長江公路大橋北索塔上橫梁支架設(shè)計(jì)與施工

荊岳長江公路大橋北索塔上橫梁支架設(shè)計(jì)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(dá)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(gòu)造，順橋向與索塔塔柱同寬；頂、底板厚1.0m，腹板厚1.0m；內(nèi)設(shè)兩道厚0.8m的橫隔板，圓弧半徑4m。具體構(gòu)造見圖1。圖1上橫粱一般構(gòu)造圖圖2上橫粱效果圖采用預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)，共設(shè)置48束22φs15.24預(yù)應(yīng)力鋼絞線，鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1860Mpa,砼采用C50，共計(jì)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(jié)構(gòu)特征，設(shè)計(jì)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(gè)拱圈由四片桁拱構(gòu)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(jì)算跨徑29.0m。主拱肋由4根Φ820×10mm螺旋管構(gòu)成，系桿采用Φ529×10mm螺旋卷管構(gòu)成，共由四根構(gòu)成，每根與主拱圈進(jìn)行銷結(jié)。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(jìn)行了不等距設(shè)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(shè)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(gòu)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(tái)塔吊配合抬吊，較困難；拱肋因?yàn)楣拜S系數(shù)預(yù)先確定，因此不便周轉(zhuǎn)使用，材料基本為一次性攤銷。因此該方案對(duì)加工設(shè)備、起吊設(shè)備要求較高、材料的周轉(zhuǎn)性小，經(jīng)濟(jì)性差。=2\*GB3②斜腿剛構(gòu)支架（實(shí)施方案）：斜支腿桁片共有三組，間距經(jīng)過反復(fù)試算，確定為3.7m。剛架主斜腿由φ1000×10mm的螺旋鋼管構(gòu)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(jìn)行橫向連接。鋼管立柱上設(shè)置150t承載能力的砂筒。砂筒上設(shè)置3I56B的分配粱，再根據(jù)上橫梁的橫截面質(zhì)量分布情況，設(shè)置18排單層貝雷，貝雷粱在支點(diǎn)增加2[10的豎桿作加強(qiáng)處理。貝雷粱間在支點(diǎn)處設(shè)置風(fēng)構(gòu)，在貝雷粱兩端因小圓弧端桁架的影響，不能設(shè)置風(fēng)構(gòu)，則采用在貝雷粱上下弦上設(shè)置[16b的槽鋼作為橫向聯(lián)系。貝雷粱頂設(shè)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(gè)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(jìn)行起吊安裝。支架的預(yù)拱度考慮彈性變形和非彈性變形后，按二次拋物線進(jìn)行設(shè)置，考慮橫梁設(shè)計(jì)預(yù)拱度后，跨中支架預(yù)拱度設(shè)定為28mm。砂筒采用砼試驗(yàn)用200t壓力機(jī)進(jìn)行預(yù)壓后鎖定、密封，以減少實(shí)際使用過程中的非彈性變形。圖4實(shí)施方案上橫梁支架構(gòu)造圖（2）方案比選兩個(gè)方案進(jìn)行比較，實(shí)施方案存在明顯優(yōu)勢(shì)如下：=1\*GB3①斜腿剛構(gòu)的結(jié)構(gòu)與中塔柱主動(dòng)撐相結(jié)合，結(jié)構(gòu)的整體性能好；=2\*GB3②結(jié)構(gòu)加工非常方便，實(shí)現(xiàn)工地現(xiàn)場加工；=3\*GB3③結(jié)構(gòu)的單塊重量較輕，均在上下游塔吊的起重范圍內(nèi)，便于結(jié)構(gòu)的安裝與拆除；=4\*GB3④材料的周轉(zhuǎn)性高，實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)效益高。3.上橫梁支架結(jié)構(gòu)計(jì)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(qiáng)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(jì)算荷載計(jì)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(jì)算容重26KN/m3，混凝土超重1.05計(jì)入。②模板、支架自重內(nèi)、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(jī)具按2KN/m2考慮。④風(fēng)荷載（順橋方向）a：支架模板部分風(fēng)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(fēng)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(jì)算結(jié)果剛架主斜腿（D1000*δ10）應(yīng)力云圖（KN/m2）剛架輔斜腿（D720*δ10）應(yīng)力云圖（KN/m2）剛架主水平桿（D800δ10）應(yīng)力云圖（KN/m2）剛架輔水平桿（D720δ10）應(yīng)力云圖（KN/m2）剛架橫向聯(lián)系鋼管（D426δ6）應(yīng)力云圖（KN/m2）剛架分配梁（I56b）應(yīng)力云圖（KN/m2）貝雷架頂橫向分配梁（I12.6）應(yīng)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(qiáng)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(yīng)力云圖（KN/m2）圓弧段系桿（2[20）應(yīng)力云圖（KN/m2）圓弧段拱架腹桿（2[16）應(yīng)力云圖（KN/m2）計(jì)算結(jié)果匯總：貝雷桁架桿件軸力（單位KN，負(fù)為壓）單元名稱最大軸力理論容許承載力驗(yàn)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(qiáng)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(cè)》立柱鋼管及分配梁應(yīng)力表單元名稱規(guī)格（mm）最大應(yīng)力（MPa）容許應(yīng)力（MPaa）驗(yàn)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(gòu)件施工容許應(yīng)力均在設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定基礎(chǔ)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(yàn)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(duì)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(diǎn)驗(yàn)算及相應(yīng)處理斜支腿和水平鋼管的交點(diǎn)受力較大，作局部分析如下：計(jì)算模型圖計(jì)算結(jié)果圖由計(jì)算結(jié)果可知，鋼管在交界處存在局部應(yīng)力過大的問題，因此將鋼管接頭交點(diǎn)位置處澆筑成C30混凝土，增強(qiáng)鋼管的抗擠壓能力。3.6整體穩(wěn)定性驗(yàn)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(jié)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(shè)計(jì)上橫梁支架的鋼管質(zhì)量及焊縫質(zhì)量至關(guān)重要，為保證現(xiàn)場支架與計(jì)算模型接近一致，主要采取以下設(shè)計(jì)措施來對(duì)鋼管及焊縫進(jìn)行處理：（1）采用超聲波對(duì)所有鋼管立柱的對(duì)接接頭焊縫進(jìn)行100％探傷。超聲波探測儀型號(hào)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(fù)檢，按照GB11345-89標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定，無超標(biāo)缺欠波形顯示，根據(jù)GB50205-2001二級(jí)焊縫要求，所檢焊縫內(nèi)部質(zhì)量合格。（2）單根鋼管立柱，在安裝前，在平臺(tái)上按橫向聯(lián)系位置進(jìn)行約束模擬，千斤頂和鋼鉸線進(jìn)行預(yù)壓。檢驗(yàn)壓縮值與實(shí)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(yīng)變片，對(duì)鋼管應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)控。并對(duì)在鋼管支架立柱側(cè)面跨中設(shè)置位移觀測點(diǎn)，對(duì)可能出現(xiàn)的屈曲位置（第一階屈曲模態(tài)）用TCA2003全站儀進(jìn)行變形觀測。（4）鋼管接頭的貼板處理立柱鋼管加強(qiáng)的方式有兩種：一種是對(duì)接接頭進(jìn)行貼板加強(qiáng)；另一種是橫向聯(lián)系與立柱之間，為保證節(jié)點(diǎn)的剛性假設(shè)，設(shè)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(jìn)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(shè)計(jì)：在保證質(zhì)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(duì)模板設(shè)計(jì)及施工作以下改進(jìn)：①底模板：上橫梁底?？v肋采用10×12cm木枋，縱肋橫橋向鋪設(shè)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(nèi)模板拼裝，利用工地現(xiàn)有的模板進(jìn)行配模。③內(nèi)模板：內(nèi)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(fù)利用。內(nèi)模頂板采用木模板，在橫梁內(nèi)搭設(shè)鋼管腳手架，安裝10×12cm木枋縱梁，頂板模板鋪設(shè)在木枋縱梁上。（2）模板安裝：模板加工完成后，由質(zhì)檢部組織對(duì)模板加工尺寸、平整度、焊縫等進(jìn)行檢查，并進(jìn)行預(yù)拼裝，驗(yàn)收合格后進(jìn)行保養(yǎng)，選擇平整的場地存放，注意保護(hù)。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(fù)測其頂面標(biāo)高。鋪設(shè)橫橋向底模10×12cm木枋縱肋，縱肋搭接位置必須設(shè)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(jié)構(gòu)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(shí)，支撐在支架分配梁上，第二次砼澆筑施工時(shí)，將模板整體上移，依靠對(duì)拉螺桿和臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)定位。外模板安裝時(shí)注意接縫位置設(shè)置雙面膠，防止漏漿。模板安裝、調(diào)整到位后，在模板外側(cè)間距2～3m設(shè)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(shù)員和質(zhì)檢員對(duì)對(duì)拉螺桿、模板接縫、連接螺栓、保護(hù)層厚度、模板拼裝后尺寸等進(jìn)行全面檢查。③內(nèi)模安裝：先進(jìn)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(jìn)行安裝，最后安裝調(diào)節(jié)模板。根據(jù)外模對(duì)拉螺孔位置安裝圍檁，安裝對(duì)拉螺桿，順橋向?qū)瓏鷻_間設(shè)置型鋼硬撐，防止模板出現(xiàn)位移。搭設(shè)施工腳手架，作為施工平臺(tái)結(jié)構(gòu)和頂模板的支撐結(jié)構(gòu)。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(shè)置有肋條。上橫梁第二層混凝土施工時(shí)，利用支架平臺(tái)上的順橋向2工12.6平臺(tái)搭設(shè)模板支撐架，安裝定位外側(cè)模板，內(nèi)模則利用腳手架管搭設(shè)、支撐。5.2鋼筋、預(yù)應(yīng)力管道施工橫梁的普通鋼筋采用第I類直螺紋接頭進(jìn)行預(yù)埋處理，預(yù)埋時(shí)需用塑料螺帽將直螺紋接頭的端頭封住（如圖6所示）。橫梁施工時(shí)利用直螺紋套筒接長。安裝腹板鋼筋時(shí)，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(zhì)量，用混凝土墊塊保證鋼筋保護(hù)層。橫梁預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用后穿法，在索塔與橫梁接頭的斷面上預(yù)埋兩端帶絲的鍍鋅鋼管，絲口上在澆筑砼時(shí)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(xí)r波紋管上浮。鋼筋定位架每50cm一個(gè)，管道坐標(biāo)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(duì)波紋管進(jìn)行全面檢查：管道是否開裂、燒傷、破損，接頭是否密實(shí)。圖6上橫粱鋼筋的預(yù)留5.3混凝土施工（1）混凝土配合比橫梁為C50高強(qiáng)混凝土，具有高集料、低水膠比、高泵揚(yáng)程、早強(qiáng)、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(duì)混凝土的可泵性、和易性、泌水性及緩凝早強(qiáng)要求較高，所以混凝土配合比要求：坍落度18-20cm，并且應(yīng)摻入外加劑改善混凝土的和易性、可泵性、緩凝早強(qiáng)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(yùn)輸車運(yùn)送到主墩平臺(tái)，通過平臺(tái)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?xí)r應(yīng)特別注意以下施工問題：=1\*GB3①澆筑第一次混凝土?xí)r，測量人員專門觀測鋼管支架的變形情況，及時(shí)調(diào)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?qū)ΨQ澆筑，相差不得超過20m3。=2\*GB3②混凝土澆筑時(shí)，其傾落度超過2m時(shí)，布設(shè)串筒，確?；炷敛话l(fā)生離析，同時(shí)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(shí)間，并在振搗上層混凝土?xí)r振動(dòng)棒插入下層混凝土50-100mm，使上下混凝土融為一體。=4\*GB3④振動(dòng)棒的移動(dòng)間距不得超過振搗器作用半徑的1.5倍，與側(cè)模保持50-100mm距離，振搗時(shí)間控制在30s左右，避免漏振，欠振，過振。=5\*GB3⑤振搗時(shí)振搗棒不得碰撞波紋管，模板及各種預(yù)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(jìn)行，每二次在混凝土靜置一段時(shí)間后進(jìn)行。每次混凝土在頂層初凝前進(jìn)行第二次振搗，并清除表面浮漿。（3）混凝土養(yǎng)護(hù)及施工縫處理混凝土的養(yǎng)護(hù)及施工縫處理對(duì)混凝土質(zhì)量及外觀有著很大的影響，必須認(rèn)真對(duì)待。混凝土施工縫采用人工鑿毛，輔以空壓機(jī)的方法，在混凝土強(qiáng)度≥2.5MPa，人工鑿毛清理出骨料，必要時(shí)輔以空壓機(jī)鑿毛，用高壓氣沖洗?；炷翝仓瓿珊蠹皶r(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，采用灑水養(yǎng)護(hù)，為了防止污染混凝土表面，養(yǎng)護(hù)水采用已過濾澄清的江水，安排專人及時(shí)、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(yù)應(yīng)力施工（1）施工流程預(yù)應(yīng)力管道及錨具安裝→預(yù)應(yīng)力鋼絞線下料→穿預(yù)應(yīng)力鋼束→預(yù)應(yīng)力張拉→錨固→壓漿→封錨。上橫梁預(yù)應(yīng)力錨具采用22φs15.24型，鋼絞線直徑為15.24mm，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)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(qiáng)度達(dá)到90%，張拉第一批鋼絞線，第一次張拉共14束，即實(shí)心黑圈為第一批張拉的鋼絞線，余下的均為第圖7