云南江底河特大桥索塔下横梁支架设计与施工

高 有 德

(云南基础设施建设投资股份有限公司，云南 昆明 650501)

1 工程概况

云南省S35永金高速公路永仁至大姚段公路工程是云南省高速公路网规划中第12条纵线永仁—大姚—姚安—牟定—楚雄—双柏—元江—红河—元阳—曼耗—金平—金水河高速公路的重要组成部分,是云南省北进四川等西部省份及南下东南亚的国际大通道之一,也是楚雄州骨架路网重要组成部分,为云南省、州(市)、县的一条地方经济干线。

江底河特大桥位于永仁至大姚高速公路K28+612～K30+280 处上跨江底河峡谷,是永大高速公路控制性工程。永大高速江底河特大桥为主跨920 m的双塔单跨重力式锚碇钢箱梁悬索桥,设高低两座索塔,索塔是由塔柱、横梁组成的门式框架结构。塔柱为钢筋混凝土结构,其中永仁岸高塔(如图1所示)设有下横梁。

2 支架结构设计

2.1 下横梁结构形式

江底河特大桥下横梁为等高预应力混凝土结构,下横梁设置在主梁下方采用箱形截面并设有横隔板,位于塔柱78 m高处,下横梁宽度7.5 m,高度为7 m。顶、底和腹板壁厚均为1.0 m,箱室内倒角尺寸为50 cm×50 cm。

2.2 支架结构设计

下横梁施工采用落地钢管支架作为竖向支撑体系结构,钢管立柱采用φ1 020×12 mm钢管桩,标准节长度为9 m,采用法兰盘螺栓连接;连接系采用φ630×8 mm和φ325×8 mm钢管,共设7层连接系;设置2HN700×300和2Ⅰ56b型钢作为分配梁,分配梁上设置贝雷梁,然后设置工12.6垫梁及模板,底模采用木模板,横梁宽度方向共设置16排贝雷梁,横梁长度方向共设置10节贝雷梁,其中包括1节异性贝雷梁,卸落块均采用砂筒。具体布置如图2所示。

3 支架模型建立及计算

3.1 荷载参数

1)结构自重。支架结构自重按Midas Civil软件计算加载。

2)混凝土荷载。钢筋混凝土容重取:γ=26.25 kN/m3。

3)模板荷载。支架计算时,模板自重取1.5 kN/m2,均匀加载于整个下横梁平面范围内。

4)操作平台上的施工人员及机具、材料堆放荷载。计算支架结构时取:2.5 kN/m2。

5)倾倒混凝土时产生的冲击荷载。计算支架结构时取:2.0 kN/m2。

6)振捣混凝土时产生的荷载。计算支架结构时取:2.0 kN/m2。

7)风荷载。项目所在区域风力较大,最大瞬时风可达到11级,日常风力可达到7级、8级,支架计算时取11级风速。

a.贝雷梁风荷载。

风载按《公路桥梁抗风设计规范》计算。

其中,α=0.12,按A类地区取值。

静阵风风速:Vg=GvVz=1.29×41.7=53.8 m/s。

其中,Gv=1.29,按A类地区取值。

贝雷梁桁架遮挡系数:η=0.7。

b.立柱风荷载。

风载按《公路桥梁抗风设计规范》计算。

其中,α=0.12,按A类地区取值。

静阵风风速:Vg=GvVz=1.29×41.5=53.5 m/s。

其中,Gv=1.29,按A类地区取值。

8)材料容许应力。

钢材Q235B:抗拉、抗压和抗弯f=215 MPa;抗剪fv=125 MPa；焊缝强度[τ]=160 MPa。

钢材Q345B:抗拉、抗压和抗弯f=215 MPa;抗剪fv=125 MPa。

3.2 计算原则

按第一次浇筑混凝土4 m高考虑,混凝土荷载全部由下横梁支架承受,根据中横梁底板和腹板及横隔板位置进行加载,按线荷载加载于底模系统分配梁上,合计加载约12 127.4 kN。

第二次浇筑混凝土荷载总量约10 100.0 kN,考虑第二次浇筑混凝土荷载由第一次浇筑下横梁与下横梁支架共同承受,偏安全考虑为浇筑混凝土荷载的50%,约5 050.0 kN加载于底模系统上。

3.3 分析计算

3.3.1 计算模型

采用Midas Civil软件建立下横梁支架计算模型,荷载按下横梁支架荷载参数进行加载。计算模型如图3所示。混凝土、模板→分配梁F1→贝雷梁→分配梁F2/F3→钢管立柱/钢牛腿。钢管立柱所承受的力传递到塔座上,钢牛腿所承受的力传递到塔身混凝土。

3.3.2 钢管支架计算

下横梁支架钢管立柱采用φ1 020×12 mm钢管桩，连接系采用φ630×8 mm和φ325×8 mm钢管，共设7层连接系。

1)强度计算。

通过模型计算,钢管支架在极限状态荷载组合下,应力分布情况如图4所示。

最大组合应力σmax=152.9 MPa<215 MPa，最大剪应力τmax=9.4 MPa<125 MPa，满足要求。

2)稳定性计算。

其中，N为钢管立柱所受轴力，经计算N=3 821.8 kN；φ为弯矩作用平面内的轴心受压构件稳定系数；Mx为作用在计算构件段范围内的最大弯矩，经计算Mx=483.7 kNm；W为在弯矩作用平面内毛截面抗弯模量，W=9 464 858 mm3；βmx为等效弯矩系数，取1.0；γ为截面塑性发展系数，取1.15。

所以,钢管立柱稳定性满足要求。

3.3.3 贝雷梁计算

1)强度计算。验算贝雷梁在正常使用荷载组合下的受力情况,各杆件的受力如图5～图7所示。

由图5的计算结果可知,贝雷梁弦杆最大轴力F=292.1 kN<[F]=560 kN,满足要求。

由图6的计算结果可知,贝雷梁竖杆最大轴力F=179.7 kN<[F]=210 kN,满足要求。

由图7的计算结果可知,贝雷梁斜杆最大轴力F=156.3 kN<[F]=171.5 kN,满足要求。

根据上述计算结果,下横梁支架贝雷梁强度满足要求。

2)刚度计算。

由图8可知,贝雷梁最大相对位移f=45.5-29.2=16.3 mm。

3.3.4 分配梁计算

1)分配梁F1计算。

分配梁F1在极限状态荷载组合下的最大组合应力情况如图9所示,最大剪应力如图10所示。

由图10可知分配梁F1在极限状态荷载组合下：

最大组合应力σmax=67.5 MPa<215 MPa。

最大剪应力τmax=45.8 MPa<125 MPa,满足要求。

2)分配梁F2,F3计算。

分配梁F2,F3在极限状态荷载组合下的最大组合应力情况如图11所示,最大剪应力如图12所示。

由图11,图12可知分配梁F2,F3在极限状态荷载组合下:

最大组合应力σmax=181.2 MPa<215 MPa。

最大剪应力τmax=112.8 MPa<125 MPa,满足要求。

3.3.5 钢牛腿计算

钢牛腿承受竖向荷载,最大竖向荷载1 312 kN。钢牛腿与主塔接触面积为150 mm×300 mm。钢牛腿插入塔身部分采用等高度箱型截面,整个钢牛腿高1 500 mm。钢牛腿采用Q235B材质,板厚均为20 mm,均采用坡口焊相互焊接成整体。

1)钢牛腿强度计算。

钢牛腿结构及受力模型如图13所示。

选取钢牛腿以上两个截面进行计算:

a.1—1截面计算。

b.2—2截面计算。

根据上述计算结果,钢牛腿受力满足要求。

2)钢牛腿拉杆计算。

故拉杆受力满足要求。

3)混凝土局部承压计算：

钢牛腿底部混凝土局部承压面积:Al=150×300=45 000 mm2。

混凝土局部承压按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》计算:

局部受压计算面积:Ab=150×600=90 000 mm2。

混凝土强度影响系数:ηs=0.96。

混凝土局部受压承载力:

1.3ηsβfcdAl=1.3×0.96×1.4×24.4×45 000×10-3=1 918.4 kN>1.4Fl=1 836.8 kN。

故钢牛腿塔柱开孔处的混凝土承压面满足强度要求。

3.3.6 支架稳定性计算

通过Midas模型计算,可得下横梁支架临界荷载系数,如图14所示。

由图14的计算结果可知,下横梁支架临界荷载系数为8.1>5,故下横梁支架稳定性满足要求。

3.4 计算结论

终上所述:下横梁支架体系各主要受力构件在各工况下强度、刚度和稳定性均能满足规范要求,支架体系安全可靠。

4 下横梁支架安装

4.1 安装顺序

下横梁支架安装顺序为:承台及系梁施工时预埋立柱预埋件→随着塔柱施工逐节安装立柱及连接系→柱顶处理→牛腿安装→分配梁安装→贝雷梁安装→支撑架安装→垫梁及模板安装。

1)塔柱承台及系梁施工时预埋下横梁施工支架预埋件,需保证预埋件的平整度及其下方混凝土振捣密实。

2)下塔柱施工时,在塔柱内侧安装横撑、施工平台及牛腿预埋件(索塔横撑+支架连接系共用),预埋件位置和尺寸偏差应严格控制在5 mm以内,预埋件处塔柱拆模后,应对预埋件位置进行竣工测量。

3)安装φ1 020 mm钢管桩,并焊接连接系固定,安装过程中,严格控制桩顶标高偏差不大于5 mm。

4)在钢管桩桩顶安装砂筒,测量控制其标高与设计标高(根据下横梁底标高推算)相符,焊缝高度应不小于10 mm。

5)安装分配梁并与砂筒固定。

6)采用塔吊分组安装贝雷梁,并按照设计图纸要求,利用支撑架将每片贝雷梁连接成为整体。

7)在贝雷梁顶端安装垫梁,在其上铺设底模系统(木方+竹胶板)。

4.2 支架基础施工

下横梁支架基础通过预埋件固定在承台及系梁上,承台及系梁均为实心混凝土结构,承载力满足要求,承台施工时在承台顶面安装预埋件。有两排预埋件安装在承台系梁处,有一排在后浇段处,后浇段浇筑时预埋立柱预埋件(见图15),预埋件中心偏差不大于2 cm。

4.3 支架立柱及连接系安装

钢管柱采用φ1 020×12 mm钢管桩,标准节段钢管柱拟定为6 m,其中左侧钢管安装在与中间桩间距为9 m位置,右侧钢管桩安装在与中间桩间距为8.5 m位置,钢管桩单节最大吊装重量为1.97 t,钢管桩采用塔吊吊装接长,钢管柱任何一个断面的直径偏差不得大于5 mm,保证所有焊缝的高度和宽度。钢管柱两端磨平,与预埋件焊接不得留有缝隙。钢管桩之间采用法兰连接,采用8.8级M27螺栓。钢管立柱拼装同时安装水平横撑(长节段)和连接系,控制钢管柱垂直度。钢管立柱与水平横撑、连接系之间焊接,拼装倾斜度不得大于 0.5‰。有水平横撑位置,先焊接横撑,再焊接连接系。焊接固定水平横撑后及时施加横撑水平顶推力,故下横梁支架与下塔柱同步施工,确保水平横撑及时有效。

考虑拼装方便,钢管立柱上安装施工爬梯及施工平台。钢管立柱连接法兰下方1 m范围内按需设置操作平台,采用型钢制作,并铺设脚手板,施工平台四周设置栏杆并安装防护网。在钢管柱拼装完成后,及时安装防坠安全网,在距桩顶2 m范围内设置防坠网,以保证坠物不掉入下方施工区域。

钢管柱安装完成后安装卸落砂筒,测量放样,控制桩顶标高偏差不大于5 mm。在砂筒上方安装支撑梁,支撑梁与砂筒焊接固定。

4.4 支架横撑、施工平台、牛腿预埋件、砂筒安装施工

在塔柱施工时安装施工平台、水平横撑爬锥及牛腿预埋件。牛腿、水平横撑安装前先安装施工平台,在施工平台上完成牛腿、水平横撑安装。当钢管桩施工至水平横撑位置时,先进行水平横撑安装,再进行连接系安装,再进行水平推力施加。先将牛腿槽口模板取出,并进行槽口整平处理,铺设钢板,单个牛腿最大吊装重量为0.7 t,然后采用塔吊及倒链将牛腿吊装至设计位置进行安装,并安装底端精轧螺纹钢和超垫块,抄垫至牛腿顶面水平,牛腿安装时严格控制标高和平整度。

待牛腿及钢管桩柱顶安装完成后进行砂筒安装,砂筒在现场加工,加工完成后进行预压试验,预压荷载为400 t。

4.5 分配梁安装

钢管桩顶分配梁采用2HN700×300型钢,牛腿顶分配梁采用2Ⅰ56b,分配梁在地面将加劲板等构件焊接好后整体吊装至设计位置进行安装,单个分配最大吊重3.9 t,160 t·m塔吊在臂长33 m处吊装重量为4.5 t,因此,单侧塔吊可吊装紧邻的3片分配梁,分配梁在地面焊接成整体并经验收合格后吊装至设计位置。

4.6 贝雷梁安装

根据结构布置,贝雷梁采用3 m和2.5 m型,横桥向共设置10片贝雷梁,其中2.5 m贝雷梁1片,纵桥向贝雷梁横向间距为90 cm+22.5 cm+45 cm+22.5 cm+45 cm+5×90 cm+45 cm+22.5 cm+45 cm+22.5 cm+90 cm间距进行布置,支撑架采用梅花形进行设置。贝雷梁先在地面按支撑架型号分组成排拼装,然后采用塔吊抬吊至设计位置,因场地、塔吊设备所限,且贝雷梁长度达29.6 m(略小于两塔柱间净距),考虑采用两台塔吊安装,吊装到位的贝雷梁采用U型卡环固定,并及时安装支撑架。

根据实际模拟,下横梁贝雷梁放置于永仁岸主塔靠近大里程侧桥中线位置处起吊,每2榀贝雷梁吊重为5.3 t,考虑吊装安全性,采用2台塔吊抬吊的方式吊装,吊点设置在距边端6 m位置处,根据吊装分组,最大吊装重量为3榀同时吊装,最大重量为8.0 t。

成排吊装就位后安装剩余连接支撑架,最后安装横向分配梁,吊装从中间至两侧对称安装。

4.7 支架预压

根据最新桥规JTG/T 3650—2020公路桥涵施工技术规范第5.4.3条中第(1)条:位于刚性基础上的刚度较大且非弹性变形可确定控制在一定范围内的支架,在经过计算并通过一定审核程序,确认其满足强度、刚度及稳定性等要求的前提下,可不预压。条文说明:“位于刚性基础上”主要是指支架支撑在桥涵工程的基础顶部、正式通车后的水泥路面或沥青混凝土路面顶部以及其他经确认不会产生沉降的构筑物顶部；“刚度较大且非弹性变形可确定控制在一定范围内的支架”一般指采用大直径钢管或型钢等材料制作而成的材料。

本工程下横梁支架为钢管立柱支架,属于“刚度较大且非弹性变形可确定控制在一定范围内的支架”。下横梁支架基础位于主塔承台顶面,位于刚性基础上。因此本工程下横梁支架不需要进行预压。

5 结语

江底河特大桥索塔下横梁分两层浇筑,第一层浇筑高度4 m,第二次浇筑高度3 m,第二层浇筑前,需对底板的预应力束张拉30%。按第一次浇筑混凝土荷载全部由下横梁支架承受,第二次浇筑混凝土荷载由第一次浇筑下横梁与下横梁支架共同承受,偏安全考虑为下横梁支架承受第二层浇筑混凝土荷载的50%。通过江底河特大桥索塔下横梁实际施工过程验证,采用Midas Civil有限元软件建立支架模型进行计算分析,其设计的支架结构安全可靠,能够满足施工要求,可以为类似工程提供参考。江底河特大桥下横梁已经于2021年6月3日浇筑完成。