長江公路大橋北索塔上橫梁支架設計與施工

荊岳長江公路大橋北索塔上橫梁支架設計與施工1.工程概況荊岳長江公路大橋是主跨為816m的雙塔混合梁斜拉橋，其北塔（28＃墩）高達265.50m，為世界最高的“H”型斜拉橋索塔。北索塔的上橫梁長、寬、高分別為29.5m、7.8m、7.6m。橫梁斷面為砼箱形構造，順橋向與索塔塔柱同寬；頂、底板厚1.0m，腹板厚1.0m；內設兩道厚0.8m的橫隔板，圓弧半徑4m。具體構造見圖1。圖1上橫粱一般構造圖圖2上橫粱效果圖采用預應力砼結構，共設置48束22φs15.24預應力鋼絞線，鋼絞線標準強度fpk=1860Mpa,砼采用C50，共計965m3，總重為：2523t。2.施工方案比選（1）上橫梁支架選型上橫梁支架均考慮空中少支架法施工，將上橫梁砼自重通過支架傳遞給砼塔壁承受。根據(jù)上橫梁的結構特征，設計過程中擬定了兩種支架布置形式。=1\*GB3①拼裝式系桿拱式支架（比選方案）：整個拱圈由四片桁拱構成，通過雙偏心法確定最優(yōu)矢跨比為1.75，采用懸鏈線弧形。計算跨徑29.0m。主拱肋由4根Φ820×10mm螺旋管構成，系桿采用Φ529×10mm螺旋卷管構成，共由四根構成，每根與主拱圈進行銷結。拱上立柱采用Φ426×8mm的鋼管，根據(jù)斜桿角度和上橫梁荷載分布情況，拱上立柱在局部進行了不等距設置。桁拱上弦為2I56B的組合型鋼。中間之間段分配梁采用I32B，間距為0.75m，上鋪t=16mm的鋼板作底模。拱架兩端根據(jù)橫梁線型設置圓弧桁架支架，采用I12.6型鋼按間距35cm作分配梁，面板采用厚度為6mm鋼板。圖3比選方案上橫梁支架構造圖該方案需加工4片Φ820×10mm的懸鏈線拱肋，加工精度要求高，工地現(xiàn)場不具備加工的條件；需在索塔上安拆一跨徑為30m的小拱，高空使用兩臺塔吊配合抬吊，較困難；拱肋因為拱軸系數(shù)預先確定，因此不便周轉使用，材料基本為一次性攤銷。因此該方案對加工設備、起吊設備要求較高、材料的周轉性小，經(jīng)濟性差。=2\*GB3②斜腿剛構支架（實施方案）：斜支腿桁片共有三組，間距經(jīng)過反復試算，確定為3.7m。剛架主斜腿由φ1000×10mm的螺旋鋼管構成，水平鋼管除中間為φ820×10mm的鋼管外，其余均采用φ720×10mm的水平管連接。剛架輔支腿由于受力較小，采用φ720×10mm鋼管。鋼管立柱之間采用φ426×6mm的水平鋼管進行橫向連接。鋼管立柱上設置150t承載能力的砂筒。砂筒上設置3I56B的分配粱，再根據(jù)上橫梁的橫截面質量分布情況，設置18排單層貝雷，貝雷粱在支點增加2[10的豎桿作加強處理。貝雷粱間在支點處設置風構，在貝雷粱兩端因小圓弧端桁架的影響，不能設置風構，則采用在貝雷粱上下弦上設置[16b的槽鋼作為橫向聯(lián)系。貝雷粱頂設置2I12.6分配粱，在空腔位置間距75cm，在腹板位置為37.5cm。由于整個剛架的總重量約為117t，單根支腿的理論重量僅4t，長度長14.66m，因此采用上下游塔吊均可進行起吊安裝。支架的預拱度考慮彈性變形和非彈性變形后，按二次拋物線進行設置，考慮橫梁設計預拱度后，跨中支架預拱度設定為28mm。砂筒采用砼試驗用200t壓力機進行預壓后鎖定、密封，以減少實際使用過程中的非彈性變形。圖4實施方案上橫梁支架構造圖（2）方案比選兩個方案進行比較，實施方案存在明顯優(yōu)勢如下：=1\*GB3①斜腿剛構的結構與中塔柱主動撐相結合，結構的整體性能好；=2\*GB3②結構加工非常方便，實現(xiàn)工地現(xiàn)場加工；=3\*GB3③結構的單塊重量較輕，均在上下游塔吊的起重范圍內，便于結構的安裝與拆除；=4\*GB3④材料的周轉性高，實現(xiàn)的經(jīng)濟效益高。3.上橫梁支架結構計算3.1有限元模型北索塔及支架有限元模型北索塔上橫梁施工支架有限元模型3.2、材料及規(guī)格表單元名稱規(guī)格（mm）單元名稱規(guī)格（mm）剛架主斜腿D1000*δ110貝雷桁片上、下弦弦桿2[10剛架輔斜腿D720*δ100貝雷桁片豎桿I10剛架主水平桿D800*δ100貝雷桁片加強豎桿2[10剛架輔水平桿D720*δ100圓弧段主拱肋2[20剛架橫向聯(lián)系鋼管管D426*δ6圓弧段拱架系桿2[20剛架分配梁3I56b圓弧段拱架腹桿2[16貝雷架頂分配梁2I12.63.3計算荷載計算工況：北索塔上橫梁第一層混凝土澆筑①澆注混凝土重量第一次澆筑混凝土3.8米高，計算容重26KN/m3，混凝土超重1.05計入。②模板、支架自重內、外模板總重740.1KN，超重系數(shù)1.03。③施工及人群荷載施工人員按1.5KN/m2考慮，施工機具按2KN/m2考慮。④風荷載（順橋方向）a：支架模板部分風荷載：該荷載按均布荷載分配于梁上，荷載集度為7.72KN/mb：貝雷桁片部分風荷載：該荷載按均布力分配在貝雷桁架上，荷載集度為7KN/m3.4計算結果剛架主斜腿（D1000*δ10）應力云圖（KN/m2）剛架輔斜腿（D720*δ10）應力云圖（KN/m2）剛架主水平桿（D800δ10）應力云圖（KN/m2）剛架輔水平桿（D720δ10）應力云圖（KN/m2）剛架橫向聯(lián)系鋼管（D426δ6）應力云圖（KN/m2）剛架分配梁（I56b）應力云圖（KN/m2）貝雷架頂橫向分配梁（I12.6）應力云圖（KN/m2）貝雷片上弦桿（2[10）軸力圖（KN）貝雷片下弦桿（2[10）軸力圖（KN）加強豎桿(2[10)軸力圖（KN）貝雷架豎桿軸力圖（KN）貝雷架斜桿軸力圖（KN）圓弧段拱肋（2[20）應力云圖（KN/m2）圓弧段系桿（2[20）應力云圖（KN/m2）圓弧段拱架腹桿（2[16）應力云圖（KN/m2）計算結果匯總：貝雷桁架桿件軸力（單位KN，負為壓）單元名稱最大軸力理論容許承載力驗算貝雷桁片上弦桿225560滿足貝雷桁片下弦桿195560滿足貝雷桁片加強豎桿桿92560滿足貝雷桁片豎桿43213滿足貝雷桁片斜桿93171滿足*取自《裝配式公路鋼橋多用途使用手冊》立柱鋼管及分配梁應力表單元名稱規(guī)格（mm）最大應力（MPa）容許應力（MPaa）驗算剛架主斜腿D1000*δ11085165滿足剛架輔斜腿D720*δ10077165滿足剛架主水平桿D800*δ10062183滿足剛架輔水平桿D720*δ100128183滿足剛架橫向聯(lián)系鋼管管D426*δ644183滿足剛架分配梁I56b38183滿足貝雷架頂分配梁I12.632183滿足圓弧段主拱肋2[2079183滿足圓弧段拱架系桿2[20135183滿足圓弧段拱架腹桿2[1668183滿足注：支架各構件施工容許應力均在設計規(guī)范的規(guī)定基礎上提高1.3，支架立柱鋼管考慮了彎曲折減系數(shù)0.93.4支架整體剛度驗算貝雷桁架變形圖由位移云圖可以看出，支架跨中的豎向變形梁最大為2.1cm，貝雷桁架自身絕對變形量為1.0cm撓度與跨度比值為1.0cm/900cm=1/900<1/400滿足規(guī)范要求。3.5局部節(jié)點驗算及相應處理斜支腿和水平鋼管的交點受力較大，作局部分析如下：計算模型圖計算結果圖由計算結果可知，鋼管在交界處存在局部應力過大的問題，因此將鋼管接頭交點位置處澆筑成C30混凝土，增強鋼管的抗擠壓能力。3.6整體穩(wěn)定性驗算一階失穩(wěn)模態(tài)穩(wěn)定系數(shù)18.5由彈性屈曲分析結果看，支架的整體線彈性穩(wěn)定系數(shù)為18.5，表現(xiàn)為圓弧段拱圈的橫向失穩(wěn)，整體穩(wěn)定性滿足要求。4.施工保證措施設計上橫梁支架的鋼管質量及焊縫質量至關重要，為保證現(xiàn)場支架與計算模型接近一致，主要采取以下設計措施來對鋼管及焊縫進行處理：（1）采用超聲波對所有鋼管立柱的對接接頭焊縫進行100％探傷。超聲波探測儀型號HS600，耦合劑：工業(yè)漿糊，探頭類型：單斜探頭5P9×9K3，掃描方式：鋸齒型；共檢查焊縫30條，經(jīng)初檢，返修復檢，按照GB11345-89標準評定，無超標缺欠波形顯示，根據(jù)GB50205-2001二級焊縫要求，所檢焊縫內部質量合格。（2）單根鋼管立柱，在安裝前，在平臺上按橫向聯(lián)系位置進行約束模擬，千斤頂和鋼鉸線進行預壓。檢驗壓縮值與實測值是否相符及鋼管接頭有無不良現(xiàn)象。（3）鋼管立柱上增貼應變片，對鋼管應力進行監(jiān)控。并對在鋼管支架立柱側面跨中設置位移觀測點，對可能出現(xiàn)的屈曲位置（第一階屈曲模態(tài)）用TCA2003全站儀進行變形觀測。（4）鋼管接頭的貼板處理立柱鋼管加強的方式有兩種：一種是對接接頭進行貼板加強；另一種是橫向聯(lián)系與立柱之間，為保證節(jié)點的剛性假設，設置三角肋板，使之能傳遞彎矩。5.上橫梁施工北索塔上橫梁采用塔、梁異步施工的施工工藝，即將塔柱施工至上塔柱一定高度后，再進行上橫梁的施工。橫梁分兩次澆筑完成，每次澆筑高度為3.8m。具體澆筑示意圖如圖5所示。澆筑第一層3.8m高砼澆筑第二層3.8m高砼圖5上橫粱澆筑流程圖5.1模板施工（1）模板設計：在保證質量及安全的情況下，為了提高施工效率、節(jié)省材料及施工方便，對模板設計及施工作以下改進：①底模板：上橫梁底?？v肋采用10×12cm木枋，縱肋橫橋向鋪設在支架分配梁上，上橫梁腹板下方約270cm寬度范圍的縱肋間距為30cm，底板范圍的縱肋間距為40cm，底模面板采用厚為15mm竹膠板。②外模板：因采用塔梁異步施工工藝，上橫梁的外模采用大面積鋼模板和中塔柱液壓爬模內模板拼裝，利用工地現(xiàn)有的模板進行配模。③內模板：內模豎直面模板板采用鋼模板，除倒角位置加工異型模板，其他均為自加工組合鋼模板，鋼板板厚度為5mm，豎直面模板按4.5m高度所需數(shù)量加工，重復利用。內模頂板采用木模板，在橫梁內搭設鋼管腳手架，安裝10×12cm木枋縱梁，頂板模板鋪設在木枋縱梁上。（2）模板安裝：模板加工完成后，由質檢部組織對模板加工尺寸、平整度、焊縫等進行檢查，并進行預拼裝，驗收合格后進行保養(yǎng)，選擇平整的場地存放，注意保護。模板安裝前清理面板上的雜物，面板上的鐵銹必須打磨干凈，涂刷脫模劑。①底模安裝：在上橫梁支架分配梁安裝后，復測其頂面標高。鋪設橫橋向底模10×12cm木枋縱肋，縱肋搭接位置必須設置在分配梁上，不容許出現(xiàn)懸臂情況。底模面板接縫用膠布粘牢，底模面板四周用鐵釘與縱肋木核枋連接，底模面板順橋向總寬度與橫梁底板結構尺寸一致，橫橋向注意與圓弧倒角模的接連。②外模安裝：上橫梁外模緊貼底模上橫梁底?？v肋，鋼模部分在第一次砼澆筑施工時，支撐在支架分配梁上，第二次砼澆筑施工時，將模板整體上移，依靠對拉螺桿和臨時支撐結構定位。外模板安裝時注意接縫位置設置雙面膠，防止漏漿。模板安裝、調整到位后，在模板外側間距2～3m設置型鋼斜支撐，防止施工過程中模板移位。模板安裝完成后，現(xiàn)場技術員和質檢員對對拉螺桿、模板接縫、連接螺栓、保護層厚度、模板拼裝后尺寸等進行全面檢查。③內模安裝：先進行角模板的安裝，然后在平地上將組合鋼模拼成大塊模板，再逐塊進行安裝，最后安裝調節(jié)模板。根據(jù)外模對拉螺孔位置安裝圍檁，安裝對拉螺桿，順橋向對拉圍檁間設置型鋼硬撐，防止模板出現(xiàn)位移。搭設施工腳手架，作為施工平臺結構和頂模板的支撐結構。頂模板采用竹膠模板，木方肋條與竹膠模板間采用鐵釘連接，面板搭接位置必須設置有肋條。上橫梁第二層混凝土施工時，利用支架平臺上的順橋向2工12.6平臺搭設模板支撐架，安裝定位外側模板，內模則利用腳手架管搭設、支撐。5.2鋼筋、預應力管道施工橫梁的普通鋼筋采用第I類直螺紋接頭進行預埋處理，預埋時需用塑料螺帽將直螺紋接頭的端頭封?。ㄈ鐖D6所示）。橫梁施工時利用直螺紋套筒接長。安裝腹板鋼筋時，為了增加其穩(wěn)定性，用廢舊角鋼焊成勁性骨架，將腹板鋼筋立于勁性骨架上，考慮橫梁混凝土美觀與質量，用混凝土墊塊保證鋼筋保護層。橫梁預應力鋼絞線采用后穿法，在索塔與橫梁接頭的斷面上預埋兩端帶絲的鍍鋅鋼管，絲口上在澆筑砼時涂黃油，并包裹塑料。其安裝工藝是：波紋管安裝由鋼筋定位架定位，利用接頭管接長波紋管，兩端用膠帶纏包，以防止接頭處漏漿，然后用鋼筋卡子與定位架固定，以防止?jié)仓炷習r波紋管上浮。鋼筋定位架每50cm一個，管道坐標在長度方向不得大于30mm，在高度方向不得大于10mm，管道之間的誤差不得超過10mm。在澆筑混凝土之前，對波紋管進行全面檢查：管道是否開裂、燒傷、破損，接頭是否密實。圖6上橫粱鋼筋的預留5.3混凝土施工（1）混凝土配合比橫梁為C50高強混凝土，具有高集料、低水膠比、高泵揚程、早強、緩凝等特性。混凝土采用泵送，泵送水平和垂直距離都較大，故對混凝土的可泵性、和易性、泌水性及緩凝早強要求較高，所以混凝土配合比要求：坍落度18-20cm，并且應摻入外加劑改善混凝土的和易性、可泵性、緩凝早強等效果。（2）混凝土澆筑混凝土用一套拌和樓，通過陸上混凝土運輸車運送到主墩平臺，通過平臺上的兩套泵管裝置將混凝土泵送到待澆混凝土處。澆筑混凝土時應特別注意以下施工問題：=1\*GB3①澆筑第一次混凝土時，測量人員專門觀測鋼管支架的變形情況，及時調整澆筑工藝，并且第一次澆筑混凝土必須在橫橋方向與順橋方向對稱澆筑，相差不得超過20m3。=2\*GB3②混凝土澆筑時，其傾落度超過2m時，布設串筒，確?；炷敛话l(fā)生離析，同時也避免因傾落度過大使混凝土濺到上層模板上而造成混凝土表面失色。=3\*GB3③每次澆筑混凝土按一定厚度（30-50cm）、方向和順序分層澆筑。為了防止混凝土表面出現(xiàn)明顯的分層線，盡量縮短上下層澆筑間隔時間，并在振搗上層混凝土時振動棒插入下層混凝土50-100mm，使上下混凝土融為一體。=4\*GB3④振動棒的移動間距不得超過振搗器作用半徑的1.5倍，與側模保持50-100mm距離，振搗時間控制在30s左右，避免漏振，欠振，過振。=5\*GB3⑤振搗時振搗棒不得碰撞波紋管，模板及各種預埋件。=6\*GB3⑥為了減少混凝土表面的氣泡，澆筑過程中采用兩次振搗工藝，第一次在混凝土布料后進行，每二次在混凝土靜置一段時間后進行。每次混凝土在頂層初凝前進行第二次振搗，并清除表面浮漿。（3）混凝土養(yǎng)護及施工縫處理混凝土的養(yǎng)護及施工縫處理對混凝土質量及外觀有著很大的影響，必須認真對待?；炷潦┕たp采用人工鑿毛，輔以空壓機的方法，在混凝土強度≥2.5MPa，人工鑿毛清理出骨料，必要時輔以空壓機鑿毛，用高壓氣沖洗?；炷翝仓瓿珊蠹皶r進行養(yǎng)護，采用灑水養(yǎng)護，為了防止污染混凝土表面，養(yǎng)護水采用已過濾澄清的江水，安排專人及時、不間斷灑水，保持混凝土表面經(jīng)常處于濕潤狀態(tài)，避免混凝土表面出現(xiàn)干濕循環(huán)，防止混凝土表面開裂。5.4預應力施工（1）施工流程預應力管道及錨具安裝→預應力鋼絞線下料→穿預應力鋼束→預應力張拉→錨固→壓漿→封錨。上橫梁預應力錨具采用22φs15.24型，鋼絞線直徑為15.24mm，標準強度1860MPa，彈性模量194KN/mm2。鋼絞線每束長4050cm，共48束。其布置見圖7。第一次澆筑完成后，待混凝土強度達到90%，張拉第一批鋼絞線，第一次張拉共14束，即實心黑圈為第一批張拉的鋼絞線，余下的均為第圖7