超寬大跨度不對稱斜拉橋索塔橫梁施工技術(shù)研究

王勤榮

(中鐵二十四局集團有限公司 上海 200433)

1 工程概況

某大橋主橋為獨塔雙索面混凝土主梁斜拉橋，跨越長湖申運河，跨徑149＋100＝249 m，采用索塔、主梁、墩臺固結(jié)體系。該橋以混凝土雙主肋為主梁，索塔塔柱平行豎立，呈“H”型，斜拉索布置成扇形雙索面。主橋立面位于豎曲線R＝1 800 m的凸曲線上，主橋平面靠近主梁端頭有15 m處在緩和曲線上，其余部分都位于直線段上，結(jié)構(gòu)中心線與道路中線最大偏差5 cm，通過懸臂段調(diào)節(jié)[1]。橋梁結(jié)構(gòu)如圖1所示。

索塔采用C50混凝土，橫向為“H”形索塔，高度達83.5 m，橋面以上部分高74 m，塔柱中心間距為27.5 m。索塔橫梁距離橋面高度為48.60 m，采用空腹矩形截面，橫梁跨度23.5 m，跨中梁高3.0 m，寬4.0 m，跨中頂、底板厚0.4 m，腹板厚0.5 m；根部梁高5.0 m，寬6.0 m，根部頂、底板厚0.7 m，腹板厚0.8 m；跨中至根部的頂、底板厚度在5.5 m長度范圍內(nèi)線性變化過渡。索塔橫梁采用了8束φS15.2-19高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，橫梁中間設(shè)置厚0.3 m的橫隔板。索塔橫梁結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 索塔橫梁結(jié)構(gòu)(單位：cm)

2 索塔橫梁施工方案設(shè)計

塔身橫梁施工支架采用懸空組合支撐體系，支架完成預(yù)壓后，進行模板拼裝和鋼筋綁扎焊接，最后進行橫梁混凝土澆筑施工。為縮短工期，橫梁與塔柱施工異步，即在塔柱施工過橫梁后，到達第15節(jié)段時，進行橫梁施工。橫梁施工采用懸空支架，拼裝式鋼牛腿通過鋼棒及精軋螺紋鋼拉桿支撐于塔身內(nèi)側(cè)，安裝梁系及底板支撐支架，安裝鋼筋、預(yù)應(yīng)力管道、模板后進行施工。支架系統(tǒng)主要包括鋼牛腿、牛腿上分配鋼梁、加強型貝雷桁架梁、貝雷上工字鋼分配梁、碗扣式腳手架系統(tǒng)等[2-3]。支架系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示。

圖2 橫梁支架系統(tǒng)立面圖(單位：cm)

2.1 鋼板牛腿與分配鋼梁

(1)鋼板牛腿

鋼牛腿與塔身采用拼裝式連接，索塔鋼筋混凝土澆筑時，在索塔相應(yīng)的位置按設(shè)計尺寸預(yù)留孔洞，作為鋼牛腿與索塔連接的孔道。鋼板牛腿上部與索塔采用8根φ32 mm，屈服強度為PSB830的精軋螺紋鋼筋及配套螺母連接，鋼板牛腿下部與索塔采用4根φ120 mm鋼棒連接固定[4]。精軋螺紋鋼的作用是防止鋼牛腿繞鋼棒轉(zhuǎn)動，而鋼棒的作用是防止鋼牛腿沿塔身下滑。牛腿結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(2)分配鋼梁

鋼牛腿上分配梁采用焊接鋼箱梁，箱梁高80 cm，寬50 cm，鋼板均采用厚度25 cm，材質(zhì)Q235。為防止分配鋼梁在鋼牛腿頂部滑動，在分配梁兩側(cè)設(shè)置擋板。分配梁如圖4所示。

圖4 分配梁結(jié)構(gòu)(單位：mm)

2.2 貝雷梁與碗扣式腳手架

(1)貝雷梁

索塔橫梁采用加強型貝雷梁作為承載桁架梁，為滿足23 m要求，采用7×3 m＋1.5 m＋0.5 m組合方式。根據(jù)索塔橫梁斷面分布情況，順橋向采用19道加強型貝雷梁，在位置腹板變化范圍內(nèi)設(shè)置6道加強型貝雷梁，底板下設(shè)置5道加強型貝雷梁。

(2)碗扣式腳手架

索塔橫梁下部碗扣式支架橫橋方向設(shè)置39排，順橋方向設(shè)置19排，橫橋方向(縱距)間距0.60 m；順橋方向腹板下間距0.30 m，底板下間距0.60 m。碗扣支架支撐在貝雷梁頂 14工字鋼上。鋼管φ48 mm，壁厚3.0 mm。碗扣支架根據(jù)構(gòu)造要求設(shè)置剪刀撐。

3 橫梁支架鋼板牛腿設(shè)計

3.1 鋼板牛腿分析建模

拼裝式鋼牛腿為索塔橫梁支架的主要傳力構(gòu)件，橫梁與支架重力以剪力形式傳遞到鋼牛腿、鋼棒和精軋螺紋鋼至索塔立柱，因此，應(yīng)對其進行受力狀態(tài)分析。鋼牛腿板件、鋼棒和混凝土塔壁采用Solid45實體單元模擬[5]；精軋螺紋鋼采用單元Link8模擬；牛腿端板與塔壁、鋼棒的接觸關(guān)系采用接觸單元Conta175和Targe170模擬，不考慮牛腿端板與塔壁間的摩擦。

邊界條件:建立5 m高塔壁的1/2模型，對塔壁底部進行固結(jié)，索塔中面進行對稱約束；荷載:根據(jù)分配梁與墊板T8的作用面積，以面荷載的形式施加到墊板T8上[6]。通過對索塔橫梁鋼牛腿實體分析，計算分析鋼牛腿整體受力狀態(tài)、鋼牛腿各板件應(yīng)力狀態(tài)、鋼棒應(yīng)力狀態(tài)、精軋螺紋鋼受力狀態(tài)。

3.2 計算分析結(jié)果

鋼板牛腿總體應(yīng)力與縱向豎向位移分布如圖5所示，應(yīng)力結(jié)果均為米塞斯應(yīng)力。

圖5 鋼牛腿總體應(yīng)力與位移分布

(1)鋼牛腿應(yīng)力與位移

由圖5可知，鋼牛腿端板頂面與塔壁脫開間隙最大為2.8 mm，支承位置最大豎向位移約2.6 mm，除局部應(yīng)力集中點外，各板件應(yīng)力狀態(tài)在180 MPa以內(nèi)，均滿足變形位移和強度要求[7]。

(2)板件應(yīng)力

計算分析可知，除與鋼棒接觸位置外，牛腿端板整體應(yīng)力水平較低，與鋼棒接觸位置應(yīng)力在140 MPa以內(nèi)。牛腿頂板及支承墊板整體應(yīng)力水平較低，在70 MPa以內(nèi)。

牛腿腹板應(yīng)力呈現(xiàn)外側(cè)腹板應(yīng)力小，中間腹板應(yīng)力大的分布，中腹板于支承墊板正下方應(yīng)力在100 MPa以內(nèi)，腹板下緣出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，最大約210 MPa。

牛腿頂板上的加勁板應(yīng)力呈現(xiàn)外側(cè)應(yīng)力較大，中間應(yīng)力較小的趨勢，最大應(yīng)力在100 MPa以內(nèi)。牛腿頂板外側(cè)下加勁板應(yīng)力水平較低，中間加勁應(yīng)力較大，最大應(yīng)力在190 MPa以內(nèi)[8]。

(3)鋼棒與精軋螺紋鋼應(yīng)力

鋼棒最大應(yīng)力在220 MPa以內(nèi)，環(huán)向加勁與鋼棒接觸的最大應(yīng)力在180 MPa以內(nèi)。最上面排精軋螺紋鋼應(yīng)力為110 MPa，中間排精軋螺紋鋼應(yīng)力為86 MPa，最下面排精軋螺紋鋼應(yīng)力為15 MPa。上述結(jié)構(gòu)應(yīng)力均滿足強度要求。

4 橫梁支架安裝與拆除施工

4.1 橫梁支架安裝

測量放樣→安裝A、B支點鋼板牛腿→安裝A、B支點鋼板牛腿上承載分配鋼梁→按設(shè)計間距、部位安裝貝雷梁→安裝貝雷梁上順橋方向 14工字鋼梁→按設(shè)計間距、部位搭設(shè)φ48×3.5碗扣式支架→按線形調(diào)整頂托高度→安裝橫梁底模→支架系統(tǒng)預(yù)壓→下步工序施工[9]。

測量塔柱頂?shù)南嚓P(guān)參數(shù)，包括標(biāo)高、斷面尺寸、軸線位置、垂直度等。橫梁支架安裝利用主塔塔機安裝，桁架安裝時，先在主梁B0梁段上拼接組裝，再利用兩個塔機起吊，然后在索塔上安裝。

4.2 橫梁混凝土澆筑

橫梁混凝土采取一次性灌注，先澆筑底板、腹板，然后澆筑頂板混凝土。澆筑底板時，從兩側(cè)塔柱向橫梁的中部水平分層灌注混凝土；澆筑頂板時，從橫梁的中部向兩側(cè)塔柱分段灌注混凝土?；炷凉嘧⒉捎眯毕蚍侄嗡椒謱拥氖┕し椒?，坍落度控制在14～16 cm。在灌注混凝土前，應(yīng)在模板上標(biāo)記出分段灌注的長度、坡度、起止時間等，以便負(fù)責(zé)振搗的人員在本層振搗完畢后的交接班。

4.3 橫梁支架拆除

支架拆除同樣利用主塔塔機，預(yù)應(yīng)力張拉完成后，清理底模雜物并利用1.5 t吊裝袋打包，然后用塔吊運至地面，工序關(guān)鍵措施如圖6所示。橫梁投影面下各方向擴寬6 m設(shè)置警戒線，并設(shè)置0.5 m厚緩沖層，防止支架拆除過程中墜物傷人[10]。

圖6 貝雷梁拆除工序關(guān)鍵措施示意

(1)底模、腳手架及工字鋼分配梁拆除

底模拆除首先下放腳手架上頂托，使底模模板與混凝土脫離，依次抽出底模竹膠板、方木、縱向分配鋼管。按照“縱橋向?qū)ΨQ均衡、橫橋向基本同步”的原則，由外向內(nèi)，由兩側(cè)向中間分階段循環(huán)對稱拆除腳手架。拆除腳手架后抽出 14工字鋼分配梁，利用塔吊打捆運至地面。

(2)加強型貝雷梁拆除

因單片貝雷梁寬度較窄，拖拉過程中容易發(fā)生傾覆，拆除前貝雷梁片應(yīng)進行重新重組。可將單片的貝雷梁與雙拼貝雷梁組合，并利用U型卡扣緊。

貝雷組橫移前首先要加固牛腿頂分配鋼梁及鋼牛腿，將分配鋼梁與鋼牛腿焊接在一起，防止貝雷橫移時分配鋼梁發(fā)生側(cè)翻，同時在分配鋼梁兩端利用∠7×7角鋼加焊寬1.2 m，高1.2 m的工作平臺。利用兩個5 t手拉葫蘆將重新分組的貝雷片拖移至橫梁外側(cè)，拖移貝雷組時利用混凝土橫梁頂面的卷揚機鋼絲繩為保險，防止貝雷組拖移過程中傾倒或由于拖移不同步造成貝雷組墜落。

貝雷組拖移到位后(距離分配鋼梁邊40 cm)，利用兩臺6015型塔吊將貝雷組吊運至地面，注意兩臺塔吊必須同步作業(yè)。

(3)牛腿頂分配梁及鋼牛腿拆除

貝雷片拆除后，在混凝土橫梁頂面布置兩臺卷揚機及滑輪，將焊接在一起的分配鋼箱梁和鋼牛腿吊起，利用牛腿下操作平臺拆除固定鋼牛腿的精軋螺紋鋼及鋼棒，用卷揚機將分配鋼箱梁及鋼牛腿整體下放到地面，注意兩臺卷揚機要同步作業(yè)，嚴(yán)禁失衡。分配鋼梁及鋼牛腿拆除后，利用塔吊吊籃拆除鋼牛腿下操作平臺[11]。

5 結(jié)束語

該大橋索塔橫梁具有結(jié)構(gòu)自重大(500 t)、位置高的特點，在施工方法與工藝上進行了一系列的優(yōu)化，各項檢驗均達到優(yōu)良，取得了成功的橫梁施工經(jīng)驗[12]。

(1)通過橫梁支架方案比選，放棄了傳統(tǒng)的滿堂式落地支架、高空斜撐支架等技術(shù)風(fēng)險高和經(jīng)濟效益不顯著的施工方案，研制了一種新型高空牛腿，上部承重托梁、貝雷梁和支架模板系統(tǒng)的新型支架方案，達到了節(jié)省成本、加強施工安全、提高工作效率以及保證工程質(zhì)量的效果。

(2)對橫梁進行了預(yù)拱度設(shè)置，有效抵消橫梁向下?lián)隙?，保證了橫梁良好的視覺效果。

(3)在橫梁高度中心處塔柱設(shè)置向外預(yù)偏5 mm，對第15節(jié)段頂部設(shè)置向外預(yù)偏8 mm，能有效解決橫梁施工時塔柱向內(nèi)(橫橋向)產(chǎn)生位移的問題。