分離式承臺塔柱下橫梁大跨度支架設計與施工

龔永燦

(貴州省公路開發有限責任公司，貴州 貴陽 550081)

1 技術背景

官廳水庫大橋是淮河以北第一大跨度懸索橋，該橋建成將為實現京津冀一體化發展發揮巨大作用。大橋設計為210 m+720 m+210 m雙塔單跨懸索橋，分離式承臺樁基礎，主塔設計為門式框架結構，塔柱高107.8 m，設兩道橫梁。

下橫梁為預應力混凝土單箱單室結構，高7 m，橫橋向長約32.08 m，順橋向寬6.6 m，壁厚均為0.8 m，連接塔柱端為實體結構。下橫梁上設2.32×3.3 m引橋支墩。

2 支架方案研究

2.1 支架結構形式

落地支架與整體穩定支架常包括鋼管支架、縱梁、卸落設備、分配梁、底模等組成部分。根據初步方案設計，結合實際地質條件，落地支架設計為常規打入鋼管樁基礎。

而整體穩定支架按照橫梁荷載傳遞到穩定的分離式承臺基礎，荷載按照從上往下傳遞：模板→方木→橫向分配梁→縱向分配梁→墊座→鋼管柱，底模為18 mm厚竹膠板，方木尺寸為100×120 mm，方木在腹板處為150 mm間距，I45a橫向分配梁間距為1 000 mm，縱向分配梁設計為2HM588×300，縱向分配梁靠近塔柱段用腹板加強，墊座設計為2HW588腹板加強，鋼管柱設計為φ820×8，φ820×16。

經過以往實踐經驗和方案初步計算，兩種支架技術均可行，落地支架材料總體用量240.6 t，整體穩定支架結構用料205.4 t，均為市場常用型鋼、鋼管材料，備料方便。

2.2 優化支架拆除方案

支架拆除一般是支架安裝的逆過程，如何確保大型高墩支架安全拆除是支架結構設計必須考慮的重要技術措施。

常規支架通過砂筒或鋼楔塊卸載，采用橫移法或整體下落法進行拆除施工。優化方案設計將支架縱橫梁體系直接落在鋼管立柱上，不設支架卸落設備，一方面減小大型支架承載變形量，提高大跨度大斷面橫梁施工質量。拆除方法是在支架縱向主梁上設置預留孔，預留孔直通橫梁頂，在橫梁施工完成后，通過精軋螺紋鋼及錨固體系將支架提起，直接環切鋼管立柱，然后通過千斤頂設備將支架逐步卸落到地面進行解體。

拆除裝置包括：PSB830級φ32精軋螺紋鋼，精軋螺紋鋼專用錨墊板、錨固器和連接器，50 t機械千斤頂，墊梁。

2.3 工藝控制分析

落地式支架鋼管樁插打需嚴格控制鋼管樁插打精度，并且支架散拼散裝程度高，工藝質量控制困難，需組織技術過硬的樁基施工隊伍和鋼結構施工隊伍，嚴格制定工藝質量標準和技術管理措施。整體穩定支架采用地面組裝焊接成整體，吊機分次大塊安裝，制作質量便于控制，安裝精度有保障。

2.5 施工功效分析

采用落地式支架，先采用電動錘進行鋼管樁插打，資源配置較為復雜，支架大部分采用散拼散裝，工藝步驟多，時間長。采用整體穩定支架，可進行整體制作吊裝，工期得到提高。

2.6 綜合分析

結合主塔承臺剛度大，承載力高的特點，并且整體穩定支架具有節省材料，整體性能好，施工安全，施工效率高等特點，將施工支架設計為整體穩定式支架，將支架荷載直接傳遞到主塔承臺。

3 整體穩定支架設計要點

3.1 支架計算荷載取值

(1)橫梁自重取：26 KN/m3；

(2)支架自重

鋼材重度取：78.5 KN/m3；

荷載情況：1.0×箱梁重量+1.1×支架自重。

(3)風荷載

支架按混凝土澆筑時6級風考慮，設計基本風速：V10=13.8 m/s。按基準高度22 m進行計算，此處設計基準風速：

施工階段的重現期為10年時，風速重現期系數η取0.84，

施工階段下橫梁支架澆筑設計風速：

Vsd=ηVd=0.84×15.17=12.7 m/s；

靜陣風風速：

Vg=GVVd=1.29×12.7=16.4 m/s；

風荷載值：FWH=CHWdAwh=1.3×168.1×240=52.4 KN。

說明：Z-構件基準高度，取22 m；GV-靜陣風系數，取1.29；η-風速重現期系數，取0.84；CH-風載阻力系數，取1.3。

其他各桿件按照實際桿件面積加載0.168×0.7×h，h為現澆支架各桿件高度。

3.2 底模計算

(1)底模18 mm厚竹膠板

模板面板為受彎構件，按多跨連續梁對面板抗彎強度和剛度進行驗算。

1 m寬面板的截面慣性矩I和截面抵抗矩W分別為：

I=1 000×183/12=486 000 mm4，W=1 000×182/6=54 000 mm3

經計算，腹板處底模受力最不利，此處方木橫橋向間距為150 mm。

模板計算均布荷載為：

q=26×10.4×1=270.4 KN/m

①強度計算

計算公式如下：M=0.1 ql2

最大彎矩：M=0.1 ql2=0.1×270.4×0.152=0.61 KN·m；

彎曲應力：σ=M/W=0.61×106/54 000=11.3 MPa<[σ]=12 MPa，滿足要求。

②撓度計算

計算公式如下：ν=0.677 ql4/(100EI)

面板最大撓度計算值：

ν=0.677×270.4×1504/(100×9 000×486 000)=0.21 mm<[ν]=150/400=0.375 mm滿足要求。

(2)底模100×120 mm方木計算

模板方木為受彎構件，按多跨連續梁計算。

截面抵抗矩：W=b×h2/6=100×120×120/6=240 000 mm3

截面慣性矩：I=b×h3/12=100×120×120×120/12=14 400 000 mm4

經計算，腹板處方木受力最不利，此處方木橫橋向間距為150 mm，I45a橫向分配梁間距為1 000 mm。

方木計算均布荷載為

q=26×7×0.15=27.3 KN/m

①強度計算

彎矩計算公式如下：M=0.1 ql2

最大彎矩：M=0.1×27.3×12=2.73 KN·m；

彎曲應力σ=M/W=2.73×106/240 000=11.4<[fm]=12 MPa；

②撓度計算

撓度計算公式如下：ν=0.677 ql4/(100EI)

方木最大撓度計算值：

ν=0.677×27.3×1 0004/(100×1 0000×14 400 000)=1.28 mm<[ν]=1 000/400=2.5 mm滿足要求。

3.3 鋼管支架計算

分配梁和鋼管柱均采用梁單元模擬計算；橫向分配梁在靠塔柱側與墊座固結，其余位置與墊座之間鉸接；鋼管底部采用鉸接，混凝土荷載施加于橫向I45a分配梁上。

經計算，橫向分配梁(I45a)最大正應力為122.9 MPa<170 MPa，出現在變截面附近。最大剪應力為：37.9 MPa<100 MPa，出現在變截面附近。

縱向分配梁(2HM588×300)最大正應力為163.1 MPa<240 MPa，出現在支架靠中墊座處。剪應力為：64.3 MPa<140 MPa，出現在支架靠中墊座處。

墊座(2HW588腹板加強)最大正應力為135.8 MPa<240 MPa，出現在靠塔柱附近。最大剪應力為：50.2 MPa<100 MPa，出現在靠塔柱附近。

鋼管支架各桿件應力值如下圖：考慮折減系數后最大值155.7 MPa<170 MPa，滿足要求。鋼管立柱的彈性變形最大值為7 mm，滿足要求。

4 施工關鍵技術

4.1 預埋件制作及安裝

主塔承臺施工時，按照工藝要求埋設支架預埋件，設置支撐架，確保混凝土施工施工時，預埋件無移動。預埋件位置要求中心偏位小于5 mm，標高誤差小于10 mm，預埋件底的混凝土必須振搗密實。

4.2 支架分片制作及安裝

支架采用單片結構在地面放樣制作成整體。如遇起重設備受限，也可將支架分解成小塊組裝，接頭設計為法蘭焊接形式，對接方便。

支架整體在加工場制作完成，焊縫質量及尺寸偏差有很高的質量保證。是控制橫梁安全順利施工完成的關鍵點之一。

4.3 一體化多層平臺

型鋼平臺在地面制作，塔吊吊裝焊接成型，高度上分4層平臺，平臺外側均按照標準設防護欄桿及防護網。

4.4 支架整體快速拆除

利用支架整體穩定功能，實現支架安全、快速、經濟、可靠的拆除施工，整體支架一次拆除。

在橫梁鋼筋施工時，埋設內徑大于90 mm的PPR管，確保精軋螺紋鋼專用錨固器和連接器在下放過程中能穿過預留孔，保證精軋螺紋鋼能接長，不受下放高度影響，加大了此法使用廣度。

支架拆除原理為，在橫梁混凝土面安裝錨固器吊起橫梁支架，同時千斤頂及墊梁裝置也可錨固吊起支架，利用千斤頂活動，交替兩者之間錨固作用，逐步下放拆除支架。最后將支架在地面進行解體、拆除支架體系，完成橫梁施工任務。

5 結束語

一般索塔下橫梁具有跨度大、斷面大、高度大的特點，研究應用分離式承臺大跨度整體穩定的支架體系，研究千斤頂整體卸落式拆除體系，規避了常規落地式支架軟基處理的難題，達到了整體穩定性好，安全高效，節約成本的根本要求，取得良好的效益，可為類似工程提供借鑒和參考。