棋盘洲长江公路大桥南塔下横梁施工关键技术

周乐木， 孙开武， 殷 源， 李 瑶， 谭玉林， 吴小翠， 李 杰

(湖北省路桥集团有限公司， 湖北 武汉 430056)

1 工程概况

棋盘洲长江公路大桥位于黄石市和黄冈市境内，主桥为双塔单跨钢箱梁悬索桥，桥跨布置为340+1038+305 m。南主塔设计为门式结构，包括塔座、上塔柱、下塔柱、塔冠及上、下横梁，主塔采用C50混凝土。下横梁采用8 m×8.5 m(高×宽)箱形断面，按全预应力混凝土构件设计，下横梁顶、底和腹板壁厚均为1.0 m，在下横梁内设置四道厚度为0.8 m的横隔板，在横梁跨中设置2 m后浇带，具体构造如图1所示。

图1 下横梁结构/cm

2 下横梁与塔柱异步施工工艺流程

主塔下横梁采用塔梁异步施工法[1～3]。主塔下塔柱施工阶段做好支架搭设准备，待爬模爬升到一定高度后即开始搭设下横梁支架，施工塔柱第5，6节时埋设下横梁预埋钢筋。爬模爬升至第9节，爬模下平台离开横梁范围后即可开始横梁施工作业，下横梁沿高度方向分两次浇筑，每次浇筑高度4 m，如图2所示。具体施工流程为液压爬模爬升至塔柱第3节段→安装下横梁支架LZ-3及平联→施工第5，6节段时预埋好横梁预埋钢筋及波纹管→液压爬模爬升至塔柱第6节段→安装下横梁支架LZ-1，LZ-2及平联→安装塔柱预埋件→安装桩顶卸载砂箱及横梁→液压爬模爬升至第7节段→安装贝雷主梁→安装支架底模系统→绑扎横梁下半部分钢筋→安装横梁下半部分模板→浇筑横梁下半部分→液压爬模爬升至塔柱第8节段→进行横梁上半部分施工→液压爬模爬升至塔柱第9节段→安装下横梁顶推钢管→根据监控及设计要求施加顶推力并锁定→进行后浇带施工→解除顶推并及时进行预应力施工。

图2 下横梁施工总体布置

3 顶推力设计及施加

下横梁施工合龙前采用低温多点顶推施工法[4,5]，顶推力设计值为450 t，钢管支撑在下横梁上部塔柱内侧面上，采用千斤顶进行顶推施工，顶推至设计荷载后，安装钢楔块锁定活络头装置。施加顶推力可以改善下横梁合龙段混凝土因收缩、徐变及温度效应对塔柱根部应力产生的不利影响。

3.1 顶推施工

顶推施工采用钢支撑配活络头的形式。塔柱施工时在设计位置安装顶推支座预埋件，在爬模爬升过预埋位置后安装顶推支座，主要用于将倾斜的塔柱面调节为垂直，确保顶推力的施加方向；顶推钢管采用P800×16 mm钢支撑，标准节长度为6 m，搭配3 m及1 m长的调节节通过法兰连接，并在一端连接活络头，具体构造详见图3。活络头是顶推力施加的关键部件。活络头分固定节及伸缩节两部分，固定节及伸缩节中间左右对称安装2台千斤顶，施加顶推力至设计大小后，通过钢楔块进行锁定，然后移除千斤顶，完成顶推施工。

图3 活络头构造

3.2 顶推力的施加及拆除

根据设计要求，下横梁顶推力大小为450 t，单根钢支撑顶推力为112.5 t。顶推力的施加分5个阶段进行，加载步骤为20%，40%，60%，80%，100%。顶推过程由监控单位对主塔及下横梁进行监控，并根据监控指令对顶推力进行调整。顶推应在后浇带施工前完成，拆除应在下横梁后浇带强度达到90%后、预应力张拉前完成。

4 下横梁支架设计

下横梁支架设计初选方案有两种，分别为常规支撑支架和斜支撑支架，两种支架形式均能满足下横梁施工的构造要求，但不同支架方案的施工工期、施工成本有较大差异[6,7]，本文对下横梁两种支架方案进行比选，以确定较优方案。

4.1 常规支撑支架

常规支撑支架采用钢管柱贝雷梁结构。支架设置3排6列P820×12 mm钢管柱，边柱布置在承台上，中柱布置在桩基础上，并通过P520×8 mm钢管相互平联成整体。支撑钢管柱顶一次主梁采用双拼Ⅰ70a工字钢组合梁，横桥向布置，长12 m。二次分配梁采用24排单层普通型贝雷梁，顺桥向布置。每两排之间用90 cm或30 cm跨横撑连接，横向多余部分作为操作平台。贝雷梁上纵向布置Ⅰ18a工字钢分配梁，间距一般为70 cm，在横隔板处加密成20+60+20 cm。分配梁上铺设10 mm钢板，具体布置详见图4。

4.2 斜支撑支架

斜支撑支架钢管柱布置在承台和塔座顶面，其余构件布置均与常规支架保持一致，具体构造详见图5。

图4 下横梁常规支架总体布置/m

图5 下横梁斜支撑支架总体布置/m

4.3 方案比选

下横梁常规支架方案中，钢管柱承受上部结构传递的竖向荷载，考虑到支架处地基承载力不足，需在钢管柱底部设置钻孔灌注桩基础。该方案有两个不利因素，一方面桩基础施工周期长，不利于对总工期及施工成本的控制，另一方面桩基础距离桥塔基础较近，施工过程中会对桥塔基础稳定性造成不利影响。采用斜支撑支架方案，在桥塔承台及塔座施工时安装支架预埋件，管柱底部加焊销耳并用销轴与预埋件铰接，管柱转动到设计位置后，将管柱底部与钢板预埋件进行焊接连接，上部结构荷载通过斜支撑钢管柱传递到桥塔承台及塔座上。较常规支架而言，采用斜支撑支架能缩短施工工期，降低用钢量，有效地提高了经济效益。

5 斜支撑支架结构计算

5.1 计算模型

采用Midas Civil整体建模分析[8,9]，贝雷梁、钢管柱等构件采用梁单元进行模拟。材料为：贝雷梁为Q345钢材，强度设计值fd=300 MPa，其余构件均为Q235钢材，强度设计值fd=215 MPa。边界条件为：钢管柱底部与牛腿位置采用固结约束，枕头梁与贝雷梁下弦杆采用主从约束，贝雷梁上弦杆与横向分配梁采用主从约束。支架承受荷载分别为结构自重、下横梁重量以及施工机具人员及模板体系所产生的荷载，有限元模型如图6所示。

图6 下横梁斜支撑支架有限元模型

5.2 计算结果分析

对下横梁斜支撑支架整体刚度、关键受力部位(贝雷梁、枕头梁、钢管柱)、整体稳定性进行模拟分析，结果如下：

(1)整体刚度分析。下横梁斜支撑支架整体结构变形如图7所示。柱顶位置变形量基本相同，说明各排支架的刚度相差很小，整体稳定性很好。最大竖向挠度为13.2 mm，满足形变要求。

图7 下横梁支架变形

(2)贝雷梁静力分析。贝雷梁应力和位移的计算结果如图8，9所示。最大组合应力σmax=297.9 Mpa

图8 贝雷梁应力

图9 贝雷梁位移

(3)枕头梁静力分析。枕头梁应力和位移的计算结果如图10，11所示。最大组合应力σmax=119.0 Mpa

图10 枕头梁应力

图11 枕头梁位移

(4)管柱静力分析。钢管柱应力和位移的计算结果如图12，13所示。最大组合应力σmax=142.8 Mpa

图12 钢管柱应力

图13 钢管柱位移

(5)稳定性分析。屈曲分析考虑的荷载工况包括结构自重、下横梁重量与施工机具人员及模板体系荷载，荷载组合系数均为1.0，仅考虑正方向加载，得到第一阶屈曲模态如图14所示。计算临界失稳荷载系数为17.3>4，说明结构安全可靠，满足稳定性要求。斜支撑支架各构件应力和变形如表1所示。

图14 支架系统第一阶屈曲模态

表1 支架各构件应力和变形汇总

6 结 论

(1)采用塔梁异步施工技术，有效保证塔柱爬模和下横梁斜支撑支架施工同步进行，互不干扰，下横梁施工时不影响塔柱的施工进度，有利于对总工期的控制。

(2)下横梁施工合龙时混凝土收缩、徐变及温度效应对塔柱根部应力产生不利影响，在合龙前采用低温多点顶推技术，可有效解决上述问题。

(3)经方案比选，斜支撑支架较常规支架节约了施工工期、降低了用钢量、提高了经济效益。

(4)斜支撑支架刚度、各构件强度及整体稳定性均满足规范要求，支架设计合理，安全可靠。