千米级混合梁斜拉桥边跨支架的设计及拆卸分析

时间：2024-07-28

彭华军

(四川南渝高速公路有限公司，四川南充 637000)

[定稿日期]2017-09-15

1 工程概况

鄂东长江公路大桥为大陆首座千米级混合梁斜拉桥，其跨径组成为(3×67.5+72.5+926+72.5+3×67.5) m。边跨设3个辅助墩和一个过渡墩。边中跨均采用PK断面箱梁，梁高均为3.8 m，拉索双索面设置。桥梁整体布置如图1所示，主梁标准断面如图2所示。

图1 鄂东大桥总体布置(单位：m)

(a) 钢箱梁标准横断面

(b) 混凝土箱梁标准横断面图2 主桥标准横断面(单位：mm)

2 边跨支架系统设计

2.1 支架结构设计

超大跨度混合梁斜拉桥，边跨施工工艺复杂、程序繁多且工期持续时间长，支架的设计计算不仅关系施工期结构安全稳定，更影响到成桥结构内力和线形[1-3]。根据大桥所处地质环境、施工特点，本桥支架设计为钢管柱贝雷梁支架系统，以南岸为例，支架布置如图3所示。图3中基础采用直径φ1 200 mm和φ1 500 mm的钻孔灌注桩。6#～8#墩之间为φ1 020×12 mm钢管； 8#～10#墩之间为φ1 200×14 mm钢管。支撑排架横桥向平联采用φ600×8 mm的钢管，其余排架横桥向采用2[28a作平联，纵桥向平联为2[25a。横桥向采用2[28a作为斜撑，纵桥向采用φ25钢筋对拉。立柱及牛腿上设卸荷砂箱，砂箱上设2HN800×300的主横梁。主横梁上搁置贝雷梁，贝雷梁上设I25a分配梁。

图3 支架系统布置示意

2.2 支架受力分析

2.2.1 计算荷载

箱梁混凝土自重：按26 kN/ m3进行计算；

施工荷载：按2.5 kN/m2进行计算；

风荷载：考虑横桥向风荷载，风速按30年一遇，V=18.7 m/s进行计算；

模板重量：按2.0 kN/m2进行计算；

设计高水位：19.65 m；

设计流速：3.0 m/s。

2.2.2 计算工况

工况1：梁段支架搭设完毕后，侧向风作用。

工况2：边跨支架堆载预压，预压荷载为1.2倍箱梁自重。

工况3：箱梁浇筑完毕，侧向风作用。

2.2.3 建模计算

采用MIDAS/CIVIL有限软件建模，用三维梁单元模拟分配梁、贝雷梁、主横梁、钢管柱。采用整体模型计算的优点是对支架系统的模拟比子模型法更接近实际情况。构件之间约束如下(其中x顺桥向，y横桥向，z竖直向，0表示放松，1表示约束)：

分配梁与贝雷梁 (Dx=Dy=Dz=1,Ry=1、Rx=Rz=0)

贝雷梁与主横梁 (Dx=Dy=Dz=1,Rx=1、Ry=Rz=0)

主横梁与支架 (砂筒支架端：全约束；横梁端Dx=Dy=Dz=1,Rx=Ry=Rz=0)

支架模型如图4所示。

图4 支架计算模型

2.2.4 支架变形计算

支架变形计算一方面为混凝土立模标高的确定提供依据，另一方面保障结构刚度确保结构安全，三种荷载工况下结构变形如表1所示。

表1 支架变形 mm

2.2.5 构件应力验算

支架应力验算如表2所示。

表2 支架应力计算结果

由计算可知分配梁组合应力(弯矩和轴向)最大为119 MPa<188 MPa，两排贝雷架间最大变形为1.9 mm

图5 牛腿应力图(单位：MPa)

根据JTJ 025-86《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》要求[4]：

Q235允许最大综合应力为：145×1.3=188 MPa

Q235允许最大剪应力：85×1.3=110 MPa

贝雷梁允许最大综合应力为：210×1.3=273 MPa

经计算支架受力满足要求。

2.3 支架基础设计分析

根据大桥所在地质情况，桩长设计为：桩径D=1200 mm，有效桩长L=36 m(桩端到岩面)；桩径D=1200 mm，有效桩长L=25 m；桩径D=1500 mm，有效桩长L=36 m(桩端到岩面)。桩基受力状态为轴心竖向受荷。单桩竖向极限承载力设计值为：

式中：Qsk为单桩总极限侧阻力标准值；Qpk为单桩总极限端阻力标准值；γs、γp为桩侧阻抗力和桩端阻抗力分项系数，按照JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》[5]取值：γs=γp=1.62。

计算可得：R25m=1858 kN，RD=12 m=3212 kN，RD=15 m=3927 kN。

经计算，桩身配筋按构造配筋：φ1 200 mm桩基选用12φ16，箍筋按规范构造要求进行配置，采用φ8@200，钢筋笼嵌固点深度取7.0 m；φ1 500 mm桩基选用15φ16，箍筋按规范构造要求进行配置，采用φ8@200，钢筋笼嵌固点深度取8.5 m。

承台构造配筋，单向单侧配筋率0.15 %。

φ1 200桩基承台：

承台尺寸为1.6 m×1.6 m×0.8 m(长×宽×高)

Aso=1600×800×0.15 %=1920 mm2

实际选用11φ16，As=2210 mm2

φ1 500桩基承台：

承台尺寸为1.9 m×1.9 m×0.8 m(长×宽×高)

Aso=1900×800×0.15 %=2280 mm2

实际选用13φ16，As=2612 mm2

均满足要求。

由各承台对应的柱脚进行验算，可得：

2987 kN

1805 kN

3414 kN

支架基础设计满足要求。

3 支架拆卸设计

支架拆卸时间及拆卸方式是施工中重要环节，将直接影响结构内力和线形，是特大跨度混合梁斜拉桥施工控制的重难点。鄂东桥在钢箱梁及斜拉索安装期间对支架做了拆卸处理，其布置形式如图6所示，支架编号如图7～图8所示。

图6 钢箱梁及斜拉索安装期间边跨混凝土主梁保留支架

图7 北侧边跨混凝土主梁保留支架编号

图8 南侧边跨混凝土主梁保留支架编号

3.1 支架卸除方案

根据鄂东大桥中跨合龙方案要求[6]，提出三种支架卸除方案。

(1)方案一：合龙后卸除边跨支架。北侧支架卸除先后顺序为：I2→I1→I3→J2→J1→J3→K→H2→H3→H1；南侧支架卸除先后顺序为：I2→I1→I3→J2→J1→J3→K2→K1→K3→H2→H3→H1。

(2)方案二：分阶段多次拆除。北侧支架卸除先后顺序为：(8#斜拉索二张后拆除K)→(16#斜拉索二张后，先后拆除J2→J3→J1)→(24#斜拉索二张后，先后拆除I2→I3→I1)→(30#斜拉索二张后，先后拆除H2→H3→H1)；南侧支架卸除先后顺序为：(8#斜拉索二张后，先后拆除K2→K1→K3)→(16#斜拉索二张后，先后拆除J2→J3→J1)→(24#斜拉索二张后，先后拆除I2→I3→I1)→(30#斜拉索二张后，先后拆除H2→H3→H1) 。

(3)方案三：合龙前卸除。

3.2 支架卸除计算对比分析

对三种方案进行对比分析，结构温度均采用设计标准温度20 ℃。施工期混凝土主梁、钢主梁、索塔在边跨支架卸除过程中的应力对比如表3所示。采用原主梁安装线形及斜拉索无应力索长张拉控制方案，方案二的成桥主梁桥面线形最大误差约8 cm，方案三的成桥主梁桥面线形最大误差约3 cm。若采用方案二，控制方案需进修局部优化。

表3 三种支架卸除方案应力最大值对比 MPa(受压为正)

综合考虑施工期应力、成桥应力、成桥线形，合龙后卸架在边跨混凝土箱梁施工期抗裂、成桥线形方面优于分阶段卸架。合龙前卸架与合龙后卸架相比，差别不大，所需的控制方案调整不大。结合鄂东大桥合龙方案论证[6]，本桥采用几何合龙进行中合龙，支架的拆卸采用方案三。