花江峡谷大桥索塔下横梁支架设计及验算

吴朝明

（贵州桥梁建设集团有限责任公司，贵州贵阳 550000）

1 工程概况

花江峡谷大桥为六枝至安龙高速公路项目控制性工程，桥梁全长2890m，结构形式为5×40m（T梁）+1420m钢桁梁悬索桥+8×40m（T梁）+（86+160+86）m连续刚构+15×40m（T梁）。安龙岸索塔的结构形式是门式框架结构，共有两个塔柱和两道横梁。塔柱采用钢筋混凝土结构，横梁采用预应力混凝土结构，均采用C55级混凝土。塔柱总高为204m，其中下塔柱高47m，上塔柱高157m。下横梁为空心箱形截面，横梁高10m，宽度10.1m。横梁与塔柱采用自爬升架+贝雷梁现浇方案并异步施工，高度方向上分两次浇筑，每次浇筑5m。

2 下横梁支架设计

下横梁现浇支架纵桥向布置4排自爬升架作为支撑，每排2根，共计8根自爬升支撑立柱，自爬升架横桥向布置间距7.5m+9m+7.5m，纵桥向布置间距9m，两排自爬升架全部置于塔柱底承台及承台地系梁顶面，在承台及系梁施工时预埋相应预埋件[1]。

自爬升架支架自塔柱底横梁以上设置二道平联连接，然后每隔12m设置一道平联连接，平联立柱采用扣件连接。自爬升架顶部安装卸载砂箱，沿纵桥向方向在每列自爬升架顶部搭设一组12m长的I63a三拼工字钢作为主承重梁。在该工字钢承重主梁上架设12组共24片贝雷桁架，贝雷桁架片上方以0.3m间距铺设12m长的I16工字钢作为分配梁，分配梁上以0.2m的间距沿纵桥向方向满铺10×10cm方木跳板，然后铺设下横梁底部模板以及侧模。下横梁施工支架布置情况见图1。

图1 下横梁施工支架布置图（单位：cm）

2.1 自爬升架

单枝的立柱由四部分构成，分别是顶、底、标准节段以及立柱提升框架。自爬升架的材质为Q345钢，其标准节高3m，调整节节高2m，顶节段高2.5m。节段立柱焊接钢管的直径为219mm，壁厚为14mm。节段间的连接方式采用高强螺栓，尺寸为M24×90[2]。机架结构见图2。

图2 机架结构简图

2.2 贝雷梁

本支架由12组共24片贝雷桁架组成，一组梁由2片桁架及支撑架组成，两片桁架间距均为45cm。根据下横梁结构设计情况，各组贝雷梁间距为（0.68+0.68+0.9+1.2+1.2+1.2+0.9+0.68+0.68）m。

3 计算说明

依据支架设计方案，采用工程有限元计算软件Midas/civil对该支架进行了设计校核工作。下横梁现浇支架各个杆件均采用梁单元进行输入，I16纵桥向分配梁顶部建立板单元用于荷载传递。

下横梁高10m，实际施工时分成5m+5m两层进行分层浇筑，首先完成下部5m高度范围内的下横梁混凝土浇筑，等混凝土凝固后达到要求的强度等级时方可进行上层的5m混凝土浇筑。分层浇筑施工工艺决定了上层混凝土浇筑时，下层混凝土已经达到了一定的强度，可以承受一定的荷载，后续浇筑时现浇支架将不再承受下横梁混凝土全部的自重荷载。为保证下横梁现浇支架的安全性，下横梁现浇支架的设计校核工作需针对下横梁开口箱（即9m高）的浇筑混凝土自重荷载及相应活荷载进行。在设计计算时，将下横梁开口箱浇筑高度为9m的混凝土，然后对自重及对应施工荷载进行组合分析。

4 荷载计算

下横梁浇筑时现浇支架主要承受支架、上部分配梁、支架模板、浇筑的混凝土等的自身重量、施工荷载以及混凝土振捣荷载等。计算模型采用了梁、板单元结合的方式建立，所有上述荷载均转化为梁单元线荷载及板单元压力荷载进行计算[3]。

各个荷载的详细统计情况如下：

（1）支架自重Q1（恒载）

包括自爬升支架，3I63a主承重梁，贝雷片以及上部I16小分配梁、木方均通过软件建立出结构模型，利用重力密度计算公式由计算程序进行计算。

（2）模板自重Q2（恒载）

采用15mm厚的竹胶板作为支架的底模，均布荷载值取0.35kN/m2，分布于下横梁投影范围内，宽度10.27m，长度29.44m。

（3）施工均布活荷载Q3（活载）

根据桥梁施工相关规范，并结合以往施工经验，施工均布活荷载值取：3kN/m2，分布于下横梁投影范围内，纵桥向宽度10.27m，长度29.44m。

（4）混凝土振捣荷载Q4（活载）

依据相关规范，混凝土振捣均布荷载值取2kN/m2，分布于下横梁投影范围内，纵桥向宽度10.27m，长度29.44m。

（5）下横梁浇筑混凝土自重Q5（恒载）

①腹板部分自重

腹板部分浇筑厚度为1m，浇筑高度按开口箱计算，为9m。

腹板部分布荷载：26kN/m3×9m=234kN/m2。

②底板部分自重

底板部分计算浇筑厚度为1m。

底板部分分布荷载：26kN/m3×1m=26kN/m2。

③端部实心段自重

端部实心段计算浇筑高度为9m。

腹板部分布荷载：26kN/m3×9m=234kN/m2

将统计得到的荷载值施加到下横梁现浇支架模型进行计算，得到该支架结构在各设计荷载条件下的结构响应情况，根据相关的规范要求对设计荷载进行组合：

①强 度验 算荷 载 组 合：1.2×（Q1+Q2+Q5）+1.4×（Q3+Q4）；

②刚度验算荷载组合：1×（Q1+Q2+Q5）

对于设计荷载效应值S应该满足式（1）：

式（1）中：γ0为结构重要性系数，对于支架结构其值为0.9，为保证支架结构在施工期间的安全，本处取1.0，γ0=1.0；R为结构抗力，依据规范进行确定[4]。

5 强度验算结果

花江峡谷大桥安龙岸索塔下横梁现浇支架的贝雷片最大组合应力268.2MPa＜f1=310MPa，最大剪应力118.8MPa＜f1v=180MPa，均满足承载力要求。支架的3I63a型钢主承重梁最大组合应力155.2MPa＜f2=205MPa，最大剪应力82.3MPa＜f2v=120MPa，支架材料满足承载力要求。

自爬升钢管柱的最大组合应力111.8MPa＜f2=205MPa，考虑钢管桩竖向受压，对其进行压杆稳定性验算如，计算钢管对应稳定因数φ=0.9378，则自爬升钢管柱设计应力值在轴压不变的情况下应如式（2）：

该值大于钢管立柱在设计组合荷载下的最大组合应力值111.8MPa及最大轴向应力88.6MPa，钢管立柱满足稳定性要求。

下横梁现浇支架3I63a的相对挠度最大值w=34.2mm-27.4mm=6.8mm＜L/400=5800mm/400=14.5mm，3I63a型 钢主承重梁满足模板支撑刚度要求。贝雷片相对挠度最大值w=37.4mm-34.3mm=3.1mm＜L/400=9000mm/400=22.5mm，满足模板支撑所需要的刚度条件。

6 结语

经过计算，下横梁自爬升架+贝雷梁支架体系强度满足规范要求，自爬升架竖向刚度大，承载能力强，体系稳定安全。相比钢管桩本方案采用自爬升架装配化程度高，现场安装速度快。且因横桥向取消了托架，避免了预埋牛腿安装和拆除等施工工序，避免了焊接等工艺不足而带来的安全隐患。本项目索塔下横梁的支架设计可为其他类似特大型桥梁索塔横梁支架设计提供参考。