超宽大跨度不对称斜拉桥索塔横梁施工技术研究

王勤荣

(中铁二十四局集团有限公司 上海 200433)

1 工程概况

某大桥主桥为独塔双索面混凝土主梁斜拉桥，跨越长湖申运河，跨径149＋100＝249 m，采用索塔、主梁、墩台固结体系。该桥以混凝土双主肋为主梁，索塔塔柱平行竖立，呈“H”型，斜拉索布置成扇形双索面。主桥立面位于竖曲线R＝1 800 m的凸曲线上，主桥平面靠近主梁端头有15 m处在缓和曲线上，其余部分都位于直线段上，结构中心线与道路中线最大偏差5 cm，通过悬臂段调节[1]。桥梁结构如图1所示。

索塔采用C50混凝土，横向为“H”形索塔，高度达83.5 m，桥面以上部分高74 m，塔柱中心间距为27.5 m。索塔横梁距离桥面高度为48.60 m，采用空腹矩形截面，横梁跨度23.5 m，跨中梁高3.0 m，宽4.0 m，跨中顶、底板厚0.4 m，腹板厚0.5 m；根部梁高5.0 m，宽6.0 m，根部顶、底板厚0.7 m，腹板厚0.8 m；跨中至根部的顶、底板厚度在5.5 m长度范围内线性变化过渡。索塔横梁采用了8束φS15.2-19高强度低松弛预应力钢绞线，横梁中间设置厚0.3 m的横隔板。索塔横梁结构如图1所示。

图1 索塔横梁结构(单位：cm)

2 索塔横梁施工方案设计

塔身横梁施工支架采用悬空组合支撑体系，支架完成预压后，进行模板拼装和钢筋绑扎焊接，最后进行横梁混凝土浇筑施工。为缩短工期，横梁与塔柱施工异步，即在塔柱施工过横梁后，到达第15节段时，进行横梁施工。横梁施工采用悬空支架，拼装式钢牛腿通过钢棒及精轧螺纹钢拉杆支撑于塔身内侧，安装梁系及底板支撑支架，安装钢筋、预应力管道、模板后进行施工。支架系统主要包括钢牛腿、牛腿上分配钢梁、加强型贝雷桁架梁、贝雷上工字钢分配梁、碗扣式脚手架系统等[2-3]。支架系统设计如图2所示。

图2 横梁支架系统立面图(单位：cm)

2.1 钢板牛腿与分配钢梁

(1)钢板牛腿

钢牛腿与塔身采用拼装式连接，索塔钢筋混凝土浇筑时，在索塔相应的位置按设计尺寸预留孔洞，作为钢牛腿与索塔连接的孔道。钢板牛腿上部与索塔采用8根φ32 mm，屈服强度为PSB830的精轧螺纹钢筋及配套螺母连接，钢板牛腿下部与索塔采用4根φ120 mm钢棒连接固定[4]。精轧螺纹钢的作用是防止钢牛腿绕钢棒转动，而钢棒的作用是防止钢牛腿沿塔身下滑。牛腿结构如图3所示。

(2)分配钢梁

钢牛腿上分配梁采用焊接钢箱梁，箱梁高80 cm，宽50 cm，钢板均采用厚度25 cm，材质Q235。为防止分配钢梁在钢牛腿顶部滑动，在分配梁两侧设置挡板。分配梁如图4所示。

图4 分配梁结构(单位：mm)

2.2 贝雷梁与碗扣式脚手架

(1)贝雷梁

索塔横梁采用加强型贝雷梁作为承载桁架梁，为满足23 m要求，采用7×3 m＋1.5 m＋0.5 m组合方式。根据索塔横梁断面分布情况，顺桥向采用19道加强型贝雷梁，在位置腹板变化范围内设置6道加强型贝雷梁，底板下设置5道加强型贝雷梁。

(2)碗扣式脚手架

索塔横梁下部碗扣式支架横桥方向设置39排，顺桥方向设置19排，横桥方向(纵距)间距0.60 m；顺桥方向腹板下间距0.30 m，底板下间距0.60 m。碗扣支架支撑在贝雷梁顶 14工字钢上。钢管φ48 mm，壁厚3.0 mm。碗扣支架根据构造要求设置剪刀撑。

3 横梁支架钢板牛腿设计

3.1 钢板牛腿分析建模

拼装式钢牛腿为索塔横梁支架的主要传力构件，横梁与支架重力以剪力形式传递到钢牛腿、钢棒和精轧螺纹钢至索塔立柱，因此，应对其进行受力状态分析。钢牛腿板件、钢棒和混凝土塔壁采用Solid45实体单元模拟[5]；精轧螺纹钢采用单元Link8模拟；牛腿端板与塔壁、钢棒的接触关系采用接触单元Conta175和Targe170模拟，不考虑牛腿端板与塔壁间的摩擦。

边界条件:建立5 m高塔壁的1/2模型，对塔壁底部进行固结，索塔中面进行对称约束；荷载:根据分配梁与垫板T8的作用面积，以面荷载的形式施加到垫板T8上[6]。通过对索塔横梁钢牛腿实体分析，计算分析钢牛腿整体受力状态、钢牛腿各板件应力状态、钢棒应力状态、精轧螺纹钢受力状态。

3.2 计算分析结果

钢板牛腿总体应力与纵向竖向位移分布如图5所示，应力结果均为米塞斯应力。

图5 钢牛腿总体应力与位移分布

(1)钢牛腿应力与位移

由图5可知，钢牛腿端板顶面与塔壁脱开间隙最大为2.8 mm，支承位置最大竖向位移约2.6 mm，除局部应力集中点外，各板件应力状态在180 MPa以内，均满足变形位移和强度要求[7]。

(2)板件应力

计算分析可知，除与钢棒接触位置外，牛腿端板整体应力水平较低，与钢棒接触位置应力在140 MPa以内。牛腿顶板及支承垫板整体应力水平较低，在70 MPa以内。

牛腿腹板应力呈现外侧腹板应力小，中间腹板应力大的分布，中腹板于支承垫板正下方应力在100 MPa以内，腹板下缘出现应力集中区域，最大约210 MPa。

牛腿顶板上的加劲板应力呈现外侧应力较大，中间应力较小的趋势，最大应力在100 MPa以内。牛腿顶板外侧下加劲板应力水平较低，中间加劲应力较大，最大应力在190 MPa以内[8]。

(3)钢棒与精轧螺纹钢应力

钢棒最大应力在220 MPa以内，环向加劲与钢棒接触的最大应力在180 MPa以内。最上面排精轧螺纹钢应力为110 MPa，中间排精轧螺纹钢应力为86 MPa，最下面排精轧螺纹钢应力为15 MPa。上述结构应力均满足强度要求。

4 横梁支架安装与拆除施工

4.1 横梁支架安装

测量放样→安装A、B支点钢板牛腿→安装A、B支点钢板牛腿上承载分配钢梁→按设计间距、部位安装贝雷梁→安装贝雷梁上顺桥方向 14工字钢梁→按设计间距、部位搭设φ48×3.5碗扣式支架→按线形调整顶托高度→安装横梁底模→支架系统预压→下步工序施工[9]。

测量塔柱顶的相关参数，包括标高、断面尺寸、轴线位置、垂直度等。横梁支架安装利用主塔塔机安装，桁架安装时，先在主梁B0梁段上拼接组装，再利用两个塔机起吊，然后在索塔上安装。

4.2 横梁混凝土浇筑

横梁混凝土采取一次性灌注，先浇筑底板、腹板，然后浇筑顶板混凝土。浇筑底板时，从两侧塔柱向横梁的中部水平分层灌注混凝土；浇筑顶板时，从横梁的中部向两侧塔柱分段灌注混凝土。混凝土灌注采用斜向分段水平分层的施工方法，坍落度控制在14～16 cm。在灌注混凝土前，应在模板上标记出分段灌注的长度、坡度、起止时间等，以便负责振捣的人员在本层振捣完毕后的交接班。

4.3 横梁支架拆除

支架拆除同样利用主塔塔机，预应力张拉完成后，清理底模杂物并利用1.5 t吊装袋打包，然后用塔吊运至地面，工序关键措施如图6所示。横梁投影面下各方向扩宽6 m设置警戒线，并设置0.5 m厚缓冲层，防止支架拆除过程中坠物伤人[10]。

图6 贝雷梁拆除工序关键措施示意

(1)底模、脚手架及工字钢分配梁拆除

底模拆除首先下放脚手架上顶托，使底模模板与混凝土脱离，依次抽出底模竹胶板、方木、纵向分配钢管。按照“纵桥向对称均衡、横桥向基本同步”的原则，由外向内，由两侧向中间分阶段循环对称拆除脚手架。拆除脚手架后抽出 14工字钢分配梁，利用塔吊打捆运至地面。

(2)加强型贝雷梁拆除

因单片贝雷梁宽度较窄，拖拉过程中容易发生倾覆，拆除前贝雷梁片应进行重新重组。可将单片的贝雷梁与双拼贝雷梁组合，并利用U型卡扣紧。

贝雷组横移前首先要加固牛腿顶分配钢梁及钢牛腿，将分配钢梁与钢牛腿焊接在一起，防止贝雷横移时分配钢梁发生侧翻，同时在分配钢梁两端利用∠7×7角钢加焊宽1.2 m，高1.2 m的工作平台。利用两个5 t手拉葫芦将重新分组的贝雷片拖移至横梁外侧，拖移贝雷组时利用混凝土横梁顶面的卷扬机钢丝绳为保险，防止贝雷组拖移过程中倾倒或由于拖移不同步造成贝雷组坠落。

贝雷组拖移到位后(距离分配钢梁边40 cm)，利用两台6015型塔吊将贝雷组吊运至地面，注意两台塔吊必须同步作业。

(3)牛腿顶分配梁及钢牛腿拆除

贝雷片拆除后，在混凝土横梁顶面布置两台卷扬机及滑轮，将焊接在一起的分配钢箱梁和钢牛腿吊起，利用牛腿下操作平台拆除固定钢牛腿的精轧螺纹钢及钢棒，用卷扬机将分配钢箱梁及钢牛腿整体下放到地面，注意两台卷扬机要同步作业，严禁失衡。分配钢梁及钢牛腿拆除后，利用塔吊吊篮拆除钢牛腿下操作平台[11]。

5 结束语

该大桥索塔横梁具有结构自重大(500 t)、位置高的特点，在施工方法与工艺上进行了一系列的优化，各项检验均达到优良，取得了成功的横梁施工经验[12]。

(1)通过横梁支架方案比选，放弃了传统的满堂式落地支架、高空斜撑支架等技术风险高和经济效益不显著的施工方案，研制了一种新型高空牛腿，上部承重托梁、贝雷梁和支架模板系统的新型支架方案，达到了节省成本、加强施工安全、提高工作效率以及保证工程质量的效果。

(2)对横梁进行了预拱度设置，有效抵消横梁向下挠度，保证了横梁良好的视觉效果。

(3)在横梁高度中心处塔柱设置向外预偏5 mm，对第15节段顶部设置向外预偏8 mm，能有效解决横梁施工时塔柱向内(横桥向)产生位移的问题。