主塔下橫梁支架結(jié)構(gòu)分析

趙 冉 楊峻熙

(中交二航局第二工程有限公司， 重慶 401121）

在大跨度懸索橋和斜拉橋中，橫梁作為主塔重要的連接和傳力結(jié)構(gòu)，是設(shè)計(jì)和施工中的重要環(huán)節(jié)[1]。下橫梁結(jié)構(gòu)具有尺寸較大、高度較高的特點(diǎn)，施工中一般分次澆筑，工藝較多，且分次澆筑時(shí)混凝土是否開(kāi)裂，為避免這一施工情況是否需提前張拉預(yù)應(yīng)力，因此面對(duì)諸如施工問(wèn)題如何利用安全經(jīng)濟(jì)的支架系統(tǒng)完成下橫梁施工是一項(xiàng)重要的技術(shù)課題。文中以東江南支流港灣大橋主塔下橫梁支架為例，對(duì)支架系統(tǒng)及橫梁混凝土應(yīng)力進(jìn)行了詳細(xì)的驗(yàn)算分析。

1 工程概況

東江南支流港灣大橋位于廣東省東莞市，跨越東江南支流連接沙田鎮(zhèn)阇西村與坭洲島， 為東南- 西北走向。 主橋?yàn)樽藻^式懸索橋， 橋長(zhǎng)60+130+320+130+65=705m。主橋橋塔是由塔柱、橫梁組成的門(mén)式框架結(jié)構(gòu)，上塔柱為普通鋼筋混凝土，橫梁和下塔柱為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。下橫梁為C50 預(yù)應(yīng)力空心箱形截面，梁高6m，寬5m，頂?shù)装鍢?biāo)準(zhǔn)厚度均為0.8m，腹板厚度為1.2m，標(biāo)準(zhǔn)橫梁設(shè)三道橫隔板，橫隔板厚度0.8m。下橫梁混凝土方量共625m3，總重約1625t。

下橫梁與塔肢異步施工，即塔肢施工過(guò)下橫梁位置后再進(jìn)行下橫梁施工。下橫梁施工采用落地支架法，先對(duì)預(yù)先施工的塔肢進(jìn)行鑿毛處理，之后混凝土分二次進(jìn)行澆筑，第一次澆筑高3.0m，混凝土方量320m3，第二次澆筑高3.0m，混凝土方量305m3，澆筑完成待強(qiáng)度達(dá)到要求后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力施工。

2 設(shè)計(jì)概況

下橫梁支架形式為鋼管少支架+牛腿支架的支撐體系[2]，共設(shè)置10 根Ф800×10mm 鋼管立柱，鋼管支承于承臺(tái)上；鋼管立柱間設(shè)置Ф426×6mm 鋼管支撐。標(biāo)準(zhǔn)斷面處支架上部結(jié)構(gòu)從上至下依次為： 10mm 厚鋼面板，橫向分配梁采用型鋼I25，主縱梁選用型鋼I56，主橫梁選用型鋼3I56，卸荷塊為3I25。鋼立柱橫橋向?qū)?yīng)橫隔板位置布置，間距為5m+7m+7m+5m，順橋向間距為4m；鋼立柱豎向每8m 設(shè)置一道Ф426×6mm 平聯(lián)，順橋向平聯(lián)間設(shè)置Ф426×6mm 斜撐；分配梁I25間距0.4m；主縱梁I56 標(biāo)準(zhǔn)間距為1m，腹板處加密至0.5m。下橫梁倒角處牛腿支架結(jié)構(gòu)從上至下依次為： 10mm 厚鋼面板，橫向分配梁采用型鋼2[20，三角撐上弦為2[20，腹桿為[20，牛腿采用2I40。分配梁2[20 間距0.3m，橫梁?jiǎn)蝹?cè)設(shè)置三角撐及牛腿共三組，三角撐豎向高度為1.1m。支架斷面圖如下：

圖1 下橫梁支架斷面（單位：cm）

3 荷載及荷載組合

結(jié)合施工工藝的要求，為確保結(jié)構(gòu)具有較高的安全性，下橫梁支架在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)主要考慮以下幾種荷載及荷載組合。

1）混凝土容重：26kN/m3；2）鋼材容重：78.5kN/m3；3）施工及人群荷載：2.5kN/m2；4）振搗荷載：2.5kN/m2；6）施工風(fēng)速：20.0m/s（基本風(fēng)壓W0=0.25kN/m2） ，最大風(fēng)速：V=35.4m/s（基本風(fēng)壓W0=0.78kN/m2）。

工況1：支架搭設(shè)完成，考慮最大設(shè)計(jì)風(fēng)速35.4m/s，該工況不進(jìn)行混凝土澆筑。工況2：待第一次混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后進(jìn)行第二次混凝土澆筑，考慮施工風(fēng)速20m/s。工況2 時(shí)第一次混凝土已形成剛度，第二次混凝土的澆筑荷載主要由第一次混凝土傳遞至塔肢，因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)支架荷載考慮為第一次澆筑的全部重量加上第二次澆筑重量的40%。根據(jù)上述情況對(duì)支架的計(jì)算進(jìn)行2 種工況組合[4],工況組合如表1。

表1 支架荷載組合情況統(tǒng)計(jì)

4 設(shè)計(jì)計(jì)算

利用Midas Civil 計(jì)算軟件整體建模，采用整體結(jié)構(gòu)加荷載的形式對(duì)下橫梁支架的強(qiáng)度及穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算[3]。模型中鋼板為板單元；橫向分配梁、主縱梁、主橫梁、三角撐分配梁及上弦桿均為梁?jiǎn)卧?，鋼立柱為梁?jiǎn)卧?，支撐及三角撐腹桿為桁架單元。材料自重及各種荷載的荷載系數(shù)均由軟件計(jì)入，鋼管立柱底部、連墻件及牛腿預(yù)埋件處均為固結(jié)，主橫梁與鋼管立柱頂面采用剛性連接（鉸接），各層梁系之間采用彈性連接（Z 向彈簧剛度較大，X、Y 向彈簧剛度較?。?。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，支架結(jié)構(gòu)采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法計(jì)算[4]。

4.1 強(qiáng)度計(jì)算

強(qiáng)度計(jì)算中取基本組合計(jì)算，即考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)影響，其中恒載分項(xiàng)系數(shù)為1.35，可變荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.4。經(jīng)分析工況1 時(shí)支架上部結(jié)構(gòu)受力較小可忽略不計(jì)，下部結(jié)構(gòu)構(gòu)件計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1；工況2 時(shí)支架受力較不利，其構(gòu)件計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1。

表1 下橫梁支架各構(gòu)件計(jì)算結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)

表2 下橫梁支架各構(gòu)件計(jì)算結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知：分配梁I25 的組合應(yīng)力最大，其值為161.7MPa，小于鋼材的組合強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 215f = MPa；主橫梁3I56 的剪應(yīng)力最大，其值為50.3MPa，小于鋼材的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 fv= 125 MPa；各受力構(gòu)件強(qiáng)度均滿(mǎn)足規(guī)范要求。該工況下支架最大水水平位移為7.5mm，最大豎向位移為16.2mm，均小于L/400 因此剛度滿(mǎn)足要求。

4.2 穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)實(shí)際施工過(guò)程，對(duì)支架在兩種工況下進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。取恒載為常量，可變荷載為變量，不考慮上部結(jié)構(gòu)對(duì)支架的約束作用，對(duì)其進(jìn)行屈曲分析，算得工況1 下支架失穩(wěn)為局部失穩(wěn)，臨界失穩(wěn)荷載系數(shù)51.1＞4，結(jié)構(gòu)安全可靠[5]；算得工況2 下支架失穩(wěn)為局部失穩(wěn)，臨界失穩(wěn)荷載系數(shù)18.4＞4，結(jié)構(gòu)安全可靠。

4.3 預(yù)埋件計(jì)算

支架預(yù)埋件錨板厚均為20mm，錨筋為HRB400Φ25。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》9.7 節(jié)對(duì)預(yù)埋件進(jìn)行受力計(jì)算[6]。柱腳預(yù)埋件為受壓型預(yù)埋件，錨筋僅作為構(gòu)造作用。錨筋錨固長(zhǎng)度不小于15d=375mm，實(shí)際長(zhǎng)度取500mm，設(shè)置12 根錨筋。附墻預(yù)埋件主要承受拉、彎、剪載荷。法向拉力N=39.4 kN，彎矩M=72.8kN.m，剪力V=45.3kN。錨筋的總截面面積，實(shí)際設(shè)置8 根錨筋，其作用面積，錨固長(zhǎng)度，實(shí)際長(zhǎng)度取600mm。牛腿預(yù)埋件主要承受壓、彎、剪載荷。法向壓力N=39.8 kN，彎矩M=115.0kN.m，剪力V=201.2kN。錨筋的總截面面積，實(shí)際設(shè)置12 根錨筋，其作用面積，錨固長(zhǎng)度，實(shí)際長(zhǎng)度取600mm。綜上可知，預(yù)埋錨筋的數(shù)量及錨固長(zhǎng)度均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

5 下橫梁混凝土受力分析

第一次下橫梁混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行第二次混凝土澆筑，分析該工況下第一次下橫梁混凝土的應(yīng)力是否滿(mǎn)足要求。該工況下需考慮支架與塔肢參與受力，采用Midas Civil 建模分析，下橫梁及塔肢均設(shè)置為梁?jiǎn)卧?，兩者按剛接連接考慮，塔肢底部固結(jié)。因支架參與受力，第一次橫梁混凝土處于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)，即考慮剛度，不考慮其自重。第二次混凝土的澆筑荷載以線(xiàn)荷載的形式作用在第一次混凝土的梁?jiǎn)卧稀M梁應(yīng)力如下圖2、圖三3：

圖2 第一次橫梁混凝土頂部應(yīng)力（單位：MPa）

圖3 第一次橫梁混凝土底部應(yīng)力（單位：MPa）

由上圖可知，下橫梁第一次混凝土最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在頂部處，最大拉應(yīng)力為2.1MPa。

因此澆筑第二次混凝土?xí)r已澆筑下橫梁的應(yīng)力滿(mǎn)足規(guī)范要求，不需要進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張力。該工況

下鋼管支反力為169.5t,牛腿支反力為50.7t，總反力為220.2t，因此第二次澆筑混凝土?xí)r傳遞至支架的荷載占比第二次澆筑混凝土荷載總量的比例為28%，本支架實(shí)際計(jì)算時(shí)取第二次混凝土荷載的40%考慮，計(jì)算結(jié)果偏安全，因此可適當(dāng)優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)。

6 結(jié)束語(yǔ)

下橫梁支架安裝與下塔肢施工可同步進(jìn)行，待塔肢施工過(guò)下橫梁位置后進(jìn)行下橫梁混凝土澆筑，不影響主塔施工進(jìn)度，保證了施工質(zhì)量和工期，因此采用落地支架的形式較為合理。通過(guò)對(duì)東江南支流港灣大橋下橫梁支架的計(jì)算，支架在各工況荷載組合下支架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及預(yù)埋件受力均滿(mǎn)足規(guī)范要求，分次澆筑時(shí)混凝土應(yīng)力滿(mǎn)足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。通過(guò)計(jì)算分析優(yōu)化混凝土荷載取值，合理設(shè)計(jì)支架結(jié)構(gòu)形式，可節(jié)約工程成本，可為今后類(lèi)似工程提供設(shè)計(jì)參考。