤炷梁奢d為93.6～41.6 kN/m2。

3.2.3 人員機(jī)具荷載

人員機(jī)具荷載取值4.0 kN/m2。

3.2.4 機(jī)械振搗荷載

機(jī)械振搗荷載取值2.0 kN/m2。

3.2.5 風(fēng)荷載

作用在支架上的水平風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按式（1）計(jì)算：

wk=μz×μs×w0（1）

按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2002）的規(guī)定采用，取重現(xiàn)期n=10年對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓值。

wk=μz×μs×w0=1.46×1.0×0.35=0.511 （kN/m2）（2）

風(fēng)荷載轉(zhuǎn)換成線荷載：

主鋼管荷載=0.511×0.84=0.429 kN/m。

其他鋼管荷載=0.511×0.63=0.322 kN/m。

貝雷梁弦桿荷載=0.511×0.1=0.051 kN/m。

貝雷梁腹桿荷載=0.511×0.05=0.026 kN/m。

3.2.6 計(jì)算工況

支架采用Midas Civil軟件建模分析，對(duì)支架進(jìn)行整體計(jì)算。

結(jié)構(gòu)自重及混凝土荷載分項(xiàng)系數(shù)取值為1.2，人員機(jī)具、機(jī)械振搗荷載分項(xiàng)系數(shù)取值均為1.4，風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)取值為1.1。

強(qiáng)度計(jì)算荷載組合采用基本組合，剛度計(jì)算荷載組合采用標(biāo)準(zhǔn)組合［3］。

3.3 支架有限元模型計(jì)算

3.3.1 模型構(gòu)件空間布置

采用Midas Civil軟件對(duì)支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，建模如圖4所示，各構(gòu)件的空間位置根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙的相對(duì)位置來布置。

3.3.2 支架模型邊界條件假定

（1）鋼管支架與墩身預(yù)埋鋼板通過螺栓連接，模型中采用固結(jié)模擬。

（2）鋼管頂焊接水平鋼板，上面放置卸落裝置，鋼管與橫梁中采用彈性連接中的一般彈性連接模擬，SDx取1e7 kN/m，SDy取1e5 kN/m，SDz取1e5 kN/m，SRy取100 kN·m/rad。

（3）承重橫梁與貝雷梁間采用騎馬螺栓固定，模型中采用彈性連接中的一般彈性連接模擬，SDx取1e7 kN/m，SDy取1e5 kN/m，SDz取1e5 kN/m。

（4）貝雷梁與支撐架間采用螺栓連接，模型中采用彈性連接中的一般彈性連接模擬，SDx取1e6 kN/m，SDy取1e6 kN/m，SDz取1e6 kN/m，SRy取1e6 kN·m/rad，SRz取1e6 kN·m/rad。

（5）貝雷梁與橫向分配梁間采用騎馬螺栓固定，模型中采用彈性連接中的一般彈性連接模擬，SDx取1e7 kN/m，SDy取1e5 kN/m，SDz取1e5 kN/m，SRy取50 kN·m/rad。

（6）橫向分配梁與縱向分配梁間模型中采用彈性連接中的僅受壓和一般彈性連接模擬，SDx取1e7 kN/m，SDy取1e5 kN/m，SDz取1e5 kN/m，SRx取50 kN·m/rad。

（7）貝雷梁片間通過銷軸連接，模型中通過釋放梁端約束模擬。

（8）橫梁端部倒角加厚段支架一端支撐于外側(cè)鋼管樁承重橫梁上，另一端支撐在頂部鋼管上，其他部位彈性連接與等厚段取值一致［4］。

3.3.3 最不利工況計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)采用Midas Civil軟件進(jìn)行三維空間建模，并對(duì)各種桿件賦予各自材料特性。針對(duì)以上截面及材料類型進(jìn)行最不利工況計(jì)算，最不利工況荷載組合：1.2×自重+1.2×混凝土+1.4×人員機(jī)具+1.4×機(jī)械振搗+1.1×風(fēng)荷載。計(jì)算結(jié)果見下頁表1，由表1匯總結(jié)果分析，最不利工況下支架的強(qiáng)度及剛度滿足要求。

同時(shí)對(duì)支架進(jìn)行整體穩(wěn)定性計(jì)算，彈性穩(wěn)定分析主要是整體穩(wěn)定性分析，對(duì)施加在結(jié)構(gòu)上的荷載總重較為敏感，對(duì)荷載布置不敏感，因此對(duì)支架選取最大荷載組合的穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，支架最小一類穩(wěn)定系數(shù)為25.9，＞4，滿足穩(wěn)定性要求［5］。

綜上可知，支架能夠滿足最不利工況的施工要求，現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)構(gòu)件的尺寸及材料強(qiáng)度等進(jìn)行加工安裝作業(yè)。

4 上橫梁施工技術(shù)

4.1 上橫梁支架及施工作業(yè)平臺(tái)

上橫梁采用在塔柱上預(yù)設(shè)牛腿，牛腿上架設(shè)橫橋向一端可活動(dòng)的勁性骨架立模。待塔柱混凝土澆筑至上橫梁預(yù)埋牛腿處時(shí)，進(jìn)行牛腿加工與制作與勁性骨架的安裝。

牛腿加工完成后，進(jìn)行縱梁與分配梁的鋪設(shè)以及底模的安裝，控制好高程模板底高程。

支架體系自上而下依次為10 mm鋼模板、Ⅰ12工字鋼縱向分配梁、Ⅰ25a工字鋼橫向分配梁、321貝雷梁（支撐處采用加強(qiáng)腹桿）、雙拼Ⅰ56a橫梁、鋼管支架、預(yù)埋錨固鋼板。

作業(yè)平臺(tái)支架體系自上而下依次為15 mm厚竹膠板、50 mm×50 mm方木縱梁、［120 mm×60 mm×3 mm槽鋼橫梁、Ⅰ25a托架。

由于牛腿安裝采用剛性連接，結(jié)構(gòu)之間非彈性變化量很小，不需要采用分級(jí)加載，直接進(jìn)行預(yù)壓試驗(yàn)，使用現(xiàn)場(chǎng)的H型鋼、貝雷片、鋼筋直接加載，消除其微小非彈性量。通過測(cè)量與計(jì)算，確定其預(yù)拱度。

4.2 上橫梁支架及操作平臺(tái)安裝

4.2.1 上橫梁支架安裝

采用D840 mm×12 mm鋼管截面建立支架主斜腿、水平鋼管，采用D630 mm×10 mm鋼管截面建立副斜腿、采用D245 mm×7 mm鋼管截面建立平聯(lián)鋼管。

鋼管樁頂采用雙拼Ⅰ56a工字鋼作為承重橫梁。

橫梁頂放置321貝雷梁（支撐處采用加強(qiáng)腹桿），在上橫梁腹板下采用三榀一組，其他部位采用2榀一組，組間距有60 cm及90 cm兩種形式。

貝雷梁榀內(nèi)安裝支撐架，組間設(shè)置剪刀撐，采用L63 mm×4 mm角鋼，材料規(guī)格為Q235。

貝雷梁上采用Ⅰ22a工字鋼模擬橫向分配梁。順支架方向間距75 cm設(shè)置一道。

橫向分配梁上采用100 mm×100 mm方木間距20 cm設(shè)置一道縱向分配梁。

縱向分配梁上鋪設(shè)15 mm厚竹膠板。

橫梁端部倒角加厚段支架采用雙拼Ⅰ45a工字鋼作為三角支撐架、Ⅰ22a工字鋼作為橫向分配梁，100 mm×100 mm方木作為縱向分配梁，其上鋪設(shè)15 mm厚竹膠板。

4.2.2 上橫梁支架操作平臺(tái)安裝

采用Ⅰ25a工字鋼作為托架，［120 mm×60 mm×3 mm槽鋼作為橫梁，橫梁上鋪50 mm×50 mm方木作為縱梁，縱梁上鋪15 mm竹膠板作為面板。

4.3 上橫梁支架預(yù)埋件

4.3.1 頂鋼管預(yù)埋件

頂鋼管預(yù)埋鋼板尺寸為1 050 mm×1 000×20 mm，共設(shè)置6塊，每塊預(yù)埋鋼板設(shè)置直徑25 mm錨筋，錨筋共布置4層，層間距250 mm，水平方向間距為200 mm×4 mm布置，共計(jì)20根，每根錨筋的錨固長度為800 mm。

4.3.2 主鋼管預(yù)埋件

主鋼管預(yù)埋鋼板尺寸為1 550 mm×1 000×20 mm，共設(shè)置6塊，每塊預(yù)埋鋼板設(shè)置直徑20 mm錨筋，錨筋共布置6層，層間距250 mm，水平方向間距為200 mm×4 mm布置，共計(jì)30根，每根錨筋的錨固長度為600 mm。

4.3.3 副鋼管預(yù)埋件

副鋼管預(yù)埋鋼板尺寸為2 000 mm×950×20 mm，共設(shè)置6塊，每塊預(yù)埋鋼板設(shè)置直徑20 mm錨筋，錨筋共布置6層，層間距250 mm，水平方向間距為250 mm×3 mm布置，共計(jì)28根，每根錨筋的錨固長度為600 mm。

4.4 上橫梁支架操作平臺(tái)預(yù)埋件

4.4.1 橫撐預(yù)埋件

橫撐預(yù)埋鋼板尺寸為500 mm×350×20 mm，共設(shè)置6塊，每塊預(yù)埋鋼板設(shè)置直徑16 mm錨筋，錨筋共布置兩層，層間距200 mm，水平方向間距為150 mm布置，共計(jì)4根，每根錨筋的錨固長度為500 mm。

4.4.2 斜撐預(yù)埋件

斜撐預(yù)埋鋼板采用500 mm×350×20 mm，共設(shè)置6塊，每塊預(yù)埋鋼板設(shè)置直徑16 mm錨筋，錨筋共布置兩層，層間距200 mm，水平方向間距為150 mm布置，共計(jì)4根，每根錨筋的錨固長度為500 mm。

4.5 上橫梁支架鋼管樁安裝

鋼管樁尺寸為D840 mm×12 mm、D630 mm×10 mm、D245 mm×7 mm，鋼管樁與預(yù)埋鋼板間采用焊接連接，采用單面滿焊，焊縫高度為8 mm，并采用10塊δ14 mm加勁板加強(qiáng)鋼管樁與預(yù)埋鋼板間的連接，焊縫高度為1 cm。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長度為13 m，鋼管樁接高焊接；為保證鋼管樁的垂直度，在鋼管樁焊接前先點(diǎn)焊一側(cè)，然后調(diào)整垂直度，最后進(jìn)行焊接；鋼管樁連接法蘭在后場(chǎng)焊接時(shí)，需對(duì)鋼管樁端頭找平，且在焊接法蘭時(shí)，要保證法蘭盤平面與鋼管樁軸線垂直，鋼管樁軸線與法蘭盤圓心重合對(duì)中，以保證鋼管樁的連接質(zhì)量。

鋼管樁拼裝時(shí)，必須有安全可靠的操作平臺(tái)，所有操作人員必須按規(guī)定佩戴安全防護(hù)用品。

4.6 鋼管樁剪刀撐

鋼管樁剪刀撐采用L63 mm×4 mm角鋼焊接，在后場(chǎng)加工成型后，轉(zhuǎn)運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)焊接安裝。平聯(lián)安裝時(shí)，必須有安全可靠的操作平臺(tái)。

4.7 鋼管樁頂承重橫梁

鋼管樁頂承重分配梁為雙拼Ⅰ56a工字鋼組合而成。承重分配梁放置前，對(duì)鋼管樁頂標(biāo)高進(jìn)行精確找平，以免由于高度不均勻，引起鋼管樁受力不均。將承重梁與主鋼管之間的頂鋼管部分澆筑C30混凝土，保證其支撐剛度。

4.8 貝雷主梁

鋼管樁頂承重分配梁安裝完成后，進(jìn)行貝雷主梁的安裝，運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)采用塔吊成組安裝，貝雷片支架之間通過標(biāo)準(zhǔn)花架連接，貝雷片采用4組兩片和兩組三片組成，同時(shí)在貝雷梁下弦桿與分配梁間通過型鋼焊接固定。

4.9 分配梁

貝雷主梁安裝完成后，在貝雷主梁上安放Ⅰ22a工字鋼橫向分配梁，Ⅰ22a工字鋼橫向分配梁標(biāo)準(zhǔn)間距75 cm，在下橫倒角位置加密為50 cm間距，分配梁長度為10 m。

4.10 下橫梁底模安裝

下橫梁厎模采用15 mm厚竹膠板，混凝土分兩次進(jìn)行施工，第一層混凝土澆筑底板及腹板高度為5 m，第二層混凝土澆筑頂板高度為1 m，模板高度按6 m進(jìn)行加工。

4.11 上橫梁外模與內(nèi)模安裝

橫梁外模采用鋼模，內(nèi)模采用竹膠板，從中間往兩側(cè)進(jìn)行模板安裝。模板安裝過程中加設(shè)模板斜撐，內(nèi)外模穿對(duì)拉拉桿進(jìn)行模板固定。

模板內(nèi)部尺寸，通過設(shè)置定位橫撐實(shí)現(xiàn)，例如橫梁腹板混凝土寬0.8 m，在背方位置設(shè)置50 mm×50 mm×1 000 mm方木橫撐，進(jìn)行內(nèi)部尺寸控制，模板標(biāo)高通過在模板底部設(shè)置木楔進(jìn)行調(diào)整定位，模板平面通過內(nèi)模支撐鋼管頂托進(jìn)行調(diào)整，模板縱向線形通過牽拉管線進(jìn)行量測(cè)、調(diào)整［6］。

上橫梁混凝土分兩次進(jìn)行施工，第一次混凝土澆筑底板及腹板位置高度為3.3 m，第二次混凝土澆筑腹板及頂板高度為2.7 m，模板高度按6 m進(jìn)行加工，第一層及第二層模板加固詳見圖5、圖6。

5 結(jié)語

本文通過采用大鋼管及貝雷梁等剛度較大的材料形成組合支架結(jié)構(gòu)，具備較大的剛度，同時(shí)對(duì)于鋼管薄弱節(jié)點(diǎn)采用灌注混凝土的方式進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)，解決了大跨度的問題；通過設(shè)置施工作業(yè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)高空作業(yè)平地化，保證作業(yè)人員的安全，解決了高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大的難題；通過分層澆筑，合理設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，解決了混凝土澆筑方量大的難題。通過對(duì)支架結(jié)構(gòu)建立有限元分析模型，全面分析了不同工況結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，其在最不利工況下結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能滿足規(guī)范要求。

施工后總結(jié)了如下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

（1）施工時(shí)可將腹板、橫隔板下方木滿鋪，即可解決竹膠板剪應(yīng)力超標(biāo)問題。

（2）鋼管支架施工時(shí)注意與墩身預(yù)埋件的連接。

（3）鋼管接頭點(diǎn)位置澆筑C30混凝土，增強(qiáng)鋼管的抗擠壓能力。

（4）鋼管支架頂設(shè)置卸落裝置，注意預(yù)留裝置安裝高度。

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作者簡介：張正坤（1994—），助理工程師，主要從事道路橋梁施工管理工作。