常泰長江大橋主航道橋輔助墩鋼桁梁拼裝支架設計研究*

袁 燦,王 超,楊 柳

(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.交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心,湖北 武漢 430040; 4.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)

1 工程概況

常泰長江大橋采用“高速公路+城際鐵路+普通公路”方式過江[1],是國內第一座“三位一體”跨江大橋,也是目前世界上最大跨度的公鐵兩用斜拉橋和最大面積的水中沉井基礎[2-3],主航道橋立面布置如圖1a所示。泰興側主航道橋輔助墩即4號墩上方主梁采用箱桁組合桁架結構,桁寬35m,桁高15.5m,截面如圖1b所示。輔助墩墩高61.32m,采用八邊形空心截面墩柱,墩身縱向外輪廓坡度為 45∶1。 輔助墩設置支架便于上部鋼桁梁拼裝架設[4],如圖2所示,墩頂先利用起重船架設鋼桁梁Z8-9,Z10-11梁段,待Z12-13吊裝到位后,再依次滑移Z8-9,Z10-11梁段,拼接合龍。輔助墩墩頂存梁單個梁段長28m,最重達1 865.5t。本文依托常泰長江大橋,對承受大風、大噸位且自身高度大的輔助墩鋼桁梁拼裝支架進行設計研究。

圖1 主航道橋

圖2 輔助墩鋼桁梁拼裝示意

2 技術難點及分析

1)鋼桁梁預偏量大。輔助墩墩頂架梁吊機對稱懸臂安裝[5]至Z14-15梁段后,為了安裝Z12-13鋼桁梁節段,需先將Z8-9,Z10-11梁段向泰興側預偏安放,如圖3所示。鋼桁梁下放安裝時需考慮斜腹桿間干涉問題,鋼桁梁預偏量控制原則為:Z14-15梁段安裝到成橋位置后,Z12-13與Z14-15梁段斜腹桿角點水平間距≤100mm,Z10-11與Z12-13梁段斜腹桿角點水平間距為0,Z8-9與Z10-11梁段斜腹桿角點水平間距≤300mm,最終Z8-9梁段向泰興側偏離成橋位置3.693m,偏位導致梁段下方斜立柱傾角加大。再者,梁段自重大,導致單個扶墻在鋼桁梁自重下對墩身水平力加大,扶墻選型和埋件布置難度大。

圖3 鋼桁梁縱向偏移示意

2)支架設計要考慮風速Vs10=32.4m/s[6],該風速等級為暴風,且支架高60m,頂層扶墻長10m,受風荷載影響大,扶墻選型和埋件布置難度升級。

3)扶墻埋件約束可采用鉸接、剛接形式。扶墻拉力大,若采用鉸接形式,則耳板、銷軸、錨筋設計需加強,對施工考驗加大,難以保證施工質量,以達到鉸接效果;扶墻傾向采用剛接形式,但剛接扶墻抵抗彎矩比鉸接扶墻能力弱,埋件設計難度再升級。

4)斜立柱柱頂水平拉力大,需對柱頂進行局部分析,采取柱頂加強措施。

5)支架設計方案擬將頂層扶墻替換為對拉拉桿,抵抗巨大水平力,即拉桿間采用鋼絞線[7]穿過墩身連接。拉桿和鋼絞線間采用型鋼橫梁連接。受主橫梁中心需對準鋼桁梁豎桿及主橫梁跨度限制,鋼絞線需穿過墩身倒角位置。鋼絞線預拉緊后,受倒角影響(見圖4),橫梁將產生變形,此時鋼絞線對拉桿的約束不能看作剛接,需分析對拉拉桿在模型中不同約束形式對支架受力的影響,驗算鋼絞線拉緊時橫梁翼緣板受拉強度是否會滿足規范要求。

圖4 對拉拉桿、橫梁與墩身相對位置

6)由于鋼桁梁自重大,則千斤頂對鋼桁梁反力大,需驗算鋼桁梁下弦桿受力是否滿足要求。

3 支架總體設計

支架為存梁+滑梁支撐結構,支架滑移靠位于主橫梁的步履式千斤頂完成。支架整體由φ1 200×14立柱、φ600×8平聯、φ600×8 / 2[20a / 2[28a斜撐、φ800×12/φ600×8 /2[20a扶墻、6HM588×300墊梁、2HN900×300對拉拉桿及6HN900×300主橫梁組成支撐結構。除鋼立柱和對拉拉桿采用Q355B材料外,其余均采用Q235B材料。立面如圖5所示。支架結構整體最大應力270MPa,位于對拉拉桿,小于強度設計值295MPa,水平最大位移91.0mm,小于位移容許值397mm,豎向最大位移30.9mm,小于位移容許值35mm,主橫梁最大變形8.5mm,小于變形容許值10mm。支架主要構件強度及剛度均滿足設計及規范要求[8]。

圖5 支架縱橋向立面

4 對拉拉桿分析

4.1 對拉拉桿不同約束分析

如圖6所示,建模將對拉拉桿簡化成2個獨立桿件,鋼絞線拉緊,安裝錨具固定后,對拉拉桿位移可全部約束,但由于墩身倒角導致橫梁變形,此時只有拉桿軸向位移受約束,對拉拉桿靠近墩身端約束不同,對拉拉桿及下層扶墻拉力值如表1所示,可知,對拉拉桿約束越強,下層扶墻拉力越小,支架結構越安全,同時也降低了扶墻埋件設計難度。因此,需在墩身倒角位置設置錨固塊,如圖7所示,將對拉拉桿和墩身頂緊,此時對拉拉桿約束可處理為位移全約束,轉角全釋放。鋼絞線預拉后,錨固塊1傳遞壓力,錨固塊2鋼棒承受壓力分解產生的剪力,其中錨固塊1隔板與拉桿腹板對齊,有利于傳力。錨固塊1在鋼絞線位置提前焊接鋼套管,預防后期焊接熔斷鋼絞線。對拉拉桿橫梁擱置在型鋼牛腿上,由于墩身變截面,橫梁與墩身間有空隙,需采用楔形板塞墊密實,保證傳力可靠。

表1 對拉拉桿不同約束結果對比

圖6 支架模型

圖7 對拉拉桿錨固塊布置

4.2 對拉拉桿橫梁局部受拉分析

橫梁受力最不利的工況是鋼絞線拉緊,還未安裝對拉拉桿,需建立局部模型,如圖8所示,判斷橫梁靠近拉桿側翼緣板是否會被拉壞。模型中約束橫梁與墩身接觸位置的節點位移,釋放轉角,錨固塊2底板節點剛接。單個對拉拉桿對應的橫梁錨具區域施加壓力3 900kN,得到橫梁靠近拉桿側翼緣板應力如圖9所示,橫梁材料型號為Q235B,翼緣板局部最大應力176MPa,位于橫梁鋼絞線穿孔邊緣,最大應力小于抗拉強度設計值205MPa,可知橫梁安全。

圖8 鋼絞線預拉工況橫梁局部模型

4.3 柱頂受拉分析

對拉拉桿拉力設計值3 900kN,柱頂需采取抗拉措施,具體為柱頂加灌1.5m深C30混凝土[9],平行于拉桿腹板的柱頂隔板加長,如圖10所示。采取加固措施后,鋼立柱應力為182MPa,鋼立柱材料為Q355B,柱頂最大應力小于抗拉強度設計值305MPa,滿足規范要求。

圖10 柱頂受拉應力云圖(單位:Pa)

5 拉桿下一層扶墻及埋件比選

扶墻選材受項目部現有材料限制,扶墻本身拉力、彎矩大,錨筋布置也受墩身主筋限制。錨筋根數滿足受力條件下應越少越好。最終經比選,如表2所示,確定了方案1,即拉桿下一層扶墻選用φ800×12鋼管。扶墻橫橋向采用2[28a“K”字斜撐連接,剛接端環抱貼板加強。扶墻與鋼立柱連接端,鋼立柱貼板加強。支架扶墻均與墩身剛接。

表2 拉桿下一層扶墻及埋件比選

6 鋼桁梁下弦桿受力分析

對于鋼桁梁滑移工況,千斤頂設備或其反力座將傳遞反力至主航道橋下弦桿,如圖11a所示,需對下弦桿進行受力分析驗算。千斤頂始終位于下弦桿的節點板[10]長度范圍內,取下弦桿節點進行局部建模。主要構件尺寸:節點板厚62mm,隔板厚16mm,頂、底板厚30mm,材料均為Q500qE。結構采用板單元模擬。下弦桿底板兩端約束Dx,Dy,Dz,釋放轉動約束,約束豎桿、斜桿頂端的豎向自由度,約束下弦桿與鋼箱橫梁連接處節點橫向自由度。節點驗算荷載:9 780kN(標準值),加載在下弦桿單側千斤頂反力座對應的節點板位置,整體應力云圖如圖11b所示。局部最大應力位于節點加載位置,最大為250MPa,小于鋼材容許應力360MPa,強度滿足要求。為了保證下弦桿局部支撐穩定性,在千斤頂滑移經歷的長度范圍新增短隔板,采用單面焊縫與下弦桿焊接,如圖11c所示。

圖11 下弦桿

7 結語

常泰長江大橋輔助墩鋼桁梁拼裝支架高60m,存梁重達1 865.5t,縱向預偏3.693m。設計考慮風速Vs10=32.4m/s,支架受力及對墩身反力均較大。本支架設計時,經充分分析得出以下結論。

1)對拉拉桿經過墩身倒角位置時,可采取鋼棒錨固塊措施,保證對拉拉桿在鋼絞線預拉緊狀態下可視為約束全部位移。同時,通過驗算橫梁翼緣板受拉,斜立柱柱頂受拉,確保與對拉拉桿相連接的構件滿足受力要求。

2)扶墻預埋件型號不同,拉力、彎矩均不同,但并不是材料型號越強,錨筋根數越少,因為剛接端彎矩會增大,從而導致需要的錨筋根數增加。

3)鋼桁梁下弦桿節點板較厚、較大,剛度比底板、隔板大很多,為主要受力構件,力傳遞方式為千斤頂或其反力座→墊塊→節點板。千斤頂及其反力墊塊縱橋向至少長1m,保證力能傳遞至下弦桿節點板,即傳力范圍縱橋向至少長1m,可保證主梁承受千斤頂調位反力。為保證下弦桿局部支撐的穩定性,可增加短端隔板的加固措施。