分离式承台塔柱下横梁大跨度支架设计与施工

龚永灿

(贵州省公路开发有限责任公司，贵州 贵阳 550081)

1 技术背景

官厅水库大桥是淮河以北第一大跨度悬索桥，该桥建成将为实现京津冀一体化发展发挥巨大作用。大桥设计为210 m+720 m+210 m双塔单跨悬索桥，分离式承台桩基础，主塔设计为门式框架结构，塔柱高107.8 m，设两道横梁。

下横梁为预应力混凝土单箱单室结构，高7 m，横桥向长约32.08 m，顺桥向宽6.6 m，壁厚均为0.8 m，连接塔柱端为实体结构。下横梁上设2.32×3.3 m引桥支墩。

2 支架方案研究

2.1 支架结构形式

落地支架与整体稳定支架常包括钢管支架、纵梁、卸落设备、分配梁、底模等组成部分。根据初步方案设计，结合实际地质条件，落地支架设计为常规打入钢管桩基础。

而整体稳定支架按照横梁荷载传递到稳定的分离式承台基础，荷载按照从上往下传递：模板→方木→横向分配梁→纵向分配梁→垫座→钢管柱，底模为18 mm厚竹胶板，方木尺寸为100×120 mm，方木在腹板处为150 mm间距，I45a横向分配梁间距为1 000 mm，纵向分配梁设计为2HM588×300，纵向分配梁靠近塔柱段用腹板加强，垫座设计为2HW588腹板加强，钢管柱设计为φ820×8，φ820×16。

经过以往实践经验和方案初步计算，两种支架技术均可行，落地支架材料总体用量240.6 t，整体稳定支架结构用料205.4 t，均为市场常用型钢、钢管材料，备料方便。

2.2 优化支架拆除方案

支架拆除一般是支架安装的逆过程，如何确保大型高墩支架安全拆除是支架结构设计必须考虑的重要技术措施。

常规支架通过砂筒或钢楔块卸载，采用横移法或整体下落法进行拆除施工。优化方案设计将支架纵横梁体系直接落在钢管立柱上，不设支架卸落设备，一方面减小大型支架承载变形量，提高大跨度大断面横梁施工质量。拆除方法是在支架纵向主梁上设置预留孔，预留孔直通横梁顶，在横梁施工完成后，通过精轧螺纹钢及锚固体系将支架提起，直接环切钢管立柱，然后通过千斤顶设备将支架逐步卸落到地面进行解体。

拆除装置包括：PSB830级φ32精轧螺纹钢，精轧螺纹钢专用锚垫板、锚固器和连接器，50 t机械千斤顶，垫梁。

2.3 工艺控制分析

落地式支架钢管桩插打需严格控制钢管桩插打精度，并且支架散拼散装程度高，工艺质量控制困难，需组织技术过硬的桩基施工队伍和钢结构施工队伍，严格制定工艺质量标准和技术管理措施。整体稳定支架采用地面组装焊接成整体，吊机分次大块安装，制作质量便于控制，安装精度有保障。

2.5 施工功效分析

采用落地式支架，先采用电动锤进行钢管桩插打，资源配置较为复杂，支架大部分采用散拼散装，工艺步骤多，时间长。采用整体稳定支架，可进行整体制作吊装，工期得到提高。

2.6 综合分析

结合主塔承台刚度大，承载力高的特点，并且整体稳定支架具有节省材料，整体性能好，施工安全，施工效率高等特点，将施工支架设计为整体稳定式支架，将支架荷载直接传递到主塔承台。

3 整体稳定支架设计要点

3.1 支架计算荷载取值

(1)横梁自重取：26 KN/m3；

(2)支架自重

钢材重度取：78.5 KN/m3；

荷载情况：1.0×箱梁重量+1.1×支架自重。

(3)风荷载

支架按混凝土浇筑时6级风考虑，设计基本风速：V10=13.8 m/s。按基准高度22 m进行计算，此处设计基准风速：

施工阶段的重现期为10年时，风速重现期系数η取0.84，

施工阶段下横梁支架浇筑设计风速：

Vsd=ηVd=0.84×15.17=12.7 m/s；

静阵风风速：

Vg=GVVd=1.29×12.7=16.4 m/s；

风荷载值：FWH=CHWdAwh=1.3×168.1×240=52.4 KN。

说明：Z-构件基准高度，取22 m；GV-静阵风系数，取1.29；η-风速重现期系数，取0.84；CH-风载阻力系数，取1.3。

其他各杆件按照实际杆件面积加载0.168×0.7×h，h为现浇支架各杆件高度。

3.2 底模计算

(1)底模18 mm厚竹胶板

模板面板为受弯构件，按多跨连续梁对面板抗弯强度和刚度进行验算。

1 m宽面板的截面惯性矩I和截面抵抗矩W分别为：

I=1 000×183/12=486 000 mm4，W=1 000×182/6=54 000 mm3

经计算，腹板处底模受力最不利，此处方木横桥向间距为150 mm。

模板计算均布荷载为：

q=26×10.4×1=270.4 KN/m

①强度计算

计算公式如下：M=0.1 ql2

最大弯矩：M=0.1 ql2=0.1×270.4×0.152=0.61 KN·m；

弯曲应力：σ=M/W=0.61×106/54 000=11.3 MPa<[σ]=12 MPa，满足要求。

②挠度计算

计算公式如下：ν=0.677 ql4/(100EI)

面板最大挠度计算值：

ν=0.677×270.4×1504/(100×9 000×486 000)=0.21 mm<[ν]=150/400=0.375 mm满足要求。

(2)底模100×120 mm方木计算

模板方木为受弯构件，按多跨连续梁计算。

截面抵抗矩：W=b×h2/6=100×120×120/6=240 000 mm3

截面惯性矩：I=b×h3/12=100×120×120×120/12=14 400 000 mm4

经计算，腹板处方木受力最不利，此处方木横桥向间距为150 mm，I45a横向分配梁间距为1 000 mm。

方木计算均布荷载为

q=26×7×0.15=27.3 KN/m

①强度计算

弯矩计算公式如下：M=0.1 ql2

最大弯矩：M=0.1×27.3×12=2.73 KN·m；

弯曲应力σ=M/W=2.73×106/240 000=11.4<[fm]=12 MPa；

②挠度计算

挠度计算公式如下：ν=0.677 ql4/(100EI)

方木最大挠度计算值：

ν=0.677×27.3×1 0004/(100×1 0000×14 400 000)=1.28 mm<[ν]=1 000/400=2.5 mm满足要求。

3.3 钢管支架计算

分配梁和钢管柱均采用梁单元模拟计算；横向分配梁在靠塔柱侧与垫座固结，其余位置与垫座之间铰接；钢管底部采用铰接，混凝土荷载施加于横向I45a分配梁上。

经计算，横向分配梁(I45a)最大正应力为122.9 MPa<170 MPa，出现在变截面附近。最大剪应力为：37.9 MPa<100 MPa，出现在变截面附近。

纵向分配梁(2HM588×300)最大正应力为163.1 MPa<240 MPa，出现在支架靠中垫座处。剪应力为：64.3 MPa<140 MPa，出现在支架靠中垫座处。

垫座(2HW588腹板加强)最大正应力为135.8 MPa<240 MPa，出现在靠塔柱附近。最大剪应力为：50.2 MPa<100 MPa，出现在靠塔柱附近。

钢管支架各杆件应力值如下图：考虑折减系数后最大值155.7 MPa<170 MPa，满足要求。钢管立柱的弹性变形最大值为7 mm，满足要求。

4 施工关键技术

4.1 预埋件制作及安装

主塔承台施工时，按照工艺要求埋设支架预埋件，设置支撑架，确保混凝土施工施工时，预埋件无移动。预埋件位置要求中心偏位小于5 mm，标高误差小于10 mm，预埋件底的混凝土必须振捣密实。

4.2 支架分片制作及安装

支架采用单片结构在地面放样制作成整体。如遇起重设备受限，也可将支架分解成小块组装，接头设计为法兰焊接形式，对接方便。

支架整体在加工场制作完成，焊缝质量及尺寸偏差有很高的质量保证。是控制横梁安全顺利施工完成的关键点之一。

4.3 一体化多层平台

型钢平台在地面制作，塔吊吊装焊接成型，高度上分4层平台，平台外侧均按照标准设防护栏杆及防护网。

4.4 支架整体快速拆除

利用支架整体稳定功能，实现支架安全、快速、经济、可靠的拆除施工，整体支架一次拆除。

在横梁钢筋施工时，埋设内径大于90 mm的PPR管，确保精轧螺纹钢专用锚固器和连接器在下放过程中能穿过预留孔，保证精轧螺纹钢能接长，不受下放高度影响，加大了此法使用广度。

支架拆除原理为，在横梁混凝土面安装锚固器吊起横梁支架，同时千斤顶及垫梁装置也可锚固吊起支架，利用千斤顶活动，交替两者之间锚固作用，逐步下放拆除支架。最后将支架在地面进行解体、拆除支架体系，完成横梁施工任务。

5 结束语

一般索塔下横梁具有跨度大、断面大、高度大的特点，研究应用分离式承台大跨度整体稳定的支架体系，研究千斤顶整体卸落式拆除体系，规避了常规落地式支架软基处理的难题，达到了整体稳定性好，安全高效，节约成本的根本要求，取得良好的效益，可为类似工程提供借鉴和参考。