建元高速公路红河特大桥13号主塔下横梁施工技术

1 工程概况

红河特大桥是建水至元阳高速公路的控制性工程，为跨越红河水库而设。起屹里程为 K66+989.65～K68+355.65，全桥孔跨布置：7×40 m预应力砼T梁+6×50 m钢混组合梁+700 m悬索桥+2×40 m预应力混凝土 T梁(见图1)。全长 1 366 m，中心里程：K67+672.65。路线在水库范围内设计标高+448.636～+452.136 m，库区水面距桥面高达 184 m，水面宽约 360 m。

图1 红河特大桥主跨桥型立面图(单位：cm)

红河特大桥建水侧13号主塔塔柱高181.286 m，截面变化较为复杂，塔柱外侧各面尺寸随塔柱高度不断变化。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。下横梁尺寸：22.2 m(长度)×9.0 m(宽度)×6.0 m(高度)，横梁均为箱形截面并设置横隔板，壁厚0.8 m，距承台顶面47.4 m。主要工程量：钢筋76.7 t，混凝土709.4 m3，钢铰线51.6 t。

2 主塔下横梁总体施工方案

红河特大桥建水侧13号塔柱高181.286 m，塔柱外侧各面尺寸随塔柱高度不断变化，采用爬模施工。塔柱施工分成6个典型区段，下横梁施工节段位于塔柱第9节段，设置两台塔吊负责垂直运输，施工人员通过施工电梯上下。

主塔下横梁底面距承台顶面47.4 m,距离地面较高，施工周期长，且施工风险高，施工难度大。通过对塔柱横梁落地支架和托架方案的施工工期、钢材用量、支架变形等方面的研究对比，最终选择采取牛腿托架式支架进行现浇施工。

3 下横梁托架设计

下横梁施工采用托架现浇法施工，下横梁混凝分两次(4 m+2 m)浇筑施工，故支架设计时，按第1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。托架结构型式为：分配梁I20工字钢+横桥向主梁321型贝雷桁架+双拼H700型钢承重梁+钢垫块+双拼H588型钢上弦杆+双拼H588型钢斜杆+双拼H588型钢下弦杆+钢牛腿[1，2]。支架结构体系如图2所示。

图2 下横梁支架结构体系设计图(单位：mm)

采用Midas建立下横梁支架模型(见图3)，其中各杆件均采用梁单元模型，各杆件采用弹性连接[3]。

图3 下横梁支架计算模型图

(1)贝雷梁顶部横向分配梁为I20a型钢，计算结果如图4所示。

图4 分配梁计算结果

分配梁组合应力σmax=101 MPa<[σ]=170 MPa，组合应力满足要求。分配梁最大位移S=(23.0-22.8)mm=0.2 mm<900 mm/400=2.25 mm，刚度满足要求。

(2)贝雷片结构受力如表1所示。

(3)支架结构受力计算:通过计算，支架最大位移9 mm，强度、刚度和稳定性满足要求。

(4)牛腿受力计算:根据模型计算，单个牛腿承受支反力2 675 kN，牛腿处混凝土局部受压承载力19 634 kN≥1.4×2 675 kN=3 745 kN，满足混凝土承压面强度要求。牛腿最薄弱点为变截面处的折角点，经计算强度为41.3 MPa<[τ]=100 MPa，满足牛腿强度要求。

表1 贝雷片受力表

(5)拉杆验算：拉杆采用8×∅32 mm的精轧螺纹钢筋，考虑单根精轧螺纹钢筋其预拉力为360 kN，单根拉杆受拉力为F=8 996 kN/8=237 kN，安全系数k=360 kN/237 kN=1.52,满足要求。

(6)由于下横梁下方主塔局部受力较大，需对该处混凝土结构进行细部分析。边界条件为约束承台底，主塔采用C50混凝土，根据公路规范，抗拉设计强度1.83 MPa，抗压设计强度22.4 MPa。经计算，塔根最大压应力为4.22 MPa，无拉应力，满足设计要求。

通过对下横梁托架系统的牛腿、牛腿对拉杆、型钢支架、贝雷梁、分配梁和主塔局部应力和强度计算，下横梁托架结构的强度、刚度、稳定性均满足要求，结构安全。

4 下横梁施工技术

4.1 下横梁施工工艺流程

13号主塔下横梁施工工艺流程如图5所示。

图5 横梁施工工艺流程图

4.2 托架安装

下横梁支架预埋件、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。

4.2.1 平台安装

为方便预埋件安装及焊接钢管，需要在预埋件下方搭设施工操作平台。平台三角支架使用I16工字钢，分配梁采用[20槽钢，与塔柱内预埋爬锥通过板连接。平台宽2.5 m。平台结构见图6。

4.2.2 牛腿安装

本托架牛腿需嵌入索塔塔身，需在索塔塔身上(第7、8节)预埋钢套件，钢套件由2 cm钢板在厂内焊接加工而成。牛腿安装在钢套件内，牛腿与钢套件的缝隙处用钢板填塞抵紧。牛腿顶部设置8道拉杆，拉杆贯穿塔身，锚固在对面塔身外侧，牛腿安装完成后对拉杆进行张拉，张拉完成后安装其余托架构件。

图6 施工平台示意图(单位：mm)

4.2.3 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预拼装。主桁架采用现场拼装、两台塔吊抬吊的方式进行整体吊装。横联杆为[20槽钢，连接板为2 cm厚钢板，横杆间距4 m布置。

4.2.4 承重梁与横梁安装

承重梁由双拼H700型钢组成，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，钢垫块由2 cm厚钢板在厂内焊接而成，顶面与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[4]。

4.2.5 分配梁及底模安装

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10 cm×10 cm方木分配梁，下横梁腹板及倒角下方方木间距15 cm，底板下方方木间距30 cm。底板采用1.5 cm厚竹胶板。

4.3 主桁架抬吊施工

(1)抬吊工艺流程:技术交底→抬吊环境的准备工作→检查塔机、对讲机、钢丝绳等→捆绑→试吊→起吊→安装→验收→工完场清。

(2)抬吊吊点的选择：进行抬吊时，考虑到下横梁主桁架的自重、长度及场地限制等原因，上下横梁主桁架需要两台塔机抬吊，下横梁主桁架自重约为18.2 t。1#TC7035B-16塔机臂长50 m，最大工作半径22 m，起重量为16 t；2#TCT7035-16D塔机臂长40 m，最大工作半径20 m，起重量为16 t。考虑两台塔机抬吊时不均匀系数为0.75，起重量均大于12 t，满足施工要求。

(3)抬吊：试吊无误后将下横梁主桁架支架慢慢吊起，起吊时由信号工统一指挥，确保两台塔机起吊的同步性和协调性。协调2台塔机转臂，使下横梁主桁架支架向主墩靠拢，协调塔机将下横梁主桁架支架缓慢平移，直至下横梁主桁架支架和支腿连接中心对稳，等检校无误后平稳的落在连接处。待固定后松下吊钩，摘除钢丝绳，完成下横梁主桁架支架吊装工作，两根下横梁主桁架支架采用同样的吊装方式。

4.4 托架预压

托架安装完成后，采用混凝土预制块按照60%→80%→100%→110%的顺序进行预压，以消除托架非弹性变形，观测支架的弹性变形，根据弹性变形值对底模进行预抬。总的堆载量为下横梁浇筑第1次混凝土重量、模板自重及相应施工荷载的1.1倍。每级加载完成后，应先停止下一级加载，并应每间隔12 h对支架沉降量进行一次监测。当支架顶部监测点12 h的沉降量平均值小于2 mm时，可进行下一级加载。

监测点布置如图7所示，通过预压得出，托架非弹性变形平均为9 mm，弹性变形平均为12 mm，支架预抬值按照12 mm设置。

图7 横梁托架预压监测点布置示意图

4.5 下横梁模板施工

下横梁模板采用木模，内模搭设钢管脚手架支撑，下横梁底模及侧模板均采用15 mm厚竹胶板，外背10 cm×10 cm方木背楞，侧模横向背楞采用两根[10槽钢背靠背布置，两根槽钢之间留有2.5 cm间距，以便穿入拉杆。立杆直径20 mm，按照竖向间距80 cm、横向间距1 m布置，底部两道拉杆与下横梁主筋焊接，模板复测合格后，在梁底板I20小分配梁上沿长边方向每隔1.5 m焊接一个I20工字钢挡块，挡块高15 cm，抵住下横梁外模板[5]。

内模模板采用15 mm厚竹胶板，模板下部按间距30 cm布置10 cm×10 cm方木，支架顶托上铺设I10工字钢分配梁。支架采用∅48 mm扣件式钢管架，顶部设调节顶托，立杆按照90 cm×90 cm间距布置，步距1.2 m，每4排布设一道剪刀撑。横梁顶板底模支撑采用满堂支架[6]。

4.6 支架拆除

整个横梁待张拉、注浆、封锚完成后即可开始托架拆除。托架拆除采用钢楔块进行卸荷。先对称释放钢楔块，然后拆除分配梁，再拆除底模，之后拆除贝雷片。贝雷架采用分片(1～2节)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。

贝雷梁拆除完成后，再拆除主桁架和连接系，从上至下依次拆除，横联杆拆除时采用氧焊切割，主桁架拆除利用梁底预埋钢筋安装滑轮，再利用卷扬机或手动葫芦将各个杆件拆除并下放。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 牛腿托架方案的优势

本桥在主塔下横梁施工前，对支架进行了施工方案比选和优化，与落地支架相比，采用牛腿托架方案节约工期15 d，节省钢材113.76 t，约56.9万元。综合考虑，支架高度在30 m以上采用托架方案优势明显，可达到保证质量、节约材料、节省工期、降低施工难度、施工便捷的目的。

(1)主塔下横梁底面距承台顶面47.4 m,若采用落地支架方案，对支架立柱承载能力要求非常高，支架高度较大，必须考虑与墩身的连接预埋件安装、与墩身的横向支撑和对拉结合、支架钢结构构件的加工、支架搭设工期、高支架的搭设风险、支架杆件用量很大等。

(2)采用牛腿托架是利用下塔柱身的预埋牛腿，分担下横梁荷载，提高支架的稳定性，托架沉降变形较小，避免了高支架变形对横梁施工质量的影响。

(3)采用牛腿托架是将下塔柱外倾的对拉措施与支架横梁上弦相结合考虑，既满足对拉的要求，又进一步改善了支架横梁的受力条件。

(4)采用牛腿托架比落地支架大大节省了材料，减小了支架钢构件的加工数量，比落地支架节约工期约15 d，同时降低了施工难度。

(5)托架施工，比高落地支架施工时间短，施工安全风险低，支架稳定性好，沉降变形小，对横梁施工安全质量有利。

6 结束语

建元高速公路红河特大桥建水侧13号主塔下横梁采取牛腿托架式支架，实践证明，通过对下横梁牛腿托架的支架体系进行设计、计算等分析研究，有效地减少了支架数量，取得了良好的经济效益；能够更好地确保工程安全质量、节约施工成本，同时降低施工难度，缩短临时工程的施工工期。