五峰山长江大桥主塔横梁支架设计与施工关键技术

五峰山长江大桥主塔横梁支架设计与施工关键技术

文/ 中交第二航务工程局有限公司,长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室,中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司   付文宣,袁灿,张克,刘鸽,黄修平

随着悬索桥跨度的增大，其主塔高度、塔柱受力变大，随之横梁轮廓及体积变大，浇筑方量变大，增加了塔柱和横梁高空施工风险。连镇铁路五峰山长江大桥主桥主跨为1092m，是我国内陆第1座公铁两用悬索桥，主塔为钢混式框架结构，高191.5m。以该大桥主塔横梁施工为例，介绍了横梁施工难点，横梁施工支架选择、支架的结构特点及施工流程等。采用有限元分析软件对横梁支架进行计算，支架强度、刚度、稳定性均满足规范要求。目前，该桥施工顺利并已启用，验证了主塔横梁支架设计与施工的合理性。

五峰山长江大桥是目前国内外运行速度最快、运行荷载最大的公铁两用悬索桥，其主塔横梁不仅是塔柱重要的传力结构，更是整个主塔施工的关键环节。基于五峰山大桥主塔横梁结构尺寸大、浇筑方量大、形状不规则、临空高度大等特点，横梁施工中分多次浇筑，工艺繁杂。因此，设计安全经济、施工便捷的横梁支架系统来完成横梁施工是一项重要的技术难题。

1 工程概况

连镇铁路五峰山长江大桥采用双塔单跨悬吊钢桁梁悬索结构（见图1），是连镇铁路线路的重要组成部分，其主缆跨度为（350+1 092+350）m，加劲梁跨度为（84＋84＋1092＋84＋84）m 。主塔为钢筋混凝土框架结构（采用C55混凝土，HRB400钢筋），主塔全高191.5m（从塔座顶面算至鞍座底），上、下横梁为预应力混凝土结构。

图1 五峰山长江大桥总体桥型布置（单位：m）

主塔下横梁为单箱单室结构，高13m，横向长43.8m，顺桥向顶面宽11m、底面宽12m，顶、底板厚1m，腹板厚0.8m，设置2道厚1m隔板，下横梁两端圆弧段倒角半径为6m。

主塔上横梁为单箱单室结构，横梁高度从中间11m（未计梁冠高度）向两端渐变至32.8m，横梁长约34.4m（横桥向）、宽7.5m（顺桥向），顶、底、腹板厚度均为0.8m，顶面留有进人孔，设置有2道厚0.5m隔板。主塔及横梁构造如图2所示。

图2 主塔及横梁构造（单位：m）

2 横梁施工难点

下横梁与塔柱同步施工，塔柱施工时同步进行下横梁支架和模板体系安装，施工难点有：①下横梁横桥向长43.8m，跨度大，支架设计要求较高；②下横梁底面距承台有51.5m，混凝土方量4396m3，总重约11400t，端部及倒角弧形段皆为实心截面，浇筑荷载大且弧形段难施工；③下横梁高13m，需通过试算确定横梁分层浇筑高度。

上横梁高度大、结构复杂，与塔柱采取异步施工，其施工难点有：①上横梁底面距下横梁顶面有121.5m，混凝土方量1918m3，支架安拆难度大，安全风险高；②上横梁总浇筑高度为32.7m，分层浇筑次数多，工艺繁杂；③上横梁两端装饰块为异形结构且高差大，支架等模板体系需考虑装饰块的施工需要。

3  下横梁支架设计

?? 下横梁支架结构及特点

下横梁支架从上到下布置依次为：横向分配梁I14a/2I14a（一般间距750mm，实心段下方采用2I14a双拼形式，倒角段2I14a间距加密为300mm），贝雷梁（321型）或新制桁架（2HN600×200），主横梁（2HN900×300），钢立柱（ ф 1000×16，共计4排9组36根），平联（ ф 630×8，设5层），附墙（2［20a，设2层），斜撑（支架上部斜撑采用 ф 426×6，下部斜撑采用2［20a）。下横梁直线段采用钢模板，两端倒角弧形段底模采用厚6mm钢板。

下横梁支架特点为：①由于承台塔柱附近空间位置受限，支架外侧第2组钢立柱为斜立柱，斜立柱与塔柱用附墙连接；附墙与塔柱连接形式为铰接，消除力矩和支架竖向变形，避免应力过大。②下横梁圆弧段应设置模板对拉杆。③主横梁应对应贝雷双竖杆节点，若主横梁处为非双竖杆节点，应对横梁处贝雷节点进行竖杆加强。④支架两端新制桁架各11榀，桁架腹杆及相邻立柱间加设1层垫梁和支撑梁（见图3），以增加整体横向水平刚度。

图3 垫梁与支撑梁

?? 下横梁支架计算分析

根据整体建模和计算分析，下横梁分3层浇筑，下横梁支架结构考虑承受第1，2层浇筑的横梁自重，承受部分第3层浇筑的横梁自重。模型约束条件为钢立柱在柱底预埋件处刚接，附墙在塔柱预埋件处铰接，主横梁与钢立柱铰接，贝雷及新制桁架与主横梁弹性连接，分配梁与贝雷及桁架弹性连接。下横梁支架荷载包括：支架及横梁自重，模板体系自重，施工人员及设备荷载，倾倒和振捣荷载，风荷载。有限元计算模型及其最不利工况计算结果如图4所示。

图4 下横梁支架模型及其计算结果

下横梁支架整体计算结果显示支架的刚度、强度均能满足要求。未考虑预应力张拉下横梁弯矩计算结果如图5所示，根据弯矩结果，计算下横梁受弯承载力满足要求。

图5 下横梁弯矩计算结果

由于下横梁浇筑方量大，钢立柱柱顶最大压力设计值高达5000kN，对经过加强后的卸荷块与钢立柱（ ф 1000×16）柱顶连接处局部建模进行强度验算（见图6），部位最大应力195MPa＜205MPa，卸荷块局部强度满足要求。

a 卸荷块结构

b 结算结果

图6 卸荷块与钢立柱柱顶局部计算

4  上横梁支架设计

?? 上横梁支架结构及特点

上横梁支架从上到下布置依次为：横向分配梁I14a/2I14a（一般间距750mm，隔板段下方采用2I14a双拼形式），贝雷梁（321型），主横梁（2HN900×300），三角撑架及牛腿（2HN900×300，2HM588×300，两端各4榀），钢立柱（ ф 1000×16，共计3排4组12根），平联（ ф 630×8设3层， ф 426×6设12层），附墙（ ф 630×8设1层， ф 426×6设5层），斜撑（ ф 426×6）。支架形式如图7所示。

图7 上横梁支架结构

上横梁支架特点如下。

1)上横梁支架整体高度超过百米，为高耸结构，风荷载较强时可能会产生风振现象，安全风险大。附墙与塔柱采用刚接形式连接，相邻附墙间增设平联和斜撑，以增加附墙刚度。

2)为满足上横梁与塔柱异步施工需求，在支架两侧塔柱上预埋三角撑架及牛腿埋件，横梁两端包括装饰块在内的竖向荷载由三角撑架及牛腿承受，三角撑架及上牛腿受拉、下牛腿受压。上横梁中部竖向荷载由落地支架承受，支架受力明确，施工便捷。

3)上横梁下部装饰块处应设置模板对拉杆，装饰块底模由于线性复杂，为保障模板加工后不变形，模板外侧设有加强桁架，与模板同时设计和加工成型后运至现场。装饰块底模与其相邻立柱间加设2层垫梁和支撑梁，以增加横向水平刚度，减少底模侧向变形。

4)主横梁应对应贝雷双竖杆节点，若主横梁处为非双竖杆节点，应对横梁处贝雷节点进行竖杆加强。

5)根据上横梁支架平联标高，布置合理的塔柱主动横撑，支架可兼顾中塔柱主动横撑施工，为其安装和拆除提供便利。

?? 上横梁支架计算分析

上横梁混凝土方量约1918m3，分6次浇筑，上横梁支架结构考虑承受第1~3层3次浇筑混凝土总重。

上横梁支架有限元计算模型及其最不利工况计算结果如图8所示，支架计算时不考虑施加预应力造成的有利影响。模型约束条件为钢立柱在柱底预埋件处刚接，附墙在塔柱预埋件处刚接，主横梁与钢立柱铰接，主横梁与贝雷及三角撑架弹性连接，分配梁与贝雷弹性连接，三角撑架及牛腿与塔柱刚接。上、下横梁支架荷载类型相同。

图8 上横梁支架模型及其计算结果

采用有限元软件对整体上横梁支架结构进行屈曲分析，屈曲分析原理为：屈曲荷载=恒荷载+可变荷载×屈曲系数。在计算中考虑的不变荷载有结构自重、横梁荷载，可变荷载有施工荷载、浇筑荷载。计算得到结构的屈曲模态特征值系数为5.1＞4，支架整体稳定性满足使用要求。

5  横梁施工流程

采用常规工艺自下而上依次进行横梁分层施工，主塔横梁施工流程如图9所示。

图9 主塔横梁施工流程

6 结语

1)主塔上、下横梁体积大、跨度大，利用既有现场条件，下横梁与塔柱同步施工，可减少下横梁施工对塔柱施工进度的影响；上横梁与塔柱异步施工，可减少上横梁施工对塔柱封顶、钢桁梁吊装、悬索挂设等施工进度的影响。横梁整体施工顺利，质量控制良好，可为同类工程提供技术支撑和参考。

2)主塔横梁支架的形式有很多种，本项目下横梁支架采用落地钢立柱方案施工，上横梁采用牛腿小桁架+钢立柱方案施工，整体用钢量非常大。