宜昌伍家崗長江大橋橋塔上橫梁施工分析*

石 廣，曹振杰，方小林，何承林

(1.中建三局集團有限公司，湖北 武漢 430064； 2.中建三局第三建設工程有限責任公司，湖北 武漢 430074)

1 工程概況

宜昌伍家崗長江大橋主橋(290m+1 160m+402m=1 852m)為正交異性橋面板鋼箱梁懸索橋。主橋主塔采用鋼筋混凝土門形框架結構，塔高155m，混凝土強度等級為C50。主塔由塔柱、上橫梁、鋼桁架及下橫梁組成，塔柱采用鋼筋混凝土結構，上、下橫梁均采用預應力混凝土結構，鋼桁架采用箱形框架結構。主塔立面如圖1所示。

圖1 主塔立面(單位：cm)

主塔上橫梁采用矩形截面，距塔柱內壁1.3m范圍為實心截面。上橫梁在塔柱間長21m，其中間19m為等截面，高6.5m，寬6.6m，壁厚均為0.8m；兩側各1m為變截面，高度由6.5m漸變為7m。上橫梁設有預應力，采用20束16孔預應力鋼束，預應力筋采用高強度低松弛鋼絞線，標準強度fptk=1 860MPa，Ep=1.95×105MPa。

2 上橫梁施工方案

橋塔上、下橫梁間凈距為129.5m，上橫梁澆筑時采用托架。托架主梁采用貝雷片，順橋向布置22片。根據上橫梁斷面荷載分布不同，貝雷片單側腹板范圍布置5片，單側人行道布置1片，底板范圍布置10片。托架砂筒以下為支撐體系，采用3榀π形架順橋向布置，π形架間距為2.8m。整個托架支點采用可周轉牛腿，單支塔柱上、下2層共布置6個牛腿。托架具體布置如圖2所示。

圖2 上橫梁托架布置

為避免模板在上橫梁位置拆除和二次安裝，上橫梁與塔柱采用異步施工方案。塔柱施工時預先埋入上橫梁鋼筋套筒，待智能頂升模架爬升后再連接上橫梁鋼筋與套筒。同時，在托架牛腿對應位置預埋定位板，牛腿安裝時通過可周轉螺栓栓接作為托架的受力支承點。該方式可有效減少現場高空焊接，保證結構傳力可靠；可周轉牛腿也可重復利用，降低工程造價。

上橫梁混凝土分2層澆筑，第1層澆筑的混凝土(高5.0m，混凝土方量約376.5m3)達到設計強度的90%后，現場張拉上橫梁下層的8束預應力鋼筋；澆筑的第2層混凝土(高1.5m，混凝土方量為157.1m3)達到設計強度后，張拉剩余的預應力鋼筋。

3 上橫梁施工模擬

采用有限元軟件MIDAS FEA分析上橫梁在整個施工過程中的受力和變形。為準確模擬托架各構件所受的真實荷載及反映上橫梁首層澆筑的混凝土剛度作用，建模時上橫梁采用實體單元模擬，托架所受的澆筑荷載也通過該實體單元的自重直接施加；塔柱及下橫梁均采用實體單元模擬，不考慮普通鋼筋參與受力，上橫梁預應力采用鋼筋預應力荷載模擬；托架采用梁單元模擬。

根據結構節點處實際約束情況定義模型的邊界條件。主塔塔柱根部固結，托架下層牛腿處可周轉螺栓布置在節點外圍，可有效限制桿件轉動，近似為剛接，模擬時約束6個方向自由度；托架上層牛腿處π形架直接擱置在牛腿槽內，桿件可沿x向平動，繞y向轉動，近似為鉸接，模擬時釋放x向平動自由度和繞y向轉動自由度。塔柱、橫梁及托架的局部有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

為有效反映上橫梁施工時分層澆筑及張拉預應力鋼筋的作用，對上橫梁施工過程共進行3種工況模擬。

1)工況1 上橫梁施工過程共分5個階段：①塔柱施工完成；②上橫梁托架安裝完成；③上橫梁完成第1層(5m厚)混凝土澆筑；④第1層混凝土達到設計強度的90%后張拉上橫梁下層8束預應力鋼筋；⑤上橫梁完成第2層(1.5m厚)混凝土澆筑。

2)工況2 不進行工況1中的步驟④，即上橫梁第1次澆筑后不張拉預應力鋼筋，其余步驟同工況1。

3)工況3 上橫梁不分層澆筑，一次澆筑完成，即在工況1中步驟③上橫梁完成全部澆筑。

經3種工況分析，各施工階段π形架拉桿軸力和最大變形如表1所示。

表1 各施工階段π形架軸力和變形

對比工況2，3的計算結果可知，因工況2分層澆筑，托架邊拉桿最終所受的拉力減少541.7kN，占第2層澆筑混凝土總重的78.2%，即已澆筑的第1層混凝土承受了第2層混凝土的大部分荷載，故分層澆筑可有效減小托架受力。

對比工況1，2的計算結果可知，首層混凝土澆筑后，因張拉上橫梁下層的部分預應力鋼筋，托架拉桿軸力會減小，由1 660.0kN減小到1 388.1kN(以邊拉桿為例)，第2層混凝土澆筑后，工況1中托架拉桿內力增加48.2kN，工況2中托架拉桿內力增加115.2kN，說明張拉預應力鋼筋增大了首層上橫梁混凝土的剛度，減小了托架所受的荷載。

工況1，2中的第1層混凝土應力如圖4所示。

圖4 上橫梁下層混凝土最終應力分布(單位：MPa)

由圖4可知，未張拉上橫梁底層預應力時，上橫梁下層混凝土最大拉應力為0.4MPa，最大壓應力為0.7MPa；張拉預應力筋后，上橫梁下層混凝土(除預應力管道孔壁附近外)基本處于受壓狀態，最大壓應力為1.5MPa。因此，通過張拉上橫梁下層部分預應力鋼筋可有效降低上橫梁已澆筑混凝土應力。

4 結語

宜昌伍家崗長江大橋上橫梁與塔柱采用異步施工，可避免模板在上橫梁位置拆除和二次安裝，加快橋塔的施工進度。上橫梁分2層澆筑，并分次張拉預應力鋼筋，可有效減小托架所受荷載，從而減少支架鋼結構用量，提高高空施工的安全性。

上橫梁已于2019年底完成施工，施工階段的監測數據顯示，托架各構件受力和變形與模擬結果吻合。該橋塔上橫梁施工技術可為今后同類橋塔快速化施工提供參考。