低塔高跨斜拉橋現澆箱梁超高支架設計

謝朝君

摘 要：潮惠高速榕江大橋主橋為低塔高跨斜拉橋，主橋邊跨混凝土箱梁跨度大、載荷重、距離地面高，橋位處淤泥層厚，無法采用滿堂支架法進行施工。結合工程特點設計了一種梁柱式超高支架，文章介紹了超高支架的結構設計和計算分析，對同類型現澆箱梁工程有一定的借鑒價值。

關鍵詞：低塔高跨斜拉橋 現澆箱梁 超高支架 設計

1.工程概況

潮惠高速榕江大橋主橋為低塔高跨斜拉橋，跨徑布置為 60+70+380+70+60m。中跨及次邊跨主梁采用流線型扁平鋼箱梁，邊跨采用流線型扁平混凝土箱梁。斜拉索采用準輻射形雙索面布置，錨固在箱梁外側，現澆箱梁錨固區內設有8對斜拉索錨管，錨管兩端伸出箱梁，其下端設楔形錨塊進行包裹。

邊跨現澆箱梁長6 0.7m，高3.5m，位于主橋豎曲線起始段，縱坡由1.87%漸變到1.67%，平面線形為直線，設雙向2%橫坡。梁頂標高在跨中端為+44.026m。混凝土箱梁斷面全寬38.7m，為單箱3室截面，頂面寬36.7m，底面寬19.2m。頂板厚30cm，底板厚28cm，腹板厚50cm，外側錨固區厚2.6m。箱梁每隔4m設有一道橫隔板。隔板中室段厚30cm，邊室段厚度由30cm漸變到50cm。箱梁在過渡墩及輔助墩墩頂位置均設有一道實腹式橫隔梁，分別厚2m和2.2m。現澆箱梁標準斷面見圖1。

現澆箱梁混凝土標號為C55，單側總方量為2710m3；鋼筋采用φ12～φ28mm螺紋鋼筋，單側總重為810.5t；箱梁內設有縱橫向預應力束，采用φ15.2mm鋼絞線，單側總重為136.6t。

現澆箱梁位于淺灘區，榕江大橋橋位處潮位每天出現兩次高低潮，屬不規則半日混合潮，平均最高潮位為1.75m，平均最低潮位-1.6m，淺灘區河床標高在-0.5m左右。本橋位實測漲落潮最大水流速度約2m/s，橋位區工程地質條件復雜，地勘資料顯示表面覆蓋土層為淤泥，最大厚度約20m，其下為粉質粘土、細沙和礫沙。

2.現澆箱梁施工難點

（1）主橋邊跨混凝土箱梁為預應力混凝土箱梁，外形輪廓與鋼箱梁類似， 跨度、寬度及載荷均較常規現澆箱梁大，箱梁橋位處水域地質復雜淤泥層厚，施工難度大。

（2）現澆箱梁距離地面高約44m，需設計超高支架并保證支架穩定性。

（3）現澆箱梁梁端與鋼箱梁連接，梁內設有斜拉索錨管，對超高支架不均勻沉降提出了更高的要求。

3.支架設計

結合橋位區工程地質條件和項目特點，現澆箱梁承重支架采用落地鋼管貝雷支架。支架基礎選用φ820×10mm鋼管，順橫橋向各設置14排鋼管樁。樁頂墊梁為雙拼HM588型鋼，橫橋方向通長布置，單根長為42m。墊梁上方為三拼HN800型鋼承重梁，順橋方向布置，單根長6m。承重梁上方順橫橋向各設置7排共計49根φ1000×10mm鋼管柱，承臺鋼管柱建基在承臺上，其余位置處單根鋼管柱下方設置四根鋼管樁。鋼管柱縱橫向聯桿選用28a#槽鋼，設計成井字型焊接在鋼管柱側面，高度方向每6m設置一層。鋼管柱頂承重梁為雙拼HN800型鋼，橫橋方向通長布置，單根長40.8m。雙拼HN800型鋼承重梁上方順橋向設置52組貝雷梁，箱梁外側錨固區及腹板位置下方設置45cm間距貝雷梁，其余位置處設置102cm間距貝雷梁。貝雷梁上方箱梁平底板位置處橫橋向設置10#槽鋼分配梁，間距為40cm，橫隔板位置處間距加密為30cm。箱梁斜底板位置處橫橋向設置10#槽鋼三角形調平架，間距為100cm，調平架上方順橋向設置10#槽鋼分配梁，間距為40cm，風嘴及錨固區實心段位置處間距加密為20cm。分配梁上方底模面板選用6mm厚鋼板。具體支架圖見圖2和圖3所示。

邊跨現澆箱梁兩側錨固區設有8對錨管。在每側錨固區設置一座錨管定位支架來承托錨管。錨管支架獨立于模板系統建基在雙拼HN800型鋼承重梁上。定位支架由立柱和縱梁節段兩大類構件組成，均設計成桁架式結構。立柱高4.5m，斷面尺寸為80×60cm，由四根10#槽鋼主桿和L50×50mm角鋼綴桿組焊而成；縱梁節段又分為5類，長6m～21m不等，斷面尺寸為130×75cm，由四根16#、14#、12.6#及10#槽鋼弦桿、10#槽鋼腹桿和平聯桿、L50×50mm角鋼斜聯桿組焊而成；縱梁上還設置了錨管托架，由2cm鋼托板和[10槽鋼托梁組焊而成，托板上端切割成半圓，其余三邊加焊L75×50mm角鋼進行加勁。

4.支架結構分析

4.1荷載取值及荷載組合

（1）永久荷載計算：根據混凝土設計配合比，素混凝土密度為2.4t/ m3，澆筑方量2710m3，計素混凝土重6504t；鋼筋及預應力筋總重810.5+136.6=947.1t；折算素混凝土、鋼筋及預應力筋混合體容重為27.5KN/m3。

（2）可變荷載計算：箱梁內模板及內模腳手架自重取2.0kPa，人群及機具荷載取1.5kPa，混凝土傾倒荷載取2.5kPa，混凝土振搗荷載取2.0kPa，由于橋位位于淺灘區無船只通行且水流速度較慢，計算中流水壓力、流冰壓力、船只及漂浮物撞擊力忽略不計，風荷載按規范計算。

（3）荷載組合系數：對于承載能力極限狀態應采用下列設計表達式進行設計：γo Sd≤Rd，式中：

①γo——結構重要性系數，對于設計使用年限為5年的結構構件，結構重要性系數不應小于0.9，計算時取γ_ o=1.0。

②Sd——荷載組合的效應設計值，荷載基本組合的效應設計值S_d的計算式：

式中：

γGj——第j個永久荷載的分項系數，γGj=1.2。

γQi——第i個可變荷載的分項系數， γQi=1.4。

γLi——第i個可變荷載考慮設計使用年限的調整系數，γL1=1.0。

按照承載能力極限狀態進行結構設計時的驗算公式：

4.2支架強度及剛度分析

采用Midas Civil有限元分析軟件建立模型并計算，超高支架自重荷載為軟件根據材料自動計算。鋼管、型鋼、槽鋼及鋼板均為Q235鋼材，[σ]=205MPa，[τ]=120MPa；單片貝雷梁的容許彎矩[M]=788.2kN m，容許剪力[Q]=245.2kN；計算結果如下：

（1）鋼管柱支架及雙拼HN800型鋼承重梁最大組合應力為σ=161.16MPa <[σ]=205MPa，出現在鋼管樁上的雙拼HM588型鋼墊梁位置處；最大剪應力為τ=103.1MPa<120MPa，出現在鋼管柱上的雙拼HN800型鋼承重梁處。10#槽鋼分配梁最大組合應力為σ=187.8MPa<[σ]=205MPa，最大剪應力為τ=34.2MPa<[τ]=120MPa。單片貝雷梁，彎矩最大值M=691.5kN m <[M] =78 8 . 2 k N m，最大剪力Q=115.3kN<[Q]=245.2kN。

（2）現澆箱梁支架整體最大變形位于貝雷梁跨中位置處為26mm，該處貝雷梁跨度為12m，允許撓度為30mm。其余各構件的最大豎向變形（撓度）均小于規范規定的L/400的限值。

由計算結果可知，支架強度及剛度均滿足要求。

4.3支架穩定性分析

施工支架中可能出現失穩的結構為φ1000×10mm鋼管柱及貝雷梁8#工字鋼腹桿。采用Midas Civil有限元分析軟件進行歐拉線性屈曲分析，分析結果主要關注第一屈曲模態下的特征值，即結構失穩最小臨界荷載與實際施加荷載的比值。

（1）支架下部結構的屈曲分析：根據支架結構應力驗算結果，對支架下部結構建模，將φ1000×10mm鋼管柱最大軸力266.6t作為壓力荷載并考慮自重加載至模型。

（2）貝雷梁腹桿的屈曲分析：根據支架結構應力驗算結果，貝雷腹桿軸力最大為14.6t，強軸彎矩最大為0.06t·m，弱軸彎矩最大為0.05t·m。最大自由長度取斜腹桿長度約為1.1m。根據計算8#工字鋼長度每變化1mm需要約18t軸力，因貝雷斜腹桿兩端與豎腹桿相接的交角為45°，故簡化桿件頂端的彈性位移約束約為每水平位移1mm需18×sin45°≈12.73t，實際建模計算中采用10t/mm。

經驗算：現澆箱梁支架下部結構第一屈曲模態特征值約為2.1，即當壓力荷載達到實際施加荷載的2.1倍時，出現初步屈曲失穩，對應的壓力為266.6×2.1≈559.9t。貝雷腹桿第一屈曲模態特征值約為4.7，即當壓力荷載達到實際施加荷載的4.7倍時，出現初步屈曲失穩，對應的壓力為14.6×4.7≈68.6t，強軸彎矩為0.06×4.7≈0.28t·m，弱軸彎矩為0.05×4.7≈0.24t·m。屈曲分析特征值均在2.0以上，即失穩臨界荷載為驗算中所施加的荷載的2倍以上，結構滿足穩定性要求。屈曲模態見圖4，其中特征值見紅色箭頭指示位置。

4.4支架鋼管樁基礎承載驗算

超高支架鋼管樁基礎均為φ820×10mm鋼管，鋼管樁基礎設計入土深度為24m。根據支架建模計算結果知單根鋼管樁承載力為80t。根據橋梁地勘報告，淤泥之下為粉質粘土、細沙或礫沙。沉樁范圍內的淤泥深度約12～20m，推薦樁側摩阻力標準值為20KPa。粉質粘土深度約4m，推薦樁側摩阻力標準值為55KPa，地基承載力為180KPa。

5.支架施工注意事項

（1）鋼管樁利用QUY100t履帶吊協助DZ120振動錘進行插打，插打前設置導向裝置，控制鋼管樁就位精度在5cm以內，垂直度控制在1%以內。鋼管樁插打按入土深度和貫入度進行雙控，管樁入土深度不小于設計值或最后1min貫入度不大于5cm。

（2）各類型鋼承重梁及墊梁對接時，需雙面貼焊加勁板后再組合拼裝，各根型鋼間采用斷續平行焊縫連接，焊縫高3mm，每段焊縫長100mm，間距200mm；對應鋼管樁頂、鋼管柱底和鋼管柱頂位置處型鋼均設置橫向加勁肋；28#槽鋼平聯與鋼管柱連接采用井字形設計，并在平聯和鋼管柱間設置L75×75mm角鋼連接件。

（3）嚴格控制鋼管樁及鋼管柱頂標高，確保相鄰兩構件高差小于5mm，空隙處用薄鋼板塞緊。安裝鋼管柱時確保鋼管柱橫橋向坐標在同一軸線上，使貝雷梁立桿正對鋼管柱頂承重梁，否則在貝雷梁上下弦桿間設置雙拼10#槽鋼加勁立桿。

（4）支架搭設完成后，選用混凝土預制塊按照箱梁自重1.1倍荷載進行預壓，以檢驗支架的安全性，并消除支架和地基的非彈性變形，同時按支架實際彈性變形值設置立模預拱值。為防止梁體不均勻下沉產生裂縫，箱梁分三段進行澆筑。

6.結語

本文介紹了潮惠高速榕江大橋主橋邊跨混凝土箱梁超高支架的設計。超高支架在混凝土澆筑過程中結構安全穩定，箱梁實體成橋線形良好，說明超高支架設計方案合理可行，該工程的成功經驗可為類似工程提供設計及施工參考。

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