懸索橋索塔變截面段支撐系統(tǒng)方案比選分析

楊茗欽，秦振輝，熊明茂

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

懸索橋索塔是支撐主纜纜索的重要構(gòu)件，為適應(yīng)主纜垂度，索塔一般設(shè)計(jì)為高聳結(jié)構(gòu)。索塔的主要材料形式有鋼索塔及鋼筋混凝土索塔兩種，目前國(guó)內(nèi)大部分懸索橋索塔設(shè)計(jì)以鋼筋混凝土索塔為主。索塔受力主要為豎向荷載，為減輕索塔自重，國(guó)內(nèi)懸索橋在索塔截面設(shè)計(jì)上通常采用箱型截面形式。為保證索塔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，索塔截面尺寸在索塔橫梁處通常會(huì)將混凝土厚度增大，此處的變截面段混凝土支撐系統(tǒng)與一般段不同，需另行設(shè)計(jì)[1-4]。支撐系統(tǒng)以托架及門架的形式為主，故本文將從內(nèi)腔圓形格子梁托架、內(nèi)腔K型托架、格子梁門架3種支撐方案對(duì)變截面段支撐系統(tǒng)方案進(jìn)行比選。

1 變截面段工程概況

龍門大橋?yàn)槟壳皬V西在建最大跨徑懸索橋，索塔采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，截面形式為圓形空腔箱型結(jié)構(gòu)，混凝土最薄處厚度為1 m。索塔高174 m，分30層進(jìn)行澆筑。其中索塔S26節(jié)段處，節(jié)段頂面與索塔上橫梁底面平齊，索塔從箱型截面變化為實(shí)心段，內(nèi)部空腔從6 m圓形變化為2 m×2 m人孔。S26節(jié)段高3.4 m，其中箱型截面處高1.1 m，實(shí)心人孔段高2.4 m。S26變截面段結(jié)構(gòu)模型見圖1。

圖1 龍門大橋東索塔S26變截面段模型圖

索塔S26變截面段外側(cè)面采用液壓爬模作為支撐，6 m圓形內(nèi)腔設(shè)置鋼圓筒進(jìn)行支撐，人孔側(cè)面設(shè)置木模板及鋼管進(jìn)行支撐。節(jié)段從圓形內(nèi)腔變?yōu)槿丝滋?，需另外進(jìn)行支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以承載實(shí)心段的混凝土豎向荷載。

2 內(nèi)腔圓形格子梁托架方案

圓形格子梁在地面進(jìn)行加工后，整體吊運(yùn)至索塔內(nèi)腔進(jìn)行安裝，考慮存在加工誤差及預(yù)留焊接余量，故格子梁各尺寸比內(nèi)腔尺寸小3～5 cm，也更便于支架整體下放至安裝位置。

圖2 內(nèi)腔圓形格子梁托架Midas Civil模型圖

表1 內(nèi)腔圓形格子梁托架主要構(gòu)件計(jì)算結(jié)果匯總表

圖3 內(nèi)腔圓形格子梁托架施工立面圖

圓形格子梁與內(nèi)腔的鋼圓筒焊接節(jié)點(diǎn)多，為減少吊裝格子梁主框架的焊接作業(yè)，故在各節(jié)點(diǎn)處預(yù)先安裝牛腿，支架安裝時(shí)，僅需將格子梁主框架放置于牛腿上穩(wěn)固即可完成吊裝作業(yè)，后續(xù)再進(jìn)行牛腿與格子梁的焊接。而在索塔內(nèi)腔焊接牛腿與格子梁，作業(yè)高度>150 m，屬于高空作業(yè)，作業(yè)前還需在牛腿下方進(jìn)行平臺(tái)的搭設(shè)。

施工完成后，圓形格子梁拆除較為困難。因索塔內(nèi)腔底部未設(shè)有門洞，且索塔向內(nèi)側(cè)存在一定傾角，因此向下拆除易對(duì)內(nèi)腔的鋼圓筒防腐體系產(chǎn)生損壞。故僅能將支架拆解成散件，再將散件向上從人孔內(nèi)緩慢抽出，支架拆除效率較為低下，耗費(fèi)人力及機(jī)械成本高。

3 內(nèi)腔K型托架

圖4 內(nèi)腔K形托架Midas Civil模型圖

表2 內(nèi)腔K型托架主要構(gòu)件計(jì)算結(jié)果匯總表

圖5 內(nèi)腔K形托架施工立面圖

施工前，完善托架根部焊接位置的平臺(tái)，并提前將K型托架牛腿處位置的鋼圓筒進(jìn)行打磨，便于安裝托架時(shí)進(jìn)行焊接作業(yè)。K型托架在地面加工完成后，使用塔式起重機(jī)逐片將K型托架片吊運(yùn)至安裝位置，并將托架焊接至索塔內(nèi)腔鋼圓筒上，完成K型托架的安裝。

施工完成之后，內(nèi)腔K型托架的拆除考慮到對(duì)索塔內(nèi)腔鋼圓筒防腐體系的保護(hù)及索塔傾角帶來(lái)的影響，此方案的支架拆除方式也與內(nèi)腔圓形格子梁托架拆除方式一致。將K型托架各構(gòu)件拆解為散件后，從上方人孔將其拆出。

4 格子梁門架

圖6 格子梁門架Midas Civil模型圖

表3 格子梁門架主要構(gòu)件計(jì)算結(jié)果匯總表

圖7 格子梁門架施工立面圖(mm)

5 方案比選及實(shí)施效果

從支架的結(jié)構(gòu)受力、安裝難度、拆除難度、經(jīng)濟(jì)性及作業(yè)安全性方面對(duì)以上3種支撐系統(tǒng)方案進(jìn)行比對(duì)。3種方案的優(yōu)劣對(duì)比如表4所示。

通過(guò)對(duì)3種支撐系統(tǒng)方案進(jìn)行比對(duì)發(fā)現(xiàn)，采用在索塔內(nèi)腔搭設(shè)支撐系統(tǒng)的方式，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較高，作業(yè)人員施工操作難度大。另外，在索塔內(nèi)腔安裝支撐系統(tǒng)，后續(xù)需對(duì)索塔內(nèi)腔鋼圓筒進(jìn)行涂裝修復(fù)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)防腐施工不利。

考慮作業(yè)安全性、支架安拆的操作便捷性及經(jīng)濟(jì)性。選擇格子梁門架的變截面段支撐方案，格子梁門架提前加工，變截面段施工影響索塔施工僅2 d。目前龍門大橋東岸索塔已順利封頂，變截面段施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過(guò)程安全有序，施工效率及質(zhì)量高。

表4 不同施工方案優(yōu)劣對(duì)比分析表

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)索塔變截面段支撐系統(tǒng)提出3種支撐方案并進(jìn)行有限元模擬分析，認(rèn)為3種方案從結(jié)構(gòu)及受力上均可行。其中，內(nèi)腔圓形格子梁托架、內(nèi)腔K型托架兩種方案于索塔內(nèi)腔進(jìn)行支架搭設(shè)，支架搭設(shè)操作便捷性不高，且存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。雖然這兩種方案支架材料可以進(jìn)行周轉(zhuǎn)，但是支架拆卸難，且對(duì)索塔內(nèi)腔的鋼圓筒造成破壞，進(jìn)行鋼圓筒涂裝修復(fù)也需要較多成本，修復(fù)質(zhì)量要求高。最終現(xiàn)場(chǎng)采用在已澆筑節(jié)段上設(shè)置立柱并安裝格子梁門架的方式，雖然此方案材料為一次性投入不可周轉(zhuǎn)，但施工操作簡(jiǎn)便，安全風(fēng)險(xiǎn)低，且不會(huì)對(duì)索塔鋼圓筒產(chǎn)生損壞。經(jīng)過(guò)綜合比選，門架格子梁的支撐系統(tǒng)方案為最優(yōu)方案，現(xiàn)場(chǎng)已采取此方案指導(dǎo)施工，施工安全及質(zhì)量均得到有效保證，實(shí)施效果良好。