千米級混合梁斜拉橋邊跨支架的設計及拆卸分析

彭華軍

(四川南渝高速公路有限公司，四川南充 637000)

[定稿日期]2017-09-15

1 工程概況

鄂東長江公路大橋為大陸首座千米級混合梁斜拉橋，其跨徑組成為(3×67.5+72.5+926+72.5+3×67.5) m。邊跨設3個輔助墩和一個過渡墩。邊中跨均采用PK斷面箱梁，梁高均為3.8 m，拉索雙索面設置。橋梁整體布置如圖1所示，主梁標準斷面如圖2所示。

圖1 鄂東大橋總體布置(單位：m)

(a) 鋼箱梁標準橫斷面

(b) 混凝土箱梁標準橫斷面圖2 主橋標準橫斷面(單位：mm)

2 邊跨支架系統(tǒng)設計

2.1 支架結構設計

超大跨度混合梁斜拉橋，邊跨施工工藝復雜、程序繁多且工期持續(xù)時間長，支架的設計計算不僅關系施工期結構安全穩(wěn)定，更影響到成橋結構內(nèi)力和線形[1-3]。根據(jù)大橋所處地質(zhì)環(huán)境、施工特點，本橋支架設計為鋼管柱貝雷梁支架系統(tǒng)，以南岸為例，支架布置如圖3所示。圖3中基礎采用直徑φ1 200 mm和φ1 500 mm的鉆孔灌注樁。6#～8#墩之間為φ1 020×12 mm鋼管； 8#～10#墩之間為φ1 200×14 mm鋼管。支撐排架橫橋向平聯(lián)采用φ600×8 mm的鋼管，其余排架橫橋向采用2[28a作平聯(lián)，縱橋向平聯(lián)為2[25a。橫橋向采用2[28a作為斜撐，縱橋向采用φ25鋼筋對拉。立柱及牛腿上設卸荷砂箱，砂箱上設2HN800×300的主橫梁。主橫梁上擱置貝雷梁，貝雷梁上設I25a分配梁。

圖3 支架系統(tǒng)布置示意

2.2 支架受力分析

2.2.1 計算荷載

箱梁混凝土自重：按26 kN/ m3進行計算；

施工荷載：按2.5 kN/m2進行計算；

風荷載：考慮橫橋向風荷載，風速按30年一遇，V=18.7 m/s進行計算；

模板重量：按2.0 kN/m2進行計算；

設計高水位：19.65 m；

設計流速：3.0 m/s。

2.2.2 計算工況

工況1：梁段支架搭設完畢后，側(cè)向風作用。

工況2：邊跨支架堆載預壓，預壓荷載為1.2倍箱梁自重。

工況3：箱梁澆筑完畢，側(cè)向風作用。

2.2.3 建模計算

采用MIDAS/CIVIL有限軟件建模，用三維梁單元模擬分配梁、貝雷梁、主橫梁、鋼管柱。采用整體模型計算的優(yōu)點是對支架系統(tǒng)的模擬比子模型法更接近實際情況。構件之間約束如下(其中x順橋向，y橫橋向，z豎直向，0表示放松，1表示約束)：

分配梁與貝雷梁 (Dx=Dy=Dz=1,Ry=1、Rx=Rz=0)

貝雷梁與主橫梁 (Dx=Dy=Dz=1,Rx=1、Ry=Rz=0)

主橫梁與支架 (砂筒支架端：全約束；橫梁端Dx=Dy=Dz=1,Rx=Ry=Rz=0)

支架模型如圖4所示。

圖4 支架計算模型

2.2.4 支架變形計算

支架變形計算一方面為混凝土立模標高的確定提供依據(jù)，另一方面保障結構剛度確保結構安全，三種荷載工況下結構變形如表1所示。

表1 支架變形 mm

2.2.5 構件應力驗算

支架應力驗算如表2所示。

表2 支架應力計算結果

由計算可知分配梁組合應力(彎矩和軸向)最大為119 MPa<188 MPa，兩排貝雷架間最大變形為1.9 mm

圖5 牛腿應力圖(單位：MPa)

根據(jù)JTJ 025-86《公路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)范》要求[4]：

Q235允許最大綜合應力為：145×1.3=188 MPa

Q235允許最大剪應力：85×1.3=110 MPa

貝雷梁允許最大綜合應力為：210×1.3=273 MPa

經(jīng)計算支架受力滿足要求。

2.3 支架基礎設計分析

根據(jù)大橋所在地質(zhì)情況，樁長設計為：樁徑D=1200 mm，有效樁長L=36 m(樁端到巖面)；樁徑D=1200 mm，有效樁長L=25 m；樁徑D=1500 mm，有效樁長L=36 m(樁端到巖面)。樁基受力狀態(tài)為軸心豎向受荷。單樁豎向極限承載力設計值為：

式中：Qsk為單樁總極限側(cè)阻力標準值；Qpk為單樁總極限端阻力標準值；γs、γp為樁側(cè)阻抗力和樁端阻抗力分項系數(shù)，按照JGJ 94-2008《建筑樁基技術規(guī)范》[5]取值：γs=γp=1.62。

計算可得：R25m=1858 kN，RD=12 m=3212 kN，RD=15 m=3927 kN。

經(jīng)計算，樁身配筋按構造配筋：φ1 200 mm樁基選用12φ16，箍筋按規(guī)范構造要求進行配置，采用φ8@200，鋼筋籠嵌固點深度取7.0 m；φ1 500 mm樁基選用15φ16，箍筋按規(guī)范構造要求進行配置，采用φ8@200，鋼筋籠嵌固點深度取8.5 m。

承臺構造配筋，單向單側(cè)配筋率0.15 %。

φ1 200樁基承臺：

承臺尺寸為1.6 m×1.6 m×0.8 m(長×寬×高)

Aso=1600×800×0.15 %=1920 mm2

實際選用11φ16，As=2210 mm2

φ1 500樁基承臺：

承臺尺寸為1.9 m×1.9 m×0.8 m(長×寬×高)

Aso=1900×800×0.15 %=2280 mm2

實際選用13φ16，As=2612 mm2

均滿足要求。

由各承臺對應的柱腳進行驗算，可得：

2987 kN

1805 kN

3414 kN

支架基礎設計滿足要求。

3 支架拆卸設計

支架拆卸時間及拆卸方式是施工中重要環(huán)節(jié)，將直接影響結構內(nèi)力和線形，是特大跨度混合梁斜拉橋施工控制的重難點。鄂東橋在鋼箱梁及斜拉索安裝期間對支架做了拆卸處理，其布置形式如圖6所示，支架編號如圖7～圖8所示。

圖6 鋼箱梁及斜拉索安裝期間邊跨混凝土主梁保留支架

圖7 北側(cè)邊跨混凝土主梁保留支架編號

圖8 南側(cè)邊跨混凝土主梁保留支架編號

3.1 支架卸除方案

根據(jù)鄂東大橋中跨合龍方案要求[6]，提出三種支架卸除方案。

(1)方案一：合龍后卸除邊跨支架。北側(cè)支架卸除先后順序為：I2→I1→I3→J2→J1→J3→K→H2→H3→H1；南側(cè)支架卸除先后順序為：I2→I1→I3→J2→J1→J3→K2→K1→K3→H2→H3→H1。

(2)方案二：分階段多次拆除。北側(cè)支架卸除先后順序為：(8#斜拉索二張后拆除K)→(16#斜拉索二張后，先后拆除J2→J3→J1)→(24#斜拉索二張后，先后拆除I2→I3→I1)→(30#斜拉索二張后，先后拆除H2→H3→H1)；南側(cè)支架卸除先后順序為：(8#斜拉索二張后，先后拆除K2→K1→K3)→(16#斜拉索二張后，先后拆除J2→J3→J1)→(24#斜拉索二張后，先后拆除I2→I3→I1)→(30#斜拉索二張后，先后拆除H2→H3→H1) 。

(3)方案三：合龍前卸除。

3.2 支架卸除計算對比分析

對三種方案進行對比分析，結構溫度均采用設計標準溫度20 ℃。施工期混凝土主梁、鋼主梁、索塔在邊跨支架卸除過程中的應力對比如表3所示。采用原主梁安裝線形及斜拉索無應力索長張拉控制方案，方案二的成橋主梁橋面線形最大誤差約8 cm，方案三的成橋主梁橋面線形最大誤差約3 cm。若采用方案二，控制方案需進修局部優(yōu)化。

表3 三種支架卸除方案應力最大值對比 MPa(受壓為正)

綜合考慮施工期應力、成橋應力、成橋線形，合龍后卸架在邊跨混凝土箱梁施工期抗裂、成橋線形方面優(yōu)于分階段卸架。合龍前卸架與合龍后卸架相比，差別不大，所需的控制方案調(diào)整不大。結合鄂東大橋合龍方案論證[6]，本橋采用幾何合龍進行中合龍，支架的拆卸采用方案三。

4 結束語

通過對鄂東大橋邊跨現(xiàn)澆段支架系統(tǒng)的設計，建立有限元模型進行力學驗算，對支架卸除順序進行研究分析，得到以下結論：

(1)超大跨度混合梁斜拉橋邊跨支架是施工的重難點，其不僅關系施工期結構安全穩(wěn)定，更影響到成橋結構內(nèi)力和線形，應合理的設計支架系統(tǒng)；

(2)整個支架體系承載力、剛度及穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，安全可靠；

(3)結構內(nèi)力在施工期均滿足要求，但支架拆卸順序?qū)Y構抗裂性及壓應力的安全儲備產(chǎn)生影響；合理的拆卸順序是到達理想成橋線形的保障。

[1] 李傳習，宋徽，羅超云, 等. 嘉紹大橋斜拉橋邊跨鋼箱梁架設方法及支架的受力分析[J].中外公路，2012，32(6)：129-133.

[2] 趙振海，李禎，蔡東旭, 等. 不等跨混凝土連拱橋主拱圈支架拆除技術[J].中國港灣建設，2014，192(2)：66-69.

[3] 石嘯. 鐵路客運專線現(xiàn)澆連續(xù)箱梁梁式支架體系施工[J].中國港灣建設，2010，167(3)：63-68.

[4] JTJ 025-86 公路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)范[S]. 北京：人民交通出版社,1986.

[5] JGJ 94-2008 建筑樁基技術規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[6] 謝明志.特大跨度混合梁斜拉橋全過程監(jiān)控中的誤差控制 [D].成都：西南交通大學,2011.