高速公路樞紐互通鋼箱梁臨時支架設計及研究

王英森

（中鐵二十二局集團第五工程有限公司 重慶 400700）

1 引言

隨著我國高速公路建設的快速發展，鋼橋的建造數量在不斷地增加，特別在特長跨海大橋、樞紐互通式立體高架橋中，鋼箱梁因其自重輕、抗扭性能好、施工速度快、施工可減少對交通的影響等優點受到越來越多橋梁工程師的青睞和關注［1-4］。特別是近幾年以來，鋼箱梁發展應用速度逐年加快，設計、制作、架設等經驗不斷積累，研究工作也有了相應地進展。

福州大學的趙秋、陳美忠、陳友杰收集了已知施工方法與跨徑的鋼箱梁橋共計18座，其中吊裝施工10座，頂推施工8座。結果表明，在大型吊裝設備可以應用的情況下，吊裝施工跨徑的分布范圍比較大；而對于頂推施工，當鋼箱梁跨徑較大時需采用設置臨時墩以調整頂推跨徑。但由于臨時墩僅在施工中使用，會增加橋梁施工費用。因此臨時墩的使用和選擇數量需要綜合橋梁分跨、通航要求、造價和施工難易等因素綜合確定［5］。

長安大學的王行耐和山東交通學院的彭霞針對青島海灣大橋滄口航道斜拉橋鋼箱梁大節段施工，其海上安裝高度高、節段自重大及施工工期長等特點，對鋼箱梁安裝臨時支架進行專項設計計算，對臨時支架的構造細節和安裝順序進行了介紹；并采用MIDAS建立了其空間有限元模型，參照現行的橋梁設計規范，確定相關計算參數、工況和計算荷載，對支架整體結構的變形、應力和振動特性進行分析，計算結果表明鋼箱梁安裝臨時支架在各種工況下強度及變形滿足要求，且具有較大的安全儲備［6］。

武漢一冶鋼構公司的胡俊華、吳夢先以武漢市二環線漢口段鋼箱梁臨時支架為例，該支架采用鋼管格構柱+熱軋H型鋼梁，所有構件之間均采用螺栓連接。采用空間鋼結構軟件3D3S對結構進行分析，從臨時支架應用效果來看，支架橫梁的撓度、鋼柱的水平位移和支架體系的沉降等均滿足規范要求，其正確性和合理性得到了驗證［7］。

由此可見，目前鋼箱梁的施工方法中，臨時支架法是應用最為廣泛，也是安全系數最高的一種方法。一般的鋼箱梁架設施工是根據不同的節段長度，在地面相應位置搭設鋼管臨時支架，經鋼箱梁吊裝、焊接并經檢測合格后再拆除支架，施工耗時較長，工期、成本不易控制，特別是在跨越高速公路時，其對工期、安全性等方面要求更為苛刻。必須要設計一種快速搭設及拆除的支架來適應復雜環境下鋼箱梁的施工。

2 工程概況

潼榮高速公路開元樞紐互通式立體交叉鋼箱梁位于重慶市潼南縣榮昌區榮隆鎮半邊街，與既有成渝高速公路形成互通換乘（見圖1）。橋梁上部結構采用鋼箱梁，主要包括主線橋左右幅、A匝道、B匝道、C匝道、D匝道共六聯橋。主線橋鋼箱梁分左右幅，主橋左幅采用25.65 m+43 m+23.35 m三跨一聯的鋼箱梁；主橋右幅采用23.35 m+43 m+25.65 m三跨一聯的鋼箱梁。A、B、C、D匝道鋼箱梁主梁均采用25 m+40 m+25 m三跨一聯的鋼箱梁。六座鋼箱梁總長分別95 m、95 m、90 m、90 m、90 m、90 m。六聯橋全部上跨成渝高速，鋼箱梁先在工廠內分段預制，再運至現場，分段采用汽車吊和臨時支架吊裝，邊跨直接使用汽車吊吊裝。跨成渝高速的梁段，采用先后臨時封閉成渝高速左右幅路，再使用汽車吊進行吊裝施工的方案。

圖1 潼榮高速公路開元樞紐互通平面

3 鋼箱梁總體安裝方案

本工程鋼箱梁安裝采用臨時支架法安裝。通過起吊設備按各節段順序架設至臨時支架上，調整節段高程、平面線形及節段間距，確認無誤后，進行現場焊接，最終連成整體。

考慮現場安裝方便性與結構安全性，主要將鋼箱梁劃分為兩個類型的節段：端橫梁節段、跨中橋面系節段。現場進行節段吊裝時，首先吊裝端橫梁節段，調整各個橫梁節段坐標位置，完成定位后與下部臨時支架固定（固定采用碼板焊接方式連接）。完成所有端橫梁節段吊裝定位及固定施工后，吊裝各個跨中橋面系節段，同時完成節段之間環縫焊接。

鋼箱梁全部在廠內加工完成，通過公路運輸運至橋位附近，再通過平車轉運至吊裝場地。

4 臨時支架設計及安裝與拆除

4．1 臨時支架設計

為快速完成臨時支架的搭設及拆除，減少支架拼裝、焊接等工序對既有高速公路的干擾，保證車輛運行、施工作業人員的安全，本工程采用一種整體的鋼管井式臨時支架體系，該臨時支架體系分別由基礎、鋼格構、頂部橫梁以及調節管等部分組成。

（1）基礎

基礎采用C30鋼筋混凝土條形基礎，尺寸根據鋼管立柱搭設的范圍而定。對于主線橋支架橫向設置4根鋼管立柱，匝道橋支架設置3根鋼管立柱。其高度一般設為0.6 m，在基礎頂面預埋500×500×20 mm的鋼板，以與鋼管立柱進行焊接固定（見圖2）。

圖2 鋼管井式支架基礎平面（單位：mm）

（2）鋼格構

鋼格構由鋼管、槽鋼與鋼板焊接組裝而成［8-10］。其中立柱鋼管采用φ478×10 mm的鋼管，立柱連接桿件采用 16槽鋼，鋼管立柱頂部封板采用14 mm厚鋼板（見圖3）。

（3）頂部橫梁

頂部橫梁采用雙拼40工字鋼，必要時翼緣板兩側采用10 mm以上鋼板加強，間隔1～2 m，作為鋼箱梁的調節管支承擱置點。橫梁同時也是連接立柱成為整體的主要構件（見圖3）。

（4）調節管

調節管采用φ273×10 mm的鋼管，主要是為了調節立柱支架的高度，同時也便于總支架的拆除，高度控制在0.4 m以內（見圖3）。

4．2 臨時支架安裝

圖3 鋼管井式支架體系

為了最大限度地減少臨時支架體系拼裝及焊接等作業對既有高速公路的影響，保證車輛通行及作業人員人身安全，所有臨時支架全部在預制廠內拼裝焊接完成，再運輸至施工現場，由吊車進行一次性整體吊裝（見圖4）。

各個臨時支架體系高度根據現場基礎高程及鋼箱梁底面高程之差進行控制。在吊裝到位后，可根據頂部的調節管進行精確調節，以確保能夠與鋼箱梁精確相接，保證橋梁線形。

圖4 臨時支架體系的吊裝與固定

4．3 臨時支架體系結構計算

4．3．1 臨時支架體系基礎計算

以主線橋支架體系為例進行結構計算。主線橋支架體系平臺采用C30混凝土上放置鋼管樁，鋼管樁上放置分配梁，鋼管樁中心距橫向2.5 m，縱向間距2 m，鋼管樁與混凝土基礎連接方式采用預埋件連接。

基礎截面反力 A＝94 kN，B＝184 kN，C＝170 kN，D＝137 kN。合力Fk＝94+184+170+137＝585 kN；偏心距 e0＝（94×0.5+184×3+170×5.5+137×8）／585-8.5／2＝4.46-8.5／2＝0.2；彎矩Mk＝585×0.2＝117 kN·m；基底面積 A＝8.5×0.8＝6.8 m2，則基底抵抗矩 W＝1／6×0.8×8.5×8.5＝9.63 m3。

基底應力：

計算其最大基底應力為113.2 kPa，施工時應對基底承載力進行檢測，其承載力不應小于113.2 kPa。

抗傾覆穩定驗算：

4．3．2 臨時支架計算

采用大型有限元計算軟件 Midas／civil［11］，以圖紙為依據進行建模計算，對其在施工載荷下的結構進行校核。根據鋼箱梁的安裝過程，主要計算在施工過程中立柱支架系統的強度、剛度及整體穩定性是否滿足許用要求。根據初步計算得知在不同工況下支架受力不同，其工況主要包括A、B、C三個工況。

A工況：計算支架在兩側鋼箱梁同時加載時的強度、剛度與整體穩定性；B工況：計算支架在單側鋼箱梁加載的強度、剛度與整體穩定性；C工況：計算支架在一側一個節段鋼箱梁加載時的強度、剛度與整體穩定性。

（1）A工況計算分析

約束及荷載：鋼箱梁節段最大重量為102 t，轉化為節點荷載，每個立柱受節點荷載Fz＝8.5 t。

立柱節點受力見圖5。

圖5 立柱節點荷載（單位：t）

強度計算見圖6。強度計算結果：荷載組合＝1.2×自重+1.4×Fz。最大綜合應力為20.2 MPa，位于支架立柱上。

剛度計算見圖7。剛度計算結果：荷載組合＝1.2×自重+1.4×Fz。最大撓度為1.6 mm，位于分配梁上。

圖7 A工況下剛度計算受力圖

圖6 A工況下強度計算

反力計算結果：荷載組合＝1.2×自重+1.4×Fz。支架最大反力為25.4 t，最小反力為12.8 t。

整體穩定性計算見圖8。整體穩定性計算結果：一階模態臨界載荷系數K＝6.8。

圖8 A工況下整體穩定性計算受力圖

（2）B工況計算分析

強度計算結果：荷載組合＝1.2×自重+1.4×Fz。最大綜合應力20.2 MPa，位于支架立柱上。

剛度計算結果：荷載組合＝1.2×自重+1.4×Fz。最大撓度為2.5 mm，位于分配梁上。

反力計算結果：荷載組合＝1.2×自重+1.4×Fz。支架最大反為25.3 t，最小反力為2 t。

整體穩定性計算結果：一階模態臨界載荷系數K＝12.8。

（3）C工況計算分析

強度計算結果：荷載組合＝1.2×自重+1.4×Fz。最大綜合應力為18.2 MPa，位于支架立柱上。

剛度計算結果：荷載組合＝1.2×自重+1.4×Fz。最大撓度為1.13 mm，位于在分配梁上。

反力計算結果：荷載組合＝1.2×自重+1.4×Fz。支架最大反力為15 t，最小反力為2.1 t。

整體穩定性計算結果：一階模態臨界載荷系數K＝26.1。

經以上計算分析可知，采用鋼管井式支架體系進行鋼箱梁的架設施工，其支架基底承載力不應小于113.2 kPa即可滿足要求；支架在兩側鋼箱梁同時加載與在單側鋼箱梁加載，其應力集中于立柱上，最大為20.2 MPa；支架在單側鋼箱梁加載時，分配梁上承受的剛度最大，為2.5 mm；支架在一側一個節段鋼箱梁加載時，支架整體穩定性最好，其一階模態臨界載荷系數K＝26.1；支架在兩側鋼箱梁同時加載時，支架整體穩定性最差，其一階模態臨界載荷系數K＝6.8。

4．4 臨時支架拆除

全橋整體吊裝并焊接完成，焊接無損檢測全部合格后方可進行臨時支架的拆除［12］。跨成渝高速公路臨時支架拆除方法為半幅支架拆除后進行另半幅支架拆除，其他部分主要由中間向兩側對稱進行拆除。根據結構驗算以及設計規范要求，結構拼裝完成后，由于自重影響，臨時支架支撐位置鋼箱梁結構將會產生3～4 mm下撓，因此在進行卸載施工時，可直接通過氣焰切割的方法割除下部支撐調節管進行鋼箱梁的快速卸落（見圖9），卸落完成后采用運輸車轉移施工現場。

圖9 臨時支架拆除示意

5 結束語

經過本工程實踐，并結合有限元計算軟件的計算分析，鋼管井式整體支架可以快速、高效地完成復雜條件下高速公路樞紐互通鋼箱梁的架設施工，且支架安全穩定性較好，可為類似工程施工提供借鑒。主要得到如下結論：

（1）在復雜條件高速公路樞紐互通鋼箱梁架設施工中，應盡量采用工廠化支架集中加工方法，一次性整體吊裝支架體系，減少對既有高速公路的干擾及影響。

（2）采用鋼管井式支架體系進行鋼箱梁的架設施工，其支架基底承載力應在113.2 kPa以上即可滿足要求。在一般情況下天然地基基礎設計的地基承載力均在100 kPa以上，由此可知一般的天然地基均可滿足該支架體系的承載力要求。

（3）在單側鋼箱梁加載時，立柱上應力最大、分配梁上承受的剛度最大，應盡量縮短單側鋼箱梁加載的時間，盡早施作另一側鋼箱梁，以保持支架受力合理。