准格尔黄河大桥位于荣乌 (荣成—乌海) 高速公路十七沟—大饭铺段, 一孔跨越黄河, 是该高速公路重要控制性工程。主桥为 (160+440+160) m预应力混凝土梁斜拉桥。主塔采用双柱式变截面“A”形, 空心薄壁截面, 8号主塔高228.6m, 共设置4道5m高横梁, 其中中横梁为主梁支撑横梁, 距离地面约120m, 中横梁与下横梁1间距36.3m, 主梁0号块长21m, 悬挑塔柱中横梁外各7m。0号块箱梁全宽2 840cm, 中心线处梁高287.4cm。单个0号块混凝土方量706.7m³。桥型布置如图1所示。

1) 大桥8号主塔位于黄河边陡峭岸坡上, 0号块主梁距离地面约120m, 采用落地支架工程量大、施工周期长, 且超高支架安全风险大。

2) 支架承受荷载大 桥下无挂篮拼装场地, 0号块支架同时作为挂篮拼装平台, 0号块和挂篮总重约2 067t。

3) 挂篮首次安装长度达16.5m, 中横梁高度仅5m, 传统三角托架无法直接锚固在中横梁上。

斜拉桥0号块现浇支架一般采用满堂支架、钢管柱支架或三角托架等, 且采用三角托架时, 主桁片数量大于2片。前2种方法适用于低矮墩0号块施工, 三角托架较广泛应用于高墩0号块施工。

本桥中横梁顶距地面高度约120m, 综合考虑桥址区地形、现场焊接条件、工程造价及工期因素, 采用无落地式支架法施工横梁。并且中横梁高度只有5m, 0号块悬挑7m, 挂篮首次安装长度达16.5m, 传统三角托架无法锚固在中横梁上 (如采用类似施工方案的汝郴高速赤石特大桥, 其附塔三角托架高度为12.5m) 。

根据主塔结构特点, 下横梁1距离中横梁高度为36.3m, 因此0号块托架柱脚考虑锚固在下横梁1处, 采用钢管支架形式。

1) 上部结构布置 上部采用挂篮底模系统, 根据荷载大小及箱梁宽度, 支架横桥向设置4个支撑点;因支架同时承担0号块和挂篮荷载, 故考虑纵桥向支架在挂篮底提供3个支承点, 分别设在0号块塔根、0号块悬臂末端和挂篮悬臂末端。单侧挂篮共计12个支撑点。

2) 下部结构布置 0号块塔根可由塔柱预埋牛腿提供支撑点, 0号块悬臂末端和挂篮悬臂末端则必须通过钢管提供支撑点, 为避免该两排钢管同时支承在下横梁1处引起冲突, 同时也为了结构更加优化, 将外侧排钢管底部与内侧排钢管进行连接, 并通过附墙件将水平荷载传递至塔柱混凝土。同时, 0号块支架与原有中横梁支架配合搭设, 综合考虑。自上而下主要为轨道梁、卸荷砂箱、钢管柱顶、牛腿、钢立柱、平联及附墙组成, 钢立柱及牛腿分别与横梁及塔柱预埋件焊接形成支点, 附墙连接钢立柱与横梁、塔柱预埋件。

综上分析, 支架布置如图2所示。

主梁0号块荷载分析包括如下几方面。

1) 恒载 结构自重 (G₀) 、钢筋混凝土质量 (G₁) 、挂篮及模板体系质量 (G₂) 。

2) 活载 施工人员及设备 (Q₁) 、混凝土倾倒及振捣荷载 (Q₂) 、风荷载 (Q_w) 。

荷载具体取值如表1所示。

1) 工况1 支架搭设完成。施工阶段9级风况条件下, 支架安装到位, 但不进行混凝土浇筑。

2) 工况2 6级风况条件下, 进行混凝土浇筑。

3) 工况3 系统升温。考虑浇筑混凝土过程中, 系统升温25℃对支架的影响。

4) 工况4 系统降温。考虑浇筑混凝土过程中, 系统降温25℃对支架的影响。

每个工况考虑两种荷载组合形式, 即标准组合和基本组合。标准组合计算结果用来评价刚度指标, 基本组合计算结果用来评价结构强度及稳定性指标。各工况参与组合的荷载系数如表2所示。

钢立柱在塔肢牛腿及下横梁1顶面位置处固接, 平联及附墙与钢立柱连接为固接, 附墙在横梁及塔身处固接;钢管顶及牛腿与轨道梁之间采用铰接形式模拟卸荷砂箱;牛腿在中横梁处固接。支架整体计算模型如图3所示。

综合分析工况1~4计算结果, 各主要杆件最不利受力情况如表3所示。

综上分析, 支架各主要杆件强度和刚度均满足要求, 其次, 对支架预埋件进行设计。

根据支架计算结果, 塔肢和下横梁支点反力较大, 主要以竖向反力为主, 而下横梁节点竖向反力可直接传递至横梁, 埋件可采用普通预埋钢筋和钢板构成, 这里仅对塔肢牛腿预埋件进行重点分析。

塔肢牛腿最不利受力状态:F_x=66.7k N, F_y=267.4k N, F_z=2539.8k N;M_x=131.2k N·m, M_y=211.4 k N·m, M_z=102.5 k N·m。

当采用传统钢板配合锚筋的预埋件形式, 根据GB50010—2010《混凝土结构设计规范》 (2015版) 计算, 牛腿预埋件尺寸≥1.8m×1.2m, 锚筋数量不低于30根25螺纹钢筋。

通过分析传统预埋件结构, 其施工中主要存在如下问题。

1) 《混凝土结构设计规范》规定预埋锚筋排数不宜多于4排, 若本埋件钢筋按照4排进行设计, 则最少应有8列, 预埋钢板长宽比接近2, 将导致埋件实际工作中, 边缘钢筋受力明显小于中部钢筋, 与理论计算不符, 安全隐患大。

2) 传统预埋件钢筋长度较长、数量多, 施工中多会与墩柱钢筋产生干扰, 当调整其位置时, 对埋件的质量亦会有一定的影响。

3) 牛腿焊缝受剪, 需设计足够长的焊缝, 实际杆件焊缝长度不够, 且有多条立焊、仰焊, 焊缝质量难以保证。

4) 传统埋件后期修饰难度大, 不利于结构耐久性。

为规避上述问题, 本项目创新地设计了一种钢管支架后压浆式牛腿结构, 此牛腿基础利用塔柱侧壁上预埋的若干长方体孔道, 将焊接加工的工字钢插入其中作为支架基础的腹板, 预埋孔道与插入钢板间隙通过压浆填充密实, 将基础锚固在建筑物的侧壁上。工字钢伸出混凝土部分焊接上下翼缘板及筋板形成牛腿式钢管支架基础。结构形式如图4所示。

1) 孔道预埋位置准确, 确保混凝土浇筑时, 孔道不进浆。

2) 工字钢插入墩柱部分需设置孔洞作为灌浆排气孔。

3) 孔道注浆应遵循“低进高出”的原则, 灌浆孔在下, 出浆孔在上。

4) 翼板及筋板的尺寸应根据其上支承的杆件尺寸确定, 并保证与工字钢焊接牢固。

针对黄河峡谷地区高墩大跨径混凝土梁斜拉桥0号块及挂篮拼装施工, 成功地结合落地钢管少支架与传统附塔三角托架, 设计出1套附塔钢管支架结构, (单侧) 支架纵桥向仅设置1道竖向支撑 (钢管下端锚固于下横梁及塔肢上) 和1道斜撑 (锚固于竖向钢管上) , 最大限度地优化了支架结构, 保证了支架安全的前提下减小了临时工程量, 为顺利展开挂篮拼装和主梁0号块的施工奠定了良好基础。同时自主研发了一套“钢管支架后压浆式牛腿”结构, 快速、安全地将托架锚固在塔肢上, 较传统的牛腿预埋件施工减小了预埋件尺寸, 减少了空中焊接工作量, 投入施工临时钢材少, 施工时间短, 托架受力更加明确、安全可靠, 安装操作简单, 支架拆除后墩身的预留孔洞处理简单, 只需要用同标号的混凝土填塞即可。实践证明, “钢管支架后压浆式牛腿”是高墩大跨径斜拉桥和连续梁 (刚构) 桥0号块施工的有效方法。