五峰山長江大橋主塔橫梁支架設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)

付文宣，袁 燦，張 克，劉 鴿，黃修平

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設(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.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司，湖北 武漢 430040)

0 引言

隨著橋梁建設(shè)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和飛躍發(fā)展，橋梁的跨徑在不斷突破，超大跨徑懸索橋、斜拉橋等也將成為必然趨勢。當(dāng)橋梁跨度>600m時，往往首先考慮懸索橋。與公路懸索橋相比，鐵路懸索橋的起步要稍晚，目前世界上已建成多座公鐵兩用懸索橋，跨徑已突破千米大關(guān)[1]，參數(shù)如表1所示。

表1 超大跨度公鐵兩用懸索橋

1 工程概況

連鎮(zhèn)鐵路五峰山長江大橋采用雙塔單跨懸吊鋼桁梁懸索結(jié)構(gòu)(見圖1)，是連鎮(zhèn)鐵路線路的重要組成部分，其主纜跨度為(350+1 092+350)m，加勁梁跨度為(84+84+1 092+84+84)m[2]。主塔為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)(采用C55混凝土，HRB400鋼筋)，主塔全高191.5m(從塔座頂面算至鞍座底)，上、下橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。

圖1 五峰山長江大橋總體橋型布置(單位：m)

主塔下橫梁為單箱單室結(jié)構(gòu)，高13m，橫向長43.8m，順橋向頂面寬11m、底面寬12m，頂、底板厚1m，腹板厚0.8m，設(shè)置2道厚1m隔板，下橫梁兩端圓弧段倒角半徑為6m。

主塔上橫梁為單箱單室結(jié)構(gòu)，橫梁高度從中間11m(未計(jì)梁冠高度)向兩端漸變至32.8m，橫梁長約34.4m(橫橋向)、寬7.5m(順橋向)，頂、底、腹板厚度均為0.8m，頂面留有進(jìn)人孔，設(shè)置有2道厚0.5m隔板。主塔及橫梁構(gòu)造如圖2所示。

圖2 主塔及橫梁構(gòu)造(單位：m)

2 橫梁施工難點(diǎn)

下橫梁與塔柱同步施工，塔柱施工時同步進(jìn)行下橫梁支架和模板體系安裝，施工難點(diǎn)有：①下橫梁橫橋向長43.8m，跨度大，支架設(shè)計(jì)要求較高；②下橫梁底面距承臺有51.5m，混凝土方量 4 396m3，總重約11 400t，端部及倒角弧形段皆為實(shí)心截面，澆筑荷載大且弧形段難施工；③下橫梁高13m，需通過試算確定橫梁分層澆筑高度。

上橫梁高度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與塔柱采取異步施工，其施工難點(diǎn)有：①上橫梁底面距下橫梁頂面有121.5m，混凝土方量1 918m3，支架安拆難度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高；②上橫梁總澆筑高度為32.7m，分層澆筑次數(shù)多，工藝繁雜；③上橫梁兩端裝飾塊為異形結(jié)構(gòu)且高差大，支架等模板體系需考慮裝飾塊的施工需要。

3 下橫梁支架設(shè)計(jì)

3.1 下橫梁支架確定

主塔下橫梁支架通常為不落地牛腿大托架和落地式鋼管支架2種結(jié)構(gòu)[3]，根據(jù)下橫梁特點(diǎn)，初步考慮2種方案：①方案1 牛腿小桁架+落地鋼立柱；②方案2 全落地鋼立柱。2種方案立面布置如圖3所示，形式對比如表2所示。

圖3 下橫梁支架方案布置

表2 下橫梁支架形式對比

綜合考慮現(xiàn)場施工條件、上下橫梁材料周轉(zhuǎn)、橫梁特點(diǎn)及受力分析，選用方案2施工更安全可靠。

3.2 下橫梁支架結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

下橫梁支架從上到下布置依次為：橫向分配梁I14a/2I14a(一般間距750mm，實(shí)心段下方采用2I14a雙拼形式，倒角段2I14a間距加密為300mm)，貝雷梁(321型)或新制桁架(2HN600×200)，主橫梁(2HN900×300)，鋼立柱(φ1 000×16，共計(jì)4排9組36根)，平聯(lián)(φ630×8，設(shè)5層)，附墻(2[20a，設(shè)2層)，斜撐(支架上部斜撐采用φ426×6，下部斜撐采用2[20a)。下橫梁直線段采用鋼模板，兩端倒角弧形段底模采用厚6mm鋼板。

固結(jié)排水法包括真空預(yù)壓法、堆載預(yù)壓與降水預(yù)壓法。應(yīng)用真空預(yù)壓法進(jìn)行地基處理時，應(yīng)確保真空預(yù)壓邊緣大于建筑物基礎(chǔ)。通過預(yù)壓達(dá)到增大地基預(yù)壓力的目的。在使用中要盡量增大真空度，確保預(yù)壓效果。堆載預(yù)壓法進(jìn)行地基處理時，需通過建筑物自重進(jìn)行加壓。采取有效的預(yù)壓措施，通過部分超載預(yù)壓進(jìn)行排水固結(jié)，根據(jù)殘余沉降量確定施工方案。降水預(yù)壓法用于地下水含量較少的軟土地基。應(yīng)用此法在施工前應(yīng)收集地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)，制定符合地質(zhì)特點(diǎn)的施工方案。以增強(qiáng)排水固結(jié)的實(shí)效性[4]。

下橫梁支架特點(diǎn)為：①由于承臺塔柱附近空間位置受限，支架外側(cè)第2組鋼立柱為斜立柱，斜立柱與塔柱用附墻連接；附墻與塔柱連接形式為鉸接，消除力矩和支架豎向變形，避免應(yīng)力過大。②下橫梁圓弧段應(yīng)設(shè)置模板對拉桿。③主橫梁應(yīng)對應(yīng)貝雷雙豎桿節(jié)點(diǎn)，若主橫梁處為非雙豎桿節(jié)點(diǎn)，應(yīng)對橫梁處貝雷節(jié)點(diǎn)進(jìn)行豎桿加強(qiáng)。④支架兩端新制桁架各11榀，桁架腹桿及相鄰立柱間加設(shè)1層墊梁和支撐梁(見圖4)，以增加整體橫向水平剛度。

圖4 墊梁與支撐梁

3.3 下橫梁支架計(jì)算分析

根據(jù)整體建模和計(jì)算分析，下橫梁分3層澆筑，分層澆筑方量如表3所示。

表3 下橫梁分層澆筑方量

下橫梁支架結(jié)構(gòu)考慮承受第1，2層澆筑的橫梁自重，承受部分第3層澆筑的橫梁自重。模型約束條件為鋼立柱在柱底預(yù)埋件處剛接，附墻在塔柱預(yù)埋件處鉸接，主橫梁與鋼立柱鉸接，貝雷及新制桁架與主橫梁彈性連接，分配梁與貝雷及桁架彈性連接。下橫梁支架荷載包括：支架及橫梁自重，模板體系自重，施工人員及設(shè)備荷載，傾倒和振搗荷載，風(fēng)荷載。有限元計(jì)算模型及其最不利工況計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 下橫梁支架模型及其計(jì)算結(jié)果

下橫梁支架整體計(jì)算結(jié)果顯示支架的剛度、強(qiáng)度均能滿足要求。未考慮預(yù)應(yīng)力張拉下橫梁彎矩計(jì)算結(jié)果如圖6所示，根據(jù)彎矩結(jié)果，計(jì)算下橫梁受彎承載力滿足要求。

圖6 下橫梁彎矩計(jì)算結(jié)果

由于下橫梁澆筑方量大，鋼立柱柱頂最大壓力設(shè)計(jì)值高達(dá)5 000kN，對經(jīng)過加強(qiáng)后的卸荷塊與鋼立柱(φ1 000×16)柱頂連接處局部建模進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算(見圖7)，部位最大應(yīng)力195MPa<205MPa，卸荷塊局部強(qiáng)度滿足要求。

圖7 卸荷塊與鋼立柱柱頂局部計(jì)算

4 上橫梁支架設(shè)計(jì)

4.1 上橫梁支架確定

主塔上橫梁施工是典型的高空作業(yè)，施工難度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高，一般采用牛腿大托架形式較多[4]。

由于本項(xiàng)目下橫梁采用落地鋼立柱且鋼管用量大，從經(jīng)濟(jì)性、施工周期、危險(xiǎn)源控制上考慮，上橫梁支架采用牛腿小桁架+鋼立柱形式，可循環(huán)使用下橫梁鋼立柱，拆裝運(yùn)輸方便，下橫梁構(gòu)件拆除后進(jìn)行修補(bǔ)處理即可用于上橫梁支架。為保障上橫梁裝飾塊處受力合理，在鋼立柱和塔柱內(nèi)側(cè)兩端設(shè)有三角撐架及牛腿。上橫梁異形裝飾塊底模和外側(cè)模采用大型組合鋼模板，由專業(yè)模板廠設(shè)計(jì)，加工成型后運(yùn)至現(xiàn)場。

4.2 上橫梁支架結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

上橫梁支架從上到下布置依次為：橫向分配梁I14a/2I14a(一般間距750mm，隔板段下方采用2I14a雙拼形式)，貝雷梁(321型)，主橫梁(2HN900×300)，三角撐架及牛腿(2HN900×300，2HM588×300，兩端各4榀)，鋼立柱(φ1 000×16，共計(jì)3排4組12根)，平聯(lián)(φ630×8設(shè)3層，φ426×6設(shè)12層)，附墻(φ630×8設(shè)1層，φ426×6設(shè)5層)，斜撐(φ426×6)。支架形式如圖8所示。

圖8 上橫梁支架結(jié)構(gòu)

上橫梁支架特點(diǎn)如下。

1)上橫梁支架整體高度超過百米，為高聳結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載較強(qiáng)時可能會產(chǎn)生風(fēng)振現(xiàn)象[5]，安全風(fēng)險(xiǎn)大。附墻與塔柱采用剛接形式連接，相鄰附墻間增設(shè)平聯(lián)和斜撐，以增加附墻剛度。

2)為滿足上橫梁與塔柱異步施工需求，在支架兩側(cè)塔柱上預(yù)埋三角撐架及牛腿埋件，橫梁兩端包括裝飾塊在內(nèi)的豎向荷載由三角撐架及牛腿承受，三角撐架及上牛腿受拉、下牛腿受壓。上橫梁中部豎向荷載由落地支架承受，支架受力明確，施工便捷。

3)上橫梁下部裝飾塊處應(yīng)設(shè)置模板對拉桿，裝飾塊底模由于線性復(fù)雜，為保障模板加工后不變形，模板外側(cè)設(shè)有加強(qiáng)桁架，與模板同時設(shè)計(jì)和加工成型后運(yùn)至現(xiàn)場。裝飾塊底模與其相鄰立柱間加設(shè)2層墊梁和支撐梁，以增加橫向水平剛度，減少底模側(cè)向變形。

4)主橫梁應(yīng)對應(yīng)貝雷雙豎桿節(jié)點(diǎn)，若主橫梁處為非雙豎桿節(jié)點(diǎn)，應(yīng)對橫梁處貝雷節(jié)點(diǎn)進(jìn)行豎桿加強(qiáng)。

5)根據(jù)上橫梁支架平聯(lián)標(biāo)高，布置合理的塔柱主動橫撐，支架可兼顧中塔柱主動橫撐施工，為其安裝和拆除提供便利。

4.3 上橫梁支架計(jì)算分析

上橫梁混凝土方量約1 918m3，分6次澆筑(見表4)。上橫梁支架結(jié)構(gòu)考慮承受第1～3層3次澆筑混凝土總重。

表4 上橫梁分層澆筑方量

上橫梁支架有限元計(jì)算模型及其最不利工況計(jì)算結(jié)果如圖9所示，支架計(jì)算時不考慮施加預(yù)應(yīng)力造成的有利影響。模型約束條件為鋼立柱在柱底預(yù)埋件處剛接，附墻在塔柱預(yù)埋件處剛接，主橫梁與鋼立柱鉸接，主橫梁與貝雷及三角撐架彈性連接，分配梁與貝雷彈性連接，三角撐架及牛腿與塔柱剛接。上、下橫梁支架荷載類型相同。

圖9 上橫梁支架模型及其計(jì)算結(jié)果

采用有限元軟件對整體上橫梁支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲分析，屈曲分析原理為：屈曲荷載=恒荷載+可變荷載×屈曲系數(shù)。在計(jì)算中考慮的不變荷載有結(jié)構(gòu)自重、橫梁荷載，可變荷載有施工荷載、澆筑荷載。計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)特征值系數(shù)為5.1>4，支架整體穩(wěn)定性滿足使用要求[6]。

5 橫梁施工流程

采用常規(guī)工藝自下而上依次進(jìn)行橫梁分層施工。下橫梁施工完成后，拆除的鋼立柱、橫梁、分配梁及貝雷等構(gòu)件經(jīng)過修補(bǔ)處理，周轉(zhuǎn)至上橫梁施工時使用。同一層的上、下游混凝土同步澆筑，以減小支架的不均勻變形。當(dāng)最后一層混凝土強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)值的90%后，便可實(shí)行橫梁預(yù)應(yīng)力施工。待橫梁預(yù)應(yīng)力實(shí)施結(jié)束后，才能將支架拆除，采用自上而下依次分層、分片拆除工藝。若拆除遇到主動橫撐，須事先卸除橫撐預(yù)頂力。

主塔橫梁施工流程如圖10所示。

圖10 主塔橫梁施工流程

6 結(jié)語

1)主塔上、下橫梁體積大、跨度大，利用既有現(xiàn)場條件，下橫梁與塔柱同步施工，可減少下橫梁施工對塔柱施工進(jìn)度的影響；上橫梁與塔柱異步施工，可減少上橫梁施工對塔柱封頂、鋼桁梁吊裝、懸索掛設(shè)等施工進(jìn)度的影響。

2)主塔橫梁支架的形式有很多種，本項(xiàng)目下橫梁支架采用落地鋼立柱方案施工，上橫梁采用牛腿小桁架+鋼立柱方案施工，整體用鋼量非常大。目前，當(dāng)橫梁自重不大時，在既滿足施工需求又能降低成本的條件下，牛腿托架式支架在橫梁施工特別是上橫梁施工中應(yīng)用越來越多。大噸位重型牛腿托架式支架是未來橫梁施工發(fā)展趨勢，如何實(shí)現(xiàn)高位裝配化安裝、易拆除、可供循環(huán)使用的大噸位重型牛腿托架式支架來施工橫梁值得進(jìn)一步研究。