大跨度双塔双索面斜拉桥索塔下横梁支架施工设计与受力分析

焦伟

中交投资南京有限公司   身份证号：610429198702100917

摘要：索塔下横梁是桥塔体系的主要受力结构，下横梁支架设计直接影响横梁施工质量，因此下横梁支架设计对桥塔整体受力体系有举足轻重的作用。本文以赤水河大桥索塔下横梁支架工程为背景，分析下横梁施工方案，并结合工程实际确定支架设计，并采用Midas civil进行建模分析，研究支架整体稳定性与各构件受力性能。分析结果表明：采用钢管支架法可保证横梁施工质量，确保桥塔受力体系的整体性；支架最大挠度为10.93mm，且支架临界荷载系数为19.47＞10，满足稳定性要求；支架各构件变形协调且受力合理，均满足设计要求。

关键词：下横梁施工；支架设计；受力分析；支架施工

0引言

双塔双索面组合斜拉桥具有桥梁跨度大、受力性能好等优点，在桥梁施工领域应用广泛[1-2]。索塔作为斜拉桥中重要构件，承受斜拉索的拉力以及桥面板荷载，并通过基础传入地基。索塔下横梁作为塔柱的主要受力部位，结构形式复杂，其施工设计质量的好坏直接影响斜拉桥整体受力，在索塔设计与施工中至关重要[3-4]。

大量学者针对斜拉桥索塔下横梁施工进行了研究。周乐木[5]等针对下横梁与塔柱施工技术进行研究，提出在下横梁合龙前，采用低温多点顶推法可确保塔柱整体受力性能。贺鹏[6]等分析了超高桥塔施工设计方案，研究了桥塔混凝土的开裂病害，发现掺入特殊纤维的混凝土可有效地减小开裂风险。封江东[7]等针对下横梁施工方案进行研究，并采用Midas civil模拟分析，认为分层浇筑法更利于减小施工风险。方博夫[8]分析了塔梁同步、异步施工优缺点，并结合实际工程提出相应的施工方案。杨智文[9]等采用Ansys与Midas对桥塔施工与下横梁施工进行研究，认为横梁预应力筋的张拉，有利于主塔应力改善。

以上学者针对斜拉桥索塔下横梁施工进行了大量的研究，但是这些研究都以实际工程为依据，不同工程之间横梁施工以及支架设计存在差异。因此本文以赤水河大桥工程为背景，针对下横梁支架施工设计进行研究。采用Midas civil有限元软件，针对支架各构件进行受力分析，验证支架设计的合理性。

1工程概况

贵阳经金沙至古蔺（黔川界）高速公路位于贵州省贵阳市、毕节市境内，沿线经过贵阳市观山湖区、白云区、修文县、息烽县，毕节市金沙县。路线起于贵阳市西侧东林寺路与云潭北路交叉口顺接东林寺路，经郝官、修文、洒坪、大石、化觉、长坝、安底、禹谟、金沙、桂花、石场、清池，终点位于金沙县西北的清池镇赤水河（黔川界），与成贵高速公路（泸州经古蔺）四川境终点赤水河大桥顺接，主线路线全长164.895公里。其中贵阳市观山湖区10.202公里，贵阳市白云区3.993公里，修文县36.44公里，息烽县16.738公里,金沙县97.521公里。

赤水河大桥位于贵州金沙县和四川古蔺县交界处，采用双塔双索面组合梁斜拉桥，跨径为：83.5m+173.5m+575m+173.5m+83.5m，中跨采用PK箱组合梁，边跨为混凝土梁。大桥索塔采用A字形桥塔，塔高217m，索塔分由下塔柱、下横梁、中塔柱、上横梁、上塔柱等几部分组成。其中上塔柱（含塔冠）高86.7m，中塔柱高85.4m，下塔柱高44.9m。索塔在桥面以上高度约为158m，高跨比为0.275。下塔柱横桥向外侧斜率为1/4.076、内侧斜率为1/3.564，中塔柱横桥向斜率为1/7.504。塔顶高程933.502m，塔座顶高程716.502m。下横梁设计采用箱型截面，梁高7.5m，顶宽8.824m，底宽9m，腹板与顶、底板壁厚为1m。具体下横梁构造图见图1。

图1 下横梁构造图

2主塔下横梁施工

下横梁作为桥塔中主要的受力结构，为确保桥塔体系的整体性，因此采用“塔梁同步施工法”进行塔柱与下横梁施工。下横梁为预应力混凝土箱型结构，为保证下横梁施工质量，并结合工程实际，通过分析采用钢管支架法进行现浇施工。

下横梁混凝土分两次浇筑：第一次与塔柱同步浇筑第8节段，高度为1.9m，第二次与塔柱同步浇筑第9节段，高度为5.6m。塔柱施工时应做好支架搭设准备，待下塔柱爬模施工至第6节段时，进行下横梁支架搭设，并进行支架预压工作。爬模施工至第8节时，进行横梁施工。具体施工流程见图2。

图2 下横梁施工流程

3下横梁支架设计

3.1支架设计

下横梁支架设计采用钢管柱贝雷梁结构，分上下结构。支架下部结构布设3排7列Φ820×10mm钢管立柱，中柱设置于承台上，边柱设置于塔柱上，并通过Φ630×8mm主平联、Φ426×6mm次平联连接；立柱上部设置落架楔块，搭设2I 45a型钢承重梁，横向布置。支架上部结构布设24排贝雷梁，横向布置，贝雷梁每间隔3m设置横向花架连接；下横梁拐角处型钢支架采用L 90×6mm弦杆与L63×4mm竖杆、斜撑组成；贝雷梁与型钢支架上部布设I 25分配梁，间距为750mm；型钢支架处布设主、次龙骨与8mm钢板，贝雷梁上部布设竹胶板。下横梁支架构造图见图3。

（a）支架立面图（b）立面图

图3 赤水河特大桥索塔下横梁支架构造图（单位：cm）

3.2支架安装

在桥塔与承台施工阶段，应进行钢管立柱、平联斜撑预埋件的安装，下塔柱施工至6节段时进行支架搭设。首先采用塔吊进行立柱施工，立柱按节段与平联搭设施工，增加支架整体稳定性；支架下部结构搭设完成后，在桩顶进行落架楔块设置，确保楔块高差应满足±2mm设计要求；支架上部结构构件（承重梁2I45a、贝雷梁、分配梁）均在现场加工，采用塔吊将其吊装至设计位置，严禁承重梁与楔块接触面出现较大缝隙；支架主体搭设完成后，梁端支架在场内进行加工安装；支架整体搭设完成后，进行支架预压工作。

支架采用“逆序法”进行拆除，首先拆除梁段支架与落架楔块，确保支架上部结构与底模系统脱离，楔块拆除时严禁出现上部结构倾斜现象；采用塔吊+手拉葫芦依次拆除支架上部结构；支架上部结构拆除完毕后，最后进行支架下部结构拆除，采用汽车吊遵循“解除一根，吊走一根”原则，依次拆除。

4支架受力分析

4.1模型建立

下横梁支架模型采用Midas Civil建立，立柱及贝雷梁等构件采用梁单元模拟，8mm钢板采用板单元模拟。立柱底部与承台、塔柱设为固结，承重梁贝雷梁之间设为弹性连接，贝雷梁与分配梁设为弹性连接。贝雷梁设计采用16Mn钢材，其余构件采用Q235钢材。支架主要承受横梁、结构自重以及施工人员机具、模板系统产生的荷载。具体支架模型见图4。

图4 下横梁支架结构模型图

4.2支架受力分析

采用Midas对支架进行建模分析，主要研究支架整体刚度与关键构件（贝雷梁、承重梁、钢管桩、梁端支架）的受力性能，验算其是否满足设计要求，结果如下：

（1）支架刚度分析

支架整体变形如图5所示。支架柱顶处变形量相似，表明支架各构件的刚度基本一致，支架整体稳定性好。支架最大竖向挠度为10.93mm，满足支架形变要求。

图5 支架整体变形图

（2）贝雷梁受力分析

支架贝雷梁受力性能见图6。贝雷梁最大压应力：σmax=248.7MPa＜fy=310MPa，满足设计要求；贝雷梁跨中处产生最大竖向挠度，挠度量达8.9mm＜l/400=6000/400=15mm，满足设计要求。

（a）应力

（b）位移

图6 贝雷梁受力性能分析

（3）承重梁受力分析

承重梁受力性能分析见图7。承重梁最大应力为141.8MPa＜fy=215MPa，满足设计要求。

图7 承重梁应力

（4）梁端支架受力分析

梁端支架受力分析见图8。梁端桁架处最大应力为27.6MPa＜fy=215MPa，8mm钢板处最大应力为27.5MPa＜fy=215MPa，均满足设计要求。

（a）桁架应力

（b）8mm钢板应力

图8 梁端支架受力性能分析

（5）钢管桩受力分析

钢管桩受力性能分析见图9。通过Midas模拟计算可知，钢管桩所受最大轴力为1222.1kN。根据规范计算可知，单根钢管桩最大承载力为：

通过Midas模拟计算荷载作用下钢管桩最大应力：72.7 MPa＜fy=215MPa，钢管桩满足设计要求。

图9 钢管桩受力性能分析

（6）支架整体稳定分析

考虑支架自重、施工人员与机具荷载、模板荷载、横梁自重、风荷载组合的荷载工况，除风荷载、施工人员与机具荷载的组合系数取1.4，其余组合系数均取1.2，利用Midas计算得到支架一阶屈曲模态，如图10所示。通过计算可知支架临界荷载系数：19.47＞10，说明支架安全性高，满足结构稳定设计要求。支架各构件应力与变形见表1。

图10 支架屈曲分析一阶模态

表1 支架各构件应力与变性

参数	构件	最大值	容许值	安全性
强度/Mpa	贝雷梁	248.7	310	安全
	承重梁	141.8	215	安全
	梁端桁架	27.6	215	安全
	8mm钢板	27.5	215	安全
	钢管立柱	772.7	215	安全
刚度/mm	竖向挠度	10.93	—	安全
稳定性	临界荷载系数	19.47	10	安全

5结论

本文以赤水河大桥索塔下横梁支架为背景，详细分析下横梁施工方案，并提出下横梁支架施工设计，并采用Midas civil有限元软件，研究支架整体稳定性与支架各构件受力性能，结论如下：

（1）采用塔梁同步施工技术，不仅有效控制成本，下横梁与塔柱整体性更好，确保桥塔受力性能。

（2）采用钢管支架法进行下横梁施工，并提出相应的支架搭设与拆除方案。

（3）支架各构件受力性能均满足规范要求，支架临界荷载系数为19.47＞10，表明支架稳定性优良，支架设计方案合理，安全可靠。

参考文献

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[8]方博夫. 大岳高速洞庭湖大桥桥塔异形下横梁施工技术[J]. 世界桥梁,2015,43(06):11-15.

[9]杨智文,来晓理,黄飞鸿,等. 斜拉桥拱形主塔施工过程分析与下横梁预应力张拉工序优化[J]. 中外公路,2020,40(02):78-81.