长江大桥上横梁施工支架设计与施工

1、荆岳长江公路大桥北索塔上横梁支架设计与施工1.工程概况 荆岳长江公路大桥是主跨为816m的双塔混合梁斜拉桥，其北塔（28墩）高达265.50m，为世界最高的“H”型斜拉桥索塔。北索塔的上横梁长、宽、高分别为29.5m、7.8m、7.6m。横梁断面为砼箱形构造，顺桥向与索塔塔柱同宽；顶、底板厚1.0m，腹板厚1.0m；内设两道厚0.8m的横隔板，圆弧半径4m。具体构造见图1。图1 上横粱一般构造图 图2 上横粱效果图采用预应力砼结构，共设置48束22s15.24预应力钢绞线，钢绞线标准强度fpk=1860Mpa,砼采用C50，共计965m3，总重为：2523t。2.施工方案比选（1）上横梁支架选

2、型上横梁支架均考虑空中少支架法施工，将上横梁砼自重通过支架传递给砼塔壁承受。根据上横梁的结构特征，设计过程中拟定了两种支架布置形式。拼装式系杆拱式支架（比选方案）：整个拱圈由四片桁拱构成，通过双偏心法确定最优矢跨比为1.75，采用悬链线弧形。计算跨径29.0m。主拱肋由4根820×10mm螺旋管构成，系杆采用529×10mm螺旋卷管构成，共由四根构成，每根与主拱圈进行销结。拱上立柱采用426×8mm的钢管，根据斜杆角度和上横梁荷载分布情况，拱上立柱在局部进行了不等距设置。桁拱上弦为2I56B的组合型钢。中间之间段分配梁采用I32B，间距为0.75m，上铺t=16m

3、m的钢板作底模。拱架两端根据横梁线型设置圆弧桁架支架，采用I12.6型钢按间距35cm作分配梁，面板采用厚度为6mm钢板。 图3 比选方案上横梁支架构造图该方案需加工4片820×10mm的悬链线拱肋，加工精度要求高，工地现场不具备加工的条件；需在索塔上安拆一跨径为30m的小拱，高空使用两台塔吊配合抬吊，较困难；拱肋因为拱轴系数预先确定，因此不便周转使用，材料基本为一次性摊销。因此该方案对加工设备、起吊设备要求较高、材料的周转性小，经济性差。斜腿刚构支架（实施方案）：斜支腿桁片共有三组，间距经过反复试算，确定为3.7m。刚架主斜腿由1000×10mm的螺旋钢管构成，水平钢管除

4、中间为820×10mm的钢管外，其余均采用720×10mm的水平管连接。刚架辅支腿由于受力较小，采用720×10mm钢管。钢管立柱之间采用426×6mm的水平钢管进行横向连接。钢管立柱上设置150t承载能力的砂筒。砂筒上设置3I56B的分配粱，再根据上横梁的横截面质量分布情况，设置18排单层贝雷，贝雷粱在支点增加210的竖杆作加强处理。贝雷粱间在支点处设置风构，在贝雷粱两端因小圆弧端桁架的影响，不能设置风构，则采用在贝雷粱上下弦上设置16b的槽钢作为横向联系。贝雷粱顶设置2I12.6分配粱，在空腔位置间距75cm，在腹板位置为37.5cm。由于整个刚架的

5、总重量约为117t，单根支腿的理论重量仅4t，长度长14.66m，因此采用上下游塔吊均可进行起吊安装。支架的预拱度考虑弹性变形和非弹性变形后，按二次抛物线进行设置，考虑横梁设计预拱度后，跨中支架预拱度设定为28mm。砂筒采用砼试验用200t压力机进行预压后锁定、密封，以减少实际使用过程中的非弹性变形。图4 实施方案上横梁支架构造图（2）方案比选两个方案进行比较，实施方案存在明显优势如下：斜腿刚构的结构与中塔柱主动撑相结合，结构的整体性能好；结构加工非常方便，实现工地现场加工；结构的单块重量较轻，均在上下游塔吊的起重范围内，便于结构的安装与拆除；材料的周转性高，实现的经济效益高。3.上横梁支架结

6、构计算3.1有限元模型北索塔及支架有限元模型北索塔上横梁施工支架有限元模型3.2、材料及规格表单元名称规格（mm）单元名称规格（mm）刚架主斜腿D1000*10贝雷桁片上、下弦杆210刚架辅斜腿D720*10贝雷桁片竖杆I10刚架主水平杆D800*10贝雷桁片加强竖杆210刚架辅水平杆D720*10圆弧段主拱肋220刚架横向联系钢管 D426*6圆弧段拱架系杆220 刚架分配梁 3I56b圆弧段拱架腹杆216贝雷架顶分配梁2I12.63.3计算荷载计算工况：北索塔上横梁第一层混凝土浇筑浇注混凝土重量第一次浇筑混凝土3.8米高，计算容重26KN/m3，混凝土超重1.05计入。模板、支架自重内、外

7、模板总重740.1KN，超重系数1.03。施工及人群荷载施工人员按1.5KN/m2考虑，施工机具按2KN/m2考虑。风荷载（顺桥方向）a：支架模板部分风荷载：该荷载按均布荷载分配于梁上，荷载集度为7.72KN/mb：贝雷桁片部分风荷载：该荷载按均布力分配在贝雷桁架上，荷载集度为 7KN/m3.4计算结果刚架主斜腿（D1000*10）应力云图（KN/m2）刚架辅斜腿（D720*10）应力云图（KN/m2）刚架主水平杆（D80010）应力云图（KN/m2）刚架辅水平杆（D72010）应力云图（KN/m2）刚架横向联系钢管（D4266）应力云图（KN/m2）刚架分配梁 （I56b）应力云图（KN/m

8、2）贝雷架顶横向分配梁 （I12.6）应力云图（KN/m2）贝雷片上弦杆（210）轴力图（KN）贝雷片下弦杆（210）轴力图（KN）加强竖杆(210)轴力图（KN）贝雷架竖杆轴力图（KN）贝雷架斜杆轴力图（KN）圆弧段拱肋（220）应力云图（KN/m2）圆弧段系杆（220）应力云图（KN/m2）圆弧段拱架腹杆（216）应力云图（KN/m2）计算结果汇总：贝雷桁架杆件轴力（单位KN，负为压）单元名称最大轴力理论容许承载力验算贝雷桁片上弦杆225560满足贝雷桁片下弦杆195560满足贝雷桁片加强竖杆92560满足贝雷桁片竖杆43213满足贝雷桁片斜杆93171满足 *取自装配式公路钢桥多用途使用

9、手册立柱钢管及分配梁应力表单元名称规格（mm）最大应力（MPa）容许应力（MPa）验算刚架主斜腿D1000*1085165满足刚架辅斜腿D720*1077165满足刚架主水平杆D800*1062183满足刚架辅水平杆D720*10128183满足刚架横向联系钢管 D426*644183满足刚架分配梁 I56b38183满足贝雷架顶分配梁I12.632183满足圆弧段主拱肋22079183满足圆弧段拱架系杆220135183满足圆弧段拱架腹杆21668183满足注：支架各构件施工容许应力均在设计规范的规定基础上提高1.3，支架立柱钢管考虑了弯曲折减系数0.93.4支架整体刚度验算贝雷桁架变形图由

10、位移云图可以看出，支架跨中的竖向变形梁最大为2.1cm，贝雷桁架自身绝对变形量为1.0cm挠度与跨度比值为1.0cm/900cm = 1/900 < 1/400 满足规范要求。3.5局部节点验算及相应处理斜支腿和水平钢管的交点受力较大，作局部分析如下： 计算模型图 计算结果图由计算结果可知，钢管在交界处存在局部应力过大的问题，因此将钢管接头交点位置处浇筑成C30混凝土，增强钢管的抗挤压能力。3.6整体稳定性验算一阶失稳模态 稳定系数18.518由弹性屈曲分析结果看，支架的整体线弹性稳定系数为18.5，表现为圆弧段拱圈的横向失稳，整体稳定性满足要求。4.施工保证措施设计上横梁支架的钢管质量

11、及焊缝质量至关重要，为保证现场支架与计算模型接近一致，主要采取以下设计措施来对钢管及焊缝进行处理：（1）采用超声波对所有钢管立柱的对接接头焊缝进行100探伤。 超声波探测仪型号HS600，耦合剂：工业浆糊，探头类型：单斜探头5P9×9K3，扫描方式：锯齿型；共检查焊缝30条，经初检，返修复检，按照GB11345-89标准评定，无超标缺欠波形显示，根据GB50205-2001二级焊缝要求，所检焊缝内部质量合格。（2）单根钢管立柱，在安装前，在平台上按横向联系位置进行约束模拟，千斤顶和钢铰线进行预压。检验压缩值与实测值是否相符及钢管接头有无不良现象。（3）钢管立柱上增贴应变片，对钢管应力

12、进行监控。并对在钢管支架立柱侧面跨中设置位移观测点，对可能出现的屈曲位置（第一阶屈曲模态）用TCA2003全站仪进行变形观测。（4）钢管接头的贴板处理 立柱钢管加强的方式有两种：一种是对接接头进行贴板加强；另一种是横向联系与立柱之间，为保证节点的刚性假设，设置三角肋板，使之能传递弯矩。5.上横梁施工北索塔上横梁采用塔、梁异步施工的施工工艺，即将塔柱施工至上塔柱一定高度后，再进行上横梁的施工。横梁分两次浇筑完成，每次浇筑高度为3.8m。具体浇筑示意图如图5所示。浇筑第一层3.8m高砼 浇筑第二层3.8m高砼 图5 上横粱浇筑流程图5.1模板施工（1）模板设计：在保证质量及安全的情况下，为了提高施

13、工效率、节省材料及施工方便，对模板设计及施工作以下改进：底模板：上横梁底模纵肋采用10×12cm木枋，纵肋横桥向铺设在支架分配梁上，上横梁腹板下方约270cm宽度范围的纵肋间距为30cm，底板范围的纵肋间距为40cm，底模面板采用厚为15mm竹胶板。外模板：因采用塔梁异步施工工艺，上横梁的外模采用大面积钢模板和中塔柱液压爬模内模板拼装，利用工地现有的模板进行配模。内模板：内模竖直面模板板采用钢模板，除倒角位置加工异型模板，其他均为自加工组合钢模板，钢板板厚度为5 mm，竖直面模板按4.5m高度所需数量加工，重复利用。内模顶板采用木模板，在横梁内搭设钢管脚手架，安装10×12

14、cm木枋纵梁，顶板模板铺设在木枋纵梁上。（2）模板安装：模板加工完成后，由质检部组织对模板加工尺寸、平整度、焊缝等进行检查，并进行预拼装，验收合格后进行保养，选择平整的场地存放，注意保护。模板安装前清理面板上的杂物，面板上的铁锈必须打磨干净，涂刷脱模剂。底模安装：在上横梁支架分配梁安装后，复测其顶面标高。铺设横桥向底模10×12cm木枋纵肋，纵肋搭接位置必须设置在分配梁上，不容许出现悬臂情况。底模面板接缝用胶布粘牢，底模面板四周用铁钉与纵肋木核枋连接，底模面板顺桥向总宽度与横梁底板结构尺寸一致，横桥向注意与圆弧倒角模的接连。外模安装：上横梁外模紧贴底模上横梁底模纵肋，钢模部分在第一次

15、砼浇筑施工时，支撑在支架分配梁上，第二次砼浇筑施工时，将模板整体上移，依靠对拉螺杆和临时支撑结构定位。外模板安装时注意接缝位置设置双面胶，防止漏浆。模板安装、调整到位后，在模板外侧间距23m设置型钢斜支撑，防止施工过程中模板移位。模板安装完成后，现场技术员和质检员对对拉螺杆、模板接缝、连接螺栓、保护层厚度、模板拼装后尺寸等进行全面检查。内模安装：先进行角模板的安装，然后在平地上将组合钢模拼成大块模板，再逐块进行安装，最后安装调节模板。根据外模对拉螺孔位置安装围檩，安装对拉螺杆，顺桥向对拉围檩间设置型钢硬撑，防止模板出现位移。搭设施工脚手架，作为施工平台结构和顶模板的支撑结构。顶模板采用竹胶模板

16、，木方肋条与竹胶模板间采用铁钉连接，面板搭接位置必须设置有肋条。上横梁第二层混凝土施工时，利用支架平台上的顺桥向2工12.6平台搭设模板支撑架，安装定位外侧模板，内模则利用脚手架管搭设、支撑。5.2钢筋、预应力管道施工横梁的普通钢筋采用第I类直螺纹接头进行预埋处理，预埋时需用塑料螺帽将直螺纹接头的端头封住（如图6所示）。横梁施工时利用直螺纹套筒接长。安装腹板钢筋时，为了增加其稳定性，用废旧角钢焊成劲性骨架，将腹板钢筋立于劲性骨架上，考虑横梁混凝土美观与质量，用混凝土垫块保证钢筋保护层。横梁预应力钢绞线采用后穿法，在索塔与横梁接头的断面上预埋两端带丝的镀锌钢管，丝口上在浇筑砼时涂黄油，并包裹塑料

17、。其安装工艺是：波纹管安装由钢筋定位架定位，利用接头管接长波纹管，两端用胶带缠包，以防止接头处漏浆，然后用钢筋卡子与定位架固定，以防止浇筑混凝土时波纹管上浮。钢筋定位架每50cm一个，管道坐标在长度方向不得大于30mm，在高度方向不得大于10mm，管道之间的误差不得超过10mm。在浇筑混凝土之前，对波纹管进行全面检查：管道是否开裂、烧伤、破损，接头是否密实。图6 上横粱钢筋的预留5.3混凝土施工（1）混凝土配合比横梁为C50高强混凝土，具有高集料、低水胶比、高泵扬程、早强、缓凝等特性。混凝土采用泵送，泵送水平和垂直距离都较大，故对混凝土的可泵性、和易性、泌水性及缓凝早强要求较高，所以混凝土配合

18、比要求：坍落度18-20cm，并且应掺入外加剂改善混凝土的和易性、可泵性、缓凝早强等效果。（2）混凝土浇筑混凝土用一套拌和楼，通过陆上混凝土运输车运送到主墩平台，通过平台上的两套泵管装置将混凝土泵送到待浇混凝土处。浇筑混凝土时应特别注意以下施工问题：浇筑第一次混凝土时，测量人员专门观测钢管支架的变形情况，及时调整浇筑工艺，并且第一次浇筑混凝土必须在横桥方向与顺桥方向对称浇筑，相差不得超过20m3。混凝土浇筑时，其倾落度超过2m时，布设串筒，确保混凝土不发生离析，同时也避免因倾落度过大使混凝土溅到上层模板上而造成混凝土表面失色。每次浇筑混凝土按一定厚度（30-50cm）、方向和顺序分层浇筑。为了

19、防止混凝土表面出现明显的分层线，尽量缩短上下层浇筑间隔时间，并在振捣上层混凝土时振动棒插入下层混凝土50-100mm，使上下混凝土融为一体。振动棒的移动间距不得超过振捣器作用半径的1.5倍，与侧模保持50-100mm距离，振捣时间控制在30s左右，避免漏振，欠振，过振。振捣时振捣棒不得碰撞波纹管，模板及各种预埋件。为了减少混凝土表面的气泡，浇筑过程中采用两次振捣工艺，第一次在混凝土布料后进行，每二次在混凝土静置一段时间后进行。每次混凝土在顶层初凝前进行第二次振捣，并清除表面浮浆。（3）混凝土养护及施工缝处理混凝土的养护及施工缝处理对混凝土质量及外观有着很大的影响，必须认真对待。混凝土施工缝采用

20、人工凿毛，辅以空压机的方法，在混凝土强度2.5MPa，人工凿毛清理出骨料，必要时辅以空压机凿毛，用高压气冲洗。混凝土浇筑完成后及时进行养护，采用洒水养护，为了防止污染混凝土表面，养护水采用已过滤澄清的江水，安排专人及时、不间断洒水，保持混凝土表面经常处于湿润状态，避免混凝土表面出现干湿循环，防止混凝土表面开裂。5.4预应力施工（1）施工流程预应力管道及锚具安装预应力钢绞线下料穿预应力钢束预应力张拉锚固压浆封锚。上横梁预应力锚具采用22s15.24型，钢绞线直径为15.24mm，标准强度1860MPa，弹性模量194KN/mm2。钢绞线每束长4050cm，共48束。其布置见图7。第一次浇筑完成后，待混凝土强度达到90%，张拉第一批钢绞线，第一次张拉共14束， 即实心黑圈为第一批张拉的钢绞线，余下的均为第 图7 上横梁钢束布置图二批张拉