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悬索桥塔柱起始段劲性骨架设计

发表时间：2021/5/17 来源：《基层建设》2021年第2期作者：李江黄其虎

[导读] 摘要：随着我国桥梁工程的发展，劲性骨架越来越广泛地应用于桥梁施工中。

        中交第二航务工程局有限公司湖南省武汉市东西湖区 430040
        摘要：随着我国桥梁工程的发展，劲性骨架越来越广泛地应用于桥梁施工中。本文依托龙潭过江通道工程LT-A3标段索塔起始段施工，着重阐述悬索桥塔柱起始段劲性骨架设计方法，为后续项目提供一定的参考和借鉴。
        关键词：劲性骨架；塔柱起始段
        1、引言
        索塔施工主要采用翻模法、爬模法和筑塔机施工，其中翻模法和爬模法塔柱整体高度部分以及筑塔机施工起始段部分均涉及劲性骨架的应用。施工现场一般采用槽钢、角钢等轻型型钢制作形成框架结构，具有强度高、自重轻和抗震性能好等优点，而且劲性骨架成本低、可操作性强，能满足现场安全、经济和工期上的要求，本文主要研究索塔施工中劲性骨架的设计方法。
        2、工程概况
        龙潭过江通道工程位于南京长江四桥与润扬大桥之间，距上游南京长江四桥16.8km，距下游润扬大桥28.6km。线路起自仪征境内江北长江大堤，向南跨长江，经南京龙潭，止于与S338省道交叉处，路线全长约5km。按双向六车道高速公路标准建设，设计时速100km/h。设置特大桥4963米/1座（含跨江大桥主桥、部分北岸引桥、全部南岸引桥和互通立交主线桥）、龙潭互通立交1处和必要的交通工程及沿线设施。项目平、立面布置见图 2 1。

        图 2-1项目平、立面布置图
        龙潭过江通道跨江主桥采用主跨1560m单跨吊钢箱梁悬索桥+100m简支钢箱梁跨江南长江大堤，桩号范围为K10+202～K11+762。塔柱顶高程+245.5m，塔柱底高程+4m，塔底设4m高的塔座，塔柱混凝土为C55。索塔顺桥向宽度由塔顶的10m直线变化至塔底的12m，顺桥向侧面斜率为1/237.5。横桥向由塔顶的7m直线变化至塔底的9m，外侧面斜率为1/37.549，内侧面斜率为1/54.913。塔柱采用矩形箱截面，结合大桥塔柱景观效果与涡振性能改善，将塔柱四角进行倒角截面钝化，桥塔外侧倒圆角R=1.5m，内侧切角尺寸为2m（横桥向）× 0.5m（顺桥向），索塔截面布置如图2-2。

        图 2-2塔柱截面布置图（单位：cm）
        龙潭过江通道工程LT-A3标段塔柱+8m~+38m采用翻模法施工，+38m~+245.5m采用筑塔机进行施工，拟在+4m~+38m布置劲性骨架用于塔柱钢筋施工。
        3、劲性骨架结构设计
        塔柱顺桥向最大宽度为12m，横桥向最大宽度为9m。劲性骨架长度为11.19-11.36m，宽度为8.16~8.33m，单节最大高度6m。立柱采用型钢∠75×8，横联和斜撑均采用型钢∠50×5。立柱采用内外两层布置，再辅以横联和斜撑，形成框架结构，分别支撑塔柱对应的内外层钢筋，同时为钢筋安装提供平台。劲性骨架一般构造如图3-1，材料参数如表3-1所示。

        图 3-1劲性骨架一般构造图（单位：cm）
        表 3-1劲性骨架材料参数

        4、劲性骨架安装
        根据塔柱浇筑的分节高度，起始段劲性骨架的标准节长度为5m+5m +4×6m（标准段4#、5#、6#节段钢筋仍采用劲性骨架进行现场散绑），第一节段钢筋及骨架预埋件均预埋在承台内，单节高度均需高出混凝土浇筑高度5cm，以便下一节骨架螺栓对接。劲性骨架平面位置误差按小于20mm进行控制，即加工误差与安装误差累计不得大于20mm。
        骨架采用现场加工，然后通过塔吊分块吊装到位，骨架连接采用二级焊缝，焊接工艺应满足GB50661-2011 《钢结构焊接规范》要求。
        5、荷载
        5.1自重
        通过Midas取结构自重，自重系数Z=-1。
        5.2钢筋荷载
        钢筋荷载通过钢筋自重水平分力作用在劲性骨架侧面型钢上，其分布如表5-1。
        表5-1 钢筋荷载值

        5.3风荷载
        设计参考风速：
        U30=32.8m/s
        工作风速，考虑超过六级风速立即停止作业：
        U工作=8m/s
        按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）中规定计算

        5.4人群荷载
        考虑最多18个工人同时作业，以均布荷载形式作用于劲性骨架水平∠50×5上，取。
        6.整体结构计算
        6.1 工况荷载组合

        6.2 劲性骨架计算模型及结果
        根据Midas建模，考虑立柱与混凝土/下层劲性骨架刚性连接，计算模型如图6-1：

        图 6-1劲性骨架模型图
        6.2.1 工况一受力分析
        通过Midas建立劲性骨架受力模型，经计算可得工况一荷载作用下劲性骨架应力和位移。
        组合应力：

        图 6-2工况一组合应力图
        剪应力：

        图 6-3工况一剪应力图
        骨架位移：

        图 6-4工况一位移图
        根据计算可得：
        σmax=143.86MPa＜［σ］=205MPa
        τmax=2.36MPa＜［τ］=120MPa
        骨架构件最大变形量为3.65mm＜L/400=15mm。
        6.2.2 工况二受力分析
        通过Midas建立劲性骨架受力模型，经计算可得工况二荷载作用下劲性骨架应力和位移。
        组合应力：

        图 6-5工况二组合应力图
        剪应力：

        图 6-6工况二剪应力图
        骨架位移：

        图 6-7工况二位移图
        σmax=196.76MPa＜［σ］=205MPa
        τmax=3.31MPa＜［τ］=120MPa
        骨架构件最大变形量为5.13mm＜L/400=15mm。
        6.4 屈曲分析
        将结构除自重外结构恒载转化为质量，观察结构五阶模态的屈曲分析特征值，屈曲分析数据如表6-1。
        表 6-1屈曲分析数据

        屈曲分析最小特征值为137.4>1
        综上所述，劲性骨架刚度、强度和稳定性满足要求。
        6.5 预埋件计算
        6.5.1 预埋件结构设计
        预埋钢板：200×200×16mm
        预埋筋：4Φ12mm HRB400钢筋
        预埋筋间距取100mm，距离预埋钢板距离为50mm，其平面布置如图6-8所示。

        图 6-8劲性骨架预埋件平面布置（单位：mm）
        6.5.2 预埋件结构计算
        根据劲性骨架支最大反力可得：
        M=1.61kN.m N=8.80kN V=2.25kN
        劲性骨架同时承受法向压力、弯矩和剪力，其锚筋截面面积As取下列两个公式计算结果较大值：

        ar —锚筋层数的影响系数，取1.0；
        av —锚筋的受剪承载力系数取0.7；
        ab —锚板弯曲变形折减系数，取0.93；
        t—预埋钢板厚度，取16mm；
        z—沿剪力作用方向最外层锚筋中心线之间的间距，取100mm；
        ƒy—钢筋抗拉强度设计值，C55混凝土取360MPa。
        经计算可得
        本设计采用4根Φ12 HRB400钢筋，钢筋面积As=452mm2，满足设计及规范要求。
        基本锚固长度按下列公式计算：

          —钢筋外形系数，光面钢筋取0.16，带肋钢筋取0.14；
        ƒt—混凝土轴心抗拉设计强度，C55混凝土取1.96MPa；
        d—钢筋直径，取12mm。
        受拉钢筋的锚固长度应根据锚固条件按下列公式计算，且不应小于200mm。综上所述，4根Φ12的HRB400钢筋取锚固长度350mm，满足规范及设计要求。
        7.结束语
        本文阐述了索塔起始段劲性骨架的设计方法，同时结构设计在安全、经济和工期上也满足了项目的要求，为后续类似结构设计提供经验和参考，在后续类似结构设计过程中仍需注意以下几点：
        （1）钢筋荷载、人群荷载可以由点荷载等效转换为线荷载后再进行加载；
        （2）本结构考虑横桥向外侧面受风荷载，其他结构应该根据结构实际最不利情况进行调整；
        （3）模型屈曲分析时，应将除自重外的所有恒载转化为质量后再进行分析，屈曲分析与动荷载无关。
        参考文献：
        [1] 中交公路规划设计院有限公司主编.JTG D60-2015 公路桥涵设计通用规范.北京：人民交通出版社股份有限公司，2015.
        [2] 中华人民共和国住房和城乡建设部主编.GB 50009-2012 建筑结构荷载规范.北京：中国建筑工业出版社，2012.
        [3] 中华人民共和国住房和城乡建设部主编.GB 50017-2017 钢结构设计规范.北京：中国建筑工业出版社，2017.
        [4] 中华人民共和国住房和城乡建设部主编.GB 50010-2010 混凝土结构设计规范.北京：中国建筑工业出版社，2015.
        [5] 中华人民共和国住房和城乡建设部主编.GB 50661-2011 钢结构焊接规范.北京：中国建筑工业出版社，2011.
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