高寒地區全預制跨線橋梁支架設計與力學性能分析

（中鐵一局集團第二工程有限公司，河北唐山 063000）

近年來，工程領域內橋梁設計電算與仿真分析、試驗檢測和精確控制等技術長足發展，以往限制節段預制拼裝法建造橋梁技術的難題得到有效解決[1]。在東北嚴寒地區跨線橋梁中，裝配式橋梁應用較少，需要進一步推廣，在推廣過程中，需要關注支架的設計與分析。施工中常由于忽視某些技術要點，如橋梁支架、模板架等臨時輔助施工設施的搭設，導致工程質量事故發生。因此，研究施工過程中橋梁支架體系是一項迫切且重要的工作[2]。

在對支架體系的研究中，國內已有研究多針對支架地基處理問題[3-4]、原位吊裝段支架有限元分析計算方案[5-6]、施工階段支架應何時拆除問題[7-8]，但對支架模型分析計算大多局限于原位吊裝段支架，且對支架設計方案的介紹較為粗略。

本文依托東部快速路南延長線工程，擬基于MIDAS/Gen軟件，分別建立滑移系統支架、原位吊裝系統支架有限元模型，模型中根據滑移流程對滑移支架進行計算，得出各工況下較不利的結果，以此為未來的橋梁工程支架安全順利施工，提供有利的安全技術參考。

1 工程概況

為了減少頂推次數，降低對跨越段京哈高速公路的影響，節約施工空間，本項目計劃采用頂推結合支架法進行鋼箱梁拼裝架設[9]。本文擬結合東部快速路南延長線工程，其規劃為城市快速路，全線高架橋。

線路在STA16#～STA19#墩上跨京哈高速。橋梁上部結構設計為三跨一聯鋼箱梁，分左、右幅設置，下部橋墩結構采用矩形柱式墩，基礎均采用鉆孔灌注樁。

2 支架設計方案

由于上跨高速段鋼梁施工采用“拼裝→吊裝→焊接→頂推滑移”的方式進行，需要搭設由臨時鋼管柱組成的施工平臺，柱頂鋪設兩道縱梁，在縱梁上鋪設滑移軌道，達到利用施工平臺安裝節段鋼梁的目的。主線橋臨時支架系統分為滑移段與吊裝段兩部分。

采用頂推法進行滑移段鋼箱梁施工，采用原位吊裝法吊裝滑移兩端箱梁實現整跨吊裝[10]，現場僅需焊接縱、橫向接縫，施工期間對城市交通干擾小、施工效率高，應用前景廣泛[11]。

2.1 滑移系統支架設計

2.1.1 臨時支墩布置

臨時支墩沿線路方向，從STA16#墩向STA18#墩方向縱向布設，每幅布設兩排，縱向間距7.5 m，橫向間距6 m。臨時支墩采用Φ529 mm×12 mm鋼管搭設，四種形式，分別為1#、2#、3#、4#臨時墩。支架間采用系桿連接成整體，保證整體支架系統剛度、強度和穩定性。為滿足工期要求，須實現移動式鋼平臺的快速安裝[12]。

1#墩與對面接引的3#臨時墩上，設置頂推用的滑動支承裝置。滑移系統由型鋼平臺、楔形墊塊、下滑道、滑塊等組成。各墩頂設左右兩列滑道，設置于鋼箱梁腹板和向內第一道加勁肋底部，頂推滑道中心間距為6 m；下滑道支承平臺為型鋼平臺，為適應豎曲線要求，在型鋼平臺上鋪設楔形墊塊，內灌C30混凝土，楔形墊塊長度為280 cm，寬度60 cm，中心間距為6 m；下滑道板由3 cm厚鋼板構成，滑道寬60 cm（與楔形墊塊和滑塊尺寸匹配）。為提高下滑道整體性，采用整塊鋼板制作，其滑道板長度為280 cm。

2#臨時墩采用2根Φ325 mm×10 mm鋼管柱，高度14 m，管柱間采用系桿連接，確保支架的剛度強度、穩定性。柱頂采用H600 mm×500 mm×20 mm×30 mm橫梁連接，上方鋪設H700 mm×400 mm×24 mm×28 mm縱梁（軌道梁）。

3#、4#臨時墩采用Φ529 mm×12 mm鋼管柱，高度14 m，管柱間采用系桿連接，確保支架的強度、剛度和穩定性。柱頂采用H600 mm×500 mm×20 mm×30 mm環向連接，上方鋪設H600 mm×700 mm×20 mm×30 mm楔形縱梁。

1#墩與3#臨時墩基礎采用樁基礎+承臺，樁徑1 m，樁長15 m，4根鉆孔樁；2#、4#臨時墩支架基礎直接作用于堅硬地面，承臺尺寸為4 m×6 m×0.8 m。

2.1.2 滑移軌道及滑靴設置

滑移軌道在整個滑移過程中，起到承重導向和徑向限制構件水平位移的作用。由于滑移距離較長，滑移軌道須進行分段現場拼接施工。為了能夠在預定工期內開展并做好屋面的滑移工作，應在滑移之前保證軌道安裝的精度。

滑靴與鋼梁底板連接時，在滑靴每個側面設置2塊加筋板（共四個側面），滑靴橫線留有10 mm縫隙，留有的縫隙能夠保證頂推過程中釋放軌道上滑靴不同心產生的內力。鉸接方式為三角板只與底板焊接不與滑靴焊接，且在滑靴橫線留有10 mm縫隙。

2.1.3 頂推平臺布置

在頂推臨時支撐上采用木質跳板搭設平臺，防護欄桿底部設置踢腳板，防止作業平臺內螺栓小型工具等落入平臺外，威脅作業人員及行車安全。

由于場地原因只能搭設上下爬梯式上下通道，安裝四氟乙烯滑板位置須設置局部安裝小平臺，并設置護欄、警示標志。

2.2 原位吊裝支架制作與搭設

2.2.1 臨時支架布置

采用2根Φ325 mm×10 mm鋼管柱，高度14 m，管柱間采用系桿進行連接，確保支架的剛度強度、穩定性。柱頂采用H600 mm×500 mm×20 mm×30 mm橫梁連接，上方鋪設H700 mm×400 mm×24 mm×28 mm縱梁（軌道梁）。

臨時支架制作分標準段和調節段，先制作成單片，再組裝為整體。調節段主要用于鋼箱梁吊裝時，調節鋼箱梁標高以及安裝結束后進行鋼箱梁整體卸載。調節段高度400 mm左右，采用50 t千斤頂，每個調節鋼管旁設置1臺千斤頂。

支架應在鋼箱梁吊裝前進場安裝就位、找正、固定，臨時支架2根鋼管組成1片作為1個制作單元，再拼裝為整體，臨時支架選用25 t全液壓汽車式起重機。在圍擋內進行安裝，臨時支架安裝前，應提前在地面標識出每個支架的就位點，支架安裝完成后，在支架橫梁上標注箱梁安裝就位控制點、標高控制點。

臨時支架采用鋼管格構體系，結構由橫梁（分配梁）及立柱組成，分配梁采用雙排規格為I32a的工字型鋼制作，每間隔1 m設置一道筋板，立柱采用D325×8 mm鋼管，中間橫、斜撐采用10#槽型鋼連接成整體。

3 有限元分析

根據滑移流程圖建立19種計算工況下導梁與橋體簡化計算模型并得出計算結果。

部分工況下反力統計如表1所示。

表1 各工況支點反力表 單位：kN

3.1 滑移段支架計算

支架所受水平力均取豎向力的10%，即取鋼材之間的有潤滑靜摩擦系數0.1，考慮1.5倍安全系數。

3.1.1 滑移拼裝支架計算

滑移拼裝支架肢柱、腹桿和柱上橫梁結構分為雙肢、四肢、六肢三種形式，其截面形狀均為圓形，各構件截面數據如表2所示。

表2 構件截面數據表 單位：mm

根據滑移流程對滑移支架進行計算，各工況計算不利結果分別為：

在荷載工況9情況下，變形DX最大為2 mm：變形DZ最大（工況11）：-6 mm；柱子軸力FX最大（工況14）：-866 kN；軌道梁剪力最大（工況14）：1 106.3 kN；軌道梁彎矩最大（工況11）：1 082 kN·m。彎矩如圖2所示。

圖1 軌道梁彎矩

依據《鋼結構設計規范》（GB 50017—2017），柱鋼管長細比驗算λmax=10.939≤100，滿足規范要求；強度驗算、穩定性驗算滿足規范要求。同理，腹桿鋼管、柱鋼管、軌道梁驗算符合規范要求。

軌道梁撓度驗算，構件在目標組合下最大撓度L/1 585，撓度限值：[γ]=L/250，撓度驗算滿足要求；z向剪切強度驗算內力：τ=38.558≤120 MPa，滿足規范要求。

3.1.2 3#支架計算

選取荷載工況19，此時1#臨時支架最大受力2 557 kN，3#臨時支架最大受力2 471 kN。支架采用四管柱，2 m×2 m的4肢柱斜腹桿形式，計算高度14 m，4肢柱底部按鉸接驗算。

各構件截面數據如表3所示。

表3 構件截面數據表 單位：mm

此時支架沿Dx方向最大位移為3 mm，沿Dz方向最大位移為-3 mm。梁最大剪力為911 kN，柱最大軸力為-693 kN。根據《鋼結構設計規范》（GB 50017—2017），柱P529 mm×12 mm計算其長細比驗算、強度驗算和穩定性驗算，滿足規范要求；腹桿鋼管、柱頂橫梁、軌道梁驗算符合規范要求，柱最大軸力如圖2所示。

圖2 柱最大軸力圖

柱頂橫梁撓度驗算中，構件在目標組合下的最大撓度為L/1 618.8，撓度限值[γ]=L/250，撓度驗算滿足要求；z向剪切強度驗算內力τ滿足規范要求。同理，軌道梁的剪切強度、撓度驗算符合規范要求。

3#支架基礎樁身經計算，正截面受壓承載力，主筋及箍筋配置滿足要求；裂縫計算中，由于樁身受力形式為軸心受壓樁，無須進行裂縫計算。

3.2 吊裝段支架計算

采用支架法原位吊裝箱梁時，因支架采用高強度鋼管柱管，且柱間采用系桿連接。支架基礎直接作用于堅硬地面，地基承載力不小于200 kPa，確保了支架的剛度、強度和穩定性。

吊裝段支架布置如圖3所示。

圖3 吊裝段支架布置

4 結語

（1）本文以高寒地區全預制跨線橋梁為背景，結合支架法與頂推滑移架設法進行施工，提出了頂推段、原位吊裝段支架的設計方案，保證了施工過程中鋼箱梁順利進行節段拼接。經實踐證明，本橋支架架設方案切實可行。

（2）通過MIDAS/Gen軟件建立全預制跨線橋梁支架模型，在最不利荷載工況下對滑移拼裝支架、吊裝支架、基礎樁身的強度、剛度和穩定性進行計算。經計算，支架結構的各項力學指標均滿足規范要求，可供相關設計人員參考。

（3）支架架設方案以及有限元分析結果表明，滑移段臨時支架布置是施工過程中關注的重點，在工程實踐中應予以重視。