劲性骨架在无背索主塔施工中的应用

中交第三航务工程有限工程局厦门分公司　庄国卿



劲性骨架在无背索主塔施工中的应用

中交第三航务工程有限工程局厦门分公司庄国卿

该文结合漳州港内环北路桥主塔施工，论述劲性骨架在施工中的作用，探讨了劲性骨架尺寸确定及布设、劲性骨架结构计算，结果表明劲性骨架在主塔施工中能够满足结构要求。

主塔施工 劲性骨架 建立模型 计算分析

1　工程概况

漳州港内环北路桥型为无背索独塔斜拉桥、塔梁墩固结的刚构体系，主梁为钢—砼混合梁结构，主塔为钢筋砼结构，斜拉索单索面布置在中央分隔带。跨径布置为 110m+25m。钢主梁采用单箱三室斜腹板截面，顶板采用正交异性板结构，砼主梁采用单箱三室斜腹板截面预应力结构。

2　主塔施工

2.1主塔施工工艺

索塔为独塔无背斜拉异型结构，总高度 72.0m，最大倾斜角度达52.7°，有10对索。索塔分为下塔柱和上塔柱两个部分，均为实心结构。如图1所示，索塔结构尺寸为异型八边形，纵桥向从下塔柱长为 1175m 到塔顶异型变化为346.4m，横桥向结构尺寸为 3m，从下塔柱到上塔柱保持不变。塔柱分为 19个节段，其中第一节主塔与承台同时浇筑（1m），第四节与箱梁固结同时浇筑且高出箱梁 1m。主塔采用木模，借鉴爬模工艺模板施工，但每节段异型曲面、结构尺寸呈不均衡变化，每节段模板需调整尺寸，沿主塔方向分节段施工。前期利用混凝土输送泵将混凝土输送到模板内，后期利用塔吊吊运到模板内，以此完成主塔混凝土浇筑。

图1　桥梁形式示意图

2.2劲性骨架预制安装

如图2～图4所示，劲性骨架施工按分节段预制，考虑吊装难度，根据节段高度和长度，分块预制吊装，安装就位后通过75∠联系成整体。安装下一层劲性骨架时高出上一层劲性骨架混凝土面15cm，每节段高度按设计要求安装。其中劲性骨架立杆上下两节连接采用预先焊接在骨架上的坡口钢板（15cm×15cm×1cm）焊接，保证焊接质量。先用吊车将焊好在劲性骨架上坡口钢板移动到相对位置，再利用坡口钢板预先取孔，用冲钉临时固定，通过不断测量调节骨架，再设计结构位置。确定劲性骨架精度，将坡口钢板焊接固结。

图2　上下层劲性骨架连接示意图

图3　连接上下层劲性骨架钢板示意图

图4　劲性骨架上下层连接坡口钢板

3　设置劲性骨架的作用

3.1安全控制

本桥梁施工中增加劲性骨架的作用主要是承受异型面混凝土自重和侧向压力，在施工中对安全质量控制至关重要。劲性骨架在主塔设计有三个安全控制目标：第一，模板对拉螺杆作用在劲性骨架上起传递承受混凝土浇筑过程产生的荷载；第二，固定主塔钢筋，使每节段上端钢筋有可靠的支撑点；第三，施工人员在操作过程可以把安全带固定在劲性骨架上，起保护作用。

3.2质量控制

内环北路桥加设劲性骨架后，考虑到主塔钢筋密集度较大，安装难度大，在后场预制时先按结构设计图纸放样主塔模型在平整场地上，按劲性骨架施工图纸预制成整体，再分块截断运输现场安装。通过放样定位劲性骨架精确位置，分块安装劲性骨架用角钢焊接连成框架整体结构，上下分节段立杆用事先焊接在劲性骨架上的坡口钢板焊接牢固。由于主塔钢筋为双支曲线型，在钢筋安装过程，将劲性骨架按主塔钢筋间距划分区域，使钢筋安装速度加快，便于双支钢筋固定，精确定位，确保钢筋保护层。同时，在主塔施工时，劲性骨架在安装主塔索导管时，定位过程起重要作用（见图5、图6）。

图5　现场预制加工劲性骨架

图6　施工现场吊装劲性骨架

4　劲性骨架尺寸确定

4.1 结构形式

如图7所示，劲性骨架结构为桁架结构，由∠125×125×10角钢作为劲性骨架立杆，∠ 75×75×10角钢作为劲性骨架横杆和斜撑。在结构尺寸最大位置设置12根立杆，并且在受力最大的 8个角各设置立杆。劲性骨架结构比外层钢筋尺寸小5cm，使劲性骨架更易安装。

图7　劲性骨架平面布置示意图

4.2劲性骨架设计

劲性骨架沿主塔方向，按主塔节段高度设计。每节段分两层劲骨架，每层分成18小块，每个截面有杆件连接，标准块（长×宽×高=175cm×175cm×175cm）骨架组合成整体桁架结构。斜塔在混凝土施工有劲性骨架参与受力，考虑劲性骨架刚度要求，在上下层劲性骨架预留不超过15cm焊接。

5　劲性骨架计算

5.1设计荷载

正常使用最大风力: 25m/s；

最大容许承载风力: 40.3 m/s；

立杆∠125=19.133kg/m ；

横杆∠75=11.089 kg/m；

Q235 钢材容许应力:

［σ］ = 17MPa， ［τ］=85 MPa

受力荷载分析主要考虑施工时混凝土传递部分荷载、劲性骨架自重、钢筋荷载、风荷载、施工荷载。

以主塔第 9节净高度为 3.577m，其中本阶段倾角为52.7°，倾斜长度为 4.781m作为计算分析参考。劲性骨架施工工程考虑上下预留30cm长杆件，为上下层焊接。倾斜长度为5.081m，在本节段劲性骨架分为两层整体式桁架结构。

（1）劲性骨架自重荷载

按最大骨架倾斜长度为 5.081m，自重=立杆+横杆，G1=41.6kN。

（2）钢筋荷载

每延米钢筋自重g1=63.1N/m（主塔主筋采用φ32钢筋），单根钢筋最大绑扎长度 L =5.281m，其中斜截面钢筋有劲性骨架支撑部分荷载，总重G2=（63.1×5.281×16/1000）sin52.7° =4.24kN，其中竖向主筋底部通过连接套筒支撑在下层钢筋上。

（3）风荷载

风压计算: W=K1×K2×K3×K4×W0，根据《公路桥涵设计通用规范》。

其中 W0为基本风压值，W0=V为设计风速。

W0=1.02 kN·m，最大容许承载风力: V=40.3m/s；

W0=0.71 kN·m，正常使用最大风力: V =25m/s；

K1=1，为设计风速频率换算系数，K2=1.3，为风载体型系数；K3=1.3，为风压高度变化系数，K4=1.4，为地形、地理变化系数；

桁架风压: W=K1×K2×K3×K4×W0=2.41 kN/m （最大容许承载风力）；

W= K1×K2×K3×K4×W0=0.95 kN/m （正常使用最大风力）。

风荷载计算取最大值进行验算，通过分解作用在桁架结构节点。按风压对每根杆件作用进行荷载分配，取最长杆件风压计算：

F=2.41×2.801=6.75kN。

（4）混凝土作用荷载

由于混凝土施工过程对横桥向两个弧线面模板有侧向压力和部分自重，施工设计过程没有设置对拉杆件，而是通过劲性骨架进行对拉。 通过分析每层劲性骨架承受荷载，分布在桁架节点上。

按施工要求计算混凝土作用在模板上的荷载：

式中：F——新浇筑混凝土对模板的最大侧压力（kN/m3）；

γc——混凝土的重力密度（kN/m3），取25 kN/m3；

t0——新浇混凝土的初凝时间（h），可按实测确定。当缺乏实验资料时，可采用t=200/（T+15）计算；T=25°；取5h；

V——混凝土的浇灌速度（m/h），取2m/h；

H——混凝土侧压力计算位置处至新浇混凝土顶面的总高度（m）；

β1——外加剂影响修正系数，不掺外加剂时取1；添加外加剂时取1.2；

β2——混凝土塌落度影响系数，当塌落度小于 30mm时，取0.85；50～90mm时，取1；110～150mm时，取1.15。

其中混凝土自重（35°）为15.2 kN/m2，取二者中的较小值，F=53.7 kN/m2作为模板侧压力的标准值，并考虑倾倒混凝土产生的水平载荷标准值（4kN/m2），分别取荷载分项系数 1.2 和1.4，则作用于模板的总荷载设计值为：

q=53.7×1.2+4×1.4=70 kN/m2；

合计：q=70+15.2=85.2 kN/m2。

施工现场对拉螺栓采用D20螺杆；纵向间距为1200mm，横向间距为 1300mm。考虑劲性骨架分层高度和螺杆布置不

一，验算按最不利情况计算。

按对拉螺栓经验公式计算如下：N≤A×f。

第一层取纵向间距为2800mm，横向间距为1200mm。N=1.2×2.8×85.2=286.27kN

第二层取纵向间距为1980mm，横向间距为1200mm。

N=1.2×1.98×85.2=202.435kN

5.2结构计算分析

本文利用 Midas civil进行建模计算。劲性骨架底端埋设在混凝土中，设为刚接支座。劲性骨架构架之间均采用焊接，设为刚性连接。分别将各种荷载进行加载，建立其受力模型。

工况: 正常施工工况

荷载组合: 劲性骨架自重荷载 + 钢筋自重 + 混凝土施工荷载+风荷载

（1）建立模型

利用 Midas civil 建立主塔第 9节段劲性骨架模型如图9～图10所示。

图8　劲性骨架结构模型图

图9　劲性骨架实体模型图

（2）内力和应力计算模型

利用 Midas civil对劲性骨架在荷载工况作用下的内力和应力进行分析。

图10　劲性骨架内力模型图

图11　劲性骨架应力模型图

经计算工况，自重作用下产生内力和应力值最大，根据建模分析，均满足要求。

6　劲性骨架在工程中的应用

内环北路桥劲性骨架设计从安全优质和节约成本的原则出发，从下塔柱和承台连接处施工时开始安装劲性骨架。从施工措施过程、安装劲性骨架后钢筋绑扎时可以利用劲性骨架定位，钢筋的安装精度较高，保护层厚度得到了良好的控制。同时，斜拉桥主塔塔柱施工工艺复杂，需要控制测量、质量的地方较多，对塔柱的外形要求很高，具有足够刚度的劲性骨架作为塔柱施工的支撑体系，能很好地控制塔柱的外形，为其他工作能够高质量完成提供平台。

安装劲性骨架后，结构物和施工人员的安全程度有了明显提高。从受力作用要求，由于横桥向斜截面的倾斜角度大，靠对拉螺杆无法保证整体稳定要求。设计过程利用劲性骨架参与混凝土施工过程受力，把对拉螺杆固定在劲性骨架的受力形式，提高混凝土浇筑过程整体稳定性。

7　结束语

通过在主塔施工过程中安装劲性骨架，解决混凝土浇筑过程的整体稳定性要求，以及主塔施工作业中钢筋骨架的定位问题，充分说明了使用劲性骨架在安全、质量控制方面能收到良好的效果。

［1］ 住建部.城市桥梁工程与质量验收规范， CJJ2-2008［S］.

［2］ 程文瀼等.混凝土结构（中册）-混凝土结构与砌体结构设计［M］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

［3］ 桥梁工程软件midas Civil使用指南.

［4］ 住建部.公路桥涵施工技术规范， JTG/TF50-2011［S］.

［5］ 住建部.钢结构设计规范， GB50017-2003［S］.