下横梁支架系统创新设计与施工

董春光, 王晓佳， 罗吉庆, 龚明

(1.保利长大工程有限公司， 广州 510230； 2.广东省建设有限公司， 广州 510230)

主塔是斜拉桥、悬索桥标志性的结构构件，有H型、A型、钻石型等多种形式。下横梁是主塔结构的重要组成部分，其主要作用表现在，一方面可以平衡左右塔肢水平分力；另一方面联系主塔双塔肢，增强主塔结构稳定性。随着桥梁跨度的增大，下横梁的体量也在逐渐增大，另外，为了体现桥梁结构力与美的完美结合，下横梁也会被设计成各种优美且独特的结构形式，这无疑都大大地增加了下横梁的施工难度[1-3]。

以往的下横梁施工支架系统主要采用钢管桩结构，通过改变钢管桩的布置形式，实现承受下横梁施工期各种荷载的目的。沈伟等[4]采用扇形落地钢管桩支架进行舟岱跨海大桥的下横梁施工，分两次浇筑，钢管桩支架按照全部下横梁荷载进行设计。李春江[5]采用钢管桩支架法进行石首长江公路大桥的下横梁施工，通过方案比选，采用分两次浇筑、塔梁异步的施工方案，其中钢管桩支架设计时仅考虑第一次浇筑混凝土的施工荷载。高有德[6]采用钢管贝雷梁支架进行云南江底河特大桥的下横梁施工，分两次进行浇筑，其中第二次浇筑混凝土荷载由第一次浇筑下横梁与下横梁支架共同承受，下横梁支架按承受第二次浇筑混凝土荷载的50%。谢马贤[7]采用落地钢管桩支架进行龙江特大桥的下横梁施工，由于下横梁离承台面较高，下横梁支架每隔12 m左右均与塔柱进行连接，以增加下横梁支架的稳定性，分两次浇筑，下横梁支架设计时仅承受第一次浇筑混凝土荷载。潘博等[8]采用落地支架法进行芜湖长江三桥2号桥的下横梁施工，分两次浇筑，钢管桩支架设计时，仅考虑第一次浇筑混凝土重量，在第一次浇筑混凝土达到设计强度的90%时，通过张拉部分预应力有效减小了支架受力。

虽钢管桩支架成功运用于各种下横梁施工中，但是钢管桩的单桩承载力有限，若钢管桩受力过大，易造成结构失稳，且钢管桩打设困难，易出现卷边。当下横梁体量较大时，只能通过增加钢管桩数量来弥补单桩承载力受限的不足，这样势必导致施工经济性较差。另外由于下横梁下方空间狭窄，钢管桩数量较多时，其布置繁琐，施工困难。对于在支架上分层施工的下横梁，上层混凝土在浇筑施工时，由于下层混凝土已浇筑完成且存在一定的刚度，上层浇筑的混凝土荷载一部分由下层混凝土承载，另一部分由支架承担，由支架承担的这部分荷载则是支架承载力设计的重要依据。在以往的施工过程中，对于支架承担的荷载比率多根据工程经验预估，在0～100%取值，若取值不足，则支架设计承载力不够，带来施工风险，若取值过大，则支架设计承载力太强，造成资源浪费。

针对大体量的下横梁施工难题，现以深中通道伶仃洋大桥为工程背景，旨在提出一种新的支架系统方案，用以解决采用钢管桩支架系统施工时引起的一系列问题；提出采用有限元分析方法确定下横梁施工过程中新浇筑混凝土荷载在下层混凝土与支架中的分配比率；对优化设计后的支架系统进行安全性验算，用以确保施工安全。希望本工程下横梁安全、经济、高效的施工经验，为其他同类型工程施工方案的制定提供一定的借鉴意义。

1 工程概况

深中通道项目北距虎门大桥约30 km，南距港珠澳大桥约38 km，项目全长约24 km，其中跨海段长22.4 km。伶仃洋大桥为全漂浮体系的三跨钢箱梁悬索桥，跨径布置为580 m+1 666 m+580 m，采用海中重力式锚碇结构，矢跨比为1:9.65。索塔为门式塔结构，采用钻孔灌注桩基础，设置两个分离式圆形承台，塔柱采用8边形截面，设置上、中、下3道横梁[9]。下横梁采用领结型设计，梁底与承台顶面同标高，端部高16.57 m，顶宽14.7 m，底宽15.5 m；跨中高13.0 m，顶宽10.3 m，底宽10.9 m，中间由顶面两段直线过渡。采用箱形构造，横桥向设置3道隔板，其中底板、腹板厚度均为3 m，隔板厚度为2 m，总体方量约5 898.5 m3。下横梁立面布置图如图1所示。

图1 伶仃洋大桥下横梁立面布置图Fig.1 The elevation layout of the lower crossbeam of Lingdingyang Bridge

伶仃洋大桥西塔下横梁施工存在几大难点：①混凝土体量大，施工荷载大；②施工作业空间受限，涉及水下支架施工，施工风险和难度大；②确定分层浇筑砼结构中上层砼荷载在下层砼与支架中的分配比率难度大，缺乏项目经验。为解决上述难题，设计适当的下横梁施工支架体系显得尤为关键。

2 方案设计与比选

伶仃洋大桥分离式圆形承台与下横梁的位置关系分为接触区域和未接触区域，其中非接触区域下横梁段(脱空梁段)轴线长度为19.9 m。下横梁施工时，接触区域由承台顶面作为下横梁浇筑时的底模板，非接触区域由支架系统形成支撑结构。

下横梁按竖向分层、横向分段的形式进行施工。竖向分三层浇筑成型，浇筑高度为6 m+5.3 m+(1.7～5.27)m，每层浇筑方量分别为：2 644.5 m3+1 628.5 m3+1 625.5 m3；横向分三段浇筑，左、右段同时浇筑，2 m宽后浇带最后浇筑，后浇带内边缘线距离桥梁中心线2.645 m。

2.1 钢管桩支架系统

钢管桩支架系统由25根直径1.0 m的钢管桩作为基础支撑，在钢管桩上依次铺设卸荷砂箱、承重梁、分配梁、底模板作为承重结构。

钢管桩横、竖向均布置5排，间距为2.5～4.0 m 不等；承重梁由3HN900组成，横向摆放五排；分配梁由HM588组成，纵向摆放21排，底模板由双拼10#槽钢+1.8 cm竹胶板组成。钢管桩支架系统布置如图2所示。

图2 钢管桩支架系统布置图Fig.2 Layout of steel pipe pile support system

2.2 钻孔灌注桩支架系统

钻孔灌注桩支架系统由12根直径1.2 m的灌注桩作为基础支撑，然后在灌注桩上依次铺设卸荷砂箱、承重梁、分配梁、底模板作为承重结构。灌注桩横向布置三排，间距为6.5 m+6.5 m，纵向布置四排，间距为3.5 m+4.0 m+3.5 m;承重梁由3HN900组成，横向摆放4排，分配梁由HM588组成，纵向摆放21排；底模板由双拼10#槽钢+1.8 cm竹胶板组成。钻孔灌注桩支架系统布置如图3所示。

2.3 有限元模型

下横梁施工采用大型通用有限元软件建立实体结构分析模型，钢管桩支架系统和钻孔灌注桩支架系统施工分别建立模型，共计2个。

模型中钢管桩、钻孔灌注桩、承重梁、分配梁、底模板、下横梁均采用实体(solid)单元模拟，采用六面体网格形式；普通钢筋及预应力钢筋采用线(wire)单元模拟，采用桁架(truss)网格形式；钢管桩支架系统共划分为248 435个网格单元，钻孔灌注桩支架系统共划分为226 237个网格单元。

钢管桩与承重梁、钻孔灌注桩与承重梁、承重梁与分配梁之间采用捆绑(tie)连接方式，分配梁与底模板、底模板与下横梁之间采用面面(surface-to-surface)连接方式；钢管桩底部、钻孔灌注桩底部、下横梁与承台接触位置采用固定约束的边界条件形式；结构自重，在浇筑时以以面荷载的形式施加，当形成实体时，以自重荷载的形式施加，预应力荷载以降温法的形式施加[10-11]。

实体结构模型(未示出钢管桩以及钻孔灌注桩)及部分构件网格划分如图4所示。

图4 有限元分析图Fig.4 Diagram of finite element analysis

2.4 方案比选

从以下3个方面进行方案比选分析。

(1)技术方面：经计算分析，钢管桩支架系统在下横梁施工过程中，单根钢管桩的最大受力达到340 t，单桩承载力较大，稳定性差，对打设设备能力要求较高；入土较深，达到50 m，且最下层持力层较坚硬，钢管桩端头易出现卷边等不利现象。

(2)经济方面：钢管桩支架系统相比钻孔灌注桩支架系统用钢量方面多，如钢管较长及需增加两排3HN900承重梁，且钢材价格较混凝土价格高很多。经核算，相比钢管桩支架系统，采用钻孔灌注桩支架系统可节约造价约100万元。

(3)施工工序：钻孔灌注桩施工包括钻桩成孔、钢筋笼下放、混凝土浇筑等工序，而钢管桩只需机械设备打设即可，相对来说，钻孔灌注桩支架系统较钢管桩支架系统施工工序复杂。

经综合比选，钻孔灌注桩支架系统更适合本项目下横梁施工。

3 荷载传递比

3.1 荷载传递比分析

伶仃洋大桥主塔下横梁采用在钻孔灌注桩支架系统上竖向分3层施工的总体施工方案。第1层混凝土施工完成后，形成整体结构，具有一定刚度，能够承担一定荷载作用。在第2层混凝土浇筑时，第2层混凝土荷载一部分由第1层混凝土承担，另一部分传到支架上，由支架承担。同理，第3层混凝土荷载一部分由第1、2层混凝土承担，另一部分传到支架上，由支架承担。本节以有限元模型为基础，对上层混凝土荷载在下层混凝土与支架上的荷载分配比率进行计算分析，得出荷载传递至支架上的比率，即荷载传递比，用于支架系统的优化设计。

计第1层混凝土浇筑施工为工况1，第2层混凝土浇筑施工为工况2，第3层混凝土浇筑施工为工况3。通过提取模型中钻孔灌注桩底部支反力，扣除钻孔灌注桩支架系统自身重力，得到混凝土浇筑后，支架上承担的荷载。3种工况下，每根钻孔灌注桩支反力计算结果(扣除支架系统自身重力)如表1所示，荷载传递比计算结果如表2所示。

由以上计算结果可知：①已浇筑的下层混凝土在形成整体后，具有较大刚度，可承担上层混凝土浇筑后的大部分荷载，第2层混凝土浇筑时，第1层混凝土承担荷载值的71.4%，支架承担荷载值的18.6%，第3层混凝土浇筑时，第1、2层混凝土承担荷载值的92.9%，支架承担荷载值的7.1%；②随着浇筑混凝土层数增多，已浇筑混凝土结构整体刚度越大，所能承担的荷载值越大，支架所承担的荷载值越小。

表1 钻孔灌注桩支反力

表2 荷载传递比

3.2 混凝土应力分析

在支架上浇筑的上层混凝土，其荷载小部分由支架承担，大部分均由下层混凝土承担，因此下层混凝土结构会随支架产生一定的竖向位移，而下横梁与承台接触区域支撑稳固，基本不会发生竖向位移，这样势必在下层混凝土上缘产生不利于混凝土结构安全的拉应力，以下分析讨论下横梁在施工过程中的拉应力。在下横梁施工过程中，下横梁结构在工况2、工况3条件的主拉应力计算结果如图5和图6所示。

由以上计算结果可知：①下横梁最大主拉应力出现在与承台接触区域和非接触区域交界面的混凝土上缘；②随着浇筑层数的增加，下横梁刚度逐渐增大，竖向位移变小，混凝土最大主拉应力逐渐变小；③下横梁后浇段设置在左半边，左半边脱离承台较右半边脱离承台近，所以左半边混凝土主拉应力较右半边小。

4 支架系统安全性验算

分层施工的混凝土结构，当计算得到荷载传递比后，可以对支架系统承载力进行优化设计。支架优化设计的目标是在实现资源节约的同时，满足结构安全性要求。结构安全性是能够进行施工的前提条件。本节将对优化后的钻孔灌注桩支架系统进行安全性验算，确保施工安全。

钻孔灌注桩支架系统中承重梁(3HN900)、分配梁(HM588)在工况1、工况2、工况3条件下应力、竖向位移的有限元计算结果云图如图7～图10所示。

由以上计算结果可知：①承重梁所用材料的屈服应力为345 MPa，三种工况条件下承重梁最大 Mises 应力为324 MPa，承重梁的应力响应值在安全范围内；②分配梁所用材料的屈服应力为235 MPa，在三种工况条件下分配梁的应力响应值基本在0～235 MPa的安全范围内，在分配梁腹板存在微小部分的应力超限现象，超限区域为少数几个节点区域，可忽略不计，此为局部的应力集中现象，不影响结构的整体性能；③承重梁在三种工况条件下的最大竖向位移为18.8 mm，而对应支点(钻孔灌注桩)的竖向位移为6.0 mm，所以承重梁的绝对位移为12.8 mm，小于其竖向位移允许值17.96 mm；④分配梁在三种工况条件下的最大竖向位移为 17.9 mm，而对应支点(承重梁)的竖向位移为 16.1 mm，所以分配梁的绝对位移为1.8 mm，小于其竖向位移允许值10.25 mm。所以钻孔灌注桩支架系统的安全性满足要求[12-13]。

图5 下横梁在工况2条件下的最大主拉应力Fig.5 The maximum principal tensile stress of the lower crossbeam under the second condition

图6 下横梁在工况3条件下的最大主拉应力Fig.6 The maximum principal tensile stress of the lower crossbeam under the third condition

图7 承重梁应力云图Fig.7 Stress nephogram of load-bearing beam

图8 承重梁位移云图Fig.8 Displacement nephogram of load-bearing beam

图9 分配梁应力云图Fig.9 Stress nephogram of distribution beam

图10 分配梁位移云图Fig.10 Displacement nephogram of distribution beam

5 结论

针对大体量主塔下横梁的施工难题，以深中通道伶仃洋大桥为工程背景，通过采用大型通用有限元软件建立实体模型进行计算分析的技术手段，展开了一系列的分析和研究，得出如下结论。

(1)钻孔灌注桩支架系统较钢管桩支架系统在技术、经济方面具有一定优势，在巧妙的解决钢管桩支架系统中钢管桩承载力受限且易失稳、钢管桩打设困难且易卷边问题的同时，取得了良好的经济效益；

(2)分层施工的下横梁结构，下层混凝土形成整体后，具有一定刚度，能够承担上层混凝土施工时的一部分荷载，另一部分荷载传递至支架上，且随着下层混凝土施工层数的增加，下层混凝土刚度随之增大，传递至支架上的荷载随之减小。

(3)在得到荷载传递比后，可以对支架系统进行优化设计，优化设计的目标是在实现资源节约的同时，满足结构安全性要求。对优化后的钻孔灌注桩支架系统进行安全性验算，结果表明该支架系统主要结构构件应力、位移满足施工安全性要求。