无背索主塔在大型钢管支架施工中的应用

庄国卿

(中交第三航务工程局厦门分公司 福建厦门 363105)

福建漳州港双鱼岛内环北路桥型为无背索独塔斜拉桥，索塔为独塔无背斜拉异型结构，总高度为72.0m，最大倾斜角度达52.7°，有10对索。索塔结构尺寸为异型8边形，纵桥向从下塔柱长为1 175m到塔顶异型变化为346.4m，横桥向结构尺寸为3m，从下塔柱到上塔柱保持不变，塔柱分为19个节段。

1 主塔钢管支架布置

1.1 主塔钢管支架作用

主塔施工采用分节段施工，根据模板工艺要求，主塔分为19节段。主塔采用木模，借鉴爬模工艺模板施工，但每节段异型曲面，结构尺寸成不均衡变化，每节段模板需调整尺寸，沿主塔方向分节段施工。前期利用混凝土输送泵将混凝土输送到模板内，后期利用塔吊吊运到模板内，以此完成主塔混凝土浇筑。

主塔施工利用大型钢管支架作用施工平台，且每个大平台均设置小平台，按节段划分进行布置。大平台设置9层，小平台设置19层(见图1)。

图1 桥梁形式示意图

1.2 主塔支架布置形式

钢管支架布置形式如图2所示。主塔钢管支架以Φ630×8mm钢管为支架立柱，通过Φ273×6mm钢管平联及斜撑钢管，与立柱焊接组合而成的支架体系。钢管立柱横桥向设置4排，顺桥向9列，纵横向通过Φ273×6mm钢管焊接；首层立柱均长9.8m，第二层以上的标准节段立柱单根6m长，通过法兰盘连接固定；每层设置有操作平台，2组共8片。由花纹钢板和槽钢焊接组成，施工时与Φ273×6mm平联钢管固定。

2 主塔钢管支架计算过程

2.1 利用Midas进行建模

根据钢管支架布置形式，利用Midas进行建模。主要考虑钢管支架高度及当地风力情况，对钢管支架与主塔进行固定连接。并在模型中进行约束边界条件，使钢管支架建模与实际情况相符合。主塔钢管支架模型如图3所示，主塔钢管支架边界条件见图4。

图3 主塔钢管支架模型

图4 主塔钢管支架边界条件

2.2 自重荷载

(1)单层施工平台作业面自重。作业平台由纵向I32b工字钢、横向[20a]槽钢作为水平连接系，连接系上布置横向分配梁为@1m[20a〗槽钢，分配梁上布置满铺5cm厚脚手板，查五金手册，得知：荷载标准值：0.7KN/m2。

(2)立柱钢管自重。主塔支架立柱由单根12m长Φ630×8mm螺旋钢管以及法兰盘连接组成：荷载标准值：13.5KN/m·支。

(3)作业层栏杆及安全防护网。荷载标准值：0.15KN/m2。

2.3 风荷载

按《建筑结构荷载规范》GB50009-2012的规定，结构脚手架用途，按照较大的3KN/m2制定。

(1)风荷载计算依据。作用于主塔大型钢管架上的水平风荷载标准值，按照式(1)计算：

ωk=βμzμsω0

(1)

式中：ωk——风荷载标准值(kN/m2)；β——阵风系数，按离地高度取值。μz——风压高度变化系数，应按《建筑结构荷载规范》中表8.2.1的规定来确定；μs——风荷载体型系数，经过计算确定，参考《建筑施工碗扣钢管脚手架安全技术规范》JGJ166-2008的规定，进行计算确定。ω0——基本风压(kN/m2)，按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009-2012的规定采用。

(2)风荷载计算。①阵风系数β。按《建筑结构荷载规范》GB50009-2012，如表1取值。

表1 阵风系数

②风压高度变化系数μz。主塔支架总体高度57m，因桥址区风荷载较大，因此风压高度变化系数划分3段取值，取最大值作为计算取值，如表2所示。

表2 风压高度变化系数

③风荷载体型系数μs。无遮拦多排支撑架的体型系数，按照式(2)计算：

(2)

式中，μst——单排架体型系数，μst=1.2Φ0；Φ0为挡风系数；

经计算：

④风荷载标准值ω0。查现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009-2012，“全国各城市的雪压、风压和基本气温”，按重现期R=50年，确定福建厦门基本风压值为：

ω0=0.80KN/m2。

⑤风荷载计算。具体计算情况详见表3。

计算公式：ωk=βμzμsω0

表3 风荷载计算情况

(3)荷载分布计算。主塔钢管加载情况如图5所示。

①线荷载。根据表3得知，风荷载的面荷载分别为：8.53、9.43、10.11kN/m2，换算成线荷载作用在不同高度的钢管和连接系上，分别如下：

立柱Φ630钢管：

线荷载 q1-1=8.53*0.63=5.37KN/m

q1-2=9.43*0.63=5.94 KN/m

q1-3=10.11*0.63=6.37 KN/m

连接系I32b：

线荷载 q2-1=8.53*0.32=2.73 KN/m

q2-2=9.43*0.32=3.01 KN/m

q2-3=10.11*0.32=3.24 KN/m

②集中荷载。立柱竖向集中荷载由平台作业层自重、立柱自重、施工荷载、安全护栏及安全网等组成，荷载叠加如下：

P1集中荷载计算：按照3层周转作业平台计算，其余叠加如下：

P2～P6集中荷载计算：按照P1计算过程，公式如下：

图5 主塔钢管加载示意图

(4)利用Midas模型加载。 按照最大迎风面积，对支架分别加载竖向集中荷载P1～P6，以及按照不同高度，加载水平风荷载(单元线荷载)q1-1～q1-3和q2-1～q2-3，进行立柱稳定计算分析，主塔钢管竖向加载如图6所示，水平加载如图7所示。

图6 主塔钢管竖向加载示意图

图7 主塔钢管水平加载示意图

3 主塔钢管支架计算结果

3.1 反力计算分析

(1)整体反力情况。主塔钢管反力运算情况见图8。

图8 主塔钢管反力运算示意图

最大反力：节点219，Fmax=926.76KN；

最小反力：节点163，Fmax=0.137KN；

(2)节点反力分析。将反力结果图，激活219节点查看。主塔钢管反力最大值计算见图9。

图9 主塔钢管反力最大值示意图

节点219：FX=-3.8KN，FY=-0.0518KN，FZ=926.7KN，满足结构要求。

3.2 钢管支架变形和应力计算分析

(1)变形分析。最大变形位于最西侧的高处钢管立柱，最大变形值52.7mm，符合规范要求，如图10所示。

图10 主塔钢管变形分析示意图

(2)应力分析。根据Midas分析得到整体框架结构，应力最大值处于第三层(从上往下)，最大值：142.7Mpa，满足材料应能要求。主塔钢管应力运算如图11所示。

图11 主塔钢管应力运算示意图

4 主塔大型钢管支架结论

福建漳州港双鱼岛内环北路桥大型钢管支架布置形式：钢管立柱采用Φ630×8mm钢管，横桥向设置4排，顺桥向9列；纵横向连接通过Φ273×6mm钢管焊接。 通过Midas建模验收，该布置形式和结构形式稳定符合规范要求。

利用设置大型钢管支架作为斜拉桥主塔塔柱施工平台，通过施工平台对主塔结构施工和主塔斜拉索安装提供可靠作业条件，从经济性、安全性、可操作性、结构稳定性均符合现场施工条件要求，保证主塔施工整体质量。