主塔下橫梁支架結(jié)構(gòu)分析

趙 冉 楊峻熙

(中交二航局第二工程有限公司， 重慶 401121）

在大跨度懸索橋和斜拉橋中，橫梁作為主塔重要的連接和傳力結(jié)構(gòu)，是設(shè)計和施工中的重要環(huán)節(jié)[1]。下橫梁結(jié)構(gòu)具有尺寸較大、高度較高的特點，施工中一般分次澆筑，工藝較多，且分次澆筑時混凝土是否開裂，為避免這一施工情況是否需提前張拉預(yù)應(yīng)力，因此面對諸如施工問題如何利用安全經(jīng)濟的支架系統(tǒng)完成下橫梁施工是一項重要的技術(shù)課題。文中以東江南支流港灣大橋主塔下橫梁支架為例，對支架系統(tǒng)及橫梁混凝土應(yīng)力進行了詳細的驗算分析。

1 工程概況

東江南支流港灣大橋位于廣東省東莞市，跨越東江南支流連接沙田鎮(zhèn)阇西村與坭洲島， 為東南- 西北走向。 主橋為自錨式懸索橋， 橋長60+130+320+130+65=705m。主橋橋塔是由塔柱、橫梁組成的門式框架結(jié)構(gòu)，上塔柱為普通鋼筋混凝土，橫梁和下塔柱為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。下橫梁為C50 預(yù)應(yīng)力空心箱形截面，梁高6m，寬5m，頂?shù)装鍢藴屎穸染鶠?.8m，腹板厚度為1.2m，標準橫梁設(shè)三道橫隔板，橫隔板厚度0.8m。下橫梁混凝土方量共625m3，總重約1625t。

下橫梁與塔肢異步施工，即塔肢施工過下橫梁位置后再進行下橫梁施工。下橫梁施工采用落地支架法，先對預(yù)先施工的塔肢進行鑿毛處理，之后混凝土分二次進行澆筑，第一次澆筑高3.0m，混凝土方量320m3，第二次澆筑高3.0m，混凝土方量305m3，澆筑完成待強度達到要求后進行預(yù)應(yīng)力施工。

2 設(shè)計概況

下橫梁支架形式為鋼管少支架+牛腿支架的支撐體系[2]，共設(shè)置10 根Ф800×10mm 鋼管立柱，鋼管支承于承臺上；鋼管立柱間設(shè)置Ф426×6mm 鋼管支撐。標準斷面處支架上部結(jié)構(gòu)從上至下依次為： 10mm 厚鋼面板，橫向分配梁采用型鋼I25，主縱梁選用型鋼I56，主橫梁選用型鋼3I56，卸荷塊為3I25。鋼立柱橫橋向?qū)?yīng)橫隔板位置布置，間距為5m+7m+7m+5m，順橋向間距為4m；鋼立柱豎向每8m 設(shè)置一道Ф426×6mm 平聯(lián)，順橋向平聯(lián)間設(shè)置Ф426×6mm 斜撐；分配梁I25間距0.4m；主縱梁I56 標準間距為1m，腹板處加密至0.5m。下橫梁倒角處牛腿支架結(jié)構(gòu)從上至下依次為： 10mm 厚鋼面板，橫向分配梁采用型鋼2[20，三角撐上弦為2[20，腹桿為[20，牛腿采用2I40。分配梁2[20 間距0.3m，橫梁單側(cè)設(shè)置三角撐及牛腿共三組，三角撐豎向高度為1.1m。支架斷面圖如下：

圖1 下橫梁支架斷面（單位：cm）

3 荷載及荷載組合

結(jié)合施工工藝的要求，為確保結(jié)構(gòu)具有較高的安全性，下橫梁支架在設(shè)計計算時主要考慮以下幾種荷載及荷載組合。

1）混凝土容重：26kN/m3；2）鋼材容重：78.5kN/m3；3）施工及人群荷載：2.5kN/m2；4）振搗荷載：2.5kN/m2；6）施工風速：20.0m/s（基本風壓W0=0.25kN/m2） ，最大風速：V=35.4m/s（基本風壓W0=0.78kN/m2）。

工況1：支架搭設(shè)完成，考慮最大設(shè)計風速35.4m/s，該工況不進行混凝土澆筑。工況2：待第一次混凝土強度達到要求后進行第二次混凝土澆筑，考慮施工風速20m/s。工況2 時第一次混凝土已形成剛度，第二次混凝土的澆筑荷載主要由第一次混凝土傳遞至塔肢，因此根據(jù)經(jīng)驗支架荷載考慮為第一次澆筑的全部重量加上第二次澆筑重量的40%。根據(jù)上述情況對支架的計算進行2 種工況組合[4],工況組合如表1。

表1 支架荷載組合情況統(tǒng)計

4 設(shè)計計算

利用Midas Civil 計算軟件整體建模，采用整體結(jié)構(gòu)加荷載的形式對下橫梁支架的強度及穩(wěn)定性進行計算[3]。模型中鋼板為板單元；橫向分配梁、主縱梁、主橫梁、三角撐分配梁及上弦桿均為梁單元，鋼立柱為梁單元，支撐及三角撐腹桿為桁架單元。材料自重及各種荷載的荷載系數(shù)均由軟件計入，鋼管立柱底部、連墻件及牛腿預(yù)埋件處均為固結(jié)，主橫梁與鋼管立柱頂面采用剛性連接（鉸接），各層梁系之間采用彈性連接（Z 向彈簧剛度較大，X、Y 向彈簧剛度較小）。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》規(guī)定，支架結(jié)構(gòu)采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法計算[4]。

4.1 強度計算

強度計算中取基本組合計算，即考慮荷載分項系數(shù)影響，其中恒載分項系數(shù)為1.35，可變荷載分項系數(shù)為1.4。經(jīng)分析工況1 時支架上部結(jié)構(gòu)受力較小可忽略不計，下部結(jié)構(gòu)構(gòu)件計算結(jié)果統(tǒng)計如表1；工況2 時支架受力較不利，其構(gòu)件計算結(jié)果統(tǒng)計如表1。

表1 下橫梁支架各構(gòu)件計算結(jié)構(gòu)統(tǒng)計

表2 下橫梁支架各構(gòu)件計算結(jié)構(gòu)統(tǒng)計

根據(jù)上述計算結(jié)果可知：分配梁I25 的組合應(yīng)力最大，其值為161.7MPa，小于鋼材的組合強度設(shè)計值 215f = MPa；主橫梁3I56 的剪應(yīng)力最大，其值為50.3MPa，小于鋼材的抗剪強度設(shè)計值 fv= 125 MPa；各受力構(gòu)件強度均滿足規(guī)范要求。該工況下支架最大水水平位移為7.5mm，最大豎向位移為16.2mm，均小于L/400 因此剛度滿足要求。

4.2 穩(wěn)定性計算

根據(jù)實際施工過程，對支架在兩種工況下進行穩(wěn)定性驗算。取恒載為常量，可變荷載為變量，不考慮上部結(jié)構(gòu)對支架的約束作用，對其進行屈曲分析，算得工況1 下支架失穩(wěn)為局部失穩(wěn)，臨界失穩(wěn)荷載系數(shù)51.1＞4，結(jié)構(gòu)安全可靠[5]；算得工況2 下支架失穩(wěn)為局部失穩(wěn)，臨界失穩(wěn)荷載系數(shù)18.4＞4，結(jié)構(gòu)安全可靠。

4.3 預(yù)埋件計算

支架預(yù)埋件錨板厚均為20mm，錨筋為HRB400Φ25。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》9.7 節(jié)對預(yù)埋件進行受力計算[6]。柱腳預(yù)埋件為受壓型預(yù)埋件，錨筋僅作為構(gòu)造作用。錨筋錨固長度不小于15d=375mm，實際長度取500mm，設(shè)置12 根錨筋。附墻預(yù)埋件主要承受拉、彎、剪載荷。法向拉力N=39.4 kN，彎矩M=72.8kN.m，剪力V=45.3kN。錨筋的總截面面積，實際設(shè)置8 根錨筋，其作用面積，錨固長度，實際長度取600mm。牛腿預(yù)埋件主要承受壓、彎、剪載荷。法向壓力N=39.8 kN，彎矩M=115.0kN.m，剪力V=201.2kN。錨筋的總截面面積，實際設(shè)置12 根錨筋，其作用面積，錨固長度，實際長度取600mm。綜上可知，預(yù)埋錨筋的數(shù)量及錨固長度均滿足規(guī)范要求。

5 下橫梁混凝土受力分析

第一次下橫梁混凝土達到設(shè)計強度后進行第二次混凝土澆筑，分析該工況下第一次下橫梁混凝土的應(yīng)力是否滿足要求。該工況下需考慮支架與塔肢參與受力，采用Midas Civil 建模分析，下橫梁及塔肢均設(shè)置為梁單元，兩者按剛接連接考慮，塔肢底部固結(jié)。因支架參與受力，第一次橫梁混凝土處于無應(yīng)力狀態(tài)，即考慮剛度，不考慮其自重。第二次混凝土的澆筑荷載以線荷載的形式作用在第一次混凝土的梁單元上。橫梁應(yīng)力如下圖2、圖三3：

圖2 第一次橫梁混凝土頂部應(yīng)力（單位：MPa）

圖3 第一次橫梁混凝土底部應(yīng)力（單位：MPa）

由上圖可知，下橫梁第一次混凝土最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在頂部處，最大拉應(yīng)力為2.1MPa。

因此澆筑第二次混凝土時已澆筑下橫梁的應(yīng)力滿足規(guī)范要求，不需要進行預(yù)應(yīng)力張力。該工況

下鋼管支反力為169.5t,牛腿支反力為50.7t，總反力為220.2t，因此第二次澆筑混凝土時傳遞至支架的荷載占比第二次澆筑混凝土荷載總量的比例為28%，本支架實際計算時取第二次混凝土荷載的40%考慮，計算結(jié)果偏安全，因此可適當優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)。

6 結(jié)束語

下橫梁支架安裝與下塔肢施工可同步進行，待塔肢施工過下橫梁位置后進行下橫梁混凝土澆筑，不影響主塔施工進度，保證了施工質(zhì)量和工期，因此采用落地支架的形式較為合理。通過對東江南支流港灣大橋下橫梁支架的計算，支架在各工況荷載組合下支架結(jié)構(gòu)的強度、剛度、穩(wěn)定性及預(yù)埋件受力均滿足規(guī)范要求，分次澆筑時混凝土應(yīng)力滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。通過計算分析優(yōu)化混凝土荷載取值，合理設(shè)計支架結(jié)構(gòu)形式，可節(jié)約工程成本，可為今后類似工程提供設(shè)計參考。