鋼板梁橋面板現澆施工移動托架設計與分析

許壘

摘要 在橋梁的建設過程中，雖然預制拼裝工藝能夠大幅度地提升施工效率，但建設規模小、分布零散的項目預制構件在城區運輸成為難題，一般用移動模架現澆代替。文章以城區鋼板組合梁橋面板現澆施工為背景，創新設計了針對鋼板組合梁的鋼結構托架和相關橋面板托架現澆施工工藝。通過對施工階段的托架有限元仿真模擬，從整體和局部兩個方面驗證了托架結構設計的合理性和可靠性，為后續類似工程項目提供借鑒和參考。

關鍵詞 結構設計；鋼板組合梁；移動托架；現澆施工；有限元仿真

中圖分類號 U445文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）12-0027-03

0 引言

預制裝配技術通過將橋梁分為一個個裝配構件，在預制工廠內先一步進行裝配構件的制作和檢驗，并將其運輸到現場進行拼接吊裝。預制裝配技術的發展，大大提升了大型項目的施工效率，保障了城市交通的順利通行，與現澆施工相比，對現場環境的影響幾乎可以忽略不計，有利于我國推進綠色公路工業化建造[1-3]。但城市橋梁建設過程中，橋梁建設規模小，分布零散，城區老橋遍布，導致運輸困難的問題不可忽視。預制裝配施工面對小規模且運輸困難的工程時，失去了預制結構大規模建設的成本分攤優點，還將面臨由于道路運輸困難不得不繞路的運輸現狀，工程經濟性將大幅度地下降，因此在實際工程中通常將大規模、分布集中的項目通過預制裝配的方式進行施工，針對小規模、分布離散的項目，則輔助以現澆施工的方式進行。

支架現澆是一種常規的結構現澆技術手段，技術研究和推廣都相對成熟，但支架現澆侵占城市交通道路，且在混凝土形成初步強度前無法撤出，大大影響了城市居民的交通出行[4]。因此，近年來移動模架（托架）技術作為一種先進的工法被廣泛應用于橋梁的現場澆筑施工。移動模架工法具備眾多優點，如機械化程度高，作業周期短；不受地形影響，可用于跨江、跨河、跨海作業；以橋體自身結構做支撐，不需要搭設復雜的支架系統；設備循環利用率高，施工作業簡單[5-6]；施工時不影響正常通行。

但目前對于移動模架的設計與工藝研發多是針對混凝土箱梁而言，由于鋼板組合梁大規模建設時間較短，預制施工工藝較為成熟，因此對于鋼板組合梁橋的橋面板移動模架涉及較少。該文探索設計一種適合于鋼板組合梁橋橋面板現澆施工的移動模架，并進行了施工工藝和可行性的驗證。

1 結構設計與工藝

1.1 工程背景

以安徽省高速公路建設采用的鋼板組合梁橋結構為依托，工程中鋼板組合梁跨徑為40 m+（1～4）×40 m，橋面板寬12.5 m，承托處板厚0.4 m，懸臂處及跨中橋面板厚0.25 m。現澆橋面板采用C55混凝土。鋼主梁采用直腹式雙工字鋼鋼板組合梁。鋼主梁標準間距6.7 m、梁高2.1 m，由上翼緣、下翼緣及腹板焊接組成。上翼緣寬0.8 m、下翼緣寬0.95 m。主梁跨中每8 m設置一道小橫梁，支點位置4.0 m設置一道小橫梁，小橫梁高0.5 m。中支點和邊支點分別設置中橫梁與端橫梁，梁高1.1 m。

其中LJ01標～LJ03標范圍內的鋼板組合梁橋的數量較少，分布較為分散，最有代表性的橋梁跨徑為4×40 m連續鋼板組合梁，橋面板運輸難度相對較大，為了提高施工效率，降低施工周期，考慮對橋面板采用托架進行澆筑。

1.2 托架結構設計

翼緣板三腳架橫桿、斜桿均采用I16號工字鋼焊接而成。三腳架采用螺栓與鋼梁腹板上焊接的鋼板連接，螺栓采用M24螺栓。三腳架沿順橋向每2 m布置一道（加勁對應位置），橫桿上焊接Φ48鋼管（或者帶內螺紋鋼管），采用頂托支撐縱向分配梁，縱向分配梁采用I10號工字鋼，橫向分配梁采用100 mm×50 mm方木，間距按30 cm布置，模板采用大塊竹膠板。翼緣板端部設置寬度50 cm工作平臺，防護欄桿高度要高出頂板不小于1.2 m，每0.6 m高設置一道橫桿并掛密目網。

鋼梁托架內部支架系統采用H300型鋼放置在鋼主梁下翼緣板上部（小橫梁間距8 m），每2道小橫梁之間設置2道H型鋼（間距2.67 m），每邊搭接長度30 cm，H型鋼上方放置底托，底托上方采用Φ48×3.5 mm的鋼管支架形式搭設，橫向橫桿間距90 cm，鋼管之間采用十字扣連接。頂托上方縱向分配梁采用I10號工字鋼，橫向分配梁采用100 mm×50 mm方木間距按30 cm布置，模板采用大塊竹膠板。為盡量減少破壞鋼主梁的防腐涂層，在型鋼與鋼主梁接觸位置墊5 mm厚橡膠墊塊。

為確保支架整體穩定性，橫向立桿和縱向立桿之間設置縱、橫向剪刀撐和水平剪刀撐，縱、橫向剪刀撐隨支架同時搭設，橫向剪刀撐每排設置兩根，縱向剪刀撐間距和立桿間距同步分別為2.67 m和5.33 m，每根剪刀撐確保連接不少于3根鋼管，并用旋轉扣固定，將各道剪刀撐連接成整體。在第一排縱橫向支架位置及支架頂部各設置一道水平剪刀撐。

橫桿與腹板鉸接處采用直徑為12 cm的半圓鋼板與鋼梁腹板處由鋼梁單位加工焊接而成，鋼板厚度1 cm。斜桿與腹板鉸接處采用直徑40 cm的1/4圓形鋼板與鋼梁腹板和下翼緣拐點處由鋼梁單位加工焊接而成，鋼板厚度1 cm，均采用M24螺栓與橫桿連接。在工字鋼與鋼梁直接接觸不密貼部分采用兩個木楔從工字鋼兩側塞緊。搭建完成的鋼板組合梁現澆托架結構如圖1所示。

2 托架系統整體受力分析

2.1 模型及荷載參數

采用Midas Civil有限元分析軟件建立托架系統計算模型。各桿件的尺寸均按照方案中的型號進行建模。在立柱上下方按照鉸接考慮。

根據現場施工過程，模型考慮結構自重、施工臨時荷載（2.5 kN/m2）、施工臨時堆放荷載（2 kN/m2）、混凝土濕重（26 kN/m3）、風荷載（0.32 kN/m2）。

2.2 托架整體應力水平

在結構自重、橋面板混凝土濕重的共同作用下，在荷載基本組合下支承托架的總體應力分布如表1所示。

計算結果表明，該橋橋面板澆筑所用的托架結構形式較為合理，各桿件的正截面強度驗算均滿足要求，最大應力為外側托架188.5 MPa，小于材料的設計強度190 MPa，安全系數為1.008。最大剪應力為梁底分配梁56.1 MPa，小于材料的抗剪設計強度110 MPa，安全系數為1.961。縱向采用I10工字鋼作為分配梁，配置橫向間距0.3 m的方木可滿足承載能力的要求。現場加強縱向工字鋼與外側三角托架之間的連接，以提高三角托架的穩定性，避免三角托架出現縱向變位。

3 托架局部受力分析

3.1 外側三角托架與內側主梁連接受力分析

為了分析側向托架與鋼腹板的接頭采用耳板形托架連接是否可滿足局部承載的要求，建立空間有限元板單元模型對其局部受力進行分析。

外側三角托架與鋼梁腹板局部連接位置在模板自重、混凝土濕重及施工荷載作用下總體應力水平均較低，最大應力基本在53.2 MPa以內，加勁肋受到托架作用，加勁板上下位置的應力略大，耳板局部最大應力為53.2 MPa，總體應力水平較低。下耳板局部連接開孔位置出現110 MPa的最大Mises應力，應力均小于材料強度，可滿足承載能力要求。

焊縫長度為100 mm，耳板厚度為20 mm，耳板承受的橫橋向拉力值為120 kN，按照簡化計算方法σ=F/l/t，計算得到焊縫的抗拉應力為60 MPa，小于角焊縫強度設計值。開孔板位置擠壓應力按照簡化計算方法進行計算σc=F/d/t，耳板厚度為20 mm，銷軸直徑為24 mm，單個銷軸傳遞荷載為60 kN，計算得到局部擠壓應力值為60 000/20/24=125 MPa，小于材料的端部承壓強度280 MPa。

結合上述開孔板計算結果，每個螺栓孔采用一根M24螺栓進行連接。考慮兩個螺桿受力的不均勻性和1.5倍的不均勻系數，則螺桿的剪應力為132 MPa，小于材料強度280 MPa，滿足受力要求。

3.2 內側支架與主梁下緣連接受力分析

為了分析在混凝土橋面板施工過程中混凝土濕重及連接局部對鋼梁永久結構的影響，建立了鋼梁全橋有限元模型進行分析。由于橋面板混凝土澆筑采用二次澆筑方式進行，在澆筑第一批混凝土時雙主梁為開口截面，在澆筑第二批混凝土時，由于第一批混凝土參與受力，此時混凝土橋面板與雙主梁可形成閉口框架結構。因此在計算中考慮混凝土的實際澆筑順序，分為兩種計算工況進行計算，計算工況1為跨中混凝土澆筑工況，此時所有荷載均施加在裸鋼梁上。工況2為支點附件混凝土澆筑，澆筑第二批混凝土時第一批澆筑的混凝土參與受力。在建模計算中考慮結構的對稱型，采用半橋（2跨）結構建立空間實體有限元分析模型。

3.2.1 工況1結構受力分析

澆筑第一批混凝土時由于雙主梁為開口截面，截面的抗扭剛度較小，故在外側托架作用下鋼主梁會出現頂緣向外側變形，下緣向內側變形。在設置臨時拉桿結構后鋼梁的總體橫向變形可控，最下橫向變形為9 mm。

在澆筑第一批混凝土時，在混凝土濕重、支架自重及施工荷載作用下鋼梁各截面受力水平如表2所示。

可知，鋼梁各截面的Mises應力均在可控范圍內，最大應力出現在邊跨跨中上緣位置，該位置的最大應力為230 MPa，小于鋼梁的設計強度270 MPa，安全系數為1.174。在工況1受力水平下，主梁下翼緣H300型鋼支撐位置應力均在100 MPa，滿足局部支撐的要求。

3.2.2 工況2結構受力分析

在澆筑第二批混凝土時，由于第一批混凝土參與受力，此時混凝土橋面板與雙主梁可形成閉口框架結構，截面的抗扭剛度可以有效提高，故在外側托架作用下鋼主梁會出現頂緣向外側變形，下緣向內側變形，但是變形的量值可以得到有效的控制。此時在混凝土澆筑時支點附件鋼梁的總體橫向變形可控，最下橫向變形為3 mm。

在澆筑第二批混凝土時在混凝土濕重、支架自重及施工荷載作用下，第二批混凝土澆筑過程中局部應力增量均在80 MPa以內。在中間H300型鋼橫梁位置的應力為70 MPa左右，處于可控狀態。在支點位置出現的最大應力均在80 MPa以內，與第一批混凝土澆筑時該區域的應力100 MPa相疊加，成橋時該區域的應力控制在180～190 MPa，應力水平合力，結構安全可靠。

4 結語

研究結果表明：針對整體結構而言，所設計的托架結構形式較為合理，主要承重桿件的型號選擇合理，各桿件的正截面強度驗算均滿足要求，最大應力為189 MPa，小于材料的設計強度，最大剪應力為56.1 MPa，小于材料的抗剪設計強度110 MPa。對于局部節點而言，耳板的焊縫和打孔局部構造的受力狀態較好，強度驗算均滿足要求，耳板的局部應力均可控制在80 MPa以下。

該文針對鋼板組合梁橋面板現澆托架結構設計安全可靠，該類托架結構的設計方法可為今后同類型組合梁橋面板現澆托架設計提供參考依據。

參考文獻

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