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摘要：大跨径悬索桥大桥主塔基本为钢筋混凝土门式结构，索塔最大高度最高可达200m以上，上横梁与下横梁间高差可达100m以上。本文对上横梁支撑体系的抗风要求、成本控制及施工周期的多方面考虑，介绍上横梁支撑体系的设计施工方案，对高塔横梁支撑体系的设计、施工等问题进行了详细阐述及总结，为以后类似工程提供了一定的借鉴。
关键词：高塔横梁空中托架
1 工程简介
本文依托项目位于贵州省东部，主桥为主跨1130m的单跨简支钢桁架加劲梁悬索桥，主缆计算跨径258m+1130m+345m。
其中索塔为塔柱、横梁组成的钢筋混凝土框架结构。索塔横梁采用三室空腔预应力混凝土结构。上横梁断面尺寸为6.6m×8m。上横梁设置两道横隔板。顶板、底板、隔板及腹板厚度均为1m。
上横梁采用预埋牛腿支架施工，分两次浇筑（4m+4m）二次张拉（第一次张拉30%）。
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图1上横梁结构图（单位：cm）
2 上横梁支撑体系设计
2.1 设计要求
（1）大桥位于贵州山区，具有风场独特的特点，上横梁与下横梁间高差为125.4m，需满足支撑体系的抗风性能要求较低。
（2）上横梁支撑体系的荷载分析研究，包括横梁自重，下横梁自重包括挡块自重；施工人员及机具荷载；浇注振捣砼时产生的荷载；支架系统自重，包括模板系统，对支撑体系部分构件进行强度和稳定性，计算结果可满足受力要求并留有一定安全储备。
（3）支撑体系结构设计在确保结构自身满足设计强度的前提下，力求简单，轻便的结构设计原则，降低支撑体系设备运行能力的要求，作业人员方便安拆，考虑材料最大化的利用，以降低支架成本并节省工期。
（4）由于托架为横梁混凝土浇筑的支撑体系，托架的变形易对横梁混凝土造成影响，应采取相应的措施避免支撑体系变形过大的影响。
（5）支撑体系结构受力明确、合理，使用模型试验或者模型计算对支撑体系做出定性或者定量的判断，提高结构的受力分析精度，增加施工的安全保障。
（6）考虑各种参数对支撑体系受力的影响，如第一次浇筑后预应力张拉对支撑体系的影响。
根据上述设计要求，大桥上横梁使用空中牛腿托架法进行施工
2.2上横梁托架结构设计
索塔上横梁施工采用空中托架方式现浇施工。上横梁托架体系由预埋牛腿托架、砂筒、分配梁、贝雷片及底模等组成。预埋牛腿托架采用HN700×300型钢与预埋在塔柱内的预埋件焊接连接，为方便卸落托架，在预埋牛腿托架与承重梁间设卸落砂筒，。底模系统由贝雷桁架、工12.6及竹胶模板组成。底模分配梁采用工12.6型钢，间距为30cm。由于托架牛腿位于塔柱空心段上，为保证塔柱混凝土的受力性能，在塔柱内腔设置支撑梁。
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图2上横梁托架总体构造图
3 计算
3.1计算荷载
①恒载
a 横梁自重
上横梁分两次浇筑两次张拉，每层浇筑高度均为4m。上横梁托架计算时，考虑整个上横梁的自重。预应力钢筋混凝土自重根据设计图纸提供的钢筋及混凝土工程量按γ=25KN/m3考虑。
根据上横梁结构构造，将对应位置的混凝土梁自重按照面荷载加载至底模板上。则P=γh（单位：KN/m2），其中γ为混凝土自重，h为横梁混凝土高度。则，Pmax=25×8=200KN/m2，Pmin=25×（1+1）=50KN/m2。
b 托架自重
托架自重在进行模型计算时自动加载，自重系数取1.05。
②活荷载
a 模板荷载
上横梁模板荷载按横梁底面2KN/ m2控制。
b 混凝土浇注及振捣荷载
混凝土倾倒及振捣时产生的荷载按每平方米4KN控制。
c 施工机具及人员荷载
按2KN/m2取。
③ 风荷载
根据受力分析，上横梁横桥向迎风面积远大于顺桥向迎风面积，选取横桥向上横梁托架进行风荷载计算。
根据《公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）》，风荷载标准值为：
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工作状态：
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3.2计算模型及说明
3.2.1底模系统计算
底模系统计算采用Midas/Civil 2012有限元分析软件计算，根据底模系统结构特点建立模型，建模时按照结构选取与其一致的材料和截面特性、模型单元进行模拟。计算模型如图4所示。
竹胶板采用板单元进行建立，分配梁采用梁单元进行建立，两者之间采用刚性连接进行连接，工12.6支撑按照贝雷梁间距以铰支座进行建立。混凝土荷载（P=γh）、施工荷载等均以压力荷载方式加载至板单元上，其中腹板、隔板、顶板、底板均以均布压力荷载加载，各部分倒角段荷载以线性压力荷载加载。底模系统计算不考虑风荷载。
荷载组合为：1.2×恒载+1.4×活荷载
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图3底模系统计算模型
计算结果
表1计算结果汇总表
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3.2.2托架系统计算
托架系统计算采用Midas/Civil 2012有限元分析软件计算，根据托架系统结构特点建立模型，建模时按照结构选取与其一致的材料和截面特性、模型单元进行模拟。计算模型如图5所示。
托架系统中贝雷桁架、承重梁、牛腿支架均采用梁单元模拟。计算中加载方式同底模系统。
计算模型见下图
荷载组合为：1.2×恒载+1.4×活荷载+1.15×风荷载
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图4上横梁托架MADAISS计算模型
（1）计算结果
表2上横梁托架受力计算表
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（2）砂筒计算
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图5砂筒反力图（单位：KN）
单个砂筒考虑最大承载能力为1500KN，每根钢管桩头设置2个砂筒，合计3000KN。根据上图所示，Rmax=2482.1KN，满足要求。每个砂筒在使用前均按1500KN预压。
（3）牛腿计算
由钢板及锚筋组成的受力预埋件，所承受的法向力、剪力及弯矩见下图
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图6牛腿预埋件受力图
根据《混凝土设计规范》10.9-1中当有剪力、法向拉力和弯矩共同作用时，按照以下公式计算锚筋的截面面积：
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当有剪力、法向压力和弯矩共同作用时，按照以下公式计算锚筋的截面面积：
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表3锚筋受力计算表
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设计面积为A=π（32/2）2×4×4=12868mm2，满足要求。
4 上横梁托架安装
（1）上横梁牛腿支架安装
在塔柱施工时预埋锚板至相应的塔柱位置，待塔柱施工过上横梁后将牛腿支架焊接至预先埋好的钢板上。砂筒经过测量放线定位后，吊装至指定位置，进行砂筒标高的调整，然后吊装承重梁至砂筒上，确保承重梁中心线与砂筒中心点对位。
（2）底模系统安装
贝雷片在塔下场地按设计进行组拼，现场由塔吊逐片吊安就位、拼接，桁架片之间用加工的花架连接成为整体。严格控制桁架片的顶标高，然后顺桥向安装工12.6分配梁，最后进行底模及内外模板系统的安装，模板标高应根据施工监控预拱度结果进行调整。
（3）托架预压
为确保横梁正常施工，对横梁支架进行预压。加载分 5 级进行，即 40%、 60%，80%，100%，120%。
5 上横梁托架拆除
上横梁施工完成后，混凝土强度达到设计要求且预应力施工完成后，进行托架拆除。
（1）砂筒卸载
托架拆除时，各支撑砂筒进行尽可能进行同步放砂，完成托架的卸落。支架拆除的顺序与安装的顺序相反，上横梁浇筑时应考虑在顶板、底板位置预留相应的空洞，便于托架下放钢丝绳穿过，从上而下逐步拆除。
（2）底膜拆除
砂筒卸砂完成后，底模和混凝土面分离。 将底模竹胶板人工从工 12.6 上抽出，临时堆放在托架两侧的施工平台上。将竹胶板底模集中后，使用塔吊吊至下方场地，转运至堆放场地。
（3）工12.6分配梁的拆除
底模板拆除完毕后，卸除固定工12.6和贝雷的U型卡。 手拉葫芦一端挂在外侧的贝雷上，一端连接绑在工12.6的钢丝绳上，使用手拉葫芦将工12.6抽出一半，然后在中心位置捆绑钢丝绳，钢丝绳连接塔吊吊钩，使用塔吊将剩余部分移出，吊至下方场地，转运至堆放场地。
工12.6分配梁抽出时，在工12.6 的上方，横梁的棱角处，采用垫木板的方式对棱角进行保 护。
（4）贝雷的拆除
贝雷的拆除是托架拆除的关键工序。首先拆除外侧的贝雷，以H700X300型钢为临时平台，由外向内依次拆除。首先去除贝雷和大分配梁连接的 U 型卡，然后以两根大分配梁为支撑，分段拆除贝雷销子（即拆除销子后，保证分开的这段贝雷两端搭在大分配梁上）。采用手拉葫芦将贝雷转移至横梁外侧，使用塔吊吊至下方场地，转运至堆放场地。 贝雷梁拆除时注意要从外向内对称拆除，并尽可能两片一组进行拆卸，以保证贝雷梁在大分配梁上向外转移时立放平稳。
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图9贝雷梁拆除示意图图
（5）承重梁拆除
在 H700×300 型钢承重梁两端端头，焊接临时吊耳，连接钢丝绳。两台塔吊通过钢丝绳分别吊挂在 H700×300 型钢承重梁两端，同时启动使 H700×300 型钢分 配梁分离砂筒，平移至桥梁中心线附近。继续使用塔吊将 H700×300 型钢吊至下横梁上，并在与横梁接触部位垫支方木。然后将型钢两端钢丝绳挂至一台塔吊的吊钩上，随后吊至下方场地，转运至堆放场地。 最后将砂筒使用塔吊吊至地面。
（6）牛腿支撑的拆除
支架拆卸卷扬机安置在横梁悬挑的型钢上。钢丝绳需要转向的位置利用转向滑轮进行转向。在两侧牛腿支撑根部和端部，焊接临时吊耳，连接钢丝绳，并预紧钢丝绳。下放吊笼进行切割，解除牛腿支撑与预埋锚板的连接。使用卷扬机将牛腿支撑下放至下横梁上。在下横梁上，将整个牛腿支撑进行切割，然后利用塔吊分片吊装至地面。
6 结论
主塔上横梁的空中托架法的设计和施工应用，有以下特点：
（1）针对上横梁与下横梁间的高差较大，采用牛腿托架法，降低了支撑体系对抗风性能的要求。
（2）本文通过上横梁预埋牛腿托架的设计计算，托架的变形对横梁施工影响较小，保证了混凝土的质量，托架各部分的受力明确、合理，安全性好。
（3）空中托架法在确保结构自身满足设计强度的前提下，相比传统落地支架结构，支撑体系的安装、拆卸过程快速、便捷，节约了钢材的投入，缩短了施工工期。
（4）通过在塔柱内部设置支撑梁，将支腿受力对主塔结构的影响降低最低，主体结构受力安全。
（5）为了验证设计的合理性及支撑体系的可靠性，使用前进行加载试验，通过对托架在各加载工况中的变形情况监测，表明托架的实际变形与设计预期吻合良好。
上横梁支撑体系结构的合理设计保证了上横梁顺利的施工，空中托架法在工程中体现了良好的工程应用效果，为今后工程中高塔横梁的设计施工提供了参考。
参考文献：
[1] 《公路路桥梁设计通用规范》 JTG D60-2004
[2] 《材料力学》 人民交通出版社
[3] 《结构力学》 人民交通出版社