云南江底河特大橋索塔下橫梁支架設計與施工

高 有 德

(云南基礎設施建設投資股份有限公司，云南 昆明 650501)

1 工程概況

云南省S35永金高速公路永仁至大姚段公路工程是云南省高速公路網規劃中第12條縱線永仁—大姚—姚安—牟定—楚雄—雙柏—元江—紅河—元陽—曼耗—金平—金水河高速公路的重要組成部分,是云南省北進四川等西部省份及南下東南亞的國際大通道之一,也是楚雄州骨架路網重要組成部分,為云南省、州(市)、縣的一條地方經濟干線。

江底河特大橋位于永仁至大姚高速公路K28+612～K30+280 處上跨江底河峽谷,是永大高速公路控制性工程。永大高速江底河特大橋為主跨920 m的雙塔單跨重力式錨碇鋼箱梁懸索橋,設高低兩座索塔,索塔是由塔柱、橫梁組成的門式框架結構。塔柱為鋼筋混凝土結構,其中永仁岸高塔(如圖1所示)設有下橫梁。

2 支架結構設計

2.1 下橫梁結構形式

江底河特大橋下橫梁為等高預應力混凝土結構,下橫梁設置在主梁下方采用箱形截面并設有橫隔板,位于塔柱78 m高處,下橫梁寬度7.5 m,高度為7 m。頂、底和腹板壁厚均為1.0 m,箱室內倒角尺寸為50 cm×50 cm。

2.2 支架結構設計

下橫梁施工采用落地鋼管支架作為豎向支撐體系結構,鋼管立柱采用φ1 020×12 mm鋼管樁,標準節長度為9 m,采用法蘭盤螺栓連接;連接系采用φ630×8 mm和φ325×8 mm鋼管,共設7層連接系;設置2HN700×300和2Ⅰ56b型鋼作為分配梁,分配梁上設置貝雷梁,然后設置工12.6墊梁及模板,底模采用木模板,橫梁寬度方向共設置16排貝雷梁,橫梁長度方向共設置10節貝雷梁,其中包括1節異性貝雷梁,卸落塊均采用砂筒。具體布置如圖2所示。

3 支架模型建立及計算

3.1 荷載參數

1)結構自重。支架結構自重按Midas Civil軟件計算加載。

2)混凝土荷載。鋼筋混凝土容重取:γ=26.25 kN/m3。

3)模板荷載。支架計算時,模板自重取1.5 kN/m2,均勻加載于整個下橫梁平面范圍內。

4)操作平臺上的施工人員及機具、材料堆放荷載。計算支架結構時取:2.5 kN/m2。

5)傾倒混凝土時產生的沖擊荷載。計算支架結構時取:2.0 kN/m2。

6)振搗混凝土時產生的荷載。計算支架結構時取:2.0 kN/m2。

7)風荷載。項目所在區域風力較大,最大瞬時風可達到11級,日常風力可達到7級、8級,支架計算時取11級風速。

a.貝雷梁風荷載。

風載按《公路橋梁抗風設計規范》計算。

其中,α=0.12,按A類地區取值。

靜陣風風速:Vg=GvVz=1.29×41.7=53.8 m/s。

其中,Gv=1.29,按A類地區取值。

貝雷梁桁架遮擋系數:η=0.7。

b.立柱風荷載。

風載按《公路橋梁抗風設計規范》計算。

其中,α=0.12,按A類地區取值。

靜陣風風速:Vg=GvVz=1.29×41.5=53.5 m/s。

其中,Gv=1.29,按A類地區取值。

8)材料容許應力。

鋼材Q235B:抗拉、抗壓和抗彎f=215 MPa;抗剪fv=125 MPa；焊縫強度[τ]=160 MPa。

鋼材Q345B:抗拉、抗壓和抗彎f=215 MPa;抗剪fv=125 MPa。

3.2 計算原則

按第一次澆筑混凝土4 m高考慮,混凝土荷載全部由下橫梁支架承受,根據中橫梁底板和腹板及橫隔板位置進行加載,按線荷載加載于底模系統分配梁上,合計加載約12 127.4 kN。

第二次澆筑混凝土荷載總量約10 100.0 kN,考慮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,偏安全考慮為澆筑混凝土荷載的50%,約5 050.0 kN加載于底模系統上。

3.3 分析計算

3.3.1 計算模型

采用Midas Civil軟件建立下橫梁支架計算模型,荷載按下橫梁支架荷載參數進行加載。計算模型如圖3所示。混凝土、模板→分配梁F1→貝雷梁→分配梁F2/F3→鋼管立柱/鋼牛腿。鋼管立柱所承受的力傳遞到塔座上,鋼牛腿所承受的力傳遞到塔身混凝土。

3.3.2 鋼管支架計算

下橫梁支架鋼管立柱采用φ1 020×12 mm鋼管樁，連接系采用φ630×8 mm和φ325×8 mm鋼管，共設7層連接系。

1)強度計算。

通過模型計算,鋼管支架在極限狀態荷載組合下,應力分布情況如圖4所示。

最大組合應力σmax=152.9 MPa<215 MPa，最大剪應力τmax=9.4 MPa<125 MPa，滿足要求。

2)穩定性計算。

其中，N為鋼管立柱所受軸力，經計算N=3 821.8 kN；φ為彎矩作用平面內的軸心受壓構件穩定系數；Mx為作用在計算構件段范圍內的最大彎矩，經計算Mx=483.7 kNm；W為在彎矩作用平面內毛截面抗彎模量，W=9 464 858 mm3；βmx為等效彎矩系數，取1.0；γ為截面塑性發展系數，取1.15。

所以,鋼管立柱穩定性滿足要求。

3.3.3 貝雷梁計算

1)強度計算。驗算貝雷梁在正常使用荷載組合下的受力情況,各桿件的受力如圖5～圖7所示。

由圖5的計算結果可知,貝雷梁弦桿最大軸力F=292.1 kN<[F]=560 kN,滿足要求。

由圖6的計算結果可知,貝雷梁豎桿最大軸力F=179.7 kN<[F]=210 kN,滿足要求。

由圖7的計算結果可知,貝雷梁斜桿最大軸力F=156.3 kN<[F]=171.5 kN,滿足要求。

根據上述計算結果,下橫梁支架貝雷梁強度滿足要求。

2)剛度計算。

由圖8可知,貝雷梁最大相對位移f=45.5-29.2=16.3 mm。

3.3.4 分配梁計算

1)分配梁F1計算。

分配梁F1在極限狀態荷載組合下的最大組合應力情況如圖9所示,最大剪應力如圖10所示。

由圖10可知分配梁F1在極限狀態荷載組合下：

最大組合應力σmax=67.5 MPa<215 MPa。

最大剪應力τmax=45.8 MPa<125 MPa,滿足要求。

2)分配梁F2,F3計算。

分配梁F2,F3在極限狀態荷載組合下的最大組合應力情況如圖11所示,最大剪應力如圖12所示。

由圖11,圖12可知分配梁F2,F3在極限狀態荷載組合下:

最大組合應力σmax=181.2 MPa<215 MPa。

最大剪應力τmax=112.8 MPa<125 MPa,滿足要求。

3.3.5 鋼牛腿計算

鋼牛腿承受豎向荷載,最大豎向荷載1 312 kN。鋼牛腿與主塔接觸面積為150 mm×300 mm。鋼牛腿插入塔身部分采用等高度箱型截面,整個鋼牛腿高1 500 mm。鋼牛腿采用Q235B材質,板厚均為20 mm,均采用坡口焊相互焊接成整體。

1)鋼牛腿強度計算。

鋼牛腿結構及受力模型如圖13所示。

選取鋼牛腿以上兩個截面進行計算:

a.1—1截面計算。

b.2—2截面計算。

根據上述計算結果,鋼牛腿受力滿足要求。

2)鋼牛腿拉桿計算。

故拉桿受力滿足要求。

3)混凝土局部承壓計算：

鋼牛腿底部混凝土局部承壓面積:Al=150×300=45 000 mm2。

混凝土局部承壓按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》計算:

局部受壓計算面積:Ab=150×600=90 000 mm2。

混凝土強度影響系數:ηs=0.96。

混凝土局部受壓承載力:

1.3ηsβfcdAl=1.3×0.96×1.4×24.4×45 000×10-3=1 918.4 kN>1.4Fl=1 836.8 kN。

故鋼牛腿塔柱開孔處的混凝土承壓面滿足強度要求。

3.3.6 支架穩定性計算

通過Midas模型計算,可得下橫梁支架臨界荷載系數,如圖14所示。

由圖14的計算結果可知,下橫梁支架臨界荷載系數為8.1>5,故下橫梁支架穩定性滿足要求。

3.4 計算結論

終上所述:下橫梁支架體系各主要受力構件在各工況下強度、剛度和穩定性均能滿足規范要求,支架體系安全可靠。

4 下橫梁支架安裝

4.1 安裝順序

下橫梁支架安裝順序為:承臺及系梁施工時預埋立柱預埋件→隨著塔柱施工逐節安裝立柱及連接系→柱頂處理→牛腿安裝→分配梁安裝→貝雷梁安裝→支撐架安裝→墊梁及模板安裝。

1)塔柱承臺及系梁施工時預埋下橫梁施工支架預埋件,需保證預埋件的平整度及其下方混凝土振搗密實。

2)下塔柱施工時,在塔柱內側安裝橫撐、施工平臺及牛腿預埋件(索塔橫撐+支架連接系共用),預埋件位置和尺寸偏差應嚴格控制在5 mm以內,預埋件處塔柱拆模后,應對預埋件位置進行竣工測量。

3)安裝φ1 020 mm鋼管樁,并焊接連接系固定,安裝過程中,嚴格控制樁頂標高偏差不大于5 mm。

4)在鋼管樁樁頂安裝砂筒,測量控制其標高與設計標高(根據下橫梁底標高推算)相符,焊縫高度應不小于10 mm。

5)安裝分配梁并與砂筒固定。

6)采用塔吊分組安裝貝雷梁,并按照設計圖紙要求,利用支撐架將每片貝雷梁連接成為整體。

7)在貝雷梁頂端安裝墊梁,在其上鋪設底模系統(木方+竹膠板)。

4.2 支架基礎施工

下橫梁支架基礎通過預埋件固定在承臺及系梁上,承臺及系梁均為實心混凝土結構,承載力滿足要求,承臺施工時在承臺頂面安裝預埋件。有兩排預埋件安裝在承臺系梁處,有一排在后澆段處,后澆段澆筑時預埋立柱預埋件(見圖15),預埋件中心偏差不大于2 cm。

4.3 支架立柱及連接系安裝

鋼管柱采用φ1 020×12 mm鋼管樁,標準節段鋼管柱擬定為6 m,其中左側鋼管安裝在與中間樁間距為9 m位置,右側鋼管樁安裝在與中間樁間距為8.5 m位置,鋼管樁單節最大吊裝重量為1.97 t,鋼管樁采用塔吊吊裝接長,鋼管柱任何一個斷面的直徑偏差不得大于5 mm,保證所有焊縫的高度和寬度。鋼管柱兩端磨平,與預埋件焊接不得留有縫隙。鋼管樁之間采用法蘭連接,采用8.8級M27螺栓。鋼管立柱拼裝同時安裝水平橫撐(長節段)和連接系,控制鋼管柱垂直度。鋼管立柱與水平橫撐、連接系之間焊接,拼裝傾斜度不得大于 0.5‰。有水平橫撐位置,先焊接橫撐,再焊接連接系。焊接固定水平橫撐后及時施加橫撐水平頂推力,故下橫梁支架與下塔柱同步施工,確保水平橫撐及時有效。

考慮拼裝方便,鋼管立柱上安裝施工爬梯及施工平臺。鋼管立柱連接法蘭下方1 m范圍內按需設置操作平臺,采用型鋼制作,并鋪設腳手板,施工平臺四周設置欄桿并安裝防護網。在鋼管柱拼裝完成后,及時安裝防墜安全網,在距樁頂2 m范圍內設置防墜網,以保證墜物不掉入下方施工區域。

鋼管柱安裝完成后安裝卸落砂筒,測量放樣,控制樁頂標高偏差不大于5 mm。在砂筒上方安裝支撐梁,支撐梁與砂筒焊接固定。

4.4 支架橫撐、施工平臺、牛腿預埋件、砂筒安裝施工

在塔柱施工時安裝施工平臺、水平橫撐爬錐及牛腿預埋件。牛腿、水平橫撐安裝前先安裝施工平臺,在施工平臺上完成牛腿、水平橫撐安裝。當鋼管樁施工至水平橫撐位置時,先進行水平橫撐安裝,再進行連接系安裝,再進行水平推力施加。先將牛腿槽口模板取出,并進行槽口整平處理,鋪設鋼板,單個牛腿最大吊裝重量為0.7 t,然后采用塔吊及倒鏈將牛腿吊裝至設計位置進行安裝,并安裝底端精軋螺紋鋼和超墊塊,抄墊至牛腿頂面水平,牛腿安裝時嚴格控制標高和平整度。

待牛腿及鋼管樁柱頂安裝完成后進行砂筒安裝,砂筒在現場加工,加工完成后進行預壓試驗,預壓荷載為400 t。

4.5 分配梁安裝

鋼管樁頂分配梁采用2HN700×300型鋼,牛腿頂分配梁采用2Ⅰ56b,分配梁在地面將加勁板等構件焊接好后整體吊裝至設計位置進行安裝,單個分配最大吊重3.9 t,160 t·m塔吊在臂長33 m處吊裝重量為4.5 t,因此,單側塔吊可吊裝緊鄰的3片分配梁,分配梁在地面焊接成整體并經驗收合格后吊裝至設計位置。

4.6 貝雷梁安裝

根據結構布置,貝雷梁采用3 m和2.5 m型,橫橋向共設置10片貝雷梁,其中2.5 m貝雷梁1片,縱橋向貝雷梁橫向間距為90 cm+22.5 cm+45 cm+22.5 cm+45 cm+5×90 cm+45 cm+22.5 cm+45 cm+22.5 cm+90 cm間距進行布置,支撐架采用梅花形進行設置。貝雷梁先在地面按支撐架型號分組成排拼裝,然后采用塔吊抬吊至設計位置,因場地、塔吊設備所限,且貝雷梁長度達29.6 m(略小于兩塔柱間凈距),考慮采用兩臺塔吊安裝,吊裝到位的貝雷梁采用U型卡環固定,并及時安裝支撐架。

根據實際模擬,下橫梁貝雷梁放置于永仁岸主塔靠近大里程側橋中線位置處起吊,每2榀貝雷梁吊重為5.3 t,考慮吊裝安全性,采用2臺塔吊抬吊的方式吊裝,吊點設置在距邊端6 m位置處,根據吊裝分組,最大吊裝重量為3榀同時吊裝,最大重量為8.0 t。

成排吊裝就位后安裝剩余連接支撐架,最后安裝橫向分配梁,吊裝從中間至兩側對稱安裝。

4.7 支架預壓

根據最新橋規JTG/T 3650—2020公路橋涵施工技術規范第5.4.3條中第(1)條:位于剛性基礎上的剛度較大且非彈性變形可確定控制在一定范圍內的支架,在經過計算并通過一定審核程序,確認其滿足強度、剛度及穩定性等要求的前提下,可不預壓。條文說明:“位于剛性基礎上”主要是指支架支撐在橋涵工程的基礎頂部、正式通車后的水泥路面或瀝青混凝土路面頂部以及其他經確認不會產生沉降的構筑物頂部；“剛度較大且非彈性變形可確定控制在一定范圍內的支架”一般指采用大直徑鋼管或型鋼等材料制作而成的材料。

本工程下橫梁支架為鋼管立柱支架,屬于“剛度較大且非彈性變形可確定控制在一定范圍內的支架”。下橫梁支架基礎位于主塔承臺頂面,位于剛性基礎上。因此本工程下橫梁支架不需要進行預壓。

5 結語

江底河特大橋索塔下橫梁分兩層澆筑,第一層澆筑高度4 m,第二次澆筑高度3 m,第二層澆筑前,需對底板的預應力束張拉30%。按第一次澆筑混凝土荷載全部由下橫梁支架承受,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,偏安全考慮為下橫梁支架承受第二層澆筑混凝土荷載的50%。通過江底河特大橋索塔下橫梁實際施工過程驗證,采用Midas Civil有限元軟件建立支架模型進行計算分析,其設計的支架結構安全可靠,能夠滿足施工要求,可以為類似工程提供參考。江底河特大橋下橫梁已經于2021年6月3日澆筑完成。