五峰山长江大桥主塔横梁支架设计与施工关键技术

付文宣，袁 灿，张 克，刘 鸽，黄修平

(1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430040；3.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，湖北 武汉 430040)

0 引言

随着桥梁建设技术的不断创新和飞跃发展，桥梁的跨径在不断突破，超大跨径悬索桥、斜拉桥等也将成为必然趋势。当桥梁跨度>600m时，往往首先考虑悬索桥。与公路悬索桥相比，铁路悬索桥的起步要稍晚，目前世界上已建成多座公铁两用悬索桥，跨径已突破千米大关[1]，参数如表1所示。

表1 超大跨度公铁两用悬索桥

1 工程概况

连镇铁路五峰山长江大桥采用双塔单跨悬吊钢桁梁悬索结构(见图1)，是连镇铁路线路的重要组成部分，其主缆跨度为(350+1 092+350)m，加劲梁跨度为(84+84+1 092+84+84)m[2]。主塔为钢筋混凝土框架结构(采用C55混凝土，HRB400钢筋)，主塔全高191.5m(从塔座顶面算至鞍座底)，上、下横梁为预应力混凝土结构。

图1 五峰山长江大桥总体桥型布置(单位：m)

主塔下横梁为单箱单室结构，高13m，横向长43.8m，顺桥向顶面宽11m、底面宽12m，顶、底板厚1m，腹板厚0.8m，设置2道厚1m隔板，下横梁两端圆弧段倒角半径为6m。

主塔上横梁为单箱单室结构，横梁高度从中间11m(未计梁冠高度)向两端渐变至32.8m，横梁长约34.4m(横桥向)、宽7.5m(顺桥向)，顶、底、腹板厚度均为0.8m，顶面留有进人孔，设置有2道厚0.5m隔板。主塔及横梁构造如图2所示。

图2 主塔及横梁构造(单位：m)

2 横梁施工难点

下横梁与塔柱同步施工，塔柱施工时同步进行下横梁支架和模板体系安装，施工难点有：①下横梁横桥向长43.8m，跨度大，支架设计要求较高；②下横梁底面距承台有51.5m，混凝土方量 4 396m3，总重约11 400t，端部及倒角弧形段皆为实心截面，浇筑荷载大且弧形段难施工；③下横梁高13m，需通过试算确定横梁分层浇筑高度。

上横梁高度大、结构复杂，与塔柱采取异步施工，其施工难点有：①上横梁底面距下横梁顶面有121.5m，混凝土方量1 918m3，支架安拆难度大，安全风险高；②上横梁总浇筑高度为32.7m，分层浇筑次数多，工艺繁杂；③上横梁两端装饰块为异形结构且高差大，支架等模板体系需考虑装饰块的施工需要。

3 下横梁支架设计

3.1 下横梁支架确定

主塔下横梁支架通常为不落地牛腿大托架和落地式钢管支架2种结构[3]，根据下横梁特点，初步考虑2种方案：①方案1 牛腿小桁架+落地钢立柱；②方案2 全落地钢立柱。2种方案立面布置如图3所示，形式对比如表2所示。

图3 下横梁支架方案布置

表2 下横梁支架形式对比

综合考虑现场施工条件、上下横梁材料周转、横梁特点及受力分析，选用方案2施工更安全可靠。

3.2 下横梁支架结构及特点

下横梁支架从上到下布置依次为：横向分配梁I14a/2I14a(一般间距750mm，实心段下方采用2I14a双拼形式，倒角段2I14a间距加密为300mm)，贝雷梁(321型)或新制桁架(2HN600×200)，主横梁(2HN900×300)，钢立柱(φ1 000×16，共计4排9组36根)，平联(φ630×8，设5层)，附墙(2[20a，设2层)，斜撑(支架上部斜撑采用φ426×6，下部斜撑采用2[20a)。下横梁直线段采用钢模板，两端倒角弧形段底模采用厚6mm钢板。

固结排水法包括真空预压法、堆载预压与降水预压法。应用真空预压法进行地基处理时，应确保真空预压边缘大于建筑物基础。通过预压达到增大地基预压力的目的。在使用中要尽量增大真空度，确保预压效果。堆载预压法进行地基处理时，需通过建筑物自重进行加压。采取有效的预压措施，通过部分超载预压进行排水固结，根据残余沉降量确定施工方案。降水预压法用于地下水含量较少的软土地基。应用此法在施工前应收集地质勘察数据，制定符合地质特点的施工方案。以增强排水固结的实效性[4]。

下横梁支架特点为：①由于承台塔柱附近空间位置受限，支架外侧第2组钢立柱为斜立柱，斜立柱与塔柱用附墙连接；附墙与塔柱连接形式为铰接，消除力矩和支架竖向变形，避免应力过大。②下横梁圆弧段应设置模板对拉杆。③主横梁应对应贝雷双竖杆节点，若主横梁处为非双竖杆节点，应对横梁处贝雷节点进行竖杆加强。④支架两端新制桁架各11榀，桁架腹杆及相邻立柱间加设1层垫梁和支撑梁(见图4)，以增加整体横向水平刚度。

图4 垫梁与支撑梁

3.3 下横梁支架计算分析

根据整体建模和计算分析，下横梁分3层浇筑，分层浇筑方量如表3所示。

表3 下横梁分层浇筑方量

下横梁支架结构考虑承受第1，2层浇筑的横梁自重，承受部分第3层浇筑的横梁自重。模型约束条件为钢立柱在柱底预埋件处刚接，附墙在塔柱预埋件处铰接，主横梁与钢立柱铰接，贝雷及新制桁架与主横梁弹性连接，分配梁与贝雷及桁架弹性连接。下横梁支架荷载包括：支架及横梁自重，模板体系自重，施工人员及设备荷载，倾倒和振捣荷载，风荷载。有限元计算模型及其最不利工况计算结果如图5所示。

图5 下横梁支架模型及其计算结果

下横梁支架整体计算结果显示支架的刚度、强度均能满足要求。未考虑预应力张拉下横梁弯矩计算结果如图6所示，根据弯矩结果，计算下横梁受弯承载力满足要求。

图6 下横梁弯矩计算结果

由于下横梁浇筑方量大，钢立柱柱顶最大压力设计值高达5 000kN，对经过加强后的卸荷块与钢立柱(φ1 000×16)柱顶连接处局部建模进行强度验算(见图7)，部位最大应力195MPa<205MPa，卸荷块局部强度满足要求。

图7 卸荷块与钢立柱柱顶局部计算

4 上横梁支架设计

4.1 上横梁支架确定

主塔上横梁施工是典型的高空作业，施工难度大，安全风险高，一般采用牛腿大托架形式较多[4]。

由于本项目下横梁采用落地钢立柱且钢管用量大，从经济性、施工周期、危险源控制上考虑，上横梁支架采用牛腿小桁架+钢立柱形式，可循环使用下横梁钢立柱，拆装运输方便，下横梁构件拆除后进行修补处理即可用于上横梁支架。为保障上横梁装饰块处受力合理，在钢立柱和塔柱内侧两端设有三角撑架及牛腿。上横梁异形装饰块底模和外侧模采用大型组合钢模板，由专业模板厂设计，加工成型后运至现场。

4.2 上横梁支架结构及特点

上横梁支架从上到下布置依次为：横向分配梁I14a/2I14a(一般间距750mm，隔板段下方采用2I14a双拼形式)，贝雷梁(321型)，主横梁(2HN900×300)，三角撑架及牛腿(2HN900×300，2HM588×300，两端各4榀)，钢立柱(φ1 000×16，共计3排4组12根)，平联(φ630×8设3层，φ426×6设12层)，附墙(φ630×8设1层，φ426×6设5层)，斜撑(φ426×6)。支架形式如图8所示。

图8 上横梁支架结构

上横梁支架特点如下。

1)上横梁支架整体高度超过百米，为高耸结构，风荷载较强时可能会产生风振现象[5]，安全风险大。附墙与塔柱采用刚接形式连接，相邻附墙间增设平联和斜撑，以增加附墙刚度。

2)为满足上横梁与塔柱异步施工需求，在支架两侧塔柱上预埋三角撑架及牛腿埋件，横梁两端包括装饰块在内的竖向荷载由三角撑架及牛腿承受，三角撑架及上牛腿受拉、下牛腿受压。上横梁中部竖向荷载由落地支架承受，支架受力明确，施工便捷。

3)上横梁下部装饰块处应设置模板对拉杆，装饰块底模由于线性复杂，为保障模板加工后不变形，模板外侧设有加强桁架，与模板同时设计和加工成型后运至现场。装饰块底模与其相邻立柱间加设2层垫梁和支撑梁，以增加横向水平刚度，减少底模侧向变形。

4)主横梁应对应贝雷双竖杆节点，若主横梁处为非双竖杆节点，应对横梁处贝雷节点进行竖杆加强。

5)根据上横梁支架平联标高，布置合理的塔柱主动横撑，支架可兼顾中塔柱主动横撑施工，为其安装和拆除提供便利。

4.3 上横梁支架计算分析

上横梁混凝土方量约1 918m3，分6次浇筑(见表4)。上横梁支架结构考虑承受第1～3层3次浇筑混凝土总重。

表4 上横梁分层浇筑方量

上横梁支架有限元计算模型及其最不利工况计算结果如图9所示，支架计算时不考虑施加预应力造成的有利影响。模型约束条件为钢立柱在柱底预埋件处刚接，附墙在塔柱预埋件处刚接，主横梁与钢立柱铰接，主横梁与贝雷及三角撑架弹性连接，分配梁与贝雷弹性连接，三角撑架及牛腿与塔柱刚接。上、下横梁支架荷载类型相同。

图9 上横梁支架模型及其计算结果

采用有限元软件对整体上横梁支架结构进行屈曲分析，屈曲分析原理为：屈曲荷载=恒荷载+可变荷载×屈曲系数。在计算中考虑的不变荷载有结构自重、横梁荷载，可变荷载有施工荷载、浇筑荷载。计算得到结构的屈曲模态特征值系数为5.1>4，支架整体稳定性满足使用要求[6]。

5 横梁施工流程

采用常规工艺自下而上依次进行横梁分层施工。下横梁施工完成后，拆除的钢立柱、横梁、分配梁及贝雷等构件经过修补处理，周转至上横梁施工时使用。同一层的上、下游混凝土同步浇筑，以减小支架的不均匀变形。当最后一层混凝土强度和弹性模量达到设计值的90%后，便可实行横梁预应力施工。待横梁预应力实施结束后，才能将支架拆除，采用自上而下依次分层、分片拆除工艺。若拆除遇到主动横撑，须事先卸除横撑预顶力。

主塔横梁施工流程如图10所示。

图10 主塔横梁施工流程

6 结语

1)主塔上、下横梁体积大、跨度大，利用既有现场条件，下横梁与塔柱同步施工，可减少下横梁施工对塔柱施工进度的影响；上横梁与塔柱异步施工，可减少上横梁施工对塔柱封顶、钢桁梁吊装、悬索挂设等施工进度的影响。

2)主塔横梁支架的形式有很多种，本项目下横梁支架采用落地钢立柱方案施工，上横梁采用牛腿小桁架+钢立柱方案施工，整体用钢量非常大。目前，当横梁自重不大时，在既满足施工需求又能降低成本的条件下，牛腿托架式支架在横梁施工特别是上横梁施工中应用越来越多。大吨位重型牛腿托架式支架是未来横梁施工发展趋势，如何实现高位装配化安装、易拆除、可供循环使用的大吨位重型牛腿托架式支架来施工横梁值得进一步研究。