劲性骨架在湛江海湾大桥主塔的应用

    张宝刚

    摘要：本文以湛江海湾大桥主塔上塔柱施工过程为背景，介绍劲性骨架在弧线形塔柱施工中的设计及应用，对劲性骨架的施工工艺进行了研究，为劲性骨架的推广应用提供依据。

    关键词：斜拉桥；劲性骨架；施工工艺

    1 工程概况

    湛江海湾大桥主桥为双塔双索面混合梁斜拉桥，全长840m，跨度组成为60+120+480+120+60m.上部构造为封闭式流线型扁平钢箱梁和预应力混凝土箱梁混合构造。

    其主塔采用钻石形空间索塔，塔高155.1m，为钢筋混凝土结构，由下、中、上塔柱和横梁组成。塔柱及横梁均采用50号混凝土。塔柱为弧线形，由于塔柱体型特殊，质量要求高，施工操作面小，工程量大，又是高空作业，同时为确保大桥的最佳合龙期，整个塔柱必须在规定时段内完工，从而塔柱施工成为全塔按质按期完工的一个重要环节。

    由于索塔所处场地限制、塔柱倾斜等原因，塔柱施工通过使用劲性骨架，可以在满足结构受力的前提下提供足够的施工面和确保施工进度；并确保塔柱外形美观，质量优良。

    2 劲性骨架设计

    劲性骨架作为索塔施工导向、钢筋定位、模板固定之用，也是上塔柱预应力粗钢筋和斜拉索钢套管定位安装必不可少的。

    考虑到塔柱施工采用爬模施工，每两节模板高(4.5m)为一个施工段.劲性骨架初步设计为4.5m高，整体吊装.安装时第一节预高出混凝土面0.5m，以后每块往已安装好的劲性骨架上接高，每次接高4.5m，浇注塔柱混凝土一次。该种劲性骨架安装方法的缺点是：骨架整体安装，由于自重较大，定位前不能放松吊点，占用吊点时间长，影响进度。并且整体调整位置困难，于是把骨架设计成竖向两块，分块吊装然后焊接成整体。相对以前方案是节约了时间，最后我们把每节骨架4.5m高分块吊装定为设计方案。

    该结构采用等边角钢及型钢，设计钢材用量最后降低到30kg／m3混凝土，通过优化设计方案，不但节约了钢材，还加快了工程进度。

    劲性骨架由100×100×10、75×75×8两种角钢组成。整个骨架由加劲柱和平联组成。加劲柱的截面为44×36cm。劲性骨架分为十三个节段，将整个劲性骨架作为一个空间桁架来计算，取结构受力状态最为不利的第一节7.86×4.47m最底层骨架截面计算。计算图式如下：

    设计荷载主要考虑骨架、模板自重、 混凝土重力，同时考虑了风力的影响。设加劲柱，平联都为梁单元。桁架计算时在节点处施加荷载，把每个面的力分解在各个节点加载，底部节点固定，加劲柱与平联固接。

    由于劲性骨架所受荷载主要为塔柱倾斜，混凝土重力产生的侧压力。实际受力情况比较复杂，以往分析劲性骨架的简化模型可借鉴较少，所以根据实际施工情况进行简化模型的计算。建立模型后用ansys有限元分析软件进行计算应力和变形。

    对比实际施工过程中的结果。分析模型的计算结果（变形9.6mm）和实际施工过程中的结果较接近（变形10mm）。在实际施工中加设预偏值来抵消骨架的变形。

    3 劲性骨架施工工艺

    3.1 骨架制作

    塔柱劲性骨架的原材料选择时，即考虑了满足结构受力要求，又要尽量节省材料，还要考虑制作、安装简便。如果采用实腹式需要较大的工字钢，浪费材料且刚度较小。经过比选，决定采用结构刚度大，材料节省，可以分块加工安装的角钢桁架柱。由100×100×10、75×75×8两种角钢组成。整个骨架由加劲柱和平联组成。加劲柱的截面为44×36cm。施工中考虑到骨架是塔柱施工的第一个环节，所以材料提前2个月进场，加工工作提前1个月进行。确保塔柱施工工作连续不间断进行。

    劲性骨架在制作棚按图纸要求预先加工，加工时先加工标准节的单根桁架柱，再根据图纸提供的数据加工好各个平联杆件。骨架线形加工精度要求较高，要求测量人员在平整场地精确放出标准样线，再开料焊接加工。先确定出桁架柱的位置，并安装固定桁架柱，然后焊接平联，组合成单节段单块劲性骨架。前后节段的各个接头位置要前后编号试对接，方便以后吊装时准确快速安装。每块劲性骨架加工好后都要技术人员对骨架外形尺寸进行复测，控制好骨架的每个环节，确保主塔的外形准确。每节劲性骨架分两块加工，转运出主墩安装好后再加平联连成整体。装运过程中要注意起吊、装车时尽量控制骨架的变形。

    3.2 骨架安装

    劲性骨架的安装用16T塔吊吊装就位，首节劲性骨架与调平段预埋钢板连接，调平段预埋钢板焊接锚固钢筋预先埋入混凝土中。由于调平段预埋钢板是各阶段劲性骨架的基础，需要严格控制调平钢板的平面位置和标高。上、下劲性骨架之间先用螺丝连接，待测量精确定位后，再行焊接连接。劲性骨架安装时先安装梯形桁架，最后连接平联。劲性骨架安装即相当于钢筋、模板位置的确定，所以劲性骨架安装定位时测量组必须实时跟踪测量，以免造成耗工巨大的返工。首节劲性骨架定位时，先按设计位置放样出劲性骨架底部边线，同时测出四个角点的标高，接后按照设计倾斜度安装第一节骨架，然后在第一节骨架上端4个角点位置进行三维测量，并按测量结果进行调整，直到符合设计位置。如果实际安装劲性骨架时骨架上端角点的标高由于各种原因和设计有所偏离（最大出现过3cm），需要根据实测标高计算出相对应的平面位置坐标，按调整过的平面坐标对骨架进行实际控制。在第一节段混凝土浇注完毕后还要对第一节段劲性骨架进行复测，实际测量中骨架标高基本未发生变化（小于3mm），平面位置变化较小（小于10mm），且已经对骨架顶端平面设计坐标加设预偏值，确保塔柱外形的准确性。第二节劲性骨架在第一节骨架上直接安装，然后进行测量调整，直到符合设计位置，其余类推。

    劲性骨架安装完成后，就为塔柱的其他施工工作提供了坚实的支撑和工作平台。骨架结构为空间桁架，本身就是个简易的工作平台架构，其他各项后续施工工作都可以以骨架为依托顺利展开。

    由于骨架提供的工作面大，劲性骨架安装完成后可以同时安装斜拉索套筒和绑扎钢筋。绑扎钢筋时以劲性骨架为附着定位支架，钢筋接长后绑在劲性骨架上如果个别主筋与劲性骨架有冲突，可适当调整钢筋的位置。钢筋绑扎完成后，进行安装预应力粗钢筋。

    斜拉索套筒安装工作也以骨架为依托，先在骨架横联位置初步放样出套筒的位置，然后在横联中间焊接槽钢，作为套筒的底托。再按照设计坐标精确防样出套筒底轴线上的两个点（平面位置、高程），然后用塔吊吊装已经画出上下轴线的套筒，底部轴线固定在放样出的两个点上，上部用5个手拉葫芦临时固定在劲性骨架的桁架柱和横联上，测量上轴线上两个点的空间坐标，对比设计坐标，利用5个手拉葫芦进行位置调整，最后调整到偏差满足规范要求。进行初步焊接固定，套筒用槽钢点焊在骨架结构上，再复测套筒的位置，满足要求后进行套筒的完全固定，焊接时候注意多点分布整体施焊，避免局部焊接温度过高引起钢结构的变形而引起套筒的空间位置变化。

    钢筋、套筒安装完成后，安装外模板。由于外模板控制着塔柱的外形线型，所以还要对外模板的空间位置进行测量控制。测量方法同劲性骨架测量类似，测量结果可以同骨架的测量数据进行对比，二次检验骨架空间位置的准确性。满足要求后浇注塔柱混凝土。完成一个节段的塔柱施工。

    由于塔柱高度高（150m以上），搭设支架支撑困难，且塔柱倾斜，在空中没有可以提供依托的受力点。所以倾斜、高大的斜拉桥主塔塔柱施工采用劲性骨架施工是必要的。同时，斜拉桥塔柱施工工艺复杂，需要控制测量、控制质量的地方较多，对塔柱的外形要求很高，具有足够刚度的劲性骨架作为塔柱施工的支撑体系，能很好的控制住塔柱的外形，提供坚实的基础，为其他工作能够高质量完成提供平台。湛江海湾大桥采用劲性骨架进行塔柱的施工，施工工作在高标准、高质量的前提下顺利进行，高速度地完成了外型独特的钻石型塔柱，且外形美观、质量优良，满足要求，受到了各方的好评。

    劲性骨架的实际施工过程需要考虑到机械使用情况，以及工程进度要求，还可以进行适当调整。

    结束语。高塔施工除了进行严密的劳动组织外，关键要根据实际情况，在施工工艺上进行突破，在技术上对方案进行谨慎分析比较，高空、立体、平行、交叉作业才有可靠保证。湛江海湾大桥斜拉桥索塔施工充分发挥先进设备的特殊功效和新技术新工艺的特殊作用，达到了塔柱节段周期最快4天的速度。劲性骨架为湛江海湾大桥索塔高速度、高标准建成做出了很大的贡献。

    参考文献

    [1]《公路桥涵施工技术规范》（JTJ 041-2000），人民交通出版社，2000年10月第一版；

    [2]《桥梁工程》，范立础，人民交通出版社，1993年7月.