高索塔橫梁托架結構體系研究

韋景光,黃業圣,黃樹強

(廣西路橋工程集團有限公司,廣西 南寧 530200)

0 引言

在跨徑>400 m的橋型中,斜拉橋或懸索橋具有一定經濟性,因此被廣泛設計和建造。斜拉橋或懸索橋的索塔作為主要受力結構,具有高度高,結構設計復雜等特點。在雙塔肢索塔結構中,可能存在多道塔間橫梁。塔間橫梁施工高度高,跨度大,澆筑混凝土方量大,安全風險高,施工組織困難。

大跨徑斜拉橋或懸索橋常見的索塔設計有A型、H型、門型或鉆石型,均涉及大跨徑橫梁。橫梁臨時施工平臺結構體系主要有兩種:托架結構和落地大鋼管支架結構[1-2]。若采用大鋼管落地支架,支架結構體系龐大,占用空間大,支架用鋼量大[3]。采用托架結構體系,結構簡潔,型鋼材料用量少,但存在型鋼焊縫受力大,對焊接質量要求極高,安全風險大等缺點[4]。托架結構體系平臺主要由預埋構件和橫梁型鋼組成,預埋構件一般作為抵抗剪力型牛腿[5],結構受力大,往往導致設計牛腿結構橫斷面較大,與索塔豎向主筋存在沖突,在安裝牛腿時會導致部分索塔主筋割斷,對索塔局部造成損傷。牛腿結構上一般還設置對拉精軋螺紋鋼,導致牛腿結構更復雜,安裝更困難,同時也會導致模板損傷。此外,托架橫梁結構多采用桁架結構[6],結構體系復雜,桿件節點焊縫多,高空焊縫質量控制難度大,高空焊接作業量大并且危險度高。

因此,進一步設計研究一種高索塔橫梁托架結構體系至關重要,使得平臺具有結構體系簡單,便于安裝和施工,質量可控,安全風險低,可縮短施工周期等特點。

1 托架結構布置

1.1 托架結構體系

橫梁托架由牛腿結構、K型橫梁、安裝橫梁、雙排盤扣支架等關鍵結構體系組成,見圖1。該托架體系具有結構形式簡潔、受力合理和豎向剛度大的特點,同時可實現快速半裝配安裝拆除,減少大量高空焊接拼裝作業,極大地降低施工風險,且可交叉施工縮減工期。

圖1 橫梁托架結構體系圖

1.2 牛腿結構布置

牛腿結構采用在塔身預埋盒子后內插鋼板裝配成牛腿支撐結構,見圖2。采用分體式預埋盒子避開索塔主筋沖突,避免在施工預埋牛腿盒子時割斷索塔主筋,從而導致索塔結構損傷。同時預埋盒子的施工工藝不需要在塔肢模板上開孔,不損傷塔身模板。分體式預埋盒子由貼面鋼板連接形成整體預埋結構,該貼面鋼板具有提高預埋盒子的整體性,也具有環箍預埋盒子的作用,分散優化牛腿結構局部集中受力。

(a)牛腿布置圖

1.3 K型橫梁布置

片狀的K型橫梁由型鋼組焊拼接形成,見圖3(a)。在型鋼節點部位設置加勁板,避免節點應力集中而局部屈曲。K型橫梁可在鋼結構加工場的胎架上拼裝,確保了加工精度又實現了無風險的交叉作業。同時K型橫梁節點焊縫焊接環境可控,焊縫質量可檢測,避免了危險性極大、質量不可控的高空焊接作業,確保橫梁主要受力結構的可靠性。

(a)K型橫梁

1.4 橫梁安拆方式

在預埋牛腿上布置安拆橫梁,K型橫梁可實現半裝配安裝,見圖4。避免在中橫梁上設置預留卷揚機吊裝拆除孔的缺陷[7],拆除時只需將K型橫梁移出,塔吊配合吊裝下放即可完成托架體系拆除,見圖5。

圖4 牛腿安拆橫梁結構圖

2 施工工藝流程

橫梁托架施工工藝流程:加工預埋盒子、K型橫梁→提前在索塔預埋牛腿盒子→組裝牛腿構件→安裝安拆橫梁→安裝K型橫梁→安裝橫梁模板及維護平臺→橫梁施工→拆除中橫梁托架。

3 托架結構體系的穩定性措施

托架結構體系的穩定性由穩定連接梁提供,見圖6,該托架結構體系在豎直面上具有很大的剛度,但在K型橫梁水平面上的剛度小,從而導致托架體系在水平方向上的穩定性較差。在未添加穩定連接梁時,托架結構體系的水平向穩定性較差,模態特征值均出現在主要受力K型橫梁上。添加穩定結構后,模態特征值則出現在局部結構上,可見穩定結構顯著地增加了托架結構的整體穩定性,見下頁圖7與表1。穩定連接梁在架設完K型橫梁后搭焊在K型橫梁上,采用三角穩定結構。

表1 托架模態特征值分析結果表

圖6 結構穩定圖

(a)初始結構

4 工程應用

4.1 工程背景

武宣黔江特大橋(56+48+87+618+87+48+56) m,主橋采用雙塔雙索面混合梁斜拉橋,索塔為鉆石型塔,高213 m,中橫梁距離下橫梁和塔座分別為83 m和132 m,如圖8所示。中橫梁施工應用了該托架結構體系。

圖8 武宣黔江特大橋總體布置圖(mm)

中橫梁為橫梁高6 m,寬7 m,凈跨16.99 m的箱型結構,跨中設計有橫隔板,分兩層進行澆筑,第一層澆筑3 m,第二層澆筑3 m(見圖9),采用塔梁同步澆筑工藝。

圖9 中橫梁結構示意圖(cm)

4.2 結構復核

(1)橫梁分兩層澆筑,每層3 m,鋼筋混凝土鋼筋設計荷載為26 kN/m3、人員施工荷載為4 kN/m2、模板荷載為0.75 kN/m2、不確定性振搗沖擊荷載為1 kN/m2,同時考慮風荷載對托架的影響。

(2)按極限應力狀態法,荷載組合工況:1.0×(第一層鋼筋混凝土荷載+0.5×第二層鋼筋混凝土荷載施工荷載)+1.0×結構自重+1.0模板荷載+1.0活荷載(人員施工荷載和不確定性振搗沖擊荷載)+1.0盤扣支架荷載+1.0風荷載。

(3)對托架結構各桿件組合應力、剪切應力、位移撓度、結構整體穩定性和牛腿與索塔局部受力進行驗算,見圖10、表2。牛腿和索塔局部作用力主要為局部承壓和牛腿對索塔局部沖切作用力,根據《鋼筋混凝土設計規范》(GB50010-2010)中的以下規定進行驗算:

表2 中橫梁托架受力分析結果表

圖10 中橫梁托架有限元三維模型圖

混凝土局部受壓承載力:Fl≤1.35βcβlfcAln

局部沖切承載力:Fl≤(0.7βhft+0.25σpc,m)ημmh0

由圖10和表2可知,托架結構體系受力滿足要求,局部應力滿足要求,整體結構穩定性滿足要求。

同時在施工過程中監控托架下撓位移變化情況,監控布置和監控結果見圖11。

(a)監控測點布置圖

綜上可知,中橫梁施工過程中,托架結構位移撓度變形情況基本與理論計算吻合,施工過程安全可控,驗證了橫梁托架結構體系設計的合理性。

5 結語

橫梁施工托架結構體系簡單,受力合理,豎向承載能力強,適用于大跨徑高空橫梁施工托架的結構選型。

該托架結構體系通過在塔身預埋分離式牛腿盒子,避免了割斷索塔主筋、損傷模板、損傷塔身等問題。K型橫梁采用片狀吊裝安裝組裝,極大降低了高空托架施工的安全和質量風險。托架結構體系設計有安拆橫梁,不需要在橫梁預留吊裝安拆孔,不對橫梁造成損傷。該托架結構體系還實現了牛腿結構和整裝托架半裝配安裝,可在索塔塔肢施工期間,在鋼結構加工廠提前加工組裝裝配構件,實現了交叉作業,極大節約工期,同時該結構體系較落地鋼管支架體系,結構鋼材使用量少,也具有顯著經濟效益。

該托架結構體系成功應用于武宣黔江特大橋中橫梁施工中,驗證了托架結構體系的合理性,在施工周期和施工成本上有顯著效益。

本文設計研究的高索塔橫梁托架施工結構體系,也可進一步推廣研究應用在其他橋型的高橫梁施工中。