高墩牛腿式支撐在現澆箱梁中的設計與應用

摘" 要：以西安至成都客運專線位于山嶺地區的三河口大橋為例，該橋橋跨少，采用移動模架或預制架設法的成本高，墩高采用立柱支架法的安全風險大，所以在高墩上采用牛腿式支架結構原位現澆32 m箱梁。該文詳細介紹三河口大橋6號墩牛腿支架結構的設計，列舉牛腿支架結構的各種力學參數及荷載參數，檢算預埋牛腿支架頂部橫向分配梁的彎矩與剪力、牛腿支架的強度與剛度和6號橋墩柱及樁基的承壓力，驗證牛腿支架的安全性。該牛腿支架在該橋的成功應用，可供類似工程參考。

關鍵詞：高墩；牛腿；支架；貝雷梁；現澆；箱梁

中圖分類號：U445.4" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）12-0129-05

Abstract： Taking Sanhekou Bridge on Xi'an-Chengdu passenger dedicated line as an example， the bridge has a small span， the cost of moving formwork or precast erection is high， and the safety risk of column support method is high for pier height. therefore， the cow leg support structure is adopted to cast in situ 32 m box girder on the high pier. This paper introduces in detail the design of the bracket structure of the No.6 pier of the bridge， lists various mechanical parameters and load parameters of the bracket structure， calculates the bending moment and shear force of the transverse distribution beam at the top of the pre-embedded bracket， checks and calculates the strength and stiffness of the bracket， checks and calculates the bearing pressure of the pier column and pile foundation of the bridge， and verifies the safety of the bracket. The successful application of the bracket in this bridge can be used as a reference for similar projects.

Keywords： high pier; corbel; bracket; Bailey beam; cast-in-place; box girder

鐵路橋梁工程建設采用移動模架或預制架設法，施工投入較大。四川山嶺溝谷中的橋長較短，選擇橋梁方案對成本及進度極為重要，牛腿式支撐和貝雷架組合施工方案對節約成本及提高進度有顯著的影響。本文以西成客運專線三河口大橋施工為案例，探討高墩牛腿式支撐在現澆箱梁中的設計與應用，旨在為類似工程提供一些參考。

1" 工程概述

西安至成都客運專線（四川段）三河口大橋位于綿陽市與廣元市交界位置，屬山嶺地形區域，地形起伏較大，橋長401.313 m，上部孔跨結構布置為6×32 m簡支箱梁+2×80 m預應力混凝土T型剛構+1×32 m簡支箱梁，縱坡4.6‰。除6、7號橋墩為矩型空心橋墩，其余為矩型實心橋墩，墩臺基礎均為孔樁加承臺結構。第6跨5號墩與6號墩之間高差22.4 m，6號墩和8號墩因簡支梁與T型剛構梁而為高低墩帽，高差2.4 m。第1～5、9孔采用鋼管立柱+雙層貝雷梁現澆，第6孔采用一側鋼管立柱與另一側預埋牛腿+雙層貝雷梁現澆，第7、8跨T構采用棱形掛籃現澆施工。下面介紹第6跨牛腿式支撐雙層貝雷梁設計與應用。

2" 支撐體系結構設計

32.6 m簡支箱梁的頂面寬12.2 m，高2.62 m，單孔重776 t，共25束預應力鋼絞線，底板9束，兩側邊墻各8束，梁體采用C50鋼筋混凝土。施工現澆梁的支撐受力結構設計主要有2個部分，一是梁跨采用雙層貝雷梁組合結構，二是貝雷梁的支撐采用在橋墩墩帽上預埋牛腿支架結構。

2.1" 貝雷架結構

貝雷梁采用非加強型的標準貝雷片上下2層組合而成，貝雷片為1.5 m×1.5 m、3 m×1.5 m的型號。根據梁長、梁寬、墩凈間距及梁截面等要素，確定按間距450 mm、900 mm 2種規格分組，一組3個貝雷片連接，兩側翼緣板下貝雷梁按900 mm規格，中間貝雷梁按450 mm規格，共7組21片。各組貝雷梁布設在梁中心一組，兩側距中心分別為0.75、2.6、4.1 m。具體布置如圖1所示。

貝雷梁下層縱向長28.5 m，采用9片3 m和1片1.5 m的貝雷片，共189塊3 m貝雷片和21塊1.5 m貝雷片。貝雷梁上層的中間5組與下層相同，因支撐模板，兩側翼緣板采用10片3 m和1片1.5 m的貝雷片，比下層多用7片3 m貝雷片。上下2層的貝雷片組分別用銷子連接。

2.2" 牛腿支架結構

6號墩簡支梁與T構箱支座標高相差2.4 m。T型剛構完工后才能施工簡支箱梁。在6號空心墩的墩帽實體段橫橋向預埋6組牛腿，牛腿以墩中心線兩側對稱布置，距墩中心依次為0.75、2.6、4.1 m。每組牛腿上安放一個底板為70 cm×70 cm、高60 cm的φ63 cm砂桶，砂桶上橫向放置3I56a工字鋼分配梁支撐貝雷梁，具體布置如圖2、圖3所示。

牛腿支架采用組合式鋼結構，每組牛腿由3個梯形鋼結構片焊接組合而成。其上橫梁N1為1根I40a工字鋼，長3 m，外留1 m；下橫梁N2為1根I40a工字鋼，長2.05 m，外留5 cm；中間豎向兩側各用1根N3高為60 cm的I20a工字鋼焊接，左側外留部分用N4為上邊75 cm，下邊15 cm，高60 cm的24 mm厚加勁肋鋼板焊接。外露斜口增設N5加勁肋鋼板（長×厚×寬）850 mm×24 mm×100 mm，上下橫梁受力集中處增設N6加勁肋鋼板367 mm×24 mm×66 mm。采用3個梯形鋼結構片，間距20 cm，在I40a工字鋼的前后左右采用6塊鋼板焊接組成，其N7連接鋼板600 mm×24 mm×150 mm，N8連接鋼板600 mm×24 mm×250 mm，N9連接鋼板600 mm×32 mm×300 mm。并在上下橫梁分別增設Φ20鋼筋予以加強，具體如圖4和圖5所示。

現場牛腿支架、砂桶、橫向工字鋼與貝雷桁架的組合支撐體系結構照片如圖6所示。

3" 牛腿支架結構檢算

3.1" 各種力學參數及荷載參數

支架采用A3普通碳素鋼，根據其實際受力情況分別對箱梁不同部位下的結構進行檢算。

1）A3鋼材：彈性模量E=2.1×105 MPa，許用應力[？滓]=140 MPa，

最大許用應力[？滓w]=145 MPa，許用剪應力[？子]=85 MPa。

2）不加強型三排雙層貝雷梁結構力學性能參數：慣性矩I=32 228 832.2 cm4，抗彎截面系數W=22 226.8 cm3；截面積A＝101.88 cm2；桁架容許內力[M]=4 653.2 kN·m，容許剪力[Q]=698.9 kN。

3）I40a號工字鋼截面特性查表：慣性矩Ix=21 720 cm4，截面積A=86.1 cm2，抗彎截面系數W=

1 090 cm3，延米重量q=67.7 kg/m，Ix/Sx＝34.1 cm，慣性半徑ix＝15.9 cm，腰厚度d＝10.5 mm。

4）I56a號工字鋼鋼截面特性查表：慣性矩Ix=65 586 cm4，截面積A=135 cm2，抗彎截面系數W=2 342 cm3，延米重量q=106 kg/m，半截面靜力矩Sx＝1 368.8 cm3，Ix/Sx＝47.7 cm，慣性半徑ix＝22 cm，腰厚度d＝12.5 mm。

3.2" 預埋牛腿頂橫向分配梁檢算

在墩頸實體段橫向預埋6個牛腿組合結構，牛腿支撐間距為（1.5+1.85+1.5+1.85+1.5） m，采用3I56a橫向分配梁支撐貝雷片，該組合件截面特性I=3×65 586 cm4，W=3×2 342 cm3。

對梁、模板、貝雷架、分配型鋼以及振搗、沖擊等荷載計算，取1.2的安全系數，則橫向分配梁受力檢算模型如圖7、圖8所示。

運用結構力學求解器進行內力和位移計算得。

1）由圖7得出，最大彎矩Mmax=635.2 kN·m。

正應力：

=145 MPa，滿足要求。

2）由圖8得出，最大剪力Q=746.5 kN。

剪應力：τ= =Q/（（Ix/Sx）×d×3）＝746.5/（47.7×12.5×3）＝41.7 MPa＜[τ]＝85 MPa，滿足要求。

2.3" 預埋牛腿檢算

經檢算預埋牛腿支架采用6組滿足要求，單個牛腿支架承受的最大豎向支撐力為1 450.1 kN，牛腿支架支撐反力如圖9—11所示。牛腿支架采用6I40a組合型鋼構件支撐貝雷片橫向分配梁，單根I40a的截面特性I=21 720 cm4，W=1 090 cm3。

1）由圖10得出，最大彎矩Mmax=85.7 kN·m。

正應力：

145 MPa，滿足要求。

2）由圖11得出，最大剪力Qmax=188.7 kN。

剪應力：τ= Q/（（Ix/Sx）×d）＝188.7/（34.1×10.5）＝52.7 MPa＜[τ]＝85 MPa，滿足要求。

3）經計算加勁板最大剪應力為45.7 MPa＜[τ]＝85 MPa，滿足要求。

4）經結構力學求解器檢算得出，桿件的豎向最大位移位于兩側的桿端：Vmax＝0.767 mm＜[V]=1 000/400=2.5 mm。

故對于設置6組型鋼牛腿情況下，牛腿支架強度及剛度滿足要求。

3.4" 橋墩及基礎檢算

3.4.1" 橋墩局部承壓檢算

墩頂采用C35混凝土，根據《混凝土結構設計規范》，按矩形承壓計算，取局部承壓面積AC為0.6 mm×0.3 mm厚32 mm的鋼板，計算的局部承壓容許應力為9.4 MPa。

托架在墩身產生的壓力為455.8 kN×3=1 367.4 kN（直接約束），如圖12所示。在墩身產生的局部壓應力為1 367.4 kN/（0.6 mm×0.3 mm）=7.6 MPa。局部承壓滿足規范要求。

3.4.2" 橋墩及基礎檢算

根據計算，現澆簡支箱梁時通過托架在墩頂產生的最大豎向力N為（1 450.1 kN×2+1 153.1 kN×2+1 302.2 kN×2）=7 810.8 kN，產生的縱橋向彎矩為7 810.8 kN×2.65 m=20 698.6 kN·m。現澆簡支箱梁時T構已施工完畢，根據計算T構在自重作用下的支反力為8 255.7 kN，產生的縱橋向彎矩為8 255.7 kN×0.55 m =4 540.6 kN·m。

由以上計算可知，現澆簡支箱梁時，墩頂及基底外力如下。

墩頂外力：豎向力N為7 810.8+8 255.7=16 066.5 kN，縱橋向彎矩20 698.6-4 540.6=16 458.0 kN·m。

基底外力：豎向力N為67 676.1 kN，縱橋向彎矩為12 985.9 kN·m。

根據橋墩及樁基計算軟件，橋墩及樁基的受力滿足要求。

4" 結論

1）牛腿式支架的梯形鋼結構片焊接在加工廠內制作，現場組合安裝在橋墩內并澆筑混凝土，其相對于傳統滿堂支架法和立柱支架法較為簡單，安全性也得到了提高。

2）牛腿式支架法縮短了施工周期，與移動模架或預制架設法顯著降低成本，創造良好的經濟效益及社會效益。

3）牛腿式支架橋梁施工完成后，需要對露出的部分進行切除并打磨，涂刷防腐防銹結構，后期定期檢查維護保養。

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