常泰长江大桥主航道桥辅助墩钢桁梁拼装支架设计研究*

袁 灿,王 超,杨 柳

(1.中交第二航务工程局有限公司,湖北 武汉 430040; 2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室,湖北 武汉 430040; 3.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心,湖北 武汉 430040; 4.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司,湖北 武汉 430040)

1 工程概况

常泰长江大桥采用“高速公路+城际铁路+普通公路”方式过江[1],是国内第一座“三位一体”跨江大桥,也是目前世界上最大跨度的公铁两用斜拉桥和最大面积的水中沉井基础[2-3],主航道桥立面布置如图1a所示。泰兴侧主航道桥辅助墩即4号墩上方主梁采用箱桁组合桁架结构,桁宽35m,桁高15.5m,截面如图1b所示。辅助墩墩高61.32m,采用八边形空心截面墩柱,墩身纵向外轮廓坡度为 45∶1。 辅助墩设置支架便于上部钢桁梁拼装架设[4],如图2所示,墩顶先利用起重船架设钢桁梁Z8-9,Z10-11梁段,待Z12-13吊装到位后,再依次滑移Z8-9,Z10-11梁段,拼接合龙。辅助墩墩顶存梁单个梁段长28m,最重达1 865.5t。本文依托常泰长江大桥,对承受大风、大吨位且自身高度大的辅助墩钢桁梁拼装支架进行设计研究。

图1 主航道桥

图2 辅助墩钢桁梁拼装示意

2 技术难点及分析

1)钢桁梁预偏量大。辅助墩墩顶架梁吊机对称悬臂安装[5]至Z14-15梁段后,为了安装Z12-13钢桁梁节段,需先将Z8-9,Z10-11梁段向泰兴侧预偏安放,如图3所示。钢桁梁下放安装时需考虑斜腹杆间干涉问题,钢桁梁预偏量控制原则为:Z14-15梁段安装到成桥位置后,Z12-13与Z14-15梁段斜腹杆角点水平间距≤100mm,Z10-11与Z12-13梁段斜腹杆角点水平间距为0,Z8-9与Z10-11梁段斜腹杆角点水平间距≤300mm,最终Z8-9梁段向泰兴侧偏离成桥位置3.693m,偏位导致梁段下方斜立柱倾角加大。再者,梁段自重大,导致单个扶墙在钢桁梁自重下对墩身水平力加大,扶墙选型和埋件布置难度大。

图3 钢桁梁纵向偏移示意

2)支架设计要考虑风速Vs10=32.4m/s[6],该风速等级为暴风,且支架高60m,顶层扶墙长10m,受风荷载影响大,扶墙选型和埋件布置难度升级。

3)扶墙埋件约束可采用铰接、刚接形式。扶墙拉力大,若采用铰接形式,则耳板、销轴、锚筋设计需加强,对施工考验加大,难以保证施工质量,以达到铰接效果;扶墙倾向采用刚接形式,但刚接扶墙抵抗弯矩比铰接扶墙能力弱,埋件设计难度再升级。

4)斜立柱柱顶水平拉力大,需对柱顶进行局部分析,采取柱顶加强措施。

5)支架设计方案拟将顶层扶墙替换为对拉拉杆,抵抗巨大水平力,即拉杆间采用钢绞线[7]穿过墩身连接。拉杆和钢绞线间采用型钢横梁连接。受主横梁中心需对准钢桁梁竖杆及主横梁跨度限制,钢绞线需穿过墩身倒角位置。钢绞线预拉紧后,受倒角影响(见图4),横梁将产生变形,此时钢绞线对拉杆的约束不能看作刚接,需分析对拉拉杆在模型中不同约束形式对支架受力的影响,验算钢绞线拉紧时横梁翼缘板受拉强度是否会满足规范要求。

图4 对拉拉杆、横梁与墩身相对位置

6)由于钢桁梁自重大,则千斤顶对钢桁梁反力大,需验算钢桁梁下弦杆受力是否满足要求。

3 支架总体设计

支架为存梁+滑梁支撑结构,支架滑移靠位于主横梁的步履式千斤顶完成。支架整体由φ1 200×14立柱、φ600×8平联、φ600×8 / 2[20a / 2[28a斜撑、φ800×12/φ600×8 /2[20a扶墙、6HM588×300垫梁、2HN900×300对拉拉杆及6HN900×300主横梁组成支撑结构。除钢立柱和对拉拉杆采用Q355B材料外,其余均采用Q235B材料。立面如图5所示。支架结构整体最大应力270MPa,位于对拉拉杆,小于强度设计值295MPa,水平最大位移91.0mm,小于位移容许值397mm,竖向最大位移30.9mm,小于位移容许值35mm,主横梁最大变形8.5mm,小于变形容许值10mm。支架主要构件强度及刚度均满足设计及规范要求[8]。

图5 支架纵桥向立面

4 对拉拉杆分析

4.1 对拉拉杆不同约束分析

如图6所示,建模将对拉拉杆简化成2个独立杆件,钢绞线拉紧,安装锚具固定后,对拉拉杆位移可全部约束,但由于墩身倒角导致横梁变形,此时只有拉杆轴向位移受约束,对拉拉杆靠近墩身端约束不同,对拉拉杆及下层扶墙拉力值如表1所示,可知,对拉拉杆约束越强,下层扶墙拉力越小,支架结构越安全,同时也降低了扶墙埋件设计难度。因此,需在墩身倒角位置设置锚固块,如图7所示,将对拉拉杆和墩身顶紧,此时对拉拉杆约束可处理为位移全约束,转角全释放。钢绞线预拉后,锚固块1传递压力,锚固块2钢棒承受压力分解产生的剪力,其中锚固块1隔板与拉杆腹板对齐,有利于传力。锚固块1在钢绞线位置提前焊接钢套管,预防后期焊接熔断钢绞线。对拉拉杆横梁搁置在型钢牛腿上,由于墩身变截面,横梁与墩身间有空隙,需采用楔形板塞垫密实,保证传力可靠。

表1 对拉拉杆不同约束结果对比

图6 支架模型

图7 对拉拉杆锚固块布置

4.2 对拉拉杆横梁局部受拉分析

横梁受力最不利的工况是钢绞线拉紧,还未安装对拉拉杆,需建立局部模型,如图8所示,判断横梁靠近拉杆侧翼缘板是否会被拉坏。模型中约束横梁与墩身接触位置的节点位移,释放转角,锚固块2底板节点刚接。单个对拉拉杆对应的横梁锚具区域施加压力3 900kN,得到横梁靠近拉杆侧翼缘板应力如图9所示,横梁材料型号为Q235B,翼缘板局部最大应力176MPa,位于横梁钢绞线穿孔边缘,最大应力小于抗拉强度设计值205MPa,可知横梁安全。

图8 钢绞线预拉工况横梁局部模型

4.3 柱顶受拉分析

对拉拉杆拉力设计值3 900kN,柱顶需采取抗拉措施,具体为柱顶加灌1.5m深C30混凝土[9],平行于拉杆腹板的柱顶隔板加长,如图10所示。采取加固措施后,钢立柱应力为182MPa,钢立柱材料为Q355B,柱顶最大应力小于抗拉强度设计值305MPa,满足规范要求。

图10 柱顶受拉应力云图(单位:Pa)

5 拉杆下一层扶墙及埋件比选

扶墙选材受项目部现有材料限制,扶墙本身拉力、弯矩大,锚筋布置也受墩身主筋限制。锚筋根数满足受力条件下应越少越好。最终经比选,如表2所示,确定了方案1,即拉杆下一层扶墙选用φ800×12钢管。扶墙横桥向采用2[28a“K”字斜撑连接,刚接端环抱贴板加强。扶墙与钢立柱连接端,钢立柱贴板加强。支架扶墙均与墩身刚接。

表2 拉杆下一层扶墙及埋件比选

6 钢桁梁下弦杆受力分析

对于钢桁梁滑移工况,千斤顶设备或其反力座将传递反力至主航道桥下弦杆,如图11a所示,需对下弦杆进行受力分析验算。千斤顶始终位于下弦杆的节点板[10]长度范围内,取下弦杆节点进行局部建模。主要构件尺寸:节点板厚62mm,隔板厚16mm,顶、底板厚30mm,材料均为Q500qE。结构采用板单元模拟。下弦杆底板两端约束Dx,Dy,Dz,释放转动约束,约束竖杆、斜杆顶端的竖向自由度,约束下弦杆与钢箱横梁连接处节点横向自由度。节点验算荷载:9 780kN(标准值),加载在下弦杆单侧千斤顶反力座对应的节点板位置,整体应力云图如图11b所示。局部最大应力位于节点加载位置,最大为250MPa,小于钢材容许应力360MPa,强度满足要求。为了保证下弦杆局部支撑稳定性,在千斤顶滑移经历的长度范围新增短隔板,采用单面焊缝与下弦杆焊接,如图11c所示。

图11 下弦杆

7 结语

常泰长江大桥辅助墩钢桁梁拼装支架高60m,存梁重达1 865.5t,纵向预偏3.693m。设计考虑风速Vs10=32.4m/s,支架受力及对墩身反力均较大。本支架设计时,经充分分析得出以下结论。

1)对拉拉杆经过墩身倒角位置时,可采取钢棒锚固块措施,保证对拉拉杆在钢绞线预拉紧状态下可视为约束全部位移。同时,通过验算横梁翼缘板受拉,斜立柱柱顶受拉,确保与对拉拉杆相连接的构件满足受力要求。

2)扶墙预埋件型号不同,拉力、弯矩均不同,但并不是材料型号越强,锚筋根数越少,因为刚接端弯矩会增大,从而导致需要的锚筋根数增加。

3)钢桁梁下弦杆节点板较厚、较大,刚度比底板、隔板大很多,为主要受力构件,力传递方式为千斤顶或其反力座→垫块→节点板。千斤顶及其反力垫块纵桥向至少长1m,保证力能传递至下弦杆节点板,即传力范围纵桥向至少长1m,可保证主梁承受千斤顶调位反力。为保证下弦杆局部支撑的稳定性,可增加短端隔板的加固措施。