某公路大桥项目主塔施工关键技术分析

2023-03-10吴文涛

交通科技与管理 2023年3期

关键词：预埋件托架横梁

吴文涛

（贵州桥梁建设集团有限责任公司,贵州贵阳 550001）

0 引言

H形双塔构造的主塔桥梁项目，因施工环境复杂，施工难度大，质量要求高，施工环节需要重点考虑到安全要求，从施工准备、工艺过程多方面详细地做好控制，才能提升桥梁建造技术水平，达到桥梁设计标准要求[1]。

1 工程概况

某大桥全长1 849 m，跨径为“4×40 m预制T梁+1 080 m单跨钢桁梁悬索桥+8×40 m钢混组合梁+3×40 m预应力混凝土现浇箱梁”的双塔双索面悬索桥。其主塔的塔柱为H型，塔高172.1 m，塔体由塔座、下塔柱、下部横梁、中柱、上部柱以及横梁等组成。该桥梁施工过程中，因主塔修建难度高，施工时主要选用液压爬模工艺。

2 施工环境及地质条件

2.1 桥位环境

主桥工程范围内，以河流及两岸河堤路为主线展开施工，由于桥墩、辅助墩、过渡墩均设在半山上，施工作业面狭窄，且周边有多处居民住所和农作物，施工条件复杂，加大了施工难度[2]。

2.2 地质条件

通过主墩桩基础的钻孔勘探资料，桥址区覆盖层由第四系残坡积（Qel+dl）含砾粉质黏土、碎石土组成；下伏基岩为二叠系梁山组（P1l）泥岩、粉砂岩等碎屑岩和石炭系马平群（C3mp）灰岩、白云质灰岩。

3 主要施工方案的确定

3.1 方案比选思路

不同的工程建设方案会对工程质量产生不同影响，具体选择参考工程项目的技术指标和经济效益，其中技术指标包括方案的可靠性、安全性和地质条件等，其主要取决于建筑物的构造特点和施工条件[3]。

3.2 施工技术方案比选

从以往的施工实践分析，目前塔柱可采取的施工方式为液压爬模施工、后移式悬臂模板施工。下部横梁施工中，施工方案以钢管组合支架施工和盘扣式满堂支架施工为主。现根据现有施工环境，最终制定了以下建设方案：

（1）塔柱施工方案：液压爬模技术。采用液压驱动方式，通过气缸提模、提杆双动作，使得架体和导轨之间能够相互攀爬，不需其他吊装工具。该施工方法整体性强，风险系数小，能有效提高综合效益。

（2）上、下横梁施工方案：钢管贝雷片组合支架。通过增大基础面积和施打管桩，利用大直径钢管的接长，并利用横向连接剪刀撑，提高抗压能力，同时还布置了主梁、分配梁和贝雷片等结构，构成了支撑系统。该施工方案具有整体稳定性好、吊装作业少、施工周期短等优点，但其主要缺陷是焊接质量要求高、工序复杂、受力计算精确度要求高等，可用于上、下横梁的构造施工[4]。

4 施工技术要点

4.1 塔柱施工

4.1.1 方案确定

由于主塔高172.1 m，在高空作业中存在较大的安全隐患，因此按技术需要，选用了更加高级的液压爬模和卓良模板工艺，既降低了施工风险，又保证了塔身的外形品质，节省了大量吊装机械的租用成本。

4.1.2 塔柱施工方法

液压爬模爬升施工流程如图1。

图1 液压爬模爬升施工流程

预埋件安装：用安装螺栓将爬锥与模板连接，在爬锥孔涂上黄油后，旋紧高强度螺杆，确保混凝土不会流入爬锥螺纹，埋件板与高强度螺栓的另一端旋紧。锥面朝向模板，与爬锥方向相反。

导轨提升：将上下两个换向箱的换向设备同步调节，使换向器的上端抵靠导轨，使导轨上升，导轨到位后再进行紧固。

架体爬升：升降式液压控制台由专门人员进行，每个榀架都应有安装人员负责监控，如有异动，可通过液压阀调节。

在导轨上升后，应拆掉下部的附墙设备，以便于周转利用。

4.2 下横梁施工

4.2.1 方案确定

下横梁支架选择为贝雷梁－型钢－托架－钢管柱组合，下部主要承重构件为钢管柱及托架结构，上部承重横梁采用双拼I56工字钢组合，纵梁采用上下加强贝雷梁，分配梁采用I20工字钢，分配梁上铺20 cm×5 cm方木。

该贝雷片复合支架能够充分利用现有施工条件，确保实用性、安全性和经济性，可有效提升主墩承重的可靠性，满足工程需要。

4.2.2 支架构造设计

下横梁支架顶部设I20a工钢分配梁按50 cm间距布置，以支撑横梁底模；分配梁下设贝雷梁，顺桥向共设16片，间距为（3×45+92.5+3×45+90+3×45+92.5+3×45）cm，横桥向共设10片，支点最大间距1 041 cm。贝雷片采用上下加强，并在腹板下方各支点处采用2[10槽钢加强；贝雷片下设双拼I56a工钢承重横梁将荷载分配给托架与钢管柱，托架采用双拼I40a槽钢制作，横梁单端设3支托架，布置间距为2×340 cm；立柱顺桥向设3排，间距2×340 cm，横桥向设两列，间距1 041 cm；立柱共 6 根，采用Φ1 000 mm×12 mm钢管制作，底部采用栓接+焊接方式与预埋件连接。钢管立柱横向以φ325 mm×8 mm钢管作为横联、纵向以I20a型钢作为横联增强整体稳定性。使用300 t砂桶作为下横梁支架的卸架装置，砂桶布置在托架及钢管柱顶部。

立撑钢管柱既要承担荷载和弯矩作用，又要考虑其稳定度，所以必须按弯压构件的稳定度来加以计算（计算如果如表1）。

表1 计算结果

钢管立柱整体稳定性验算：

下横梁支架钢管立柱外径1 000 mm，内径976 mm，壁厚12 mm，材质为Q235钢，外径与壁厚之比：

D/t=1 000/12=83.3＜902kε=90×(235/fy)2=90

钢管柱板件宽厚比满足S3级要求：

钢管立柱横向每12 m设置一道横联，计算长度lx=12 m；纵向每6 m设置一道横联，计算长度ly=6 m；立柱视为一端铰接，一端固接，故计算长度系数取建议值μ=0.8。

钢管立柱其余参数如下：

Φ1000钢管（壁厚12 mm）截面面积：

Φ1000钢管（壁厚12 mm）回转半径为：

根据《钢结构设计规范》，截面为双轴对称的构件，其长细比按式下式计算：

则该设计钢管立柱长细比为：

λx=μlx/ix=0.8×12 000/349.34=27.48

λy=μly/iy=0.8×6 000/349.34=13.74

因λx＞λy，且在钢管柱X向存在偏心压力荷载，钢管柱沿绕Y轴失稳的可能性最大，故该计算选取钢管柱绕Y轴的屈曲进行验算，根据《钢结构设计规范》（GB5007—2017），弯矩作用在主平面内的压弯构件，其稳定性按下式进行计算；

式中，N'Ex=π2EA/(1.1λ2)；E=2.0×105MPa；f——钢材抗压强度设计值，f=215 MPa；N——所计算范围内轴心压力设计值（N）；φ——弯矩作用平面内的轴心受压构件稳定系数；M——计算构件范围内的最大弯矩；W——构件的截面模量；β——等效弯矩系数，该计算取1.0；γ——截面塑性发展系数，该钢管柱满足S3级要求，取γ=1.15。

该钢管柱为a类截面，对于X向，查得轴心受压构架稳定性系数φ=0.967。

根据Midas Civil计算结果可知，标准组合状态下，钢管柱所受最大轴心压力为：

该支架砂桶与钢管柱中心间距为79.5 cm，则偏心压力对钢管柱所产生的最大弯矩为：

计算可得：

则有：

故钢管柱稳定性满足规范要求。

4.3 上横梁施工

4.3.1 方案确定思路

上横梁长22.724～22.104 m，宽7.3 m，高9～6.5 m，梁顶标高1 185.825。上横梁顶板水平，底板设计为半径22 m的圆弧结构，顶底板及腹板厚度均为100 cm。在上横梁跨中位置设置一道横隔板，板厚80 cm。因此选用“钢架+贝雷梁+型钢+托架”组合。

4.3.2 支架构造

由于上横梁底板为半径22 m的圆弧，为保证梁底线形顺畅，使用L70×5等边角钢焊制定型钢架作为上横梁底膜支撑结构。钢架顶部以1 m长度作为弦长，采用以直代曲方式实现横梁底部线形调和，实际线形与理论线形最大弧高0.6 mm。支架主纵梁采用上下加强型贝雷梁，并在腹板下方各支点处设2[10槽钢加强；贝雷梁顺桥向设11片，间距（2×45+6×90+2×45）cm；横桥向设7片，支点最大间距12 m。主横梁为双拼I56a型钢。设托架于两侧塔柱上，每侧设6榀托架，布置间距为（67.5+3×180+67.5）cm，托架主梁及托架斜撑均为2I40a工字钢组合截面，每个托架设置两根2[20a箱型加强腹杆，托架与托架间使用[10槽钢作为横联。上横梁托架预埋件与下横梁托架预埋件一致。

5 组合支架关键施工技术

5.1 施工前准备

在预埋件安装时，要先确定预埋件的安装位置，再保证预埋件的垂直、横向和标高达到设计的高度，保证上下轴一致。

5.2 搭设上下梯步

在垂直方向上焊上、下简易爬梯，使用φ25钢筋在对接口处进行焊接，并设置护栏防护网。

5.3 上横梁斜撑下料

根据设计斜撑的长度和角度，在保持顶部主梁水平的前提下焊接横向的腹杆和顶部对称的钢管，在斜撑两端安装支撑的补强筋板，提升应力集中抗压水平。

5.4 吊装立柱

采用分离吊装方式，使一台塔吊同时进行吊装，将其固定在承台的预埋件上，然后进行焊接。直立柱采用先下料，后单梁吊装的方式进行施工[5]。

5.5 安装双拼I56a

在安装之前，应先对立柱的顶部进行处理（焊接内十字形钢板，在平整后再加盖板）。将工字钢置于盖板上，其盖板由2 cm厚的1 m×1 m钢板与钢管端部焊接，并在周围加上4个1 cm厚的三角劲板，保持水平，以确保主梁横向受力均衡。在工字钢两端和中部各增加1 cm的厚板，提高主梁的抗弯能力，再将其整体吊装到钢管端板的位置，用限位钢板进行焊接。