悬索桥主塔上横梁支架形式对比分析

卢新宇，韦苡松

(广西路桥工程集团有限公司，广西 南宁 530200)

0 引言

悬索桥作为目前跨越能力最大的桥型，随着材料及技术的更新，悬索桥主跨已经向2 000 m突破。主塔作为悬索桥重要的受力结构，主要承载桥梁结构的大部分竖向荷载。主塔上横梁是主塔结构不可或缺的一部分，其施工临时支架的形式将影响主塔整体进度安排。本文从影响主塔上横梁临时支架形式的因素进行分析，介绍龙门大桥主塔上横梁支架施工东岸及西岸的两种不同方案，分析不同方案的合理性、可操作性、安全性及经济性。

1 依托项目概况

悬索桥是用悬挂在主塔上的强大缆索作为主要承重结构，主塔作为悬索桥的重要受力构件，起着支撑主缆的作用。主塔的高度通常与桥梁跨径有关，一般悬索桥主缆垂度较大，故桥梁跨越长度越大，主塔越高。主塔的设计形式多种多样，且为保证主塔结构的整体稳定性，一般均设计有横梁结构。

龙门大桥为单跨全漂浮体系悬索桥，主跨为1 098 m，主塔高174 m，塔柱向内倾斜坡率为1∶26.52(偏移距离∶塔柱高度)。主塔上设计有上横梁及下横梁，下横梁设计与承台连接，上横梁高度为12 m，底缘最大长度为27.2 m，底面距承台顶150.4 m。上横梁混凝土方量共1 280 m3，分两层进行浇筑，单次最大浇筑方量为660 m3。

2 影响支架形式的因素分析

主塔上横梁混凝土荷载集度大，采用的施工临时支架一般分为钢管支架、牛腿托架、内置支架及组合支架几种类型。对于支架形式的选择，有以下几项因素会对其产生影响[1-5]：

(1)支架施工高度对支架形式的影响。上横梁一般作业高度较高，若采用钢管支架，则对钢管安装的垂直度要求十分严格，否则会给支架带来偏心受力，严重影响支架稳定性。另外，钢管支架的施工周期相对较长，施工过程需要较多作业平台，安全风险也相对较高。故支架施工高度较高时，一般采用牛腿托架的方式进行上横梁施工。

(2)上横梁结构长度及浇筑分层高度对支架形式的影响。上横梁结构长度越长，则对支架的跨越能力要求越高；上横梁浇筑分层的层数越少，单次浇筑混凝土方量就越大，则需要支架的承载能力越强。这两项因素对于支架选型影响不大，主要影响支架整体材料的用钢量，跨径越大，分层越少，则支架整体用钢量就会增多。

(3)主塔塔柱的构造对支架形式的影响。主塔塔柱的构造主要影响牛腿支架的形式，钢管支架一般搭设在下方的承台或横梁上，牛腿支架及内置支架一般采取在塔柱上施作牛腿进行支撑。牛腿的形式有直接预埋型钢、预埋锚锥、预留拉杆通道等，故可根据主塔塔柱截面尺寸及材料构成来选择适当的牛腿形式。

钢管支架与牛腿支架两种支架的对比如表1所示。龙门大桥主塔上横梁施工高度高，施工跨径大，故采用牛腿支架的形式施工。由于桥位东岸与西岸的施工条件、工艺选择及施工进度等原因，采用了不同的牛腿支架形式：东岸采用塔柱内预埋牛腿+K型托架的形式进行支撑，西岸采用张拉型牛腿+桁架梁的形式进行支撑。下文将具体介绍这两种支架形式的设计与施工。

表1 钢管支架与牛腿支架对比分析表

3 东岸主塔上横梁支架设计

3.1 支架形式

图1 东岸上横梁牛腿支架结构示意图(mm)

因龙门大桥主塔内腔为直径6 m的钢圆筒，钢圆筒厚度达16 mm。为不破坏塔柱内腔钢圆筒结构，减少现场补焊作业，保证钢圆筒结构整体性，支架牛腿采用预埋在塔柱混凝土内的形式。支架牛腿由4块3 cm厚钢板组拼而成，高0.4 m、长1.3 m，以在主塔塔身内预留铁盒的形式进行预埋，预埋深度≥0.7 m，在支架安装前将整个牛腿安装至预埋盒中。

3.2 设计荷载及验算结果

东岸拟将12 m高的上横梁分两层浇筑，在第一层浇筑完成之后进行预应力张拉，上横梁第二层荷载大部分由已完成的上横梁第一层承载，故支架设计支承荷载为上横梁第一层混凝土荷载，共为660 m3×26 kN/m3=17 160 kN。支架的临时荷载包括模板荷载、混凝土倾倒荷载及振捣荷载、人群荷载，共计6.5 kN/m2；支架的风荷载根据规范计算为3.22 kN/m2。

采用Midas Civil软件对牛腿支架进行模拟分析，荷载组合为：1.2×支架自重+1.2×第一层混凝土荷载+1.4×施工荷载+1.1×风荷载。计算结果如表2所示，从表2可知，托架结构的各构件强度、刚度均满足要求。经模型计算，托架最不利工况屈曲模态特征值为16.57，大于设计要求的最小值4，支架稳定性满足要求。

表2 东岸牛腿支架主要构件计算结果汇总表

4 西岸主塔上横梁支架设计

4.1 支架形式

图2 西岸上横梁牛腿支架结构示意图(cm)

为保证主塔塔柱混凝土浇筑，减少对钢筋安装的影响，采用张拉型牛腿进行桁架梁支撑。张拉型牛腿包括牛腿构件、塔柱内腔锚梁、张拉精轧螺纹钢及抗剪销棒。锚梁通过加工若干支撑杆以适应塔柱内腔圆筒，使锚梁处于直线上。牛腿受到桁架梁传递来的剪力与弯矩，剪力由抗剪销棒承载，弯矩通过对拉的精轧螺纹钢抵消。

4.2 设计荷载及验算结果

西岸拟将12 m高的上横梁分3层浇筑，在先浇筑层完成之后进行该层预应力张拉，后续上横梁施工层的荷载大部分由已完成的先浇筑层混凝土承载，故支架设计支承荷载为上横梁第一层混凝土荷载，共326.4 m3×26 kN/m3=8 486.4 kN。支架的临时荷载包括模板荷载、混凝土倾倒荷载及振捣荷载、人群荷载，临时荷载及风荷载，计算值同东岸牛腿支架验算取值一样。

采用Midas Civil软件对牛腿桁架梁进行模拟分析，荷载组合为：1.2×支架自重+1.2×第一层混凝土荷载+1.4×施工荷载+1.1×风荷载。计算结果如后页表3所示。从表3可知，托架结构各构件强度、刚度均满足要求。经模型计算，托架最不利工况屈曲模态特征值为26.4，大于计算要求的最小值4，支架稳定性满足要求。

表3 西岸牛腿桁架梁主要构件计算结果汇总表

4.3 东岸及西岸支架对比分析

对于东岸牛腿支架形式，其优点是承载能力高，可减少混凝土浇筑分层数量。另采用预埋盒的方式进行牛腿安装，可保证塔柱钢圆筒不受破坏，使钢圆筒整体质量得到保障，降低开孔处出现质量缺陷的风险。此外，K型托架的形式节点较少，焊接作业面少，便于进行作业及焊缝质量检测，以把控托架加工质量。但该支架设计也存在一定缺陷，由于存在上下两层牛腿，K架片的安装相对繁琐，需调整空间姿态进行就位，且牛腿的预埋盒需要增强后续修补的质量。另外，卸架方式采用楔形块，拆除时作业面窄，较为不便。

对于西岸张拉型牛腿桁架梁形式，其优点是支架采用砂筒进行卸载，操作安全性高，且牛腿预埋仅需要在塔柱上进行开孔，对塔柱混凝土影响较小。该支架设计相对东岸的牛腿支架，承载力相对较低，相应施工分层数量增多，也增加了作业工期。另外，张拉型的牛腿形式，需要在塔柱钢圆筒上进行开孔，后续修补耗费的人力较多。

对于龙门大桥主塔上横梁支架设计，东岸及西岸整体方案有所区别，但均具有结构受力方式简明、高空施工风险相对钢管支架小的特点。且对于刚性托架，可不需进行预压施工，在缩短施工工期、提高施工工效方面表现明显。此外，加工托架的材料在施工完成后可进行周转，施工经济性显著。

5 结语

本文依托广西滨海公路龙门大桥项目，通过对比钢管支架及牛腿支架的优缺点，并分析影响施工支架选择的若干因素，选择适当的施工支架形式，提出了龙门大桥东岸及西岸两种上横梁施工支架设计，并通过有限元分析软件进行计算，验证支架各构件的强度及刚度均满足施工要求，同时，简要对比了东西两岸支架的优缺点，为后续相似工程施工提供参考。目前，龙门大桥东西两岸均已安全高效地完成上横梁施工，验证了两种支架方案的可行性。