橋塔橫梁施工支撐體系設計與分析*

高 昊，蘇俊省，楊 科，周任建

(1.中交路橋建設有限公司，北京 100027；2.天津大學建筑工程學院，天津 300350)

0 引言

橋塔橫梁作為塔肢間的連系構件，一般分為上橫梁和下橫梁，對增加橋塔的整體穩定性具有重要作用。下橫梁還為支座、阻尼器、防落梁等裝置提供安裝空間，承受主梁的部分荷載。橫梁施工方法總體上可分為無支架法、有支架法2類。無支架法需在橫梁位置處預埋型鋼桁架，利用結構自身的剛度固定模板，因支撐體系相對較弱，混凝土澆筑工作需分多次進行，該類施工方法在澧水特大橋上橫梁施工中得到應用[1]。無支架法每施工1道橫梁，都需預埋相應的型鋼桁架，材料投入相對較多，有支架法則不需要。

從提供支架反力的角度，支架施工方法又可分為落地支架法和牛腿支架法，前者通過落地支架依靠基礎和地基提供反力，后者通過牛腿構件依靠塔柱提供反力。二者僅反力提供來源不同，滿足落地支架法施工條件的工程場景，牛腿支架法一般也適用。施工支撐體系除應滿足強度、剛度、穩定性等基本受力要求外，還應具備高度易調整、方便卸載、操作簡單等特點。現有研究成果及設計資料多側重于橋梁橫梁支撐體系的設計和驗算，針對支撐體系技術方案和設計要點的橫向對比分析研究尚不多見。本文結合具體橋例對3種典型支撐體系的受力特點和技術特征進行對比分析，總結相關核心要點，旨在為橋塔橫梁施工支撐體系的設計和優化提供一定借鑒和參考。

1 支撐體系組成

選取典型橋梁橋塔橫梁施工支撐體系進行分析，如表1所示[2-7]。將橫梁施工支撐體系的設計組成提煉總結為反力支點、承重單元、分配體系和調節模塊4部分。

表1 橋塔橫梁施工支撐體系典型案例

1.1 反力支點

支撐體系通過牛腿及預埋件與塔柱聯結，為橫梁澆筑工作平臺提供反力。作為重要的連接節點，不僅要滿足基本的傳力要求，還應基于主體結構免損傷的理念設計，具備操作簡單、拆卸方便等特點。爬錐系統和“錨固筋+剪力銷”系統[8-9]2種典型的牛腿及預埋件形式如圖1所示，實踐應用時可根據塔柱截面形式、鋼筋布置情況等進行選擇。

圖1 牛腿及預埋件形式

1.2 承重單元

作為支撐體系中的承重模塊，在滿足強度、剛度和穩定性的前提下，應具備施工方便的特點。常見的熱軋工字鋼、H型鋼均可作為底層承重單元的受力桿件。因貝雷梁(片)和花架固定系統在施工中可快速集成梁格體系[10-11]，常用作上層承重單元，其結構形式如圖2所示。有時出于橫梁特殊幾何線形的需要，也會定制異形承重單元，如異形貝雷梁(片)、異形桁架等。

圖2 貝雷梁(片)結構形式

1.3 分配體系

橫梁施工支撐設計中，為均勻分配荷載、改善承重單元的受力狀態，需設置分配模塊，其布設通常需參考其他模塊的集成情況，如支架(鋼管腳手架)水平布距、承重單元的跨越能力等，進而布置型鋼桿件，形成分配體系。

1.4 調節模塊

調節模塊除能傳遞荷載外，還應具備沿豎向可伸縮功能，以用于調節模板高程、找平施工面；調節模塊在拆除支撐系統時還起到卸載落架的作用。工程上已見的具備此類功能的裝置或組件有砂箱(砂筒)、鋼墊塊等。本文將各類形式的支架系統，如盤扣式鋼管腳手架[12]、碗扣式鋼管腳手架[13]等也歸類于此模塊。

2 支撐體系的代表性設計示例

本節以某懸索橋為例(見圖3)，對比介紹3種具有代表性的塔柱橫梁施工支撐體系，如圖4所示。橋梁主跨485m，左側主塔承臺以上塔總高83m，其中上塔柱高55m，下塔柱高28m；右側主塔承臺以上塔總高86.5m，其中上塔柱高55m，下塔柱高31.5m。上、下橫梁均采用箱形斷面，按預應力A類構件設計。

圖3 案例橋梁結構

2.1 體系1

如圖4a所示，體系1自下而上依次為牛腿、承重托架、貝雷下分配梁、貝雷梁(片)、貝雷上分配梁、盤扣式鋼管腳手架、橫向分配梁、順向分配梁、底模系統。A表示反力支點模塊，B表示承重單元模塊，C表示分配體系模塊，D表示調節模塊。結構體系組成要素如表2所示。

表2 結構體系組成要素

圖4 橫梁施工支撐體系(單位：cm)

2.2 體系2

與體系1不同的是，體系2中承重托架上方設置分配梁后，直接布置承盤扣式鋼管腳手架。該體系的設計特點為去掉了體系1承重單元中的貝雷梁(片)及其上方相應的分配系統。

2.3 體系3

與體系1不同的是，體系3中承重托架上方設置分配梁后設置砂箱，跨中部分砂箱上方設置貝雷梁(片)，由于橫梁底部幾何線形需要，靠近支點處的砂箱上方設置定制異形桁架，該桁架和跨中部分貝雷梁(片)頂部依次上接順向、橫向分配梁及底模系統。該體系的設計特點為將體系1調節模塊中的盤扣式鋼管腳手架替換為砂箱。

3 有限元模型建立

按圖4所示的結構體系，基于MIDAS Civil[14]，根據表2中的截面形式采用空間三維梁單元建立桿件有限元模型，各桿件間采用彈性連接建立對應的約束關系。

施加荷載主要分為2部分：①豎向荷載 包括新澆混凝土自重、模板自重、施工人群及機械荷載、混凝土振搗產生的荷載等，按相應的荷載組合進行疊加后均勻分配到模板下方的橫向分配梁上；②水平荷載 包括風荷載，相關計算參考GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》[15]。計算得到的荷載集度如表3所示。

表3 模型荷載集度

4 受力特征分析

4.1 受壓狀態分析

以受壓為主的構件主要為盤扣式鋼管支架系統，體系1，2盤扣式支架的軸向應力如圖5所示。

圖5 盤扣式支架的軸向應力(單位：MPa)

由圖5可知，體系1最大軸向應力為199.4MPa，小于體系2中的227.5MPa，說明體系1中的支架軸向受力狀態要優于體系2。產生上述現象的原因是2種體系中鋼管腳手架底部構件的變形出現了較大差異，體系1中支架系統A，B點的相對變形為1.8mm，體系2中則為3.2mm。這是因為體系1中的貝雷梁(片)更加均勻地分散了來自支架系統的荷載，從而使傳遞到承重托架的荷載模式優于支架直接作用于承重托架的模式。

4.2 受彎狀態分析

承重托架的受力狀態直接決定了上方支架系統的變形及受力。各支撐體系承重托架的受力狀態如圖6～8所示。

圖6 體系1中承重托架的受力(單位：MPa)

圖7 體系2中承重托架的受力(單位：MPa)

圖8 體系3中承重托架的受力(單位：MPa)

由圖6～8可知，體系1中承重梁跨中部分的最大組合應力為51.6MPa，體系2中則為75.9MPa，體系1的受力狀態總體上優于體系2，這與體系1中的支架受力優于體系2直接相關。為進一步分析，現將體系2中托架承重梁的跨中截面由HW400×400 加強為HW502×470，重新進行計算，得到的組合應力則減小至44.1MPa，上方支架的軸向應力相應減小至201.0MPa。各體系中主要構件的受彎狀態如表4所示。

表4 各體系中主要構件的受彎狀態

由表4可知，體系2受力在3種體系中相對較差，托架承重梁跨中截面進行局部加強后，有關構件的受力狀態與體系1，3相當；體系3中貝雷梁(片)的受彎情況略優于體系1。說明針對本文橋例，在相同布距(體系1中支架豎桿的水平距離和體系3中貝雷梁(片)上部順向分配梁的水平距離均為60cm)的情況下，荷載通過底模系統下方分配梁直接傳遞至貝雷梁(片)的作用模式要優于通過支架系統間接傳遞至貝雷梁(片)的作用模式。

5 技術特征對比

5.1 可拼裝性

從模塊組成討論各體系的可拼裝性，具體從可重復利用、周轉使用效率等方面展開。

1)體系1 承重單元模塊中的貝雷梁(片)及調節模塊中的盤扣式鋼管腳手架均屬于可重復使用構件。針對本案例橋梁，兩岸索塔上、下橫梁施工時可多次周轉使用，除承重托架，無需定制其他組件，整個體系具有較強的可拼裝性。

2)體系2 省去了體系1中的貝雷梁(片)承重模塊，承重托架上方直接布置盤扣式鋼管腳手架。與體系1相比，模塊組件的種類較單一、更便于管理，在一定程度上增強了體系的可拼裝性。

3)體系3 與前2種體系不同，調節模塊中不再設置支架系統，該功能由砂箱(砂筒)替代實現。進一步豐富了承重單元模塊中的組件類型，增加了定制桁架片與原有貝雷梁(片)共同作為承重主體，但前述異形桁架片在澆筑不同位置處的橫梁時可能需要調整，周轉使用效率較低，整個體系的可拼裝性不如前兩者。

5.2 易操作性

1)體系1 各模塊組件均具有較強的可拼裝性，通過盤扣式鋼管腳手架實現對有關高程調節和控制的功能需求。體系的整個施工過程操作簡單、工序成熟、施工效率較高。

2)體系2 省去了搭設貝雷梁(片)的施工環節，承重托架吊裝就位后，只需按要求搭設鋼管支架、調高找平。與體系1相比，理論上易操作性更強，施工效率更高。

3)體系3 與體系2類似，承重托架安裝完成后，通過砂箱(砂筒)完成調高，隨即搭設桁架和貝雷梁(片)。如能熟練掌握砂箱(砂筒)的操作要領，該體系下的施工效率與體系2相當，甚至更高。

綜合受力特征分析和技術特征對比，歸納3種橫梁施工支撐體系比較分析結果，如表5所示。實際施工中，案例橋梁采用了結構體系1進行懸索橋橋塔上、下橫梁的澆筑。

表5 橫梁施工支撐體系比較分析結果

6 結語

本文將典型橋塔橫梁施工支撐設計劃分為反力支點、承重單元、分配體系和調節模塊4部分，每種模塊下列出了豐富的組件類型，以集成不同的支撐體系。并通過實際橋例，對3種具有代表性的體系進行對比，主要得到以下結論。

1)調節模塊中使用鋼管腳手架時，一般會增加相鄰構件(如貝雷梁(片)、承重托架)的受力負擔，尤其直接與承重梁接觸時，應特別注意有關跨中區域的驗算。必要時應對梁體進行局部加強，以改善相關承重構件及支架本身的受力狀態。

2)貝雷梁(片)作為承重單元模塊中的典型組件，能以更好的荷載作用模式傳遞至下方承重構件，有效改善底層承重單元的受力狀態，這也是體系1受力狀態優于體系2的根本原因。

3)僅保留承重托架作為承重單元，配合使用調節模塊中鋼管腳手架的支撐體系(體系2)具有重復利用率高、易操作性強、施工速度快等優勢。

4)通過砂箱(砂筒)實現調節模塊的功能，同時進一步豐富承重單元模塊中的組件類型，增加定制桁架與貝雷梁(片)共同作為承重主體的支撐方案，在一些特定工程案例中(如橫梁底部幾何線形特殊、設置有幕墻等場景)具備一定競爭力。算例結果也表明，該種體系的受力狀態較好。