紅河特大橋索塔中橫梁型鋼托架法施工技術研究

曾彬峻

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410000）

1 工程概況

紅河特大橋位于元陽縣南沙鎮南沙水電站庫區內，對應里程樁號K66+989.65～K68+355.65，是紅河州建水（個舊）至元陽高速公路上的關鍵控制性工程。全橋孔跨布置：7×40m預應力砼T梁+6×50m鋼板組合梁+700m懸索橋+2×40m預應力砼T梁，紅河特大橋橋梁布置圖如圖1所示。全長1366m，中心里程為K67+672.65。路線在跨越紅河庫區范圍內設計標高+448.636～+452.136m，水面寬約360m，水面距橋面高達184m。

圖1 紅河特大橋橋梁布置圖

建水岸索塔采用鋼筋混凝土門式塔柱，索塔總高181.286m，上塔柱橫橋向內側傾斜，塔柱頂中心間距27m。索塔橫梁采用預應力混凝土箱形梁，橋塔設置上橫梁、中橫梁及下橫梁，塔柱及橫梁均采用C50混凝土。中橫梁尺寸：29.4m（長度）×7m（高度）×8.1m（寬度），壁厚1m，橫梁為箱形截面并設置橫隔板，隔板厚0.8m，距承臺頂面97.3m。主要工程量：鋼筋89t，混凝土771.8m3，鋼鉸線56t。

2 中橫梁總體施工方案

紅河特大橋建水側索塔高181.286m，索塔底節6m，采用落地腳手架施工，其余采用勁性骨架結合液壓爬模逐段連續施工。索塔共分為31個施工節段，中橫梁位于17～18施工節段，索塔中橫梁底面距承臺頂面97.3m，距離地面較高，施工周期長，且施工風險高，施工難度大。通過研究對比塔柱橫梁落地支架和托架方案的施工工期、鋼材用量、支架變形等方面，最終決定采用型鋼托架法施工。

3 中橫梁托架設計

中橫梁采用型鋼托架法施工，中橫梁混凝分兩次（4m+3m）澆筑施工。中橫梁支架系統由牛腿、牛腿對拉桿、型鋼支架、貝雷梁、分配梁和底模系統組成。塔身預埋鋼套件，預留牛腿安裝孔洞，支撐牛腿安裝在預留孔洞內，利用Φ32mm精軋螺紋鋼拉桿錨固在主塔上，主桁架支撐于牛腿之上，順橋向布置兩桁，主桁架上由下到上依次布置楔塊、承重梁、橫梁（貝雷片）、I20分配梁，底模系統由15mm竹膠板及100mm×100mm方木組成，置于I20分配梁之上，中橫梁支架結構體系設計圖如圖2所示。

圖2 中橫梁支架結構體系設計圖（單位：mm）

支架體系完成搭設后，頂部荷載傳遞路徑為底模系統→I20工字鋼分配梁→橫梁（貝雷片）→承重梁→主桁架→支撐牛腿→主塔塔身。荷載傳遞路徑清晰簡單，經過有限元計算模擬分析，確保了結構的安全穩定，合理規避了風險。同時，通過構件間臨時焊接以及堆載預壓等措施最大程度消除了支架體系的非彈性變形，確保了橫梁施工的質量可控。主桁架各桿件間采用螺栓連接，安拆簡單快捷，支架改制方便迅速，且安裝精度高。

支架根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D 60—2015）采用概率論的方法進行設計。故設計支架時，按第一次澆筑時上部所有荷載由支架全部承擔，第2層混凝土澆筑時上部施工荷載及混凝土自重由已成型梁及支架共同承擔。同時，考慮到其作為施工臨時結構，施工安裝精度、現場焊接質量相對于永久結構較差。因此，在規范規定采用荷載分項系數的基礎上，為確保結構安全，支架主要構架仍需留有一定的安全儲備[1]。

設計支架時，采用Midas建立中橫梁支架模型如圖3所示，其中各桿件均采用梁單元模型，各桿件采用彈性連接[2]。（1）型鋼支架頂部I20分配梁計算結果如圖4所示。

圖3 中橫梁型鋼托架計算模型圖

支架頂部I20分配梁的組合應力σmax=94.2MPa＜[σ]=215MPa，組合應力滿足要求。最大位移S=（23-22）mm=1mm＜900mm÷400=2.25mm，滿足要求。

圖4 承重梁受力計算結果

（2）其他桿件受力計算結果如表1所示。通過計算，在最不利組合下，各桿件的強度和剛度均滿足要求。

表1 桿件受力情況表

（3）牛腿受力計算。作用于牛腿上的最大豎向荷載F=1134.6kN，牛腿處混凝土局部受壓承載力[F]=1.35βcβlfcAln=1.35×1.03×1×23.1×128800=4137kN＞F，滿足承壓面強度要求。經過計算，牛腿鋼板變形值最大值為0.016mm，最薄弱點出現在下拐角處，體現為應力集中14MPa＜[τ]=100MPa，牛腿強度滿足要求。

（4）拉桿計算。下橫桿內設置8根32精軋螺紋鋼，考慮單根精軋螺紋鋼筋其預拉力為360kN，單根拉桿受拉力為F=2250÷8=276kN，安全系數k=360÷276=1.4，滿足要求。

通過對中橫梁型鋼托架系統的承重梁、分配梁、貝雷梁、斜撐桁架、牛腿、牛腿對拉桿的應力和變形的計算，中橫梁型鋼托架系統的強度、剛度和穩定性均滿足要求，結構安全。

4 中橫梁施工

4.1 施工工藝流程

中橫梁采用塔梁同步工藝施工，中塔柱爬模爬升至第15、16節段預埋中橫梁托架相關預埋件，中橫梁分兩次與塔柱第17、18節段同步澆筑。中橫梁施工工藝流程為測量定位→橫梁支架安裝→預壓→接高塔柱內勁性骨架→塔身主筋接長→安裝橫梁底模→測量調整底模→綁扎底板、腹板鋼筋、穿波紋管及穿預應力鋼束→安裝內外模、測量、調整→檢查、鑒證→澆注混凝土→養護、拆內外模板→安裝頂板模板→綁扎頂板鋼筋→穿波紋管及穿預應力鋼束→檢查、鑒證→澆注混凝土→養護、拆內外模板→張拉→壓漿→封端→拆除橫梁底模及支架。

4.2 型鋼托架安裝

中橫梁支架預埋件、牛腿、主桁架（上、下弦桿及斜桿）、鋼墊塊、承重梁部分外委專業廠家加工，加工完成并驗收合格后運至現場與其余構件一起進行現場拼裝，型鋼托架安裝如圖5所示。

圖5 中橫梁型鋼托架安裝施工

（1）支撐牛腿安裝。施工前，按設計要求放樣出支架體系的各個預埋件位置，為確保測量精度，進行換手復測。在索塔施工過程中，于設計位置埋設牛腿預埋鋼套件，鋼套件預埋時注意預埋深度，埋件外露面需深入混凝土面2～3cm，以便后期混凝土修補。待塔柱混凝土澆筑完成且爬模爬升露出預埋鋼套件后安裝牛腿，牛腿裝入預埋鋼套件內后，穿入預應力筋并張拉，完成支撐牛腿安裝工作。

（2）主桁架安裝。主桁架由上、下弦桿、斜桿和橫聯桿組成，上、下弦桿及斜桿均為雙拼H58型鋼組成，由專業廠家在廠內制作，驗收合格后運至現場進行組拼，各桿件連接方式采用螺栓連接，主桁架分上、下兩部分組拼并分次吊裝就位，采用兩臺塔吊抬吊進行安裝，兩榀桁架吊裝完成后立即連接橫聯桿，使兩榀主桁架形成一個整體。

（3）承重梁和橫梁安裝。承重梁由H70型鋼雙拼順橋向裝在主桁架上，因后期落架施工需要，承重梁與主桁架上弦桿之間需安裝鋼墊塊，鋼墊塊在廠內焊接而成，頂面、底面分別與承重梁與上弦桿接觸面焊接。橫梁為321型貝雷梁，按照設計圖紙間距進行擺放，腹板下45cm/組，每組間距25cm；底板90cm/組，每組間距60cm。

（4）分配梁和底模安裝。橫梁頂部按照貝雷片豎桿及斜桿節點間距布設I20分配梁，I20分配梁上部鋪設10cm×10cm方木分配梁，上橫梁腹板及倒角下方方木間距為15cm，底板下方方木間距為30cm，底板采用1.5cm厚的竹膠板。

4.3 型鋼托架預壓

中橫梁型鋼托架安裝完成后對其進行預壓，以消除支架的非彈性變形，觀測支架的彈性變形，根據彈性變形值對底模進行預抬[3]。壓重采用混凝土預制塊進行配重，按照主梁結構的荷載分布進行堆載，總的堆載量為上橫梁混凝土重量的1.1倍，堆載按照60%→80%→100%→110%的順序進行堆載，堆載荷載分布按上橫梁實際結構荷載分布進行。支架預壓荷載取索塔中橫梁第一層澆筑混凝土澆筑重量+模板自重+施工荷載，即需施加荷載1486t，采用1251塊（1m×1m×0.5m）混凝土預制塊進行預壓。

支架預壓監測主要包括加載之前監測點標高、每級加載后監測點標高和卸載后6h監測點標高三項內容，以觀測預壓支架的計算沉降量、彈性變形量及非彈性變形量。支架壓載觀測點布置：箱梁測點布置5個斷面，即每1/4跨度、1/2跨度及端部5個斷面，每個斷面分別在底板下布設3個點、在翼緣板下分配梁上布設2個點，一個斷面共布設5個點。通過預壓得出，托架非彈性變形平均為8mm，彈性變形平均為10mm，支架預抬值按照10mm設置。

4.4 中橫梁模板施工

中橫梁模板采用木模，內模搭設鋼管腳手架支撐。橫梁底模及側模板均采用15mm厚的竹膠板，外背10cm×10cm方木背楞，側模橫向背楞采用兩根Φ48mm鋼管，兩根鋼管之間留有2.5cm的間距，以便穿入拉桿，拉桿直徑20mm，按照豎向間距80cm、橫向間距1m布置，底部兩道拉桿與上橫梁主筋焊接。

4.5 中橫梁鋼筋施工

中橫梁斷面外側主筋為一排為Φ28mmHRB400鋼筋，內側為一排Φ20mmHRB400鋼筋，箍筋和拉筋為Φ16mm鋼筋，橫梁鋼筋安裝總體按照由下至上的順序進行鋼筋綁扎，依次安裝底板、腹板、隔板、頂板鋼筋，橫梁混凝土表面設置CRB550防裂鋼筋網片。鋼筋統一由鋼筋廠集中加工，鋼筋半成品驗收合格后，配送至現場安裝，按照設計圖紙進行鋼筋安裝，要求鋼筋數量、鋼筋間距、保護層厚度、鋼筋接頭質量等滿足設計和驗收規范的要求。

4.6 中橫梁混凝土施工

中橫梁混凝土澆筑分兩次施工，第一層澆筑高度為4m，第二層澆筑高度為3m。橫梁第一次澆筑的整體澆筑順序為由兩端向中間澆筑，從腹板下料，首先澆筑至底板倒角位置，然后澆筑底板混凝土，最后澆筑腹板及隔板。第二次澆筑順序同樣由兩端向中間澆筑，先腹板及隔板，再澆筑頂板。中橫梁第二次澆筑前，應按照設計圖紙要求預埋墊石及擋塊的鋼筋及預埋件。現場通過輸送泵管垂直運輸至橫梁位置處的布料桿進行布料，布料桿出料口設置軟管，控制混凝土自由下落高度在2m以下[4]。

4.7 中橫梁預應力施工

橫梁預應力鋼絞線均采用兩端對稱張拉，一次張拉完畢。每束鋼絞線的設計錨下控制應力為1395MPa，張拉采用雙控，以控制為主，以鋼絞線伸長量進行校核。施工順序為體內預應力施工完成→抽真空→檢查壓漿泵出口漿體情況→管路連接→啟動真空泵→觀測排氣孔的出漿情況→加壓2～3min→封堵漿口及出氣孔→清理工作平臺。

4.8 托架拆除

當中橫梁完成所有待張拉、注漿、封錨后便可進行托架拆除，拆除采用切割鋼楔塊的方式進行。先對稱釋放鋼楔塊，然后拆除底模，再拆除分配梁，之后拆除貝雷片。貝雷架采用分組拆除的方法，用手動葫蘆橫移至分配梁兩側，用塔吊吊至橋外堆放。主桁架和連接系在貝雷梁拆除完成后再進行拆除，從上至下依次拆除，橫聯桿拆除時采用氧焊切割，主桁架拆除通過塔機配合橫梁頂部安裝的卷揚機進行拆除、下放。最后拆除支架牛腿，在預埋鋼套件內焊接加勁肋并回填混凝土。

5 實施效果

該橋采用的型鋼托架法與落地支架方案相比，減少了高空焊接及吊裝工作，節約了120t鋼材，節約了成本60萬元。而且，整個支架體系安裝僅需7d，節約了工期12d，加快了材料的周轉。可以看出，中橫梁施工采用型鋼托架法實施效果顯著，達到了便于施工、節約材料、節省工期、保證質量和降低安全風險的目的。

（1）主塔中橫梁底面距承臺頂面97.3m，若采用落地支架方案，對支架立柱承載能力的要求非常高，支架高度很大，且立柱穿過下橫梁，對下橫梁的結構內力造成影響，同時施工存在大量的高空焊接作業，安全風險大。

（2）整套支架體系由牛腿、牛腿對拉桿、型鋼支架、貝雷梁、分配梁和底模系統組成。各桿件均由廠內定制加工，桿件間采用螺栓連接，既減少了現場焊接的工作量，又保證了安裝精度，且主桁架采取整體吊裝，減少了起重吊裝的工作量，結構簡單，施工方便。

（3）整套支架體系除主桁架外，均為型鋼原材或定制鋼構件，施工不同位置橫梁時可直接周轉無需改制或重新加工，且橫梁施工完成后仍可重復使用，改制簡單，便于周轉。

（4）相比于落地支架，該支架通過牛腿固定于塔柱上，不占用地面空間，解決了施工場地小的問題，避免了因地面基礎沉降導致的支架非彈性變形，支架在荷載作用下變形較小。

6 結束語

建水（個舊）至元陽高速公路紅河特大橋中橫梁通過采取型鋼托架法，安全有效地完成了索塔中橫梁施工，保證了整體工程質量，節約了施工成本，加快了施工效率，同時降低了安全風險，取得了良好經濟效益，可在同類橋梁施工中提供參考。