悬索桥桥塔大跨度上横梁支架设计及施工技术

摘要：文章依托横州大桥工程实例，总结了该工程为解决桥塔上横梁跨度大、方量大、高度大的难题，提出采用大钢管及贝雷梁组合形成大刚度组合支架体系，并通过有限元计算软件进行支架结构验算分析，同时提出从整体把控结构的安全，局部节点采用浇筑混凝土补强的施工方式。该施工技术无须全面补强，且经济合理，具有一定的参考价值。

关键词：悬索桥；桥塔；上横梁；支架；有限元

中图分类号：U445.4   文献标识码：A

文意编号：1673-4874（2024）04-0152-04

0 引言

在桥梁领域中，悬索桥因单跨跨越能力最大且造型美观，得到广泛的应用。悬索桥上部的核心结构是桥塔和悬索。一般情况下，悬索桥跨度越大，其桥塔越高，因而要克服稳定性的问题，通过增加塔柱之间的横梁可以保证桥塔的稳定性，因此横梁是悬索桥中非常重要的结构，其施工质量及进度是整个桥施工的关键控制点［1］。本文研究的横州大桥采用悬索桥的结构形式，上横梁施工中存在3个难点：跨度大、距离地面高、混凝土方量大。若上横梁支架结构设计不合理，严重时易造成支架垮塌破坏或支架结构变形过大导致横梁混凝土开裂，查阅相关资料，少有较为详细的悬索桥上横梁支架设计及施工方法介绍的文献，本文通过工程实例，系统阐述支架的设计及施工要点，以供参考。

1 工程概况

横州大桥地处广西横州市，是横州市连接城区与郁江南岸的第二座桥梁，其结构形式为悬索桥，主桥跨度为400 m。6号主塔位于陆地上，上横梁下缘至下横梁上缘总高度为51.865 m，上横梁拟采用不落地支架法施工。本文以6号主塔上横梁为例进行支架结构设计及施工分析。6号主塔横断面布置图见图1，主塔上横梁采用矩形空心截面，其中截面外轮廓尺寸为6.2 m×6.0 m，截面内空心尺寸为4.6 m×4.4 m，带30 cm×30 cm倒角，壁厚80 cm。

2 上横梁施工难点分析

根据上横梁设计图纸及现场施工条件，分析施工难点主要有3个：（1）上横梁跨度达28.12 m，要求支架具备较大的跨度；（2）上横梁下缘至下横梁上缘总高度为51.865 m，难以采用落地支架，需要高空吊装作业，作业风险大；（3）上横梁混凝土方量大，总计为482 m3，重量约为1 253.2 t。因此上横梁支架须具备大跨径、高强度、高稳定性及大刚度的力学特点，同时为方便施工作业应尽量降低构件的自重，结构尽量采用装配式结构，减少高空作业的风险［2］。

3 上横梁支架设计

3.1 支架主要构造形式

支架体系自上而下依次为15 mm厚竹胶板、100 mm×100 mm方木纵向分配梁、Ⅰ22a工字钢横向分配梁、14榀321贝雷梁（支点、销轴处腹杆采用［8槽钢加强）、双拼Ⅰ56a横梁、钢管支架、预埋锚固钢板。支架立面、横断面布置如图2、下页图3所示。[HJ]

3.2 计算参数

3.2.1 设计荷载

支架荷载主要有：结构自重（程序自动计算）、横梁混凝土荷载、人员机具荷载、机械振捣荷载、风荷载。

3.2.2 横梁混凝土荷载

3.2.2.1 横梁等厚段

腹板、横隔板处混凝土荷载=6×26=156.0 kN/m2。

空心箱室顶底板混凝土荷载=1.6×26=41.6 kN/m2。

3.2.2.2 横梁倒角段

腹板处混凝土荷载为182.0～156.0 kN/m2。

空心箱室顶底板混凝土荷载为93.6～41.6 kN/m2。

3.2.3 人员机具荷载

人员机具荷载取值4.0 kN/m2。

3.2.4 机械振捣荷载

机械振捣荷载取值2.0 kN/m2。

3.2.5 风荷载

作用在支架上的水平风荷载标准值按式（1）计算：

wk=μz×μs×w0（1）

按现行国家标准《建筑结构荷载规范》（GB50009-2002）的规定采用，取重现期n=10年对应的风压值。

wk=μz×μs×w0=1.46×1.0×0.35=0.511 （kN/m2）（2）

风荷载转换成线荷载：

主钢管荷载=0.511×0.84=0.429 kN/m。

其他钢管荷载=0.511×0.63=0.322 kN/m。

贝雷梁弦杆荷载=0.511×0.1=0.051 kN/m。

贝雷梁腹杆荷载=0.511×0.05=0.026 kN/m。

3.2.6 计算工况

支架采用Midas Civil软件建模分析，对支架进行整体计算。

结构自重及混凝土荷载分项系数取值为1.2，人员机具、机械振捣荷载分项系数取值均为1.4，风荷载分项系数取值为1.1。

强度计算荷载组合采用基本组合，刚度计算荷载组合采用标准组合［3］。

3.3 支架有限元模型计算

3.3.1 模型构件空间布置

采用Midas Civil软件对支架进行结构计算，建模如图4所示，各构件的空间位置根据设计图纸的相对位置来布置。

3.3.2 支架模型边界条件假定

（1）钢管支架与墩身预埋钢板通过螺栓连接，模型中采用固结模拟。

（2）钢管顶焊接水平钢板，上面放置卸落装置，钢管与横梁中采用弹性连接中的一般弹性连接模拟，SDx取1e7 kN/m，SDy取1e5 kN/m，SDz取1e5 kN/m，SRy取100 kN·m/rad。

（3）承重横梁与贝雷梁间采用骑马螺栓固定，模型中采用弹性连接中的一般弹性连接模拟，SDx取1e7 kN/m，SDy取1e5 kN/m，SDz取1e5 kN/m。

（4）贝雷梁与支撑架间采用螺栓连接，模型中采用弹性连接中的一般弹性连接模拟，SDx取1e6 kN/m，SDy取1e6 kN/m，SDz取1e6 kN/m，SRy取1e6 kN·m/rad，SRz取1e6 kN·m/rad。

（5）贝雷梁与横向分配梁间采用骑马螺栓固定，模型中采用弹性连接中的一般弹性连接模拟，SDx取1e7 kN/m，SDy取1e5 kN/m，SDz取1e5 kN/m，SRy取50 kN·m/rad。

（6）横向分配梁与纵向分配梁间模型中采用弹性连接中的仅受压和一般弹性连接模拟，SDx取1e7 kN/m，SDy取1e5 kN/m，SDz取1e5 kN/m，SRx取50 kN·m/rad。

（7）贝雷梁片间通过销轴连接，模型中通过释放梁端约束模拟。

（8）横梁端部倒角加厚段支架一端支撑于外侧钢管桩承重横梁上，另一端支撑在顶部钢管上，其他部位弹性连接与等厚段取值一致［4］。

3.3.3 最不利工况计算结果

结构采用Midas Civil软件进行三维空间建模，并对各种杆件赋予各自材料特性。针对以上截面及材料类型进行最不利工况计算，最不利工况荷载组合：1.2×自重+1.2×混凝土+1.4×人员机具+1.4×机械振捣+1.1×风荷载。计算结果见下页表1，由表1汇总结果分析，最不利工况下支架的强度及刚度满足要求。

同时对支架进行整体稳定性计算，弹性稳定分析主要是整体稳定性分析，对施加在结构上的荷载总重较为敏感，对荷载布置不敏感，因此对支架选取最大荷载组合的稳定系数进行计算。经计算，支架最小一类稳定系数为25.9，＞4，满足稳定性要求［5］。

综上可知，支架能够满足最不利工况的施工要求，现场施工应严格按照设计构件的尺寸及材料强度等进行加工安装作业。

4 上横梁施工技术

4.1 上横梁支架及施工作业平台

上横梁采用在塔柱上预设牛腿，牛腿上架设横桥向一端可活动的劲性骨架立模。待塔柱混凝土浇筑至上横梁预埋牛腿处时，进行牛腿加工与制作与劲性骨架的安装。

牛腿加工完成后，进行纵梁与分配梁的铺设以及底模的安装，控制好高程模板底高程。

支架体系自上而下依次为10 mm钢模板、Ⅰ12工字钢纵向分配梁、Ⅰ25a工字钢横向分配梁、321贝雷梁（支撑处采用加强腹杆）、双拼Ⅰ56a横梁、钢管支架、预埋锚固钢板。

作业平台支架体系自上而下依次为15 mm厚竹胶板、50 mm×50 mm方木纵梁、［120 mm×60 mm×3 mm槽钢横梁、Ⅰ25a托架。

由于牛腿安装采用刚性连接，结构之间非弹性变化量很小，不需要采用分级加载，直接进行预压试验，使用现场的H型钢、贝雷片、钢筋直接加载，消除其微小非弹性量。通过测量与计算，确定其预拱度。

4.2 上横梁支架及操作平台安装

4.2.1 上横梁支架安装

采用D840 mm×12 mm钢管截面建立支架主斜腿、水平钢管，采用D630 mm×10 mm钢管截面建立副斜腿、采用D245 mm×7 mm钢管截面建立平联钢管。

钢管桩顶采用双拼Ⅰ56a工字钢作为承重横梁。

横梁顶放置321贝雷梁（支撑处采用加强腹杆），在上横梁腹板下采用三榀一组，其他部位采用2榀一组，组间距有60 cm及90 cm两种形式。

贝雷梁榀内安装支撑架，组间设置剪刀撑，采用L63 mm×4 mm角钢，材料规格为Q235。

贝雷梁上采用Ⅰ22a工字钢模拟横向分配梁。顺支架方向间距75 cm设置一道。

横向分配梁上采用100 mm×100 mm方木间距20 cm设置一道纵向分配梁。

纵向分配梁上铺设15 mm厚竹胶板。

横梁端部倒角加厚段支架采用双拼Ⅰ45a工字钢作为三角支撑架、Ⅰ22a工字钢作为横向分配梁，100 mm×100 mm方木作为纵向分配梁，其上铺设15 mm厚竹胶板。

4.2.2 上横梁支架操作平台安装

采用Ⅰ25a工字钢作为托架，［120 mm×60 mm×3 mm槽钢作为横梁，横梁上铺50 mm×50 mm方木作为纵梁，纵梁上铺15 mm竹胶板作为面板。

4.3 上横梁支架预埋件

4.3.1 顶钢管预埋件

顶钢管预埋钢板尺寸为1 050 mm×1 000×20 mm，共设置6块，每块预埋钢板设置直径25 mm锚筋，锚筋共布置4层，层间距250 mm，水平方向间距为200 mm×4 mm布置，共计20根，每根锚筋的锚固长度为800 mm。

4.3.2 主钢管预埋件

主钢管预埋钢板尺寸为1 550 mm×1 000×20 mm，共设置6块，每块预埋钢板设置直径20 mm锚筋，锚筋共布置6层，层间距250 mm，水平方向间距为200 mm×4 mm布置，共计30根，每根锚筋的锚固长度为600 mm。

4.3.3 副钢管预埋件

副钢管预埋钢板尺寸为2 000 mm×950×20 mm，共设置6块，每块预埋钢板设置直径20 mm锚筋，锚筋共布置6层，层间距250 mm，水平方向间距为250 mm×3 mm布置，共计28根，每根锚筋的锚固长度为600 mm。

4.4 上横梁支架操作平台预埋件

4.4.1 横撑预埋件

横撑预埋钢板尺寸为500 mm×350×20 mm，共设置6块，每块预埋钢板设置直径16 mm锚筋，锚筋共布置两层，层间距200 mm，水平方向间距为150 mm布置，共计4根，每根锚筋的锚固长度为500 mm。

4.4.2 斜撑预埋件

斜撑预埋钢板采用500 mm×350×20 mm，共设置6块，每块预埋钢板设置直径16 mm锚筋，锚筋共布置两层，层间距200 mm，水平方向间距为150 mm布置，共计4根，每根锚筋的锚固长度为500 mm。

4.5 上横梁支架钢管桩安装

钢管桩尺寸为D840 mm×12 mm、D630 mm×10 mm、D245 mm×7 mm，钢管桩与预埋钢板间采用焊接连接，采用单面满焊，焊缝高度为8 mm，并采用10块δ14 mm加劲板加强钢管桩与预埋钢板间的连接，焊缝高度为1 cm。标准节长度为13 m，钢管桩接高焊接；为保证钢管桩的垂直度，在钢管桩焊接前先点焊一侧，然后调整垂直度，最后进行焊接；钢管桩连接法兰在后场焊接时，需对钢管桩端头找平，且在焊接法兰时，要保证法兰盘平面与钢管桩轴线垂直，钢管桩轴线与法兰盘圆心重合对中，以保证钢管桩的连接质量。

钢管桩拼装时，必须有安全可靠的操作平台，所有操作人员必须按规定佩戴安全防护用品。

4.6 钢管桩剪刀撑

钢管桩剪刀撑采用L63 mm×4 mm角钢焊接，在后场加工成型后，转运至现场焊接安装。平联安装时，必须有安全可靠的操作平台。

4.7 钢管桩顶承重横梁

钢管桩顶承重分配梁为双拼Ⅰ56a工字钢组合而成。承重分配梁放置前，对钢管桩顶标高进行精确找平，以免由于高度不均匀，引起钢管桩受力不均。将承重梁与主钢管之间的顶钢管部分浇筑C30混凝土，保证其支撑刚度。

4.8 贝雷主梁

钢管桩顶承重分配梁安装完成后，进行贝雷主梁的安装，运输至现场采用塔吊成组安装，贝雷片支架之间通过标准花架连接，贝雷片采用4组两片和两组三片组成，同时在贝雷梁下弦杆与分配梁间通过型钢焊接固定。

4.9 分配梁

贝雷主梁安装完成后，在贝雷主梁上安放Ⅰ22a工字钢横向分配梁，Ⅰ22a工字钢横向分配梁标准间距75 cm，在下横倒角位置加密为50 cm间距，分配梁长度为10 m。

4.10 下横梁底模安装

下横梁厎模采用15 mm厚竹胶板，混凝土分两次进行施工，第一层混凝土浇筑底板及腹板高度为5 m，第二层混凝土浇筑顶板高度为1 m，模板高度按6 m进行加工。

4.11 上横梁外模与内模安装

横梁外模采用钢模，内模采用竹胶板，从中间往两侧进行模板安装。模板安装过程中加设模板斜撑，内外模穿对拉拉杆进行模板固定。

模板内部尺寸，通过设置定位横撑实现，例如横梁腹板混凝土宽0.8 m，在背方位置设置50 mm×50 mm×1 000 mm方木横撑，进行内部尺寸控制，模板标高通过在模板底部设置木楔进行调整定位，模板平面通过内模支撑钢管顶托进行调整，模板纵向线形通过牵拉管线进行量测、调整［6］。

上横梁混凝土分两次进行施工，第一次混凝土浇筑底板及腹板位置高度为3.3 m，第二次混凝土浇筑腹板及顶板高度为2.7 m，模板高度按6 m进行加工，第一层及第二层模板加固详见图5、图6。

5 结语

本文通过采用大钢管及贝雷梁等刚度较大的材料形成组合支架结构，具备较大的刚度，同时对于钢管薄弱节点采用灌注混凝土的方式进行局部补强，解决了大跨度的问题；通过设置施工作业平台，实现高空作业平地化，保证作业人员的安全，解决了高空作业风险大的难题；通过分层浇筑，合理设置支撑结构，解决了混凝土浇筑方量大的难题。通过对支架结构建立有限元分析模型，全面分析了不同工况结构的状态，其在最不利工况下结构的力学性能满足规范要求。

施工后总结了如下几个关键点：

（1）施工时可将腹板、横隔板下方木满铺，即可解决竹胶板剪应力超标问题。

（2）钢管支架施工时注意与墩身预埋件的连接。

（3）钢管接头点位置浇筑C30混凝土，增强钢管的抗挤压能力。

（4）钢管支架顶设置卸落装置，注意预留装置安装高度。

参考文献

［1］陈 敏.悬索桥主塔上横梁支架下支撑系统施工与仿真关键技术研究［J］.四川水泥，2021（5）：71-72.

［2］付文宣，袁 灿，张 克，等.五峰山长江大桥主塔横梁支架设计与施工关键技术［J］.施工技术（中英文），2022，51（6）：19-23，35.

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［4］曾 远，古佩胜，卢 俊，等.超高索塔上横梁装配式支架设计及预压研究［C］.2022年全国工程建设行业施工技术交流会论文集（下册），2022.

［5］郭志骞.欧式复杂外立面悬索桥上横梁模板支架体系施工技术研究［J］.工程建设与设计，2023（8）：153-155.

［6］盛建军，卢靖宇，严春明，等.大跨度悬索桥桥塔横梁施工优化方法研究［J］.施工技术（中英文），2023，52（23）：74-79，108.

作者简介：张正坤（1994—），助理工程师，主要从事道路桥梁施工管理工作。