廈漳大橋斜拉橋0#、1#主梁支架設計與施工

劉明軍，林志軍

（中交一公局廈門工程有限公司，福建廈門361021）

1 工程概況

廈漳大橋南汊主橋全長570 m，為雙塔雙索面鋼與混凝土組合梁斜拉橋 （見圖1），跨徑組成為（135+300+135）m。主梁采用雙工字型鋼主梁、橫梁及小縱梁，與混凝土橋面板結合形成組合截面。雙工字型鋼主梁橫向中心間距為34 m，全寬40 m（含檢修道、導流板），橋面設置2%雙向橫坡，梁段長度4.0 m～19.5 m，設計采用環氧噴涂鋼絞線斜拉索。

圖1 廈漳大橋立面圖（單位：cm）

鋼梁結構形式如圖2所示。鋼主梁與混凝土橋面板疊合形成主梁，二者通過剪力釘、預應力結合在一起。鋼結構部分由工型縱梁、橫梁（工字梁）及小縱梁（工字梁）共同組成梁格體系。錨拉板直接焊接在工字型鋼主梁的上翼緣板上。

圖2 主梁結構示意圖

Z0梁段長度19.5 m，主要由2道主縱梁(A梁段)、5道橫梁（HL0橫梁和4道HL1橫梁）及小縱梁組成，總重量約242.8 t，最重單件為主縱梁，重量39.6 t；Z1、B1梁段長度15.5 m，主要由2道主縱梁（B 梁段）、4 道橫梁（HL1）及小縱梁組成，總重量約192.1 t，最重單件為主縱梁，重量 27 t； Z0、Z1、B1 梁段采用在落地支架上單件拼接的方法進行安裝。

2 支架設計與結構形式

Z0、Z1、B1梁段支架下部結構采用鋼管，鋼管支承在承臺頂面，在下橫梁、下塔柱亦有連接。位于鋼主梁底部支架鋼管為主桁架，支架的承重結構部分，鋼管規格φ800×10 mm，主桁架與下橫梁聯接采用鋼管 φ800×10 mm，其余聯接鋼管均為 φ377×6 mm；鋼管底端設置法蘭，與承臺預埋螺栓連接。所有鋼管間均通過鋼管或型鋼連接，主要承重鋼管頂部底腳設置加強肋。Z0、B1、Z1梁段支架上部結構采用2H400×400×13×21 mm型鋼作為縱梁兼滑移軌道，在滑軌上安裝重物移位器。支架頂部設縱坡，坡度分別為1.3%（邊跨側）和0.8%（中跨側），縱坡通過鋼管頂部標高調整。支架的縱、橫斷面見圖3、圖4所示。

圖3 支架縱斷面示意圖（單位：cm）

2.1 支架相關參數

（1）支架高度為41.17m，分別在主墩塔柱縱向兩側對稱設置桁架，每側頂部長度19.75m，支架基礎安裝在承臺頂部。支架頂部長度較承臺縱向寬度大，支架外側采用斜撐鋼管，斜撐鋼管偏角為10.745°。

（2）鋼管采用鋼板螺旋軋制而成，鋼管與H型鋼的材質均為Q235鋼材。

（3）支架主要受力鋼管采用法蘭連接，鋼管端部與型鋼聯接采用焊接，支架與承臺之間聯接采用螺栓聯接，支架與下橫梁、下塔柱之間采用預埋螺栓法蘭、吊耳鉸接。

（4）支架單片主桁架自重（每片桁架均采用雙排承重鋼管，整個支架共有4片主桁架）為85.077t。

2.2 支架主要計算內容（見表1）

表1 支架主要計算內容一覽表

2.3 計算依據

（1）《廈漳跨海大橋設計圖紙》；

（2）《公路橋涵施工技術規范》（JTJ 041-2000）；

（3）《公 路 橋 涵 設 計 通 用 規 范 》 （JTG D60-2004）。

3 支架計算

為考慮結構計算偏于安全，簡化計算過程，便于手工計算，將支架近似為靜定平面桁架。計算中取荷載安全系數為1.3。

3.1 工況分析

工況1：Z0梁段吊裝施工

支架搭設完成后，在邊跨B1梁段位置上吊裝Z0梁段，支架主要受力狀態為梁段重量、支架自重及施工臨時荷載 （臨時荷載較小計算過程中忽略）。移位器上方橫梁承受梁段重量。

工況2：Z0梁段縱移

Z0梁段縱移通過移位器在支架頂部縱梁軌道上平移實現，需要對縱梁進行強度和剛度驗算。

工況 3：Z1、B1 梁段吊裝

Z0梁段移位至設計位置后進行臨時錨固，之后在相應的設計位置吊裝Z1、B1梁段，安裝完成后進行橋面吊機安裝，此項施工作業在1#吊索安裝并進行初張拉后方可操作，支架受力狀態為梁段部分重量、支架自重。

3.2 支架計算

支架單片主桁架自重包括鋼管及頂部縱梁，共重85.077t，主要工程量的計算見表2所列。

桁架自重力矩的計算見表3所列。

3.2.1 支點反力計算

根據力學平衡方程，

支架計算見圖5所示。

3.2.2 Z0梁段拼裝施工（含吊裝8片橋面板）

Z0、B1、Z1梁段中為Z0梁段長度最長，重量最大，計算Z0梁段安裝、移運。Z0梁段長度為19.5 m，重242.818 t，橋面板每片混凝土7.71 m3，安裝過程中計算時取8片（縱向兩側各4片）。取Z0梁段安裝計算，見圖6所示。

3.2.2.1 支點反力計算

梁段拼裝時以主縱梁端兩側四個端點為支點，每個支點各安裝兩臺安放重物移位器，為簡化，計算時四個角點取平均值！

表2 桁架工程數量表（單片組合)

G（梁）=(242.818×10+7.71×26×8)/4=1007.97（kN）

從圖形中可以得出，Z0梁安裝時，最不利工況是一端支點在下橫梁，一端支點在支架最遠端，即圖6中D點（N3鋼管頂部），其計算見圖7所示。

表3 桁架自重力矩計算表（逆時針為正）

圖5 支架計算示意圖（單位：cm）

圖6 ZO梁段安裝示意圖（單位：cm）

根據力學平衡方程，

RA+RB=G(梁)

ΣMA=0,G×7.7-RB×7.25=0得出支點反力：

RB=-1 070.53 kN（向下拉力）RA=2078.5 kN

3.2.2.2 支架（含自重）抗傾覆穩定計算

（1）傾覆力矩計算。

Z0梁段在支架頂部拼裝，梁段重量通過八個移位器傳遞至支架！計算中取移位器為支點，重力為集中力！

D點處力臂：-7.70 m （取逆時針方向為正），得出Z0梁段產生的傾覆力矩：

M=1007.97×（-7.70）=-7 761.4 （kN·m）（順時針）支架以A點為支點產生的傾覆總力矩：

圖7 ZO梁段安裝計算示意圖（二）

M=-7 761.4+1 284.6=-6 476.8 （kN·m）（順時針）,支架的傾覆力矩通過鋼管N1與承臺聯接、鋼管N22與下橫梁聯接抵消，保持支架平衡！

（2）下橫梁聯接穩定計算。

通過力矩方程得出每根聯接鋼管N22（Ф800×10 mm截面面積24 819 mm2）所受拉力：

Q=M/L=1.3×6 476.8/38.75/2=108.6 （kN）（力臂為鋼管N22距離承臺頂高度，為38.75 m）

鋼管N22采用螺栓與下橫梁聯接，每根鋼管設置M30柱腳螺栓16個（螺栓中心線半徑為50 cm，間距19.5 cm）。螺栓拉力：

σ=108.6×1 000/（16×1/4×π×26.716 32）=12.1（MPa） <215 MPa。

鋼管N22軸向拉應力：

σ=108.6×1 000/24 819=4.4 （MPa） <[σ]=215 MPa。

符合要求！

3.2.2.3 鋼管內力計算（見圖8）

圖8 Z0梁段安裝計算示意圖（二）

A點支點反力總和：

RA=2 078.5+673.58=2 752.08（kN）

B點支點反力總和:

RB=177.19-1 070.53=-893.34（kN）（向上拉力）

鋼管軸向力：

F=RA/cos10.745°=2 801.2（kN）（兩根鋼管）

產生水平方向推力：

RX=RA×tg10.745°=522.2（kN）（兩根鋼管）。

(1)鋼管N3軸向壓應力計算。

鋼管N3軸向壓應力 （Ф800×10 mm截面面積24 819 mm2）：

σ=F/A=1.3×2 801.2×1 000/24 819/2=73.4 （MPa） <[σ]=215 MPa，

符合要求！

（2）鋼管N3連接螺栓剪切應力計算。

支架鋼管與承臺聯接采用柱腳螺栓。鋼管N3與承臺采用M30柱腳螺栓聯接，每根鋼管設置16個螺栓（螺栓中心線半徑為50 cm，間距19.5 cm）！

單個螺栓所承受的剪切應力：

τ=Rx/A=1.3×522.2×1 000/(2×16×1/4×π×26.71632)=37.8 （MPa） <[τ]=125 MPa，

符合要求！

（3）鋼管N1軸向拉應力計算。

鋼管N1軸向拉應力：

σ=F/A=1.3×893.34×1 000/24 819/2=23.4 （MPa）<[σ]=215 MPa，

符合要求！

（4）鋼管N1連接螺栓拉應力計算。

鋼管N1與承臺采用M30柱腳螺栓聯接，每根鋼管設置16個螺栓（螺栓中心線半徑為50cm，間距19.5cm）！螺栓所承受的拉應力：

σ =F/A=1.3×893.34×1 000/(2×16×1/4×π ×26.71632)=64.7 （MPa） <215 MPa，

符合要求！

（5）鋼管變形計算。

鋼管N3在軸力作用下產生的壓縮變形：

Δl=Nl/EA=(1.3×2 801.2×1 000/2×40.58×1 000)/(2.1×105×24 819)=14.2（mm）

3.2.2.4 壓桿穩定計算

鋼管N3采用Ф800×10 mm的Q235鋼板螺旋卷制，其回轉半徑：

從圖中得出桿件最大節點長度：l=1323cm

桿件長細比：

λ=μl/i=13 230/279.3=47<λp=100 （μ 為壓桿的長度系數，取μ=1.0）

查表得鋼管軸壓桿件截面分類為a類，得出穩定系數：

φ=0.924

P/φA=1.3×2 801.2×1 000/（2×24 819×0.924）=79.4 （MPa） <[σ]=215 MPa，

壓桿滿足穩定要求！

3.2.3 Z0梁段縱移施工

Z0梁段安裝完成后進行縱移，采用千斤頂張拉鋼絞線作為前進牽引，縱移速度小，不考慮沖擊荷載，視為集中力靜荷載（見圖9）。

圖9 Z0梁段安裝計算示意圖

軌道采用雙排 H400×400×13×21 mm 型鋼并排焊接，內側翼板每1 m焊接一片2 cm厚A3鋼板作為加強肋。每片主桁架中均設置雙排鋼管，每排鋼管上各設置雙排 H400×400×13×21 mm型鋼軌道（見圖 10）。

圖10 軌道縱梁實景（2H400×400×13×21 mm）

H400×400×13×21 mm 型鋼特性參數：

截面面積A=219.5 cm2，慣性矩Ix=66 583 cm4，截面抵抗矩Wx=3 343 cm3，回轉半徑i=17.5 cm，節點間距l=8 950 mm，假定為兩端固定梁結構。

3.2.3.1軌道縱梁強度驗算

軌道縱梁最大彎矩出現在跨中，最大彎矩：Mmax=Pl/4=1 007.97×8.95/8=1 127.7（kN·m）縱梁軌道H400×400×13×21 mm型鋼彎曲應力：σ=M/W=1.3×1 127.7×1 000×1 000/(3 433×1 000×4)=106.8 （MPa） <[σ]=205 MPa

符合要求！

3.2.3.2軌道縱梁剪力驗算

軌道縱梁剪應力：

τ=P/A=1.3×1 007.97×10×3/(219.5×10×2×4)=14.9 （MPa） <[τ]=120 MPa，

符合要求！

3.2.3.3 軌道縱梁剛度驗算

縱梁軌道H400×400×13×21 mm型鋼最大撓度：

fmax=Pl3/(192EI)=1.3×1 007.97×103×8 9503/(4×192×2.1×103×66 583×103)=8.7（mm）<[f]=l/400=8 950/400=22 （mm）

符合要求！

軌道梁翼板部分采用加強肋加固，軌道梁剛度可滿足要求！

3.2.4 Z1、B1梁段安裝

B1、Z1 梁段重量為 192.1 t，長度 15.5 m，安裝設計位置遠端處于懸臂狀態。如圖11所示。

圖11 Z1梁段安裝計算示意圖（單位：cm）

3.2.4.1 計算梁段對支架產生的作用力

根據力學平衡方程，

R1+R2=G(梁)，G（梁）=192.1×10/4=480.25（kN）ΣM=0,G×15.5/2-R1×10.5=0得出支點反力：R1=354.47 kN R2=125.78 kN

3.2.4.2 計算梁段對支架底支點（A點、B點）的作用力

根據力學平衡方程，

RA+RB=G(梁)，G（梁）=480.25 kN

ΣMB=0,R1×14.95+R2×4.45-R1×7.25=0得出支點反力：

RB=-327.89 kN(拉力)

RA=808.14 kN

A點支點反力總和：

RA=808.14+673.58=1 481.72（kN）<2 752.08 kN B點支點反力總和：

RB=177.19-327.89=-150.7 （kN）<-893.34 kN（向下拉力，“-”僅為方向）

3.2.4.3 計算梁段對支架產生的傾覆力矩

ΣMB=R1×14.95+R2×4.45=354.47×14.95+125.78×4.45=5 859.0（kN·m）

總力矩：

ΣM=1 284.6-5 859.0=-4574.4（kN·m ）<-6 476.8 kN·m（順時針，“-” 僅為方向）

通過以上計算得出，Z1(B1)梁段安裝時對支架的作用力小于Z0梁段安裝時對支架的作用力，故支架可滿足要求！

4 支架安裝施工

4.1 支架拼裝

鋼管按分片整體安裝的方法，由內到外依次安裝，即先在后場將鋼管分段、分片加工，然后采用主墩側面的塔吊將鋼管吊裝，在現場設計位置連接成整體，見圖12所示。

圖12 支架鋼管分段、分片安裝示意圖（單位：cm）

支架桁架分段、分片安裝，分片重量應控制在塔吊的允許吊重（8 t）范圍之內。

4.2 支架主桁架安裝

安裝順序：從圖12中圖示的（一）部開始至（六）部逐步安裝就位。

根據安裝施工要求，邊跨側的承重鋼管N1、N2、N3鋼管分為三節，N1、N2、N3分段長度分別為（13.4+13.0+14.37）m、 （13.4+13.0+14.29）m 和（13.64+13.23+14.43）m。中跨側的承重鋼管 N11、N12、N13鋼管分為三節，分段長度分別為 （13.4+13.0+14.45）m、 （13.4+13.0+14.49）m 和 （13.64+13.23+14.83）m。支架安裝過程中，鋼管對接后中心線保持在同一直線上。支架安裝過程中支架自重產生的向外側傾覆力矩相對較小，支架各連接部位可保持平衡，施工過程須注意安全。為確保安裝過程便于支架安裝施工人員上下，在承重鋼管側面焊接一定步距Φ22 mm的II級鋼筋作為爬梯。

（1）從邊跨側（一）部開始，（一）部豎向高度為13.4 m。

首先，安裝兩根N1鋼管（長度為13.4 m），采用塔吊吊裝，底端法蘭與承臺預埋柱腳螺栓聯接；安裝N25鋼管（橫橋向外側、單根）通過法蘭與下塔柱的預埋柱腳螺栓連接，N25連接鋼管與N1鋼管之間連接采用焊接，確保支架安裝過程中保持穩定。

其次，安裝N2鋼管（長度為13.4 m），底端法蘭與承臺預埋柱腳螺栓連接。

第三步，焊接N5連接鋼管。第四步，焊接N4連接鋼管。

第五步，采用塔吊吊裝N3鋼管（根據傾斜角度計算長度為13.64 m）進行安裝，底端法蘭與承臺預埋柱腳螺栓聯接。

第六步，焊接N5連接鋼管。安裝過程中及時進行N21橫向連接鋼管（3根）焊接，將兩排承重鋼管之間連接固定。

完成（一）部的支架安裝，如圖13、圖14所示。（2）進行（二）部支架安裝。豎向高度為13.0 m。首先，安裝兩根N1鋼管（長度為13.0 m），采用塔吊吊裝，通過法蘭高強螺栓與已安裝完成的（一）部聯接；安裝 N24鋼管（橫橋向外側、單根）通過法蘭與下塔柱的預埋柱腳螺栓連接，N24連接鋼管與N1鋼管之間連接采用焊接，確保支架安裝過程中保持穩定。

其次，安裝N2鋼管（長度為13.0 m），通過法蘭高強螺栓與已安裝完成的（一）部連接。

第三步，焊接N8連接鋼管。第四步，焊接N6連接鋼管。

第五步，采用塔吊吊裝N3鋼管（根據傾斜角度計算長度為13.23 m）進行安裝，通過法蘭高強螺栓與已安裝完成的（一）部連接。

圖13 支架安裝過程示意圖（一）（單位：cm）

圖14 支架安裝現場實景（一）

第六步，焊接N8連接鋼管。安裝過程中及時進行N21橫向連接鋼管（3根）焊接，將兩排承重鋼管之間連接固定。

完成（二）部的支架安裝，如圖15、圖16所示。

（3）進行（三）部支架安裝。豎向高度為14.37 m。

首先，先安裝兩根N1鋼管（長度為14.37 m），采用塔吊吊裝，通過法蘭高強螺栓與已安裝完成的（二）部聯接，安裝N22鋼管通過法蘭與下橫梁的預埋柱腳螺栓連接，確保支架安裝過程及支架整體穩定。

其次，安裝N2鋼管（根據頂部設置標高計算長度為14.29 m），通過法蘭高強螺栓與已安裝完成的（二）部連接。

第三步，焊接N9連接鋼管。

圖15 支架安裝過程示意圖（二）（單位：cm）

圖16 支架安裝實景（二）

第四步，安裝支架頂部縱向軌道梁H400×400×13×21 mm 型鋼，H400×400×13×21 mm 型鋼安裝長度為9.8 m（單側通長19.75 m），軌道梁縱向接縫設置在N2鋼管頂。

第五步，采用塔吊吊裝N3鋼管（根據傾斜角度和頂部設置標高計算長度為14.43 m），通過法蘭高強螺栓與已安裝完成的（二）部連接，采用鋼絲繩臨時固定N3鋼管。

第六步，焊接N10連接鋼管。

第七步，完成支架頂部縱向軌道梁H400×400×13×21 mm 型鋼安裝，H400×400×13×21 mm 型鋼安裝長度為9.95 m，撤除N3鋼管臨時固定設施。

安裝過程中及時進行N21橫向連接鋼管（3根）焊接，將兩排承重鋼管之間連接固定。軌道梁與支架鋼管頂部鋼板的橫向、縱向連接縫均必須滿焊。

完成邊跨側的支架安裝，如圖17、圖18所示。

圖17 支架安裝過程示意圖（三）（單位：cm）

（4）中跨側的（四）部至（六）部與邊跨側的支架成對稱結構布置，根據現場實際施工情況，可與邊跨側的（一）部至（三）部的支架同時安裝施工。

5 結語

Z0、Z1、B1梁段支架的現場施工已經完成，使用效果良好，可以為類似橋梁結構的支架施工提供一定的參考。

圖18 支架安裝實景（三）

[1]周水興，等.路橋施工計算手冊[M].北京：人民交通出版社 ，2001.

[2]郭仁俊，等.結構力學[M]北京：中國建筑工業出版社，2007.

[3]董軍，曹平周.鋼結構原理與設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[5]JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規范[S].

[6]JTJ 041-2000，公路橋涵施工技術規范[S].