下橫梁支架系統創新設計與施工

董春光, 王曉佳， 羅吉慶, 龔明

(1.保利長大工程有限公司， 廣州 510230； 2.廣東省建設有限公司， 廣州 510230)

主塔是斜拉橋、懸索橋標志性的結構構件，有H型、A型、鉆石型等多種形式。下橫梁是主塔結構的重要組成部分，其主要作用表現在，一方面可以平衡左右塔肢水平分力；另一方面聯系主塔雙塔肢，增強主塔結構穩定性。隨著橋梁跨度的增大，下橫梁的體量也在逐漸增大，另外，為了體現橋梁結構力與美的完美結合，下橫梁也會被設計成各種優美且獨特的結構形式，這無疑都大大地增加了下橫梁的施工難度[1-3]。

以往的下橫梁施工支架系統主要采用鋼管樁結構，通過改變鋼管樁的布置形式，實現承受下橫梁施工期各種荷載的目的。沈偉等[4]采用扇形落地鋼管樁支架進行舟岱跨海大橋的下橫梁施工，分兩次澆筑，鋼管樁支架按照全部下橫梁荷載進行設計。李春江[5]采用鋼管樁支架法進行石首長江公路大橋的下橫梁施工，通過方案比選，采用分兩次澆筑、塔梁異步的施工方案，其中鋼管樁支架設計時僅考慮第一次澆筑混凝土的施工荷載。高有德[6]采用鋼管貝雷梁支架進行云南江底河特大橋的下橫梁施工，分兩次進行澆筑，其中第二次澆筑混凝土荷載由第一次澆筑下橫梁與下橫梁支架共同承受，下橫梁支架按承受第二次澆筑混凝土荷載的50%。謝馬賢[7]采用落地鋼管樁支架進行龍江特大橋的下橫梁施工，由于下橫梁離承臺面較高，下橫梁支架每隔12 m左右均與塔柱進行連接，以增加下橫梁支架的穩定性，分兩次澆筑，下橫梁支架設計時僅承受第一次澆筑混凝土荷載。潘博等[8]采用落地支架法進行蕪湖長江三橋2號橋的下橫梁施工，分兩次澆筑，鋼管樁支架設計時，僅考慮第一次澆筑混凝土重量，在第一次澆筑混凝土達到設計強度的90%時，通過張拉部分預應力有效減小了支架受力。

雖鋼管樁支架成功運用于各種下橫梁施工中，但是鋼管樁的單樁承載力有限，若鋼管樁受力過大，易造成結構失穩，且鋼管樁打設困難，易出現卷邊。當下橫梁體量較大時，只能通過增加鋼管樁數量來彌補單樁承載力受限的不足，這樣勢必導致施工經濟性較差。另外由于下橫梁下方空間狹窄，鋼管樁數量較多時，其布置繁瑣，施工困難。對于在支架上分層施工的下橫梁，上層混凝土在澆筑施工時，由于下層混凝土已澆筑完成且存在一定的剛度，上層澆筑的混凝土荷載一部分由下層混凝土承載，另一部分由支架承擔，由支架承擔的這部分荷載則是支架承載力設計的重要依據。在以往的施工過程中，對于支架承擔的荷載比率多根據工程經驗預估，在0～100%取值，若取值不足，則支架設計承載力不夠，帶來施工風險，若取值過大，則支架設計承載力太強，造成資源浪費。

針對大體量的下橫梁施工難題，現以深中通道伶仃洋大橋為工程背景，旨在提出一種新的支架系統方案，用以解決采用鋼管樁支架系統施工時引起的一系列問題；提出采用有限元分析方法確定下橫梁施工過程中新澆筑混凝土荷載在下層混凝土與支架中的分配比率；對優化設計后的支架系統進行安全性驗算，用以確保施工安全。希望本工程下橫梁安全、經濟、高效的施工經驗，為其他同類型工程施工方案的制定提供一定的借鑒意義。

1 工程概況

深中通道項目北距虎門大橋約30 km，南距港珠澳大橋約38 km，項目全長約24 km，其中跨海段長22.4 km。伶仃洋大橋為全漂浮體系的三跨鋼箱梁懸索橋，跨徑布置為580 m+1 666 m+580 m，采用海中重力式錨碇結構，矢跨比為1:9.65。索塔為門式塔結構，采用鉆孔灌注樁基礎，設置兩個分離式圓形承臺，塔柱采用8邊形截面，設置上、中、下3道橫梁[9]。下橫梁采用領結型設計，梁底與承臺頂面同標高，端部高16.57 m，頂寬14.7 m，底寬15.5 m；跨中高13.0 m，頂寬10.3 m，底寬10.9 m，中間由頂面兩段直線過渡。采用箱形構造，橫橋向設置3道隔板，其中底板、腹板厚度均為3 m，隔板厚度為2 m，總體方量約5 898.5 m3。下橫梁立面布置圖如圖1所示。

圖1 伶仃洋大橋下橫梁立面布置圖Fig.1 The elevation layout of the lower crossbeam of Lingdingyang Bridge

伶仃洋大橋西塔下橫梁施工存在幾大難點：①混凝土體量大，施工荷載大；②施工作業空間受限，涉及水下支架施工，施工風險和難度大；②確定分層澆筑砼結構中上層砼荷載在下層砼與支架中的分配比率難度大，缺乏項目經驗。為解決上述難題，設計適當的下橫梁施工支架體系顯得尤為關鍵。

2 方案設計與比選

伶仃洋大橋分離式圓形承臺與下橫梁的位置關系分為接觸區域和未接觸區域，其中非接觸區域下橫梁段(脫空梁段)軸線長度為19.9 m。下橫梁施工時，接觸區域由承臺頂面作為下橫梁澆筑時的底模板，非接觸區域由支架系統形成支撐結構。

下橫梁按豎向分層、橫向分段的形式進行施工。豎向分三層澆筑成型，澆筑高度為6 m+5.3 m+(1.7～5.27)m，每層澆筑方量分別為：2 644.5 m3+1 628.5 m3+1 625.5 m3；橫向分三段澆筑，左、右段同時澆筑，2 m寬后澆帶最后澆筑，后澆帶內邊緣線距離橋梁中心線2.645 m。

2.1 鋼管樁支架系統

鋼管樁支架系統由25根直徑1.0 m的鋼管樁作為基礎支撐，在鋼管樁上依次鋪設卸荷砂箱、承重梁、分配梁、底模板作為承重結構。

鋼管樁橫、豎向均布置5排，間距為2.5～4.0 m 不等；承重梁由3HN900組成，橫向擺放五排；分配梁由HM588組成，縱向擺放21排，底模板由雙拼10#槽鋼+1.8 cm竹膠板組成。鋼管樁支架系統布置如圖2所示。

圖2 鋼管樁支架系統布置圖Fig.2 Layout of steel pipe pile support system

2.2 鉆孔灌注樁支架系統

鉆孔灌注樁支架系統由12根直徑1.2 m的灌注樁作為基礎支撐，然后在灌注樁上依次鋪設卸荷砂箱、承重梁、分配梁、底模板作為承重結構。灌注樁橫向布置三排，間距為6.5 m+6.5 m，縱向布置四排，間距為3.5 m+4.0 m+3.5 m;承重梁由3HN900組成，橫向擺放4排，分配梁由HM588組成，縱向擺放21排；底模板由雙拼10#槽鋼+1.8 cm竹膠板組成。鉆孔灌注樁支架系統布置如圖3所示。

2.3 有限元模型

下橫梁施工采用大型通用有限元軟件建立實體結構分析模型，鋼管樁支架系統和鉆孔灌注樁支架系統施工分別建立模型，共計2個。

模型中鋼管樁、鉆孔灌注樁、承重梁、分配梁、底模板、下橫梁均采用實體(solid)單元模擬，采用六面體網格形式；普通鋼筋及預應力鋼筋采用線(wire)單元模擬，采用桁架(truss)網格形式；鋼管樁支架系統共劃分為248 435個網格單元，鉆孔灌注樁支架系統共劃分為226 237個網格單元。

鋼管樁與承重梁、鉆孔灌注樁與承重梁、承重梁與分配梁之間采用捆綁(tie)連接方式，分配梁與底模板、底模板與下橫梁之間采用面面(surface-to-surface)連接方式；鋼管樁底部、鉆孔灌注樁底部、下橫梁與承臺接觸位置采用固定約束的邊界條件形式；結構自重，在澆筑時以以面荷載的形式施加，當形成實體時，以自重荷載的形式施加，預應力荷載以降溫法的形式施加[10-11]。

實體結構模型(未示出鋼管樁以及鉆孔灌注樁)及部分構件網格劃分如圖4所示。

圖4 有限元分析圖Fig.4 Diagram of finite element analysis

2.4 方案比選

從以下3個方面進行方案比選分析。

(1)技術方面：經計算分析，鋼管樁支架系統在下橫梁施工過程中，單根鋼管樁的最大受力達到340 t，單樁承載力較大，穩定性差，對打設設備能力要求較高；入土較深，達到50 m，且最下層持力層較堅硬，鋼管樁端頭易出現卷邊等不利現象。

(2)經濟方面：鋼管樁支架系統相比鉆孔灌注樁支架系統用鋼量方面多，如鋼管較長及需增加兩排3HN900承重梁，且鋼材價格較混凝土價格高很多。經核算，相比鋼管樁支架系統，采用鉆孔灌注樁支架系統可節約造價約100萬元。

(3)施工工序：鉆孔灌注樁施工包括鉆樁成孔、鋼筋籠下放、混凝土澆筑等工序，而鋼管樁只需機械設備打設即可，相對來說，鉆孔灌注樁支架系統較鋼管樁支架系統施工工序復雜。

經綜合比選，鉆孔灌注樁支架系統更適合本項目下橫梁施工。

3 荷載傳遞比

3.1 荷載傳遞比分析

伶仃洋大橋主塔下橫梁采用在鉆孔灌注樁支架系統上豎向分3層施工的總體施工方案。第1層混凝土施工完成后，形成整體結構，具有一定剛度，能夠承擔一定荷載作用。在第2層混凝土澆筑時，第2層混凝土荷載一部分由第1層混凝土承擔，另一部分傳到支架上，由支架承擔。同理，第3層混凝土荷載一部分由第1、2層混凝土承擔，另一部分傳到支架上，由支架承擔。本節以有限元模型為基礎，對上層混凝土荷載在下層混凝土與支架上的荷載分配比率進行計算分析，得出荷載傳遞至支架上的比率，即荷載傳遞比，用于支架系統的優化設計。

計第1層混凝土澆筑施工為工況1，第2層混凝土澆筑施工為工況2，第3層混凝土澆筑施工為工況3。通過提取模型中鉆孔灌注樁底部支反力，扣除鉆孔灌注樁支架系統自身重力，得到混凝土澆筑后，支架上承擔的荷載。3種工況下，每根鉆孔灌注樁支反力計算結果(扣除支架系統自身重力)如表1所示，荷載傳遞比計算結果如表2所示。

由以上計算結果可知：①已澆筑的下層混凝土在形成整體后，具有較大剛度，可承擔上層混凝土澆筑后的大部分荷載，第2層混凝土澆筑時，第1層混凝土承擔荷載值的71.4%，支架承擔荷載值的18.6%，第3層混凝土澆筑時，第1、2層混凝土承擔荷載值的92.9%，支架承擔荷載值的7.1%；②隨著澆筑混凝土層數增多，已澆筑混凝土結構整體剛度越大，所能承擔的荷載值越大，支架所承擔的荷載值越小。

表1 鉆孔灌注樁支反力

表2 荷載傳遞比

3.2 混凝土應力分析

在支架上澆筑的上層混凝土，其荷載小部分由支架承擔，大部分均由下層混凝土承擔，因此下層混凝土結構會隨支架產生一定的豎向位移，而下橫梁與承臺接觸區域支撐穩固，基本不會發生豎向位移，這樣勢必在下層混凝土上緣產生不利于混凝土結構安全的拉應力，以下分析討論下橫梁在施工過程中的拉應力。在下橫梁施工過程中，下橫梁結構在工況2、工況3條件的主拉應力計算結果如圖5和圖6所示。

由以上計算結果可知：①下橫梁最大主拉應力出現在與承臺接觸區域和非接觸區域交界面的混凝土上緣；②隨著澆筑層數的增加，下橫梁剛度逐漸增大，豎向位移變小，混凝土最大主拉應力逐漸變小；③下橫梁后澆段設置在左半邊，左半邊脫離承臺較右半邊脫離承臺近，所以左半邊混凝土主拉應力較右半邊小。

4 支架系統安全性驗算

分層施工的混凝土結構，當計算得到荷載傳遞比后，可以對支架系統承載力進行優化設計。支架優化設計的目標是在實現資源節約的同時，滿足結構安全性要求。結構安全性是能夠進行施工的前提條件。本節將對優化后的鉆孔灌注樁支架系統進行安全性驗算，確保施工安全。

鉆孔灌注樁支架系統中承重梁(3HN900)、分配梁(HM588)在工況1、工況2、工況3條件下應力、豎向位移的有限元計算結果云圖如圖7～圖10所示。

由以上計算結果可知：①承重梁所用材料的屈服應力為345 MPa，三種工況條件下承重梁最大 Mises 應力為324 MPa，承重梁的應力響應值在安全范圍內；②分配梁所用材料的屈服應力為235 MPa，在三種工況條件下分配梁的應力響應值基本在0～235 MPa的安全范圍內，在分配梁腹板存在微小部分的應力超限現象，超限區域為少數幾個節點區域，可忽略不計，此為局部的應力集中現象，不影響結構的整體性能；③承重梁在三種工況條件下的最大豎向位移為18.8 mm，而對應支點(鉆孔灌注樁)的豎向位移為6.0 mm，所以承重梁的絕對位移為12.8 mm，小于其豎向位移允許值17.96 mm；④分配梁在三種工況條件下的最大豎向位移為 17.9 mm，而對應支點(承重梁)的豎向位移為 16.1 mm，所以分配梁的絕對位移為1.8 mm，小于其豎向位移允許值10.25 mm。所以鉆孔灌注樁支架系統的安全性滿足要求[12-13]。

圖5 下橫梁在工況2條件下的最大主拉應力Fig.5 The maximum principal tensile stress of the lower crossbeam under the second condition

圖6 下橫梁在工況3條件下的最大主拉應力Fig.6 The maximum principal tensile stress of the lower crossbeam under the third condition

圖7 承重梁應力云圖Fig.7 Stress nephogram of load-bearing beam

圖8 承重梁位移云圖Fig.8 Displacement nephogram of load-bearing beam

圖9 分配梁應力云圖Fig.9 Stress nephogram of distribution beam

圖10 分配梁位移云圖Fig.10 Displacement nephogram of distribution beam

5 結論

針對大體量主塔下橫梁的施工難題，以深中通道伶仃洋大橋為工程背景，通過采用大型通用有限元軟件建立實體模型進行計算分析的技術手段，展開了一系列的分析和研究，得出如下結論。

(1)鉆孔灌注樁支架系統較鋼管樁支架系統在技術、經濟方面具有一定優勢，在巧妙的解決鋼管樁支架系統中鋼管樁承載力受限且易失穩、鋼管樁打設困難且易卷邊問題的同時，取得了良好的經濟效益；

(2)分層施工的下橫梁結構，下層混凝土形成整體后，具有一定剛度，能夠承擔上層混凝土施工時的一部分荷載，另一部分荷載傳遞至支架上，且隨著下層混凝土施工層數的增加，下層混凝土剛度隨之增大，傳遞至支架上的荷載隨之減小。

(3)在得到荷載傳遞比后，可以對支架系統進行優化設計，優化設計的目標是在實現資源節約的同時，滿足結構安全性要求。對優化后的鉆孔灌注樁支架系統進行安全性驗算，結果表明該支架系統主要結構構件應力、位移滿足施工安全性要求。