红河特大桥索塔中横梁型钢托架法施工技术研究

曾彬峻

（中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410000）

1 工程概况

红河特大桥位于元阳县南沙镇南沙水电站库区内，对应里程桩号K66+989.65～K68+355.65，是红河州建水（个旧）至元阳高速公路上的关键控制性工程。全桥孔跨布置：7×40m预应力砼T梁+6×50m钢板组合梁+700m悬索桥+2×40m预应力砼T梁，红河特大桥桥梁布置图如图1所示。全长1366m，中心里程为K67+672.65。路线在跨越红河库区范围内设计标高+448.636～+452.136m，水面宽约360m，水面距桥面高达184m。

图1 红河特大桥桥梁布置图

建水岸索塔采用钢筋混凝土门式塔柱，索塔总高181.286m，上塔柱横桥向内侧倾斜，塔柱顶中心间距27m。索塔横梁采用预应力混凝土箱形梁，桥塔设置上横梁、中横梁及下横梁，塔柱及横梁均采用C50混凝土。中横梁尺寸：29.4m（长度）×7m（高度）×8.1m（宽度），壁厚1m，横梁为箱形截面并设置横隔板，隔板厚0.8m，距承台顶面97.3m。主要工程量：钢筋89t，混凝土771.8m3，钢铰线56t。

2 中横梁总体施工方案

红河特大桥建水侧索塔高181.286m，索塔底节6m，采用落地脚手架施工，其余采用劲性骨架结合液压爬模逐段连续施工。索塔共分为31个施工节段，中横梁位于17～18施工节段，索塔中横梁底面距承台顶面97.3m，距离地面较高，施工周期长，且施工风险高，施工难度大。通过研究对比塔柱横梁落地支架和托架方案的施工工期、钢材用量、支架变形等方面，最终决定采用型钢托架法施工。

3 中横梁托架设计

中横梁采用型钢托架法施工，中横梁混凝分两次（4m+3m）浇筑施工。中横梁支架系统由牛腿、牛腿对拉杆、型钢支架、贝雷梁、分配梁和底模系统组成。塔身预埋钢套件，预留牛腿安装孔洞，支撑牛腿安装在预留孔洞内，利用Φ32mm精轧螺纹钢拉杆锚固在主塔上，主桁架支撑于牛腿之上，顺桥向布置两桁，主桁架上由下到上依次布置楔块、承重梁、横梁（贝雷片）、I20分配梁，底模系统由15mm竹胶板及100mm×100mm方木组成，置于I20分配梁之上，中横梁支架结构体系设计图如图2所示。

图2 中横梁支架结构体系设计图（单位：mm）

支架体系完成搭设后，顶部荷载传递路径为底模系统→I20工字钢分配梁→横梁（贝雷片）→承重梁→主桁架→支撑牛腿→主塔塔身。荷载传递路径清晰简单，经过有限元计算模拟分析，确保了结构的安全稳定，合理规避了风险。同时，通过构件间临时焊接以及堆载预压等措施最大程度消除了支架体系的非弹性变形，确保了横梁施工的质量可控。主桁架各杆件间采用螺栓连接，安拆简单快捷，支架改制方便迅速，且安装精度高。

支架根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D 60—2015）采用概率论的方法进行设计。故设计支架时，按第一次浇筑时上部所有荷载由支架全部承担，第2层混凝土浇筑时上部施工荷载及混凝土自重由已成型梁及支架共同承担。同时，考虑到其作为施工临时结构，施工安装精度、现场焊接质量相对于永久结构较差。因此，在规范规定采用荷载分项系数的基础上，为确保结构安全，支架主要构架仍需留有一定的安全储备[1]。

设计支架时，采用Midas建立中横梁支架模型如图3所示，其中各杆件均采用梁单元模型，各杆件采用弹性连接[2]。（1）型钢支架顶部I20分配梁计算结果如图4所示。

图3 中横梁型钢托架计算模型图

支架顶部I20分配梁的组合应力σmax=94.2MPa＜[σ]=215MPa，组合应力满足要求。最大位移S=（23-22）mm=1mm＜900mm÷400=2.25mm，满足要求。

图4 承重梁受力计算结果

（2）其他杆件受力计算结果如表1所示。通过计算，在最不利组合下，各杆件的强度和刚度均满足要求。

表1 杆件受力情况表

（3）牛腿受力计算。作用于牛腿上的最大竖向荷载F=1134.6kN，牛腿处混凝土局部受压承载力[F]=1.35βcβlfcAln=1.35×1.03×1×23.1×128800=4137kN＞F，满足承压面强度要求。经过计算，牛腿钢板变形值最大值为0.016mm，最薄弱点出现在下拐角处，体现为应力集中14MPa＜[τ]=100MPa，牛腿强度满足要求。

（4）拉杆计算。下横杆内设置8根32精轧螺纹钢，考虑单根精轧螺纹钢筋其预拉力为360kN，单根拉杆受拉力为F=2250÷8=276kN，安全系数k=360÷276=1.4，满足要求。

通过对中横梁型钢托架系统的承重梁、分配梁、贝雷梁、斜撑桁架、牛腿、牛腿对拉杆的应力和变形的计算，中横梁型钢托架系统的强度、刚度和稳定性均满足要求，结构安全。

4 中横梁施工

4.1 施工工艺流程

中横梁采用塔梁同步工艺施工，中塔柱爬模爬升至第15、16节段预埋中横梁托架相关预埋件，中横梁分两次与塔柱第17、18节段同步浇筑。中横梁施工工艺流程为测量定位→横梁支架安装→预压→接高塔柱内劲性骨架→塔身主筋接长→安装横梁底模→测量调整底模→绑扎底板、腹板钢筋、穿波纹管及穿预应力钢束→安装内外模、测量、调整→检查、鉴证→浇注混凝土→养护、拆内外模板→安装顶板模板→绑扎顶板钢筋→穿波纹管及穿预应力钢束→检查、鉴证→浇注混凝土→养护、拆内外模板→张拉→压浆→封端→拆除横梁底模及支架。

4.2 型钢托架安装

中横梁支架预埋件、牛腿、主桁架（上、下弦杆及斜杆）、钢垫块、承重梁部分外委专业厂家加工，加工完成并验收合格后运至现场与其余构件一起进行现场拼装，型钢托架安装如图5所示。

图5 中横梁型钢托架安装施工

（1）支撑牛腿安装。施工前，按设计要求放样出支架体系的各个预埋件位置，为确保测量精度，进行换手复测。在索塔施工过程中，于设计位置埋设牛腿预埋钢套件，钢套件预埋时注意预埋深度，埋件外露面需深入混凝土面2～3cm，以便后期混凝土修补。待塔柱混凝土浇筑完成且爬模爬升露出预埋钢套件后安装牛腿，牛腿装入预埋钢套件内后，穿入预应力筋并张拉，完成支撑牛腿安装工作。

（2）主桁架安装。主桁架由上、下弦杆、斜杆和横联杆组成，上、下弦杆及斜杆均为双拼H58型钢组成，由专业厂家在厂内制作，验收合格后运至现场进行组拼，各杆件连接方式采用螺栓连接，主桁架分上、下两部分组拼并分次吊装就位，采用两台塔吊抬吊进行安装，两榀桁架吊装完成后立即连接横联杆，使两榀主桁架形成一个整体。

（3）承重梁和横梁安装。承重梁由H70型钢双拼顺桥向装在主桁架上，因后期落架施工需要，承重梁与主桁架上弦杆之间需安装钢垫块，钢垫块在厂内焊接而成，顶面、底面分别与承重梁与上弦杆接触面焊接。横梁为321型贝雷梁，按照设计图纸间距进行摆放，腹板下45cm/组，每组间距25cm；底板90cm/组，每组间距60cm。

（4）分配梁和底模安装。横梁顶部按照贝雷片竖杆及斜杆节点间距布设I20分配梁，I20分配梁上部铺设10cm×10cm方木分配梁，上横梁腹板及倒角下方方木间距为15cm，底板下方方木间距为30cm，底板采用1.5cm厚的竹胶板。

4.3 型钢托架预压

中横梁型钢托架安装完成后对其进行预压，以消除支架的非弹性变形，观测支架的弹性变形，根据弹性变形值对底模进行预抬[3]。压重采用混凝土预制块进行配重，按照主梁结构的荷载分布进行堆载，总的堆载量为上横梁混凝土重量的1.1倍，堆载按照60%→80%→100%→110%的顺序进行堆载，堆载荷载分布按上横梁实际结构荷载分布进行。支架预压荷载取索塔中横梁第一层浇筑混凝土浇筑重量+模板自重+施工荷载，即需施加荷载1486t，采用1251块（1m×1m×0.5m）混凝土预制块进行预压。

支架预压监测主要包括加载之前监测点标高、每级加载后监测点标高和卸载后6h监测点标高三项内容，以观测预压支架的计算沉降量、弹性变形量及非弹性变形量。支架压载观测点布置：箱梁测点布置5个断面，即每1/4跨度、1/2跨度及端部5个断面，每个断面分别在底板下布设3个点、在翼缘板下分配梁上布设2个点，一个断面共布设5个点。通过预压得出，托架非弹性变形平均为8mm，弹性变形平均为10mm，支架预抬值按照10mm设置。

4.4 中横梁模板施工

中横梁模板采用木模，内模搭设钢管脚手架支撑。横梁底模及侧模板均采用15mm厚的竹胶板，外背10cm×10cm方木背楞，侧模横向背楞采用两根Φ48mm钢管，两根钢管之间留有2.5cm的间距，以便穿入拉杆，拉杆直径20mm，按照竖向间距80cm、横向间距1m布置，底部两道拉杆与上横梁主筋焊接。

4.5 中横梁钢筋施工

中横梁断面外侧主筋为一排为Φ28mmHRB400钢筋，内侧为一排Φ20mmHRB400钢筋，箍筋和拉筋为Φ16mm钢筋，横梁钢筋安装总体按照由下至上的顺序进行钢筋绑扎，依次安装底板、腹板、隔板、顶板钢筋，横梁混凝土表面设置CRB550防裂钢筋网片。钢筋统一由钢筋厂集中加工，钢筋半成品验收合格后，配送至现场安装，按照设计图纸进行钢筋安装，要求钢筋数量、钢筋间距、保护层厚度、钢筋接头质量等满足设计和验收规范的要求。

4.6 中横梁混凝土施工

中横梁混凝土浇筑分两次施工，第一层浇筑高度为4m，第二层浇筑高度为3m。横梁第一次浇筑的整体浇筑顺序为由两端向中间浇筑，从腹板下料，首先浇筑至底板倒角位置，然后浇筑底板混凝土，最后浇筑腹板及隔板。第二次浇筑顺序同样由两端向中间浇筑，先腹板及隔板，再浇筑顶板。中横梁第二次浇筑前，应按照设计图纸要求预埋垫石及挡块的钢筋及预埋件。现场通过输送泵管垂直运输至横梁位置处的布料杆进行布料，布料杆出料口设置软管，控制混凝土自由下落高度在2m以下[4]。

4.7 中横梁预应力施工

横梁预应力钢绞线均采用两端对称张拉，一次张拉完毕。每束钢绞线的设计锚下控制应力为1395MPa，张拉采用双控，以控制为主，以钢绞线伸长量进行校核。施工顺序为体内预应力施工完成→抽真空→检查压浆泵出口浆体情况→管路连接→启动真空泵→观测排气孔的出浆情况→加压2～3min→封堵浆口及出气孔→清理工作平台。

4.8 托架拆除

当中横梁完成所有待张拉、注浆、封锚后便可进行托架拆除，拆除采用切割钢楔块的方式进行。先对称释放钢楔块，然后拆除底模，再拆除分配梁，之后拆除贝雷片。贝雷架采用分组拆除的方法，用手动葫芦横移至分配梁两侧，用塔吊吊至桥外堆放。主桁架和连接系在贝雷梁拆除完成后再进行拆除，从上至下依次拆除，横联杆拆除时采用氧焊切割，主桁架拆除通过塔机配合横梁顶部安装的卷扬机进行拆除、下放。最后拆除支架牛腿，在预埋钢套件内焊接加劲肋并回填混凝土。

5 实施效果

该桥采用的型钢托架法与落地支架方案相比，减少了高空焊接及吊装工作，节约了120t钢材，节约了成本60万元。而且，整个支架体系安装仅需7d，节约了工期12d，加快了材料的周转。可以看出，中横梁施工采用型钢托架法实施效果显著，达到了便于施工、节约材料、节省工期、保证质量和降低安全风险的目的。

（1）主塔中横梁底面距承台顶面97.3m，若采用落地支架方案，对支架立柱承载能力的要求非常高，支架高度很大，且立柱穿过下横梁，对下横梁的结构内力造成影响，同时施工存在大量的高空焊接作业，安全风险大。

（2）整套支架体系由牛腿、牛腿对拉杆、型钢支架、贝雷梁、分配梁和底模系统组成。各杆件均由厂内定制加工，杆件间采用螺栓连接，既减少了现场焊接的工作量，又保证了安装精度，且主桁架采取整体吊装，减少了起重吊装的工作量，结构简单，施工方便。

（3）整套支架体系除主桁架外，均为型钢原材或定制钢构件，施工不同位置横梁时可直接周转无需改制或重新加工，且横梁施工完成后仍可重复使用，改制简单，便于周转。

（4）相比于落地支架，该支架通过牛腿固定于塔柱上，不占用地面空间，解决了施工场地小的问题，避免了因地面基础沉降导致的支架非弹性变形，支架在荷载作用下变形较小。

6 结束语

建水（个旧）至元阳高速公路红河特大桥中横梁通过采取型钢托架法，安全有效地完成了索塔中横梁施工，保证了整体工程质量，节约了施工成本，加快了施工效率，同时降低了安全风险，取得了良好经济效益，可在同类桥梁施工中提供参考。