湖美溪大橋0號(hào)及平衡段托架吊支架施工方案研究與設(shè)計(jì)

王偉男

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

1 工程特點(diǎn)

湖美溪大橋位于莆炎高速公路YA10合同段，尤溪縣坂面鄉(xiāng)上村南側(cè)。設(shè)計(jì)荷載為公路-I級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為100年。大橋分設(shè)獨(dú)立的雙幅左右兩線，左線為（40+(82+150+82)+10×40）m，右線橋?yàn)椋?×30+2×40+(82+150+82)+8×40）m，其中40 m為小箱梁采用先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)結(jié)構(gòu)，主墩最大墩高達(dá)107 m。左右兩幅橋墩采用柱式墩、空心薄壁墩，橋臺(tái)采用柱式臺(tái)，基礎(chǔ)均為樁基礎(chǔ)。主橋(82+150+82) m連續(xù)剛構(gòu)采用單箱雙室變高度箱形截面，主墩墩頂梁高9.2 m，跨中梁高3.5 m，按1.8次曲線變化。單幅箱梁頂寬16.75 m，底寬10.75 m，采用縱橫豎三向預(yù)應(yīng)力體系。連續(xù)剛構(gòu)主橋布置如圖1所示。

圖1 連續(xù)剛構(gòu)主橋布置（單位：mm）

該連續(xù)剛構(gòu)有如下特點(diǎn)：

（1）主墩高度達(dá)107 m，0#段的現(xiàn)澆支架加工及質(zhì)量控制難度大、安裝拆除作業(yè)困難、施工風(fēng)險(xiǎn)高；（2）邊墩高度達(dá)79 m，邊跨平衡段與合龍段的現(xiàn)澆支架加工及質(zhì)量控制難度大、安裝拆除作業(yè)困難、施工風(fēng)險(xiǎn)高；常規(guī)的墩旁托架會(huì)對(duì)邊墩的受力和位移造成不利影響，甚至危及其安全；（3）按規(guī)范要求預(yù)壓時(shí)，上述支架加卸載困難，效率低；（4）橋址位置偏僻，地處山區(qū)峽谷，交通不便，不利于大型設(shè)備進(jìn)場(chǎng)。

針對(duì)該橋上述環(huán)境、工程特點(diǎn)和資源情況，經(jīng)過(guò)多視角、多套施工方案的比選研究，提出以下施工方案：高墩采用爬模施工；0#段采用墩旁三角托架法施工，外模采用整體鋼模，內(nèi)模采用竹膠板模板；在0#塊上組裝掛籃，采用菱形掛籃施工1～20#懸澆節(jié)段；左線1#、4#邊墩，右線4#、7#邊墩平衡段及合龍段采用蓋梁內(nèi)預(yù)埋牛腿與澆筑完成的懸臂端吊掛的精軋螺紋鋼形成簡(jiǎn)支的吊支架進(jìn)行施工；中跨合龍段采用掛籃施工；支架采用在各墩承臺(tái)預(yù)埋錨點(diǎn)，精軋螺紋鋼錨固，再在托架、吊支架上用千斤頂施加壓力實(shí)現(xiàn)預(yù)壓；合龍段合龍施工采用水箱存放水實(shí)現(xiàn)換重。各幅先同時(shí)合龍兩個(gè)邊跨，再合龍中跨。

2 主要施工方案研究

（1）0#段施工方案。該橋0#段長(zhǎng)14 m，梁寬16.75 m，頂板厚度28 cm，邊腹板厚度75 cm，中腹板厚度75 cm，底板厚度102.1～105 cm變截面變化，梁中截面梁高9.20 m，端頭梁高8.977 m，兩隔板厚1.5 m，隔板孔洞1.5 ×1.8 m，位于0#段中跨段部分靠近隔板預(yù)留進(jìn)入洞，孔洞邊距隔板邊80 cm，孔洞直徑1.0 m，混凝土方量563 m3，折合梁重約1 492 t。

0#段體量大，墩身高度大，采用墩旁三角托架施工，其上利用掛籃底板系統(tǒng)支承在托架上作為0#段底模。托架為全槽鋼桿件組成的全銷接結(jié)構(gòu)，各桿件由雙拼[28b槽鋼焊接，銷軸加強(qiáng)板為12 mm厚鋼板，綴板為12 mm厚鋼板。結(jié)構(gòu)受力明確，且加工工藝簡(jiǎn)單，對(duì)構(gòu)件精度要求較低，施工現(xiàn)場(chǎng)即可加工。三角托架銷接在預(yù)埋件上，用[25b槽鋼現(xiàn)場(chǎng)焊接斜撐。銷接連接在保證可靠性的同時(shí)，相較于焊接連接質(zhì)量檢查更直觀。三角托架上置沙箱，沙箱上放置掛籃的雙拼HN500×200工字鋼底橫梁作為橫梁，底板下方放I-40b工字鋼，翼緣板下為I-36b工字鋼，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 托架結(jié)構(gòu)示意（單位：mm）

（2）懸臂施工方案。連續(xù)剛構(gòu)懸臂段采用菱形掛籃懸澆方式施工，在前一個(gè)節(jié)段施工完成后（張拉、注漿完成），將掛籃移至下一個(gè)節(jié)段，并調(diào)整底模標(biāo)高實(shí)現(xiàn)節(jié)段高度變化，通過(guò)在前一個(gè)節(jié)段預(yù)留掛籃后錨孔進(jìn)行掛籃的固定。掛籃結(jié)構(gòu)主要由桁架、吊掛系統(tǒng)、走行及后錨系統(tǒng)、模板系統(tǒng)和張拉操作平臺(tái)等六部分組成。掛籃是施工梁段的承重結(jié)構(gòu)，又是施工梁段的作業(yè)（懸灌，張拉等）平臺(tái)，掛籃按其懸灌所承受的最大梁段重量及施工荷載等最不利荷載設(shè)計(jì)。

（3）邊跨平衡段及合龍段施工方案。按施工圖要求，邊跨平衡段及合龍段一次整體澆筑，采用吊支架施工，吊支架一側(cè)支撐在邊墩預(yù)留牛腿上，另一側(cè)用精軋螺紋鋼吊掛在懸臂梁端上，從而形成簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，改善邊墩的受力狀態(tài)。邊跨吊支架拼裝完畢，將進(jìn)行預(yù)壓，檢驗(yàn)其承載能力，消除支架的非彈性變形并獲得荷載-變形曲線。邊跨吊支架采用雙拼[28b槽鋼進(jìn)行組裝，共設(shè)置4個(gè)支架，支架間距為2.725 m，1.75 m，2.725 m。支架上置沙箱，沙箱上置雙拼HN500×200工字鋼，其上布置I-36b工字鋼，為減少臨時(shí)結(jié)構(gòu)安裝拆除及運(yùn)輸?shù)墓ぷ髁浚浞掷?#段托架及掛籃的構(gòu)件，橫梁利用掛籃的底橫梁拼裝，布置如圖3所示。吊支架拼裝并試壓合格后，即可進(jìn)行平衡段及合龍段施工。

圖3 邊跨吊支架結(jié)構(gòu)（單位：mm）

采用在懸臂端水箱加放水的方法實(shí)現(xiàn)合龍段混凝土澆筑的換重。各幅先同時(shí)合龍兩個(gè)邊跨，再合龍中跨。

（4）托架與吊支架的預(yù)壓?？紤]到墩身很高，預(yù)壓件裝卸載困難，0#段托架和邊跨平衡段吊支架均采用精軋螺紋鋼進(jìn)行預(yù)壓。在臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)安裝完成后，箱梁施工前，對(duì)其進(jìn)行相當(dāng)于1.1倍最大施工荷載預(yù)壓，以檢查托架和吊支架的承載能力，減少和消除臨時(shí)結(jié)構(gòu)體系的非彈性變形。預(yù)壓時(shí)，在結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置14根豎向精軋螺紋鋼，采用連接套筒接長(zhǎng)至墩底，由承臺(tái)預(yù)埋的14根精軋螺紋鋼提供反力，采用千斤頂張拉加載。通過(guò)分配梁使千斤頂施加的荷載與截面混凝土重力分布大致相當(dāng)，加載時(shí)，自中間向兩側(cè)分段、分層對(duì)稱加載，嚴(yán)防不對(duì)稱加載，預(yù)防偏載事故。預(yù)壓過(guò)程中合理設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，并做好觀測(cè)記錄，以利于計(jì)算結(jié)構(gòu)的變形量。觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置在梁底模板上，共設(shè)置14個(gè)觀測(cè)斷面，每個(gè)斷面3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。加載過(guò)程應(yīng)注意分級(jí)加載，加載按照1.1倍重量的60%、80%、100%分3次進(jìn)行，每階段加載完成后1 h開始進(jìn)行觀測(cè)，間隔6 h測(cè)量一次，待連續(xù)兩次觀測(cè)沉降小于2 mm后再進(jìn)行下一階段加載；待加載重量全部施加到位后，連續(xù)觀測(cè)12 h，直至沉降量穩(wěn)定在2 mm之內(nèi)。加載過(guò)程應(yīng)均勻緩慢、有序進(jìn)行，避免托架受力不均和突然受力而出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，當(dāng)確認(rèn)消除結(jié)構(gòu)非彈性變形量及壓縮穩(wěn)定后，測(cè)出彈性變形量，即完成壓重施工。

（5）考慮施工溫度的中跨合龍。連續(xù)剛構(gòu)橋在合龍時(shí)除需注意過(guò)程中水箱配重對(duì)梁體結(jié)構(gòu)和形態(tài)的影響，還需考慮溫度效應(yīng)對(duì)梁體造成的影響，當(dāng)實(shí)際合龍溫度與設(shè)計(jì)合龍溫度不同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致后期橋墩傾斜。實(shí)際合龍溫度高于設(shè)計(jì)合龍溫度時(shí)，需對(duì)中跨進(jìn)行頂推施工，達(dá)到設(shè)計(jì)合龍溫度的狀態(tài)；實(shí)際合龍溫度低于設(shè)計(jì)合龍溫度時(shí)，則需采用對(duì)拉的方法使梁體達(dá)到設(shè)計(jì)合龍溫度的狀態(tài)。

3 主要施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)檢算

鑒于菱形掛籃屬于懸臂澆筑施工常用臨時(shí)結(jié)構(gòu)，不再贅述，現(xiàn)使用Midas Civil對(duì)施工中提出的全銷接臨時(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算。

3.1 邊跨平衡段吊支架檢算

利用橋梁工程軟件Midas Civil對(duì)平衡段支架進(jìn)行有限元分析計(jì)算，支架主要受剪力，其反力如圖4所示。

圖4 吊支架反力（單位：kN）

取受力最大的支架作為研究對(duì)象，考慮腹板處20 mm厚的加強(qiáng)板，預(yù)埋桿件IZ=1.576×108mm4預(yù)埋桿最大支反力為856 kN，故其剪應(yīng)力為：

同理，對(duì)吊支架縱梁檢算結(jié)果為，最大正應(yīng)力168.4 MPa＜f=215 Mpa，最大切應(yīng)力為38.2 MPa＜fv=125 Mpa，均滿足規(guī)范要求。

對(duì)吊支架橫梁檢算結(jié)果為最大正應(yīng)力為193.1 MPa＜f=215 Mpa，最大切應(yīng)力為55.9 MPa＜fv=125 Mpa，均滿足規(guī)范要求。

3.2 0#段托架

與吊支架的檢算類似，對(duì)0#段托架根據(jù)施工時(shí)的實(shí)際荷載工況，利用有限元軟件Midas Civil計(jì)算托架結(jié)構(gòu)桿件及銷接件的應(yīng)力和變形，達(dá)到對(duì)托架強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性的檢算。

檢算結(jié)果如下，最大正應(yīng)力為146.9 MPa＜f=215 Mpa，最大切應(yīng)力為40.9 MPa＜fv=125 Mpa，最大變形為，均滿足規(guī)范要求。

針對(duì)0#段托架連接的檢算。

（1）斜桿。托架最大軸力為700 kN，銷軸采用Cr30材質(zhì)，直徑為100 mm，銷軸雙面抗剪，抗剪面積A=15700 mm2。

經(jīng)查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》可得：φ=0.895

斜桿最大壓桿的應(yīng)力值為：

穩(wěn)定性符合要求。

（2）水平桿強(qiáng)度水平拉桿的軸力為N=266.4kN，水平拉桿截面面積為9045 mm2；

水平拉桿截面拉應(yīng)力為：

銷孔孔壁壓應(yīng)力：

符合強(qiáng)度要求。

（3）預(yù)埋桿抗剪檢算

桿件IZ=1.567×108mm4，S＊max=7.604×105mm2預(yù)埋桿最大支反力為674.8 kN，故其剪應(yīng)力為：

滿足要求。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)湖美溪大橋(82+150+82) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)的環(huán)境、工程特點(diǎn)和資源情況研究，選定了上述施工方案，并對(duì)相關(guān)臨時(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)按照相關(guān)橋梁施工規(guī)范要求并結(jié)合工程實(shí)際情況，運(yùn)用有限元方法進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析和檢算，該橋施工實(shí)踐表明：（1）0#段施工采用全銷接、靜定桁式托架，并利用掛籃的底模系統(tǒng)作為支承在托架上的0#段底模，結(jié)構(gòu)合理，各構(gòu)件受力明確，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工工藝和施工工藝，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約了臨時(shí)結(jié)構(gòu)費(fèi)用。（2）邊跨平衡段及合龍段使用簡(jiǎn)支吊支架施工，結(jié)構(gòu)合理，各構(gòu)件受力明確，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)各構(gòu)件加工工藝和施工工藝；更重要的是減小了邊墩豎向荷載，大大減小了其偏心矩，改善了邊墩的受力狀態(tài)。（3）0#段采用精軋螺紋鋼進(jìn)行預(yù)壓，解決了裝卸載不便的問(wèn)題，節(jié)約了成本提高了施工效率。