香溪河大桥主塔下横梁支架设计

汪志祥

摘要：香溪河大桥采用双塔双索面半漂浮结构体系，主跨为470m双塔组合混合梁斜拉桥，跨度布置为48+48+78+470+78448+48m。主塔采用倒Y形结构，下横梁断面为预应力混凝土箱形构造。采用塔墩横梁顶钢管支架+下塔柱内侧牛腿支架进行下横梁施工，合理利用塔墩横梁空心段承载力，减少了牛腿支反力对塔柱的不利影响。通过明确下横梁砼荷载传递至支架的作用力，对支架结构进行优化，降低了钢结构的投入，节约了施工成本。

关键词：斜拉桥；下横梁；支架设计

1工程概况

香溪河大桥桥址位于香溪河口上游约2km处，桥位东岸为归州镇刘家坝，西岸为归州镇吴家沟，与峡堡公路（S255）相接。主跨采用470m双塔组合混合梁斜拉桥方案，空间双索面，主塔采用倒Y形混凝土结构，主桥采用半漂浮结构体系，跨度布置为48+48+78+470+78+48+48m，设4#主塔和5#主塔两个主塔。4#主塔高177.0m，5#主塔高167.6m，4#、5#主塔下横梁以上高123.6m。香溪河大桥立面图见图l。

下横梁位于主梁下，下、中塔柱的转折处，横梁断面为预应力混凝土箱形构造，内设两道横隔板，横梁高6.0m。下横梁与中塔柱交界处设置2.0x1.0m的倒角，与下塔柱交界处设置3.0x3.0m的倒角，下横梁顺桥向与索塔塔柱同宽。下横梁与对应高度的塔柱同步进行施工。

2支架形式选择

下模梁支架形式根据支承位置的不同主要分为三种：①悬空支架法；②落地支架法；③落地支架+牛腿支架。

单个下横梁混凝土1014.4m3，总重约2688t。下塔柱为单箱单室矩形截面，坐落于塔墩横梁顶，在中塔柱转折处壁厚为1.0m（顺桥向）x1.0m（横桥向）。塔墩为门式墩，立柱为空心薄壁截面，塔墩横梁中部为单箱单室矩形截面，顶、底板厚均为1.0m。

下横梁混凝土方量大，下塔柱壁厚小，且向外倾斜，若采用悬空支架法施工，牛腿处支反力大，造成塔壁混凝土局部拉应力较大：牛腿支反力传递至下塔柱，产生向外水平推力，塔柱变形加剧：并且，牛腿体积大，塔柱竖向主筋受影响数量多，主筋连续性及垂直度得不到保证。

若采用落地支架法施工，支架底部支反力大，塔墩横梁顶板较薄，顶板可能出现受拉裂缝，影响塔墩承载能力。

为了避免削弱主体结构力学性能，结合以往类似项目设计经验，下横梁支架采用落地支架+牛腿支架相结合。下横梁支架按对称原则布置，落地支架采用钢管立柱，钢管立柱支承于塔墩横梁顶空心段倒角处，牛腿布置在塔柱截面倒角处。经过设计院复核，塔墩横梁处受力满足要求。

3支架结构布置

下模梁支架主要采用Q235B钢材、Q345B钢材及精轧螺纹钢等材料。

钢管立柱型号为φ1000x12mm钢管，焊接于塔墩横梁顶预埋件上。钢管立柱顺桥向布置三行，行距3.5m，横桥向布置两列，列距8m。钢管柱标准节长度12rn，采用法兰盘接长：钢管连接系采用φ351x6mm钢管，在顺桥向和横桥向等高布置，形成平面框架，每件连接系高3m，每层连接系间距9m，连接系与钢管间采用销接，减少高空焊接作业，确保连接系安装质量。

牛腿采用全焊结构，底面与塔柱预埋钢板焊接，侧面利用精轧螺纹钢拉杆固定，每个支架共布置四个牛腿，牛腿在横桥向及顺桥向对称。支架上部结构有桁架、钢箱梁及双拼H588分配梁，钢箱梁支承于牛腿顶，分配梁支承于钢管柱顶，钢箱梁及分配梁共同支承桁架，桁架顶铺设小分配梁及钢底模。

桁架弦杆采用双拼槽钢，竖杆及斜杆采用方钢管。桁架高2.86m，在横桥向通长布置，两端设置倒角；在顺桥向，下横梁底板下布置5榀桁架，桁架间距1.2m，边腹板下布置4榀桁架，桁架间距0.4m，两侧各外伸l榀桁架形成脚手平台，桁架间距1.2m。桁架在顺桥向安装支撑架，每根竖杆处设置1片支撑架，相邻支撑架前后错开布置，支撐架宽度1.2m，在下横梁底板与边腹板交界处断开，将桁架分成三个独立部分。

为了方便桁架安装，在桁架中部上下弦杆处断开，采用销接。由于主塔塔吊吊重限制，每次起吊重量仅为l榀桁架重量，为了保证桁架在高空的稳定性，用支撑架将两件半榀桁架连成整体后吊装，桁架对称吊装后，再用销轴连接成整体。

钢箱梁及分配梁两端各超出下横梁宽度1.2m以上，用于支撑外侧脚手平台桁架，也用作中部桁架拆除时的横移轨道。为方便支架落架拆除，在钢管立柱顶设置砂箱，牛腿顶由于空间限制设置钢楔块。

4#主塔与5#主塔下横梁支架上部结构完成相同，仅钢管立柱高度及连接系层数有所不同。下横梁支架总布置图以4#主塔为例，详见图2。

4支架分析计算

下横梁支架主要承受下横梁砼自重荷载、模板及施工临时荷载、横向风荷载、温度荷载、操作平台堆载及自身钢结构重量。其中模板及施工临时荷载通过荷载系数予以考虑，即模型中的砼自重荷载按实际荷载的1.2倍进行施加，横向风荷载等效成集中力加到钢管柱顶层连接系节点处并考虑1.0系数，温度荷载取1.0系数，支架系统自重偏安全的取1.3倍系数，操作平台堆载取15kPa，并考虑1.2系数。结构计算采用容许应力法。

4.1工况分析

下横梁拟分两次浇筑，首次浇筑3m高横梁混凝土（包括3m高下倒角），待混凝土强度达到设计强度后，张拉底板预应力钢束，然后继续浇筑剩余3m高横梁混凝土。

根据施组设计，浇筑第二次砼时，第一次浇筑的砼强度已经形成，并已张拉部分预应力，故二次浇筑砼荷载主要由第一次浇筑的砼及张拉的预应力承担，下横梁支架仅承担部分二次浇筑砼荷载。

在midas civil软件中进行建模分析，以4#主塔下横梁支架为例。建立第一次浇筑砼的下横梁支架模型，钢管立柱底端固结，边箱梁牛腿处一端释放x方向转动，另一端采用竖向铰接，砼荷载按线荷载施加在桁架上。endprint

建立第二次浇筑砼模型，包括下塔柱、塔柱对拉以及第一次浇筑砼的模型（均采用梁单元模拟），下塔柱与塔座固结，下横梁与塔柱刚性连接，牛腿与塔柱刚性连接。预应力束按实际位置和锚下控制应力张拉，以钢束预应力模拟：二次荷载以梁单元荷载模拟。第一次浇筑砼及第二次浇筑砼结构模型见图3。

第一次浇筑砼模型中，仅考虑第一次浇筑砼荷载（不考虑支架自重）时，钢管支反力合力5960kN，牛腿支反力合力8785kN：反力合力：14745kN。

第二次浇筑砼模型中，当考虑第二次浇筑砼荷载及预应力，不计第一次浇筑砼及支架自重时，钢管支反力合力2594.5kN，塔柱处反力合力10662.5kN，牛腿处支反力OkN：反力合力：13257kN。

第二次浇筑砼时，传递至钢管的荷载占第二次浇筑砼荷载总量的比值：2594.5/13257=20%。

可以看到，由于在第一次浇筑的混凝土凝固后，再张拉预应力，下横梁将形成较大的初始刚度，因此，第二次浇筑的大部分混凝土产生的荷载将传递到塔柱之上。由于梗腋的影响，下横梁支架端部的牛腿支撑基本退出工作，即牛腿在第二次混凝土浇筑过程中，受力增量很小。

根据类似项目设计经验，验算支架时，砼荷载一般取第一次浇筑砼荷载总量以及第二次浇筑砼荷载倒角以外部分的30%施加在支架上，此时钢管支架总反力为8126.8kN，比本项目计算的钢管支架总反力5960+2594.5=8554.5kN略小，8126.8/8554.5=95%

因此，本项目砼荷载需再乘以I/0.95=1.05系数。

4.2荷载取值

根据现场实际情况，施工期风速取9级风上下限的平均值23m/s：温度荷载施加在钢管立柱上，考虑日照影响，阳面钢管立柱升温20℃，中部钢管升温10℃，阴面钢管温度不变：砼荷载取第一次浇筑砼荷载总量以及第二次浇筑砼荷载倒角以外部分的30%，根据桁架间距以及横梁空腔分布情况分组等效成线荷载施加在桁架弦杆上。

4.3计算结果

下横梁支架建模计算包括：下横梁支架整体模型计算，钢牛腿板单元模型计算；其余部分均采用手算。钢底模进行强度及变形验算，牛腿进行稳定性及拉杆初拉力计算：钢管立柱进行压稳验算，桁架腹杆进行压稳验算及焊缝强度验算，桁架弦桿销轴进行强度验算；钢管柱预埋件及牛腿预埋件处，进行混凝土局部承压验算以及锚板锚筋抗弯抗拔验算：砂箱、钢楔块进行承载力验算。经过上述计算，下横梁支架结构体系强度、刚度以及稳定性均满足要求。主要结构计算结果见表1。

5实施情况

香溪河大桥项目部按照设计要求搭设完成下横梁支架后，对该支架体系进行检查预验收，整改合格后按照作业指导书进行下横梁浇筑。5#墩下横梁第一次浇筑于2017年5月29日顺利完成，整个施工过程安全平稳，下横梁施工质量满足规范要求：第二次浇筑将于2017年6月下旬完成。4#墩下横梁施工将于2017年7月底完成。5#主塔下横梁支架搭设施工图见图4。

6结语

香溪河大桥下横梁支架安装与下塔柱施工同步进行，不影响主塔施工进度，下横梁浇筑完成后，为主梁提前架设创造有利条件，节约了工期。支架钢管柱与边主梁支架采用同种规格型号，可就近倒用，减少了材料消耗。

优化下横梁砼荷载取值，合理设计支架结构形式，降低了对主体结构的影响，减少了钢结构的投入，缩短了施工时间，节约了成本，创造了一定的经济效益。endprint