五峰山長江大橋主塔橫梁支架設計與施工關鍵技術

付文宣，袁 燦，張 克，劉 鴿，黃修平

(1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430040；3.中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司，湖北 武漢 430040)

0 引言

隨著橋梁建設技術的不斷創新和飛躍發展，橋梁的跨徑在不斷突破，超大跨徑懸索橋、斜拉橋等也將成為必然趨勢。當橋梁跨度>600m時，往往首先考慮懸索橋。與公路懸索橋相比，鐵路懸索橋的起步要稍晚，目前世界上已建成多座公鐵兩用懸索橋，跨徑已突破千米大關[1]，參數如表1所示。

表1 超大跨度公鐵兩用懸索橋

1 工程概況

連鎮鐵路五峰山長江大橋采用雙塔單跨懸吊鋼桁梁懸索結構(見圖1)，是連鎮鐵路線路的重要組成部分，其主纜跨度為(350+1 092+350)m，加勁梁跨度為(84+84+1 092+84+84)m[2]。主塔為鋼筋混凝土框架結構(采用C55混凝土，HRB400鋼筋)，主塔全高191.5m(從塔座頂面算至鞍座底)，上、下橫梁為預應力混凝土結構。

圖1 五峰山長江大橋總體橋型布置(單位：m)

主塔下橫梁為單箱單室結構，高13m，橫向長43.8m，順橋向頂面寬11m、底面寬12m，頂、底板厚1m，腹板厚0.8m，設置2道厚1m隔板，下橫梁兩端圓弧段倒角半徑為6m。

主塔上橫梁為單箱單室結構，橫梁高度從中間11m(未計梁冠高度)向兩端漸變至32.8m，橫梁長約34.4m(橫橋向)、寬7.5m(順橋向)，頂、底、腹板厚度均為0.8m，頂面留有進人孔，設置有2道厚0.5m隔板。主塔及橫梁構造如圖2所示。

圖2 主塔及橫梁構造(單位：m)

2 橫梁施工難點

下橫梁與塔柱同步施工，塔柱施工時同步進行下橫梁支架和模板體系安裝，施工難點有：①下橫梁橫橋向長43.8m，跨度大，支架設計要求較高；②下橫梁底面距承臺有51.5m，混凝土方量 4 396m3，總重約11 400t，端部及倒角弧形段皆為實心截面，澆筑荷載大且弧形段難施工；③下橫梁高13m，需通過試算確定橫梁分層澆筑高度。

上橫梁高度大、結構復雜，與塔柱采取異步施工，其施工難點有：①上橫梁底面距下橫梁頂面有121.5m，混凝土方量1 918m3，支架安拆難度大，安全風險高；②上橫梁總澆筑高度為32.7m，分層澆筑次數多，工藝繁雜；③上橫梁兩端裝飾塊為異形結構且高差大，支架等模板體系需考慮裝飾塊的施工需要。

3 下橫梁支架設計

3.1 下橫梁支架確定

主塔下橫梁支架通常為不落地牛腿大托架和落地式鋼管支架2種結構[3]，根據下橫梁特點，初步考慮2種方案：①方案1 牛腿小桁架+落地鋼立柱；②方案2 全落地鋼立柱。2種方案立面布置如圖3所示，形式對比如表2所示。

圖3 下橫梁支架方案布置

表2 下橫梁支架形式對比

綜合考慮現場施工條件、上下橫梁材料周轉、橫梁特點及受力分析，選用方案2施工更安全可靠。

3.2 下橫梁支架結構及特點

下橫梁支架從上到下布置依次為：橫向分配梁I14a/2I14a(一般間距750mm，實心段下方采用2I14a雙拼形式，倒角段2I14a間距加密為300mm)，貝雷梁(321型)或新制桁架(2HN600×200)，主橫梁(2HN900×300)，鋼立柱(φ1 000×16，共計4排9組36根)，平聯(φ630×8，設5層)，附墻(2[20a，設2層)，斜撐(支架上部斜撐采用φ426×6，下部斜撐采用2[20a)。下橫梁直線段采用鋼模板，兩端倒角弧形段底模采用厚6mm鋼板。

固結排水法包括真空預壓法、堆載預壓與降水預壓法。應用真空預壓法進行地基處理時，應確保真空預壓邊緣大于建筑物基礎。通過預壓達到增大地基預壓力的目的。在使用中要盡量增大真空度，確保預壓效果。堆載預壓法進行地基處理時，需通過建筑物自重進行加壓。采取有效的預壓措施，通過部分超載預壓進行排水固結，根據殘余沉降量確定施工方案。降水預壓法用于地下水含量較少的軟土地基。應用此法在施工前應收集地質勘察數據，制定符合地質特點的施工方案。以增強排水固結的實效性[4]。

下橫梁支架特點為：①由于承臺塔柱附近空間位置受限，支架外側第2組鋼立柱為斜立柱，斜立柱與塔柱用附墻連接；附墻與塔柱連接形式為鉸接，消除力矩和支架豎向變形，避免應力過大。②下橫梁圓弧段應設置模板對拉桿。③主橫梁應對應貝雷雙豎桿節點，若主橫梁處為非雙豎桿節點，應對橫梁處貝雷節點進行豎桿加強。④支架兩端新制桁架各11榀，桁架腹桿及相鄰立柱間加設1層墊梁和支撐梁(見圖4)，以增加整體橫向水平剛度。

圖4 墊梁與支撐梁

3.3 下橫梁支架計算分析

根據整體建模和計算分析，下橫梁分3層澆筑，分層澆筑方量如表3所示。

表3 下橫梁分層澆筑方量

下橫梁支架結構考慮承受第1，2層澆筑的橫梁自重，承受部分第3層澆筑的橫梁自重。模型約束條件為鋼立柱在柱底預埋件處剛接，附墻在塔柱預埋件處鉸接，主橫梁與鋼立柱鉸接，貝雷及新制桁架與主橫梁彈性連接，分配梁與貝雷及桁架彈性連接。下橫梁支架荷載包括：支架及橫梁自重，模板體系自重，施工人員及設備荷載，傾倒和振搗荷載，風荷載。有限元計算模型及其最不利工況計算結果如圖5所示。

圖5 下橫梁支架模型及其計算結果

下橫梁支架整體計算結果顯示支架的剛度、強度均能滿足要求。未考慮預應力張拉下橫梁彎矩計算結果如圖6所示，根據彎矩結果，計算下橫梁受彎承載力滿足要求。

圖6 下橫梁彎矩計算結果

由于下橫梁澆筑方量大，鋼立柱柱頂最大壓力設計值高達5 000kN，對經過加強后的卸荷塊與鋼立柱(φ1 000×16)柱頂連接處局部建模進行強度驗算(見圖7)，部位最大應力195MPa<205MPa，卸荷塊局部強度滿足要求。

圖7 卸荷塊與鋼立柱柱頂局部計算

4 上橫梁支架設計

4.1 上橫梁支架確定

主塔上橫梁施工是典型的高空作業，施工難度大，安全風險高，一般采用牛腿大托架形式較多[4]。

由于本項目下橫梁采用落地鋼立柱且鋼管用量大，從經濟性、施工周期、危險源控制上考慮，上橫梁支架采用牛腿小桁架+鋼立柱形式，可循環使用下橫梁鋼立柱，拆裝運輸方便，下橫梁構件拆除后進行修補處理即可用于上橫梁支架。為保障上橫梁裝飾塊處受力合理，在鋼立柱和塔柱內側兩端設有三角撐架及牛腿。上橫梁異形裝飾塊底模和外側模采用大型組合鋼模板，由專業模板廠設計，加工成型后運至現場。

4.2 上橫梁支架結構及特點

上橫梁支架從上到下布置依次為：橫向分配梁I14a/2I14a(一般間距750mm，隔板段下方采用2I14a雙拼形式)，貝雷梁(321型)，主橫梁(2HN900×300)，三角撐架及牛腿(2HN900×300，2HM588×300，兩端各4榀)，鋼立柱(φ1 000×16，共計3排4組12根)，平聯(φ630×8設3層，φ426×6設12層)，附墻(φ630×8設1層，φ426×6設5層)，斜撐(φ426×6)。支架形式如圖8所示。

圖8 上橫梁支架結構

上橫梁支架特點如下。

1)上橫梁支架整體高度超過百米，為高聳結構，風荷載較強時可能會產生風振現象[5]，安全風險大。附墻與塔柱采用剛接形式連接，相鄰附墻間增設平聯和斜撐，以增加附墻剛度。

2)為滿足上橫梁與塔柱異步施工需求，在支架兩側塔柱上預埋三角撐架及牛腿埋件，橫梁兩端包括裝飾塊在內的豎向荷載由三角撐架及牛腿承受，三角撐架及上牛腿受拉、下牛腿受壓。上橫梁中部豎向荷載由落地支架承受，支架受力明確，施工便捷。

3)上橫梁下部裝飾塊處應設置模板對拉桿，裝飾塊底模由于線性復雜，為保障模板加工后不變形，模板外側設有加強桁架，與模板同時設計和加工成型后運至現場。裝飾塊底模與其相鄰立柱間加設2層墊梁和支撐梁，以增加橫向水平剛度，減少底模側向變形。

4)主橫梁應對應貝雷雙豎桿節點，若主橫梁處為非雙豎桿節點，應對橫梁處貝雷節點進行豎桿加強。

5)根據上橫梁支架平聯標高，布置合理的塔柱主動橫撐，支架可兼顧中塔柱主動橫撐施工，為其安裝和拆除提供便利。

4.3 上橫梁支架計算分析

上橫梁混凝土方量約1 918m3，分6次澆筑(見表4)。上橫梁支架結構考慮承受第1～3層3次澆筑混凝土總重。

表4 上橫梁分層澆筑方量

上橫梁支架有限元計算模型及其最不利工況計算結果如圖9所示，支架計算時不考慮施加預應力造成的有利影響。模型約束條件為鋼立柱在柱底預埋件處剛接，附墻在塔柱預埋件處剛接，主橫梁與鋼立柱鉸接，主橫梁與貝雷及三角撐架彈性連接，分配梁與貝雷彈性連接，三角撐架及牛腿與塔柱剛接。上、下橫梁支架荷載類型相同。

圖9 上橫梁支架模型及其計算結果

采用有限元軟件對整體上橫梁支架結構進行屈曲分析，屈曲分析原理為：屈曲荷載=恒荷載+可變荷載×屈曲系數。在計算中考慮的不變荷載有結構自重、橫梁荷載，可變荷載有施工荷載、澆筑荷載。計算得到結構的屈曲模態特征值系數為5.1>4，支架整體穩定性滿足使用要求[6]。

5 橫梁施工流程

采用常規工藝自下而上依次進行橫梁分層施工。下橫梁施工完成后，拆除的鋼立柱、橫梁、分配梁及貝雷等構件經過修補處理，周轉至上橫梁施工時使用。同一層的上、下游混凝土同步澆筑，以減小支架的不均勻變形。當最后一層混凝土強度和彈性模量達到設計值的90%后，便可實行橫梁預應力施工。待橫梁預應力實施結束后，才能將支架拆除，采用自上而下依次分層、分片拆除工藝。若拆除遇到主動橫撐，須事先卸除橫撐預頂力。

主塔橫梁施工流程如圖10所示。

圖10 主塔橫梁施工流程

6 結語

1)主塔上、下橫梁體積大、跨度大，利用既有現場條件，下橫梁與塔柱同步施工，可減少下橫梁施工對塔柱施工進度的影響；上橫梁與塔柱異步施工，可減少上橫梁施工對塔柱封頂、鋼桁梁吊裝、懸索掛設等施工進度的影響。

2)主塔橫梁支架的形式有很多種，本項目下橫梁支架采用落地鋼立柱方案施工，上橫梁采用牛腿小桁架+鋼立柱方案施工，整體用鋼量非常大。目前，當橫梁自重不大時，在既滿足施工需求又能降低成本的條件下，牛腿托架式支架在橫梁施工特別是上橫梁施工中應用越來越多。大噸位重型牛腿托架式支架是未來橫梁施工發展趨勢，如何實現高位裝配化安裝、易拆除、可供循環使用的大噸位重型牛腿托架式支架來施工橫梁值得進一步研究。