高索塔横梁托架结构体系研究

韦景光,黄业圣,黄树强

(广西路桥工程集团有限公司,广西 南宁 530200)

0 引言

在跨径>400 m的桥型中,斜拉桥或悬索桥具有一定经济性,因此被广泛设计和建造。斜拉桥或悬索桥的索塔作为主要受力结构,具有高度高,结构设计复杂等特点。在双塔肢索塔结构中,可能存在多道塔间横梁。塔间横梁施工高度高,跨度大,浇筑混凝土方量大,安全风险高,施工组织困难。

大跨径斜拉桥或悬索桥常见的索塔设计有A型、H型、门型或钻石型,均涉及大跨径横梁。横梁临时施工平台结构体系主要有两种:托架结构和落地大钢管支架结构[1-2]。若采用大钢管落地支架,支架结构体系庞大,占用空间大,支架用钢量大[3]。采用托架结构体系,结构简洁,型钢材料用量少,但存在型钢焊缝受力大,对焊接质量要求极高,安全风险大等缺点[4]。托架结构体系平台主要由预埋构件和横梁型钢组成,预埋构件一般作为抵抗剪力型牛腿[5],结构受力大,往往导致设计牛腿结构横断面较大,与索塔竖向主筋存在冲突,在安装牛腿时会导致部分索塔主筋割断,对索塔局部造成损伤。牛腿结构上一般还设置对拉精轧螺纹钢,导致牛腿结构更复杂,安装更困难,同时也会导致模板损伤。此外,托架横梁结构多采用桁架结构[6],结构体系复杂,杆件节点焊缝多,高空焊缝质量控制难度大,高空焊接作业量大并且危险度高。

因此,进一步设计研究一种高索塔横梁托架结构体系至关重要,使得平台具有结构体系简单,便于安装和施工,质量可控,安全风险低,可缩短施工周期等特点。

1 托架结构布置

1.1 托架结构体系

横梁托架由牛腿结构、K型横梁、安装横梁、双排盘扣支架等关键结构体系组成,见图1。该托架体系具有结构形式简洁、受力合理和竖向刚度大的特点,同时可实现快速半装配安装拆除,减少大量高空焊接拼装作业,极大地降低施工风险,且可交叉施工缩减工期。

图1 横梁托架结构体系图

1.2 牛腿结构布置

牛腿结构采用在塔身预埋盒子后内插钢板装配成牛腿支撑结构,见图2。采用分体式预埋盒子避开索塔主筋冲突,避免在施工预埋牛腿盒子时割断索塔主筋,从而导致索塔结构损伤。同时预埋盒子的施工工艺不需要在塔肢模板上开孔,不损伤塔身模板。分体式预埋盒子由贴面钢板连接形成整体预埋结构,该贴面钢板具有提高预埋盒子的整体性,也具有环箍预埋盒子的作用,分散优化牛腿结构局部集中受力。

(a)牛腿布置图

1.3 K型横梁布置

片状的K型横梁由型钢组焊拼接形成,见图3(a)。在型钢节点部位设置加劲板,避免节点应力集中而局部屈曲。K型横梁可在钢结构加工场的胎架上拼装,确保了加工精度又实现了无风险的交叉作业。同时K型横梁节点焊缝焊接环境可控,焊缝质量可检测,避免了危险性极大、质量不可控的高空焊接作业,确保横梁主要受力结构的可靠性。

(a)K型横梁

1.4 横梁安拆方式

在预埋牛腿上布置安拆横梁,K型横梁可实现半装配安装,见图4。避免在中横梁上设置预留卷扬机吊装拆除孔的缺陷[7],拆除时只需将K型横梁移出,塔吊配合吊装下放即可完成托架体系拆除,见图5。

图4 牛腿安拆横梁结构图

2 施工工艺流程

横梁托架施工工艺流程:加工预埋盒子、K型横梁→提前在索塔预埋牛腿盒子→组装牛腿构件→安装安拆横梁→安装K型横梁→安装横梁模板及维护平台→横梁施工→拆除中横梁托架。

3 托架结构体系的稳定性措施

托架结构体系的稳定性由稳定连接梁提供,见图6,该托架结构体系在竖直面上具有很大的刚度,但在K型横梁水平面上的刚度小,从而导致托架体系在水平方向上的稳定性较差。在未添加稳定连接梁时,托架结构体系的水平向稳定性较差,模态特征值均出现在主要受力K型横梁上。添加稳定结构后,模态特征值则出现在局部结构上,可见稳定结构显著地增加了托架结构的整体稳定性,见下页图7与表1。稳定连接梁在架设完K型横梁后搭焊在K型横梁上,采用三角稳定结构。

表1 托架模态特征值分析结果表

图6 结构稳定图

(a)初始结构

4 工程应用

4.1 工程背景

武宣黔江特大桥(56+48+87+618+87+48+56) m,主桥采用双塔双索面混合梁斜拉桥,索塔为钻石型塔,高213 m,中横梁距离下横梁和塔座分别为83 m和132 m,如图8所示。中横梁施工应用了该托架结构体系。

图8 武宣黔江特大桥总体布置图(mm)

中横梁为横梁高6 m,宽7 m,净跨16.99 m的箱型结构,跨中设计有横隔板,分两层进行浇筑,第一层浇筑3 m,第二层浇筑3 m(见图9),采用塔梁同步浇筑工艺。

图9 中横梁结构示意图(cm)

4.2 结构复核

(1)横梁分两层浇筑,每层3 m,钢筋混凝土钢筋设计荷载为26 kN/m3、人员施工荷载为4 kN/m2、模板荷载为0.75 kN/m2、不确定性振捣冲击荷载为1 kN/m2,同时考虑风荷载对托架的影响。

(2)按极限应力状态法,荷载组合工况:1.0×(第一层钢筋混凝土荷载+0.5×第二层钢筋混凝土荷载施工荷载)+1.0×结构自重+1.0模板荷载+1.0活荷载(人员施工荷载和不确定性振捣冲击荷载)+1.0盘扣支架荷载+1.0风荷载。

(3)对托架结构各杆件组合应力、剪切应力、位移挠度、结构整体稳定性和牛腿与索塔局部受力进行验算,见图10、表2。牛腿和索塔局部作用力主要为局部承压和牛腿对索塔局部冲切作用力,根据《钢筋混凝土设计规范》(GB50010-2010)中的以下规定进行验算:

表2 中横梁托架受力分析结果表

图10 中横梁托架有限元三维模型图

混凝土局部受压承载力:Fl≤1.35βcβlfcAln

局部冲切承载力:Fl≤(0.7βhft+0.25σpc,m)ημmh0

由图10和表2可知,托架结构体系受力满足要求,局部应力满足要求,整体结构稳定性满足要求。

同时在施工过程中监控托架下挠位移变化情况,监控布置和监控结果见图11。

(a)监控测点布置图

综上可知,中横梁施工过程中,托架结构位移挠度变形情况基本与理论计算吻合,施工过程安全可控,验证了横梁托架结构体系设计的合理性。

5 结语

横梁施工托架结构体系简单,受力合理,竖向承载能力强,适用于大跨径高空横梁施工托架的结构选型。

该托架结构体系通过在塔身预埋分离式牛腿盒子,避免了割断索塔主筋、损伤模板、损伤塔身等问题。K型横梁采用片状吊装安装组装,极大降低了高空托架施工的安全和质量风险。托架结构体系设计有安拆横梁,不需要在横梁预留吊装安拆孔,不对横梁造成损伤。该托架结构体系还实现了牛腿结构和整装托架半装配安装,可在索塔塔肢施工期间,在钢结构加工厂提前加工组装装配构件,实现了交叉作业,极大节约工期,同时该结构体系较落地钢管支架体系,结构钢材使用量少,也具有显著经济效益。

该托架结构体系成功应用于武宣黔江特大桥中横梁施工中,验证了托架结构体系的合理性,在施工周期和施工成本上有显著效益。

本文设计研究的高索塔横梁托架施工结构体系,也可进一步推广研究应用在其他桥型的高横梁施工中。