超長0號塊支架結構的設計和施工

張慶文，吳靖江，周東坡

（1.蘭州市市政工程研究所，甘肅蘭州 730000;2.中國建筑第七工程局有限公司，河南鄭州 473000）

1 工程概況

元通黃河大橋是蘭州市城區橫跨黃河，連通南北的一座大型市政橋梁，主跨為（80+150+80）m的連續梁拱組合橋。由群樁基礎、承臺、實體墩、減隔震支座、預應力懸澆箱梁、鋼管拱組成。

主梁中支點處梁高7.0 m，跨中處梁高2.5 m，梁高、底板厚度均按二次拋物線變化。主梁截面為單箱三室直腹板形式，頂寬28.8 m，底寬21.0 m，頂板等厚0.3 m，邊腹板厚度由跨中0.4 m變化到墩頂附近1.3 m，中腹板厚度由跨中0.55 m變化到墩頂附近1.3 m。底板厚度由跨中0.3 m變化到墩頂附近1.0 m。

0號塊全長20 m，混凝土1880 m3。

2 支架方案總體設計構想

0號塊支架的施工和預壓，要根據橋梁所處的地形地貌條件、設計結構和環境要求等綜合確定。一般分為落地支架（碗扣支架、鋼管立柱支架、組合梁支架等）和懸空支架（三角支架、縱梁支架等）。在支架設計時，同樣需要考慮墩身的高度、承臺大小、箱梁的結構形式和重量。

考慮到該橋0號塊單側懸臂長度達到8 m，墩身高度12 m，決定利用主墩承臺做基礎，在承臺上搭設落地支架進行現澆，解決大懸臂施工問題，避免不均勻沉降現象。

因該橋墩頂設計面積較小，僅依靠墩頂臨時固結難以滿足0號塊施工要求，通過設計讓支架立柱起到臨時固結作用，較好的解決了懸臂施工的安全問題。

2.1 方案比選

根據現場實際情況，設計出兩種支架方案。

方案一，貝雷桁架方案：

支架采用貝雷桁架落地拼裝，用貝雷桁架做立柱和縱梁，頂部安裝工字鋼做分配梁。

方案二，鋼管立柱方案：

（1）采用630×10 mm螺旋鋼管作為立柱，頂部安裝工字鋼作為主梁和分配梁，立柱間焊接剪刀撐結為整體。

（2）采用1200×10 mm螺旋鋼管作為立柱，內部灌注混凝土，提高單柱承載能力，頂部安裝工字鋼作為主梁和分配梁，立柱間焊接剪刀撐結為整體。

三種形式比選如下：全部利用承臺作為基礎，均可避免支架不均勻沉降，能確保安全可靠。

方案一，雖然架拼簡單，但是該地區貝雷桁架使用較少，難以滿足要求，若長距離調運成本較高。

方案二之一，由于0號塊體較大，尺寸定型，需設計異性結構滿足要求，承臺上至少設立2排鋼管，每排13根，鋼管立柱多，立柱間聯系多，用鋼量大，同樣不經濟。同時，外端懸臂需要設置斜撐，產生的水平分力平衡困難。

方案二之二，大直徑鋼管混凝土立柱，較大的提高了立柱承載力，用鋼量相對較少，較為經濟。可以采用對稱布置斜撐的方式，平衡水平力。同時利用鋼管立柱點為臨時固結，為后期箱梁懸臂施工可能存在的不平衡力矩提供抵抗力。

通過方案比選，大直徑鋼管混凝土立柱方案能較好地滿足設計總體構想，決定施工采用。

2.2 鋼管支架結構設計

鋼管支架由以下部分組成：8根1200×10 mm鋼管立柱做主承力構件，為保證受力良好，2I40b工字鋼承力主橫梁采用通長整體形式，把每側4根立柱連成整體。上布設高度40 cm落架體系，2I56b工字鋼做主縱梁，其上布置I20b作為分配橫梁組成承重體系。

該橋承臺尺寸，寬度13.8 m，而0號塊長20 m，在主縱梁和鋼管立柱之間做挑撐，縮短了主縱梁懸臂長度，可減少梁的撓度。同時平衡水平分力，斜撐盡量對稱布置。

根據設計要求，拆除底模板后，在每根立柱位置應提供不小于30000 kN支撐力，以抵抗箱梁施工可能產生的不平衡力矩。該支架采用鋼管立柱直頂箱梁底板的形式。在拆除底板其它位置模板支撐系統之后，立柱一直存在,至箱梁中跨合龍前拆除。

利用立柱產生的錨固力，平衡箱梁施工產生的不平衡力矩。立柱頂部通過錨固鋼筋進行錨固。

通過錨固鋼筋貼應變片，對錨固鋼筋應力的監測，可以反應出懸臂施工階段不平衡力矩值，指導施工，保證施工安全。

設計示意見圖1、圖2所示。

2.3 落架體系設置

落架體系應制作安拆方便、高程可調整等。

一般落架體系有硫磺砂漿、千斤頂、型鋼落架等。其中，型鋼落架由于承載力大，制作簡單，高程可調，安拆方便等做為此次施工的首選。

采用的型鋼系統，高度中心高度約40 cm。分為A、B、C三個塊體，A、B為固定模塊，可以周轉使用，C頂面坡度同梁底。

每塊體上下表面各用5 mm厚光滑鋼板罩面，以減小接觸面摩擦力，方便調整高度及落架。施工時，A下面和主橫梁點焊，C上面和主縱梁點焊，B留作高度調節塊。

該橋梁底縱坡8%，落架塊直接加工成相應坡度。落架安裝調節過程中，各塊體接觸面長度不小于25 cm。

型鋼落架體系示意見圖3所示。

3 鋼管支架施工

3.1 施工流程

預埋地腳鋼板——豎立1200×10 mm鋼管——主橫梁安裝——鋼管立柱連接焊接——落架體系安裝——主縱梁安裝——縱梁受力斜撐安裝——鋼管立柱內澆筑混凝土——分配橫梁安裝——模板系統安裝——支架預壓——0號塊梁體施工——模板部分支架體系拆除——中跨合龍前立柱拆除。

3.2 支架基礎施工

腹板位置可以承受懸臂施工產生的外力，鋼管立柱對應腹板布置，為減少主縱梁懸臂長度，盡量靠近承臺邊沿布置。

在承臺施工時預埋錨固鋼筋。鋼管豎立之后，錨固鋼筋和鋼管立柱焊接。

根據設計位置切割鋼管安裝主橫梁，同時封堵切割面。

鋼管內混凝土的澆筑，采用C30微膨脹混凝土，高位拋落無振搗法施工。頂部3～4 m范圍內混凝土應振搗，保證混凝土密實。

混凝土澆筑應在主橫梁和斜撐施工完畢之后進行，避免后期焊接施工造成鋼材變形，混凝土受高溫失效使立柱承載力下降。

在主橫梁和墩頂截面相應位置設置可調節式型鋼落架體系。

3.3 支架上部結構施工

主縱梁采用雙拼I56b工字鋼。在彎矩較大區間增加縱向加勁肋，提高抗彎能力；在支點位置附近位置按照間隔50cm布置橫向加勁肋，提高抗剪能力。

主縱梁在鋼管立柱兩側各20cm和各箱室居中布置，以使各梁受力近似。

為減少外懸臂主縱梁變形，設置受力斜撐。斜撐采用雙拼I40b工字鋼，直接支撐在主縱梁懸挑側。同時，為均衡鋼管立柱受到的水平分力，對側主縱梁同樣設置斜撐。

斜撐下端應力較大，通過增加加勁鋼板，增加焊縫長度形式解決。

分配橫梁采用I20b工字鋼，間距40cm布置在主縱梁上布置。

3.4 模板安裝

底模板采用大面積定型鋼模板,為提高利用率，掛籃底模板先做支架底模板使用，拆除后再安裝作為掛籃上。

3.5 支架預壓

支架預壓采用堆載法和反力法相結合形式。

墩頂及對應承臺外側部分采用堆載法，對應承臺段采用承臺預埋精軋螺紋鋼筋，利用千斤頂在支架上施加荷載，錨具鎖定方式進行預壓。

3.6 支架拆除

0號塊施工完畢后，可拆除除鋼管立柱、墩頂臨時固結之外的所有臨時結構，周轉使用提高材料利用率。

同時，鋼管混凝土立柱作為懸臂箱梁施工時抵抗不平衡力矩的重要組成部分，應繼續監控應力，以保證箱梁懸臂施工安全。

按照設計要求，中跨合龍前拆除立柱。

4 鋼管支架設計計算

4.1 支架工況

支架作為一個臨時支撐結構，要確保施工期間的安全性和穩定性。在設計時，充分考慮混凝土自重荷載、施工荷載等。

按照以下工況計算：

（1）混凝土首次澆筑，荷載按照箱梁截面受力計算；

（2）混凝土二次澆筑，按照均布力分配計算；

（3）混凝土全部按照箱型截面受力計算。

4.2 支架計算參數

支架計算取值：

鋼纖維混凝土：27 kN/m2；

鋼模板： 1.2 kN/m2；

施工人員、施工設備、施工材料：2.5 kN/m2；

振搗混凝土產生的振搗荷載： 2.0 kN/m2。

4.3 主要計算內容

單根立柱承載力計算計算內容參考 《鋼管混凝土結構設計與施工規程》（CECS 28-90）。

支架搭設完畢后，計算內容為：主橫梁、主縱梁、分配橫梁的強度、剛度、穩定性。

斜撐受力及角部焊縫受拉驗算（見《鋼結構設計手冊》4.1,4.5 章節）。

4.4 計算結果

整個支架受力體系為一個超靜定結構，采用計算軟件建模分析和計算，同時按照簡支構件進行核算。計算結果顯示，結構強度剛度穩定性均滿足施工技術規范要求。

通過支架預壓對支架結構行進進行檢驗、驗證。理論計算和實際基本吻合，達到了設計要求。

5 結語

0號塊施工質量影響到全橋質量，而0號塊支架體系的選擇不僅關系到施工質量，還關系到施工投入、安全、施工快捷便利等的問題，在施工過程中應綜合考慮。

以承臺作為基礎，利用鋼管支架進行施工，避免了超長0號塊施工不均勻沉降現象，提高了施工安全性，確保了工程質量。

該橋設計的支架費用較省，材料回收率高，同時，主要材料周轉速度加快，相應降低了投資。

該橋0號塊支架形式的選擇，不僅解決了大懸臂0號塊施工問題，同時，底模板拆除之后，鋼管立柱可以做為箱梁支點，直至最后拆除，縮短了懸臂施工可能出現不的不平衡力矩的力臂，增加了抵抗側的力臂長度，節約了臨時固結的費用。

可以通過監控立柱鋼管錨筋應力提供的抗拉力，指導施工，為箱梁施工安全提供了保障。

此種支架的設計和施工，具有在類似橋梁施工中推廣價值。

[1]JTG/T f50-2011,公路橋涵施工技術規范[S].

[2]GB 50017-2003,鋼結構設計規范[S].

[3]CECS 28-90，鋼管混凝土結構設計與施工規程[S].

[4]汪一俊，等，鋼結構設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社.

[5]周水興，等.路橋施工計算手冊[M].北京：人民交通出版社.