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 任  威，徐厚慶，屈加林

 （中交一公局第三工程有限公司，北京  101102）

[摘要]駙馬長江大橋主跨為l 050m懸索橋，其中索塔為門式結(jié)構(gòu)，由于兩索塔上橫結(jié)構(gòu)形式相同，所以采用裝配式桁架進行施工，以便周轉(zhuǎn)使用。主要介紹了裝配式桁架的設計思路、設計要點、加工制造、使用、拆除等內(nèi)容。

[關(guān)鍵詞]橋梁工程；門式結(jié)構(gòu)；索塔；橫梁；裝配式；桁架；設計；施工 ，

[中圖分類號]U443. 35  [文章編號]1002-8498( 2016)10-0094-04

1工程概況

 駙馬長江大橋索塔為門式結(jié)構(gòu)，采用C50高性能混凝土，北岸塔高210. 5m，南岸塔高167. 8m。梁體底板長22m，寬7.5m，高7.Sm，底板四角與上塔柱各有1道5. 00m×3.75m的倒角。梁體混凝土共計614 m3，鋼筋重74t（見圖1，2）。

2裝配式桁架概況

 上橫梁施工支架采用平行弦桿桁架簡支梁結(jié)構(gòu)即裝配式桁架，支架體系自下而上主要由鋼牛腿、型鋼（卸荷）支座、軌道梁、主桁架、分配梁、倒角區(qū)三腳架、底模板體系等組成（見圖3）。

 其中鋼牛腿采用插入式直板鋼牛腿，單組牛腿由2塊80mm厚鋼板組成，高40cm、長140cm，每組牛腿內(nèi)鋼板間距為30cm，與塔柱豎向主筋間距匹配，每組設計承載力2 000kN。型鋼支座采用HW400型鋼制作，長寬高均為40cm。軌道梁采用163a型鋼，長1.2m，作為主桁架安裝和拆除時滑移調(diào)整的平臺。

 主桁架由3組主桁片組成，分A，B兩種，組與組間設置組間聯(lián)系，每組主桁片由上下兩層組成，分體加工和安裝，安裝后連成整體。桁架橫橋向斷面形狀為正梯形，以適應上橫梁下方的腋板（倒角）設計外形。組單元包括2個桁片和桁片之間的平、豎聯(lián)系桿件等組內(nèi)聯(lián)系。組單元之間設組間聯(lián)系，包括水平直桿件和水平、豎向斜（剪刀撐）桿件。

3裝配式桁架的提出和論證

3.1設計思路

 駙馬長江大橋索塔結(jié)構(gòu)施工環(huán)境特點為施工現(xiàn)場道路狹窄，南、北塔間運輸往來僅能通過陸運，難以通行較大車輛。上橫梁施工支架需保證上橫梁施工的安全性，吊裝適應于現(xiàn)有起吊系統(tǒng)布置；支架應遵守拆除方便、能兩岸周轉(zhuǎn)使用；同時利于運輸，降低成本等幾項原則。從安全性、經(jīng)濟性、適用性對比常用的落地支架、斜腿牛腿桁架、三角托架等幾種支架形式，自制裝配式桁架最為適用駙馬長江大橋兩岸索塔上橫梁施工。

3.2設計論證

 對裝配式支架的模擬計算分為桿件驗算和局部驗算。桿件計算包括桁架單元、橫向聯(lián)系、分塊截面參數(shù)提取，局部驗算包括牛腿、牛腿混凝土、型鋼（卸荷）支座計算。使用有限元分析軟件MIDASCiv112012，Algor 2011以及手算輔助。面板、方木、分配梁、模板等的設計驗算不再贅述。

3.2.1．  荷載分析

 根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范> GB50017-2003中3.2.1條，荷載組合為1.1×[1.2×恒載+(1.1×風荷載+1.4×其他可變荷載）]。其中結(jié)構(gòu)自重及鋼筋混凝土荷載（一次澆筑）按恒荷載考慮，活荷載包括施工荷載及風荷載。支架變形撓度計算采用標準組合。

3.2.2桁架驗算

 桁架主要為桿件單元，使用MIDAS Civil建立三維模型進行驗算。桁架為簡支梁受力體系，對支點進行位移約束，不限制轉(zhuǎn)動。恒、活荷載直接施加于模型上，結(jié)構(gòu)自重模型自動計入。主要計算桿件剛度、強度和穩(wěn)定性。

 對桁架進行模擬驗算后，承載力極限工況下桁架（所有桿件）最大組合應力為145MPa<215MPa，荷載標準組合工況下最大位移為1. 3cm<L/400=4cm，其他各項指標均滿足規(guī)范及施工要求，其中最大位移量作為上橫梁支架預拱度設置的重要依據(jù)。局部穩(wěn)定性分析受壓桿件計算長細比，根據(jù)穩(wěn)定性系數(shù)進行穩(wěn)定性驗算。

 桿件連接時，對于不同型材的連接保證焊縫厚度大于型材最大厚度，對于斜桿可加焊節(jié)點板進行連接，節(jié)點板厚度大于小型材的最大厚度。

3.2.3局部驗算

 對于鋼結(jié)構(gòu)及混凝土的局部驗算，鋼鋼接觸、鋼混接觸、鋼混黏結(jié)、摩擦系數(shù)等因素的影響難以計算精確，與構(gòu)件的實際受力情況有一定的差異。為精確地對局部受力進行驗算，現(xiàn)使用有限元實體計算軟件Algor 2011對鋼板牛腿及混凝土局部受壓進行驗算，計算結(jié)果如下。

 1)鋼板牛腿

 最大組合應力為163MPa，最大變形為3.8mm，滿足規(guī)范及施工要求。牛腿變形量與桁架變形統(tǒng)一考慮，為預拱度的設置提供依據(jù)。

 2)混凝土局部受壓

 由模型計算可知，混凝土局部受壓最大壓應力為49. 5MPa。塔柱橫梁混凝土強度等級為C50，抗壓強度設計值為23. 1MPa，需對混凝土進行加強。通過《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》JTG D62-2004進行局部配筋的抗壓設計。上下承壓點均按此設計進行加強，在此對配筋的設計驗算過程不再進行贅述。

 3)型鋼（卸荷）支座

通過Algor 2011軟件對型鋼支座的實際受力體系進行模擬，通過軌道梁承受桁架反力，定義了軌道梁與型鋼支座、型鋼支座與鋼牛腿間表面接觸，并定義0.3的摩擦系數(shù)。最大組合應力為79. 6MPa．最大變形為0.3mm，均滿足規(guī)范及施工要求。

3.3  分層分塊方式確定

 桁架結(jié)構(gòu)分層分塊遵循以下原則：①豎向分塊需選取彎矩或剪力較小的截面作為分塊截面；②對于簡支梁結(jié)構(gòu)，水平分層在梁中軸位置；③分塊最大質(zhì)量需滿足運輸?shù)跹b要求；④均勻分塊，避免切割過多型鋼，減少后期裝配工作量；⑤分塊質(zhì)量應與現(xiàn)場起吊系統(tǒng)布置匹配；⑥分塊后運輸問題等原則。整體桁架分為A，B兩組，每組由中性軸分為兩層，上弦桿主要為受壓桿件，裝配方式對桿件受力影響較小，上層在跨中附近分為兩塊，下層分為3塊，分塊面與上層分塊截面錯開布置（見圖4）。

3.4裝配連接方式

 型鋼裝配式連接方式一般有栓接和焊接兩種。使用連接板栓接的栓孔一般為車床加工，在連接板位置需進行噴砂等特殊處理。桁架整體性要求高，需在胎架上進行加工，難以具備工廠化加工條件，同時該桁架需進行周轉(zhuǎn)，使用后或在運輸過程中在連接位置可能產(chǎn)生少許變形，對整體結(jié)構(gòu)受力影響小，但對螺栓的連接及連接質(zhì)量影響較大。桁架采用焊接方式進行連接，則需對焊接進行工藝設計。

 焊接應采用自動焊、半自動焊和E43焊條的手工焊，焊接材料應采用與母材相匹配的焊條、焊劑、焊絲，工藝簡單、焊接變形小。焊接材料應符合《碳鋼焊條》GB/T 5117-1995、《氣體保護電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲》GB/T 8110-2008、《碳鋼藥芯焊絲》GB/T 10045-2001、《埋弧焊用碳鋼焊絲和焊劑》GB/T 5293-1999相關(guān)技術(shù)規(guī)定。CO2氣體保護焊的氣體純度≥99.5%。

4  裝配式桁架施工

4.1加工制作、試拼接桁架

 桁架加工制作必須在臺座上進行，并控制臺座高差不超過2mm。制作時，先對稱電焊，再分段對稱施焊，防止側(cè)向變形。桁架組單元采用側(cè)臥體位加工，整體豎轉(zhuǎn)，不得單片桁片豎轉(zhuǎn)，防止變形。桁片預拱度按拋物線設置，跨中5mm預拱。桁片軸線偏差不超過±5mm，間距偏差不超過5mm。上下層桁片的貼合弦桿面間隙不超過2mm。下層桁架吊裝點采用穿銷式，其穿銷的卡板作為上層桁架吊裝時的定位板。桁架組組之間的桿件預加工，高空現(xiàn)

場焊接。

4.2桁架裝配

4.2.1裝配步驟

 桁架安裝共分為8步，裝配安裝流程：鋪設平臺、牛腿、型鋼支座、軌道梁的安裝（見圖5a）→中間下層桁架單元吊裝（見圖5b）→中間上層桁架單元吊裝（見圖5c）→外側(cè)下層桁架單元吊裝到位并安裝部分組間聯(lián)系（見圖5d）→外側(cè)上層桁架單元吊裝到位，并安裝部分組間聯(lián)系（見圖5e）→另一側(cè)下層桁架單元吊裝（見圖5f）→另一側(cè)上層桁架單元吊裝（見圖5g）→鋪設分配梁、方木、竹膠板，安裝防護欄桿（見圖5h）。

 用雙塔式起重機抬吊每一個單元的桁架，每組分上下單元。為盡量使吊裝直接就位，減少橫移量，中間桁架單元組（A組）采用兩端對角兩點起吊，兩側(cè)桁架單元組（B組）采用兩端四點起吊。

 吊裝順序：中間下層桁架單元→中間上層桁架單元→外側(cè)下層桁架單元→另一側(cè)下層桁架單元→外側(cè)上層桁架單元→另一側(cè)上層桁架單元。

 吊裝中間單元上下層對接后，平移到位。平移在軌道梁上用10t導鏈滑動就位，采用3t倒鏈保護導向。上下層桁架單元的現(xiàn)場連接采用跳焊，單條焊縫長度不短于5cm，焊縫總長度不少于1/4拼縫長度。外側(cè)單元吊裝直接到位。每單元起吊前在下層鋪設4cm厚木板，采用鋼絲將其與單元下弦桿綁扎牢固，作為主桁架內(nèi)施工平臺。A，B組桁架木板長度分別為1. 5m和2.5m。最后安裝底層防護網(wǎng)。焊接剩余全部組間聯(lián)系和連接。

4.3桁架拆除

 1)拆除時機

 南、北索塔上橫梁均兩次澆筑完成，第1層澆筑完成后，防止第2層澆筑荷載以及溫度影響產(chǎn)生裂縫，對第1層澆筑的橫梁施加30%的初始預應力。兩次澆筑并全部張拉完成后開始準備桁架拆除。

 2)拆除步驟

 桁架拆除共分為8步，拆除步驟如下：安裝懸掛系統(tǒng)，割除型鋼支座，然后下放軌道梁，并與牛腿焊接（見圖6a）→抽出竹膠板、方木、分配梁，利用預留孔洞懸掛三腳架（見圖6b）→拆除軌道懸掛，在每組桁架頂面兩側(cè)焊接防傾倒型鋼（型鋼頂面距下橫梁底面4cm），切割組間聯(lián)系（見圖6c）→在軌道梁上使用千斤頂同步推移，將外側(cè)桁架單元穩(wěn)步平移到上橫梁以外，在桁架即將移出橫梁外時，在外側(cè)拉拽防傾倒鋼絲繩（見圖6d）→割除外移桁架上的防傾倒型鋼，切割上下層桁架單元的聯(lián)系，分別下落上下層桁架單元（見圖6e）→分別下落上下層桁架單元；同理拆除另一邊的外側(cè)桁架(見圖6f) →平移拆除中間桁架單元（見圖6g）→拆除軌道梁、牛腿、平臺（見圖6h）。

 3)落架

 安裝懸掛系統(tǒng)，采用千斤頂提緊軌道梁，將整個桁架吊住，割除型鋼支座，再下落軌道梁并與牛 腿焊接，模板與上橫梁底脫空40cm。抽出竹膠板、方木、分配梁，通過預留孔吊住倒角區(qū)三腳架；修整梁底混凝土；拆除懸掛系統(tǒng)。

 在每組桁架頂面兩側(cè)焊接防傾倒型鋼（型鋼頂面距下橫梁底面4cm），切割組件聯(lián)系。在軌道梁上使用千斤頂同步推移，將外側(cè)桁架單元穩(wěn)步平移到上橫梁以外。在桁架即將移出橫梁外時，在外側(cè)拉拽防傾倒鋼絲繩。割除上下層單元之間的聯(lián)系。應仔細檢查，防止未割斷聯(lián)系，吊起時形成斷裂沖擊，或引起下層桁架組傾覆。

 用塔式起重機逐一將桁架單元起吊至地面，墊平并加支斜撐，防止桁架單元傾倒。將桁架單元分段切割成≤10m段，待運。拆除另一側(cè)桁架單元，拆除中間桁架單元。吊放倒角區(qū)三腳架。拆除軌道梁和牛腿，拆除操作平臺。將所有支架材料運至北塔，按照前述要求組拼使用。

5效益分析

 裝配式桁架通過在駙馬長江大橋上橫梁的使用，取得了較好的經(jīng)濟效益，通過對比初步方案的斜腿桁架支架及現(xiàn)有技術(shù)中的高支架方式體現(xiàn)裝配式桁架效益。詳細效益分析如表1所示。

6  結(jié)語

 1)桿件模擬計算采用有限元軟件MIDAS Civil，對于牛腿混凝土接觸受力及型鋼支座的設計驗算使用Algor2011建立實體計算模型進行驗算，2套軟件輔助手算的配合使用可解決臨時支架設計驗算絕大部分問題。

 2)裝配式桁架為簡支梁受力結(jié)構(gòu)，全部荷載作用于塔壁預埋的鋼牛腿上，受力明確，支架安全性在設計階段易于保證。裝配式桁架的使用避免了現(xiàn)有技術(shù)中高支架施工大量剛構(gòu)支架的安裝和拆除。

 3)減少了索塔施工時預埋件的安裝及后期修補工作，減少高空焊接工作量和材料，大大降低了高空作業(yè)風險，25m內(nèi)小跨徑橫梁施工支架值得推廣。