龍潭長江大橋南塔上橫梁支架設計與施工

劉 鴿,江曉陽,彭 鵬,賀希英,付文宣,胥雅韌

(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)

1 工程概況

龍潭過江通道位于南京長江四橋與潤揚大橋之間,線路起自儀征境內江北長江大堤,向南跨長江,經南京龍潭,止于與省道S338交叉處。龍潭長江大橋是主跨1 560m的兩塔單跨鋼箱梁懸索橋,索塔包含2根塔柱和上、下橫梁,采用C55混凝土門形結構(見圖1)。塔柱頂高程245.500m,底高程4.000m,塔底設4m高塔座,索塔順橋向寬度由塔頂的10m直線變化至塔底的12m,橫橋向由塔頂的7m直線變化至塔底的9m。塔頂到高程145.000m處塔柱順橋向、橫橋向塔壁厚1.3,1.2m。

圖1 索塔立面示意(單位:m)

上橫梁為預應力混凝土結構,橫橋向28.19m,縱橋向10m。上橫梁腹板下兩側設有裝飾塊。設計底標高234.800m,設計頂標高245.500m,頂、底板厚0.8m,設2道壁厚0.8m豎向隔板(見圖2)。在上橫梁外立面設置鋼結構裝飾球,裝飾球范圍內腹板厚0.7m,裝飾球范圍外腹板厚1.2m。混凝土方量1 398.5m3。預應力鋼束采用高強度低松弛鋼絞線,共布置52束鋼絞線。

圖2 上橫梁斷面(單位:m)

2 施工方案及設計重難點

2.1 總體施工方案

根據索塔及上橫梁的構造特點,參考以往項目經驗[1-10],現場焊接條件、工程經濟性及工期安排,上、下橫梁與索塔異步施工,采用落地支架施工下橫梁,采用牛腿托架施工上橫梁。兩肢索塔間設置6道水平橫撐,以確保施工階段索塔受力滿足要求。上橫梁分2次澆筑,在滿足受力的前提下,減輕施工支架外荷載。第1次澆筑裝飾塊+5m橫梁,待第1層橫梁混凝土澆筑達到設計強度的90%以上時,張拉橫梁底板處預應力鋼絞線,最后澆筑上部5.7m橫梁。施工完成后,設置下放系統將支架整體下放至地面。

結合現有資源,塔柱施工時采用2臺1 600t·m塔式起重機作為起重設備,2臺斜爬升降機作為人員上下通道,2臺拖泵用于混凝土輸送。

2.2 設計重難點

1)上橫梁自重大(3 637t)、高度高(不含裝飾塊10m),根據以往施工經驗,必須分層施工。施工中須確保支架設計合理,后澆筑混凝土凝固前,先澆筑的橫梁不開裂,受力滿足要求。

2)兩側裝飾板的特殊構造,托架設計需適應不同底面高差(>2m),結構布置復雜。

3)超重荷載作用下,牛腿受力>3 500kN,塔身倒角導致牛腿埋設空間受限,須向中間移動,將進一步增大牛腿受力。因此,牛腿設計的安全合理性是橫梁施工的關鍵所在。

3 橫梁托架設計

3.1 托架承受荷載分析

托架除承受第1層橫梁荷載外,第2次澆筑荷載應由第1層橫梁和托架共同承受。第1次橫梁澆筑完成后張拉橫梁底板處26束預應力鋼束,有利于提高第1層橫梁的承載力。采用有限元軟件真實模擬索塔及橫梁的澆筑過程,結果表明,底部預應力張拉前后,第1層橫梁混凝土由拉應力0.4MPa轉變為全截面受壓,最大壓應力5.5MPa。第2次澆筑完混凝土尚未凝固時,第1層橫梁混凝土最大拉應力0.2MPa,頂部預應力張拉后,全截面受壓,橫梁受力滿足要求。

為明確第2次澆筑時托架承受荷載比例,將第2層橫梁自重分別作用于托架和第1層橫梁(張拉預應力后)上,不考慮結構自重影響,計算得托架位移與第1層橫梁位移分別為9.0,3.9mm,根據二者豎向位移與剛度成反比的原理,托架與第1層橫梁剛度比為0.43∶1,因此,第2次混凝土澆筑荷載的30%由托架承受,即托架需承受豎向荷載為:第1次澆筑荷載(裝飾塊4 370kN+第1層橫梁16 000kN)+第2次澆筑按比例分配荷載(4 800kN)+模板、振搗、施工荷載(1 820kN)+托架自重(3 670kN),共計30 660kN。

3.2 托架結構設計

3.2.1總體設計

橫梁裝飾塊、底板考慮整體支撐受力,共設置3片托架支撐,由于橫梁為單箱單室截面,兩側托架在牛腿避開塔身倒角、保證埋設空間的情況下,盡量靠近腹板下緣布置,托架間增設橫向聯系。異形裝飾塊下主梁采用圓弧桁架支撐,底板下主梁采用貝雷梁支撐。支撐面高差通過立柱或型鋼支撐調節。豎向在3個標高位置設置牛腿,托架上、下支點牛腿受力大,采用新型鋼板承插型牛腿結構。底板貝雷下牛腿受力相對較小,采用錨錐式牛腿。

3.2.2方案比選

橫梁托架共設計了2個方案(見圖3),兩方案設計細節對比如表1所示。兩方案結構方面區別在于圓弧桁架與托架分開還是一體化設計,兩者均可行,但要滿足現場吊重要求,A方案有一定優勢,且A方案用鋼量較少。托架設計關鍵在于埋件設計,B方案僅托架下支點承受豎向力,單個牛腿受力達到5 600kN,常規牛腿不能滿足要求,牛腿結構設計難度很大,A方案采用上、下支點共同承受豎向力,支點反力減小到3 400kN,考慮新型的鋼板承插型牛腿可滿足受力要求。但此種結構對上、下支點牛腿相對標高精度控制提出了很高要求,施工時要特別重視,確保上、下支點同步受力。綜合考慮以上因素,A方案為推薦方案。

表1 橫梁托架兩方案設計對比

圖3 上橫梁支架立面

3.2.3托架結構設計計算

橫梁托架從上至下布置依次為:模板系統、橫向分配梁(I25a)、貝雷梁(321型、12片)/圓弧形桁架(型鋼焊接、單側裝飾塊下2片)、調節高差立柱(φ800×12)、主橫梁(2HN700×300)、卸荷塊、托架(3片間橫向聯系、雙拼型鋼焊接而成)及牛腿。整個托架通過上、下支點處牛腿與塔柱連接。

根據澆筑過程,托架計算分2個工況:①工況1 澆筑裝飾塊(2～7.5m)+第1層橫梁(5m);②工況2 澆筑第2層橫梁(5.7m)。

工況2更為不利。建立有限元模型(見圖4),托架在牛腿處剛接,托架與主橫梁、主橫梁與上部主梁間均采用鉸接。經計算,各構件最大應力179MPa,托架中部最大撓度14mm,托架強度、剛度及穩定性均滿足要求。

圖4 上橫梁支架應力云圖(單位:MPa)

3.2.4牛腿設計

荷載通過托架傳遞給牛腿,托架處單側共設置6個支點,由于橫梁荷載主要集中于腹板、裝飾塊下,中間牛腿豎向荷載較小,最不利支點處受力如表2所示。

表2 牛腿受力結果(標準值)

調研發現,以往項目中,牛腿受力最大為 1 500kN, 承受荷載>3 000kN的牛腿設計難度大、施工風險大。大牛腿常用的形式有錨錐式牛腿、剪力銷與爬錐組合型牛腿及型鋼(鋼靴)插入式牛腿,但也很少有如此大的荷載。而且,墩身內埋入型鋼(鋼靴)要求墩身開洞處理,開洞尺寸根據受力大小調整,導致墩身主筋斷開,對主體結構削弱明顯。后期修復灌漿處理,新舊界面受力不連貫。針對此項目,提出了一種鋼板承插型牛腿,由于埋入的是細高截面的鋼盒,主筋可從鋼盒中間穿過,避免了割斷主筋,影響較小。

應用于本項目的牛腿由4塊預埋鋼盒結構與4塊抗剪件組成,其中預埋鋼盒結構由窄鋼盒、壓力擴散及傳遞鋼板(鋼筋)組成,抗剪件插入端為工字形截面,外露端為多腹板組合截面。單個預埋鋼盒外尺寸為1 034mm(高)×90mm(寬)×1 062mm(深),埋入墩身表面下50mm處。預埋鋼盒中心距32cm,其之間設有加勁鋼筋及鋼板。鋼盒由12mm厚鋼板焊接而成,下設有30mm厚墊板,墊板應提前在主筋位置開孔。抗剪件插入端為工字形截面,單個尺寸為1 000mm(高)×60mm(寬),外露端多腹板組合截面尺寸為1 000mm(高)×1 240mm(寬)。抗剪件由30mm厚鋼板焊接而成,外露端設有肋板(見圖5)。

圖5 牛腿結構

上支點受力特點為剪、拉、彎,采用牛腿抗剪、抗彎,精軋螺紋鋼筋(4φ32)對拉于塔身的形式。下支點受力特點為剪、壓、彎,采用牛腿抗剪、抗彎,斜撐端部設置墊塊,將水平壓力傳遞到混凝土塔上。考慮到主塔為空心薄壁結構,在牛腿對應位置設置撐桿。

牛腿處混凝土受力復雜,且有應力集中現象,采用有限元軟件建立牛腿與索塔的模型。混凝土塔采用實體單元模擬,牛腿鋼板采用殼單元模擬,鋼筋采用桁架單元模擬。預埋鋼盒、主筋完全嵌入索塔,完全耦合。抗剪件與鋼盒采用接觸單元模擬,加載實際荷載。計算結果表明,牛腿最大應力112MPa,鋼筋最大應力40MPa,索塔混凝土局部最大拉應力3.65MPa(局部應力集中,除應力集中位置外均<2.40MPa),最大壓應力17.1MPa,受力滿足要求。為驗證此牛腿受力,特選取2片鋼盒抗剪件結構進行驗證性試驗(見圖6),試驗結果表明,結構受力安全可靠,有進一步推廣價值。

圖6 牛腿荷載試驗

4 施工關鍵技術

4.1 托架安裝

筑塔機施工索塔時,在37號節段施工時預埋牛腿鋼盒,38號節段施工時預埋牛腿鋼盒、精軋螺紋鋼孔道,40號節段安裝錨筋預埋件。牛腿預埋鋼盒與加勁板、加勁錨筋加工成整體后,利用塔式起重機吊裝,在主塔上準確定位并安裝固定,確保加工及安裝精度滿足要求。然后進行抗剪件的匹配安裝,安裝時嚴格控制上、下牛腿相對標高、牛腿埋設精度及托架的焊接精度,確保同步受力。

塔式起重機吊裝托架,托架吊裝到位后,上牛腿處墊梁位置對穿精軋螺紋鋼,施加預緊力,托架桿件需開坡口,與牛腿焊接牢固。依次吊裝主橫梁、立柱及其間平聯斜撐、圓弧桁架及貝雷梁,安裝到位后,及時焊接橫向聯系,確保橫向穩定性。

4.2 模板、鋼筋及預應力管道安裝

由于橫梁自重大,為防止變形嚴重,底模、側模采用定制鋼模,在專業廠家加工,出場前進行試拼,以檢驗尺寸、平整度、拼縫、錯臺等指標。內模采用竹膠板+方木+型鋼縱肋,與外模間采用拉桿對拉。頂模采用滿堂扣件式腳手架,支撐于已澆筑底板上。

在塔柱預埋筋施工時,預埋主筋與模板結合面處車半絲,安裝套筒并擰壓到位,套筒端頭用膠帶整體纏包密封并頂緊模板。在塔柱模板拆除后,鑿毛,露出套筒,與橫梁鋼筋連接。橫梁鋼筋通過部品整體吊裝+部分綁扎安裝,交界面上、下各布設1層防裂鋼筋網,全截面設置抗剪鋼筋,間距15cm。

橫梁預應力施工均有部分預埋在左、右塔肢內,因此在施工塔柱時需嚴格按測量提供的錨頭及波紋管的平面位置安裝,精確定位。采用架立鋼筋對預應力孔道進行定位,混凝土澆筑前在波紋管內插入膠管做支撐,以免波紋管發生變形或堵塞現象。

4.3 混凝土澆筑

橫梁采用泵管配合布料機澆筑拌合混凝土的方法,如前所述分2次澆筑、2次張拉預應力鋼束。先澆筑下倒角、底板,停頓適當時間,再對稱澆筑邊腹板,最后澆筑頂板及上倒角。混凝土振搗采用50型及30型插入式振搗棒振搗密實。振搗時,應避免振搗棒碰撞模板、波紋管、冷卻水管及其他預埋件。

4.4 托架拆除

托架各構件位于橫梁裝飾板內側,無法進行常規自上而下拆除作業。經過調研比選,采用整體下放系統拆除托架(見圖7)。首先塔式起重機拆除裝飾塊下圓弧桁架,然后進行內側貝雷梁及模板的除。橫梁施工時在頂板位置預埋分配梁埋件,采用4臺千斤頂+鋼絞線將貝雷梁同步緩慢下放至下面3片托架上,縱橋向滑移至塔式起重機可作業位置,利用塔式起重機拆除。

圖7 拆除下放結構

5 結語

龍潭長江大橋上橫梁已順利實施,充分驗證了托架設計施工的合理性,可得出以下結論。

1)橫梁2次澆筑、2次張拉受力分析,支架與第1層橫梁分擔荷載比例的研究,優化了托架設計,確保了施工安全。

2)研究新型鋼板承插型牛腿結構,解決了>3 500kN 超重荷載下牛腿設計的難題,此種牛腿結構可進一步實現產業化,廣泛推廣應用。

3)采用下放系統整體拆除托架,解決了異形結構構件無法通過塔式起重機吊裝拆除的問題。