驸马长江大桥门式混凝土索塔横梁装配式桁架设计与施工

 任  威，徐厚庆，屈加林

 （中交一公局第三工程有限公司，北京  101102）

[摘要]驸马长江大桥主跨为l 050m悬索桥，其中索塔为门式结构，由于两索塔上横结构形式相同，所以采用装配式桁架进行施工，以便周转使用。主要介绍了装配式桁架的设计思路、设计要点、加工制造、使用、拆除等内容。

[关键词]桥梁工程；门式结构；索塔；横梁；装配式；桁架；设计；施工 ，

[中图分类号]U443. 35  [文章编号]1002-8498( 2016)10-0094-04

1工程概况

 驸马长江大桥索塔为门式结构，采用C50高性能混凝土，北岸塔高210. 5m，南岸塔高167. 8m。梁体底板长22m，宽7.5m，高7.Sm，底板四角与上塔柱各有1道5. 00m×3.75m的倒角。梁体混凝土共计614 m3，钢筋重74t（见图1，2）。

2装配式桁架概况

 上横梁施工支架采用平行弦杆桁架简支梁结构即装配式桁架，支架体系自下而上主要由钢牛腿、型钢（卸荷）支座、轨道梁、主桁架、分配梁、倒角区三脚架、底模板体系等组成（见图3）。

 其中钢牛腿采用插入式直板钢牛腿，单组牛腿由2块80mm厚钢板组成，高40cm、长140cm，每组牛腿内钢板间距为30cm，与塔柱竖向主筋间距匹配，每组设计承载力2 000kN。型钢支座采用HW400型钢制作，长宽高均为40cm。轨道梁采用163a型钢，长1.2m，作为主桁架安装和拆除时滑移调整的平台。

 主桁架由3组主桁片组成，分A，B两种，组与组间设置组间联系，每组主桁片由上下两层组成，分体加工和安装，安装后连成整体。桁架横桥向断面形状为正梯形，以适应上横梁下方的腋板（倒角）设计外形。组单元包括2个桁片和桁片之间的平、竖联系杆件等组内联系。组单元之间设组间联系，包括水平直杆件和水平、竖向斜（剪刀撑）杆件。

3装配式桁架的提出和论证

3.1设计思路

 驸马长江大桥索塔结构施工环境特点为施工现场道路狭窄，南、北塔间运输往来仅能通过陆运，难以通行较大车辆。上横梁施工支架需保证上横梁施工的安全性，吊装适应于现有起吊系统布置；支架应遵守拆除方便、能两岸周转使用；同时利于运输，降低成本等几项原则。从安全性、经济性、适用性对比常用的落地支架、斜腿牛腿桁架、三角托架等几种支架形式，自制装配式桁架最为适用驸马长江大桥两岸索塔上横梁施工。

3.2设计论证

 对装配式支架的模拟计算分为杆件验算和局部验算。杆件计算包括桁架单元、横向联系、分块截面参数提取，局部验算包括牛腿、牛腿混凝土、型钢（卸荷）支座计算。使用有限元分析软件MIDASCiv112012，Algor 2011以及手算辅助。面板、方木、分配梁、模板等的设计验算不再赘述。

3.2.1．  荷载分析

 根据《钢结构设计规范> GB50017-2003中3.2.1条，荷载组合为1.1×[1.2×恒载+(1.1×风荷载+1.4×其他可变荷载）]。其中结构自重及钢筋混凝土荷载（一次浇筑）按恒荷载考虑，活荷载包括施工荷载及风荷载。支架变形挠度计算采用标准组合。

3.2.2桁架验算

 桁架主要为杆件单元，使用MIDAS Civil建立三维模型进行验算。桁架为简支梁受力体系，对支点进行位移约束，不限制转动。恒、活荷载直接施加于模型上，结构自重模型自动计入。主要计算杆件刚度、强度和稳定性。

 对桁架进行模拟验算后，承载力极限工况下桁架（所有杆件）最大组合应力为145MPa<215MPa，荷载标准组合工况下最大位移为1. 3cm<L/400=4cm，其他各项指标均满足规范及施工要求，其中最大位移量作为上横梁支架预拱度设置的重要依据。局部稳定性分析受压杆件计算长细比，根据稳定性系数进行稳定性验算。

 杆件连接时，对于不同型材的连接保证焊缝厚度大于型材最大厚度，对于斜杆可加焊节点板进行连接，节点板厚度大于小型材的最大厚度。

3.2.3局部验算

 对于钢结构及混凝土的局部验算，钢钢接触、钢混接触、钢混黏结、摩擦系数等因素的影响难以计算精确，与构件的实际受力情况有一定的差异。为精确地对局部受力进行验算，现使用有限元实体计算软件Algor 2011对钢板牛腿及混凝土局部受压进行验算，计算结果如下。

 1)钢板牛腿

 最大组合应力为163MPa，最大变形为3.8mm，满足规范及施工要求。牛腿变形量与桁架变形统一考虑，为预拱度的设置提供依据。

 2)混凝土局部受压

 由模型计算可知，混凝土局部受压最大压应力为49. 5MPa。塔柱横梁混凝土强度等级为C50，抗压强度设计值为23. 1MPa，需对混凝土进行加强。通过《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62-2004进行局部配筋的抗压设计。上下承压点均按此设计进行加强，在此对配筋的设计验算过程不再进行赘述。

 3)型钢（卸荷）支座

通过Algor 2011软件对型钢支座的实际受力体系进行模拟，通过轨道梁承受桁架反力，定义了轨道梁与型钢支座、型钢支座与钢牛腿间表面接触，并定义0.3的摩擦系数。最大组合应力为79. 6MPa．最大变形为0.3mm，均满足规范及施工要求。

3.3  分层分块方式确定

 桁架结构分层分块遵循以下原则：①竖向分块需选取弯矩或剪力较小的截面作为分块截面；②对于简支梁结构，水平分层在梁中轴位置；③分块最大质量需满足运输吊装要求；④均匀分块，避免切割过多型钢，减少后期装配工作量；⑤分块质量应与现场起吊系统布置匹配；⑥分块后运输问题等原则。整体桁架分为A，B两组，每组由中性轴分为两层，上弦杆主要为受压杆件，装配方式对杆件受力影响较小，上层在跨中附近分为两块，下层分为3块，分块面与上层分块截面错开布置（见图4）。

3.4装配连接方式

 型钢装配式连接方式一般有栓接和焊接两种。使用连接板栓接的栓孔一般为车床加工，在连接板位置需进行喷砂等特殊处理。桁架整体性要求高，需在胎架上进行加工，难以具备工厂化加工条件，同时该桁架需进行周转，使用后或在运输过程中在连接位置可能产生少许变形，对整体结构受力影响小，但对螺栓的连接及连接质量影响较大。桁架采用焊接方式进行连接，则需对焊接进行工艺设计。

 焊接应采用自动焊、半自动焊和E43焊条的手工焊，焊接材料应采用与母材相匹配的焊条、焊剂、焊丝，工艺简单、焊接变形小。焊接材料应符合《碳钢焊条》GB/T 5117-1995、《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》GB/T 8110-2008、《碳钢药芯焊丝》GB/T 10045-2001、《埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂》GB/T 5293-1999相关技术规定。CO2气体保护焊的气体纯度≥99.5%。

4  装配式桁架施工

4.1加工制作、试拼接桁架

 桁架加工制作必须在台座上进行，并控制台座高差不超过2mm。制作时，先对称电焊，再分段对称施焊，防止侧向变形。桁架组单元采用侧卧体位加工，整体竖转，不得单片桁片竖转，防止变形。桁片预拱度按抛物线设置，跨中5mm预拱。桁片轴线偏差不超过±5mm，间距偏差不超过5mm。上下层桁片的贴合弦杆面间隙不超过2mm。下层桁架吊装点采用穿销式，其穿销的卡板作为上层桁架吊装时的定位板。桁架组组之间的杆件预加工，高空现

场焊接。

4.2桁架装配

4.2.1装配步骤

 桁架安装共分为8步，装配安装流程：铺设平台、牛腿、型钢支座、轨道梁的安装（见图5a）→中间下层桁架单元吊装（见图5b）→中间上层桁架单元吊装（见图5c）→外侧下层桁架单元吊装到位并安装部分组间联系（见图5d）→外侧上层桁架单元吊装到位，并安装部分组间联系（见图5e）→另一侧下层桁架单元吊装（见图5f）→另一侧上层桁架单元吊装（见图5g）→铺设分配梁、方木、竹胶板，安装防护栏杆（见图5h）。

 用双塔式起重机抬吊每一个单元的桁架，每组分上下单元。为尽量使吊装直接就位，减少横移量，中间桁架单元组（A组）采用两端对角两点起吊，两侧桁架单元组（B组）采用两端四点起吊。

 吊装顺序：中间下层桁架单元→中间上层桁架单元→外侧下层桁架单元→另一侧下层桁架单元→外侧上层桁架单元→另一侧上层桁架单元。

 吊装中间单元上下层对接后，平移到位。平移在轨道梁上用10t导链滑动就位，采用3t倒链保护导向。上下层桁架单元的现场连接采用跳焊，单条焊缝长度不短于5cm，焊缝总长度不少于1/4拼缝长度。外侧单元吊装直接到位。每单元起吊前在下层铺设4cm厚木板，采用钢丝将其与单元下弦杆绑扎牢固，作为主桁架内施工平台。A，B组桁架木板长度分别为1. 5m和2.5m。最后安装底层防护网。焊接剩余全部组间联系和连接。

4.3桁架拆除

 1)拆除时机

 南、北索塔上横梁均两次浇筑完成，第1层浇筑完成后，防止第2层浇筑荷载以及温度影响产生裂缝，对第1层浇筑的横梁施加30%的初始预应力。两次浇筑并全部张拉完成后开始准备桁架拆除。

 2)拆除步骤

 桁架拆除共分为8步，拆除步骤如下：安装悬挂系统，割除型钢支座，然后下放轨道梁，并与牛腿焊接（见图6a）→抽出竹胶板、方木、分配梁，利用预留孔洞悬挂三脚架（见图6b）→拆除轨道悬挂，在每组桁架顶面两侧焊接防倾倒型钢（型钢顶面距下横梁底面4cm），切割组间联系（见图6c）→在轨道梁上使用千斤顶同步推移，将外侧桁架单元稳步平移到上横梁以外，在桁架即将移出横梁外时，在外侧拉拽防倾倒钢丝绳（见图6d）→割除外移桁架上的防倾倒型钢，切割上下层桁架单元的联系，分别下落上下层桁架单元（见图6e）→分别下落上下层桁架单元；同理拆除另一边的外侧桁架(见图6f) →平移拆除中间桁架单元（见图6g）→拆除轨道梁、牛腿、平台（见图6h）。

 3)落架

 安装悬挂系统，采用千斤顶提紧轨道梁，将整个桁架吊住，割除型钢支座，再下落轨道梁并与牛 腿焊接，模板与上横梁底脱空40cm。抽出竹胶板、方木、分配梁，通过预留孔吊住倒角区三脚架；修整梁底混凝土；拆除悬挂系统。

 在每组桁架顶面两侧焊接防倾倒型钢（型钢顶面距下横梁底面4cm），切割组件联系。在轨道梁上使用千斤顶同步推移，将外侧桁架单元稳步平移到上横梁以外。在桁架即将移出横梁外时，在外侧拉拽防倾倒钢丝绳。割除上下层单元之间的联系。应仔细检查，防止未割断联系，吊起时形成断裂冲击，或引起下层桁架组倾覆。

 用塔式起重机逐一将桁架单元起吊至地面，垫平并加支斜撑，防止桁架单元倾倒。将桁架单元分段切割成≤10m段，待运。拆除另一侧桁架单元，拆除中间桁架单元。吊放倒角区三脚架。拆除轨道梁和牛腿，拆除操作平台。将所有支架材料运至北塔，按照前述要求组拼使用。

5效益分析

 装配式桁架通过在驸马长江大桥上横梁的使用，取得了较好的经济效益，通过对比初步方案的斜腿桁架支架及现有技术中的高支架方式体现装配式桁架效益。详细效益分析如表1所示。

6  结语

 1)杆件模拟计算采用有限元软件MIDAS Civil，对于牛腿混凝土接触受力及型钢支座的设计验算使用Algor2011建立实体计算模型进行验算，2套软件辅助手算的配合使用可解决临时支架设计验算绝大部分问题。

 2)装配式桁架为简支梁受力结构，全部荷载作用于塔壁预埋的钢牛腿上，受力明确，支架安全性在设计阶段易于保证。装配式桁架的使用避免了现有技术中高支架施工大量刚构支架的安装和拆除。

 3)减少了索塔施工时预埋件的安装及后期修补工作，减少高空焊接工作量和材料，大大降低了高空作业风险，25m内小跨径横梁施工支架值得推广。