鋼箱梁水中墩臨時支墩計算分析

摘 要：在鋼箱梁的安裝架設過程中，需要在橋下設置臨時支撐，但臨時支撐體系并沒有統一的規范。為了研究跨運河鋼箱梁吊裝中，臨時支墩水中墩體系結構，杭州市石祥路提升完善項目跨京杭運河鋼箱梁吊裝工程，水中墩臨時支墩采用2組雙拼45a工字鋼作為上橫梁，用短鋼管支撐，4根?609mm×10mm直縫焊接管作為臨時支墩，2組雙拼HW400mm×400mm型鋼組作為下橫梁，并詳細介紹了水中墩臨時支墩的施工工藝。通過計算驗證了臨時支墩各結構的穩定性、剛度和強度。結果表明，使用該水中墩臨時支墩能夠滿足施工需求和通過力學驗算。

關鍵詞：鋼箱梁；水中墩施工工藝；臨時支墩

中圖分類號：U 44" 文獻標志碼：A

鋼箱梁施工中常常采用分段吊裝的方法使鋼主梁連為整體，該方法需要在橋下設置相應的臨時支撐體系，當橋下地面為無人無車情況時，該施工過程較為常規，但涉及在建橋梁下方通行車輛或者通行船只情況，施工工況會復雜。因此為保障安全，需要對臨時支撐體系進行細化研究。

國內學者對鋼箱梁臨時支撐體系進行大量研究，其中李博[1]在大跨度鋼混組合梁橋上跨營運高速公路橋梁臨時支撐體系中進行未設置橋下支架的受力模擬，闡述了設置橋下支架的必要性。李劍[2]在既有高架橋上臨時支架鋼管底部設置鋼板-橫向型鋼-縱向鋼板-防滑布的體系，經計算，既有高架橋面承載力也能滿足要求。彭欽鋒等[3]采用的臨時支墩結構均為12柱格構式支架，施工難點是超高臨時支墩，高度最高達133.1m，承受荷載達40000kN。本文依托石祥路提升完善工程03標，跨京杭運河主線高架橋三孔連續鋼箱梁橋，研究了大跨度鋼箱梁水中臨時支墩設置、吊裝工藝以及驗算。

1 工程背景

石祥路提升完善工程是杭州市“三縱五橫”快速路網中最北的“一橫”，是杭州市北路一條重要的東西向道路。鋼箱梁為單箱三室組合鋼箱梁，梁高2.50m，鋼箱梁頂寬9.30m，底寬9.10m。鋼箱梁總跨徑134.00m，設計總質量932t，當制作鋼箱梁時，每聯箱梁134m縱向分為3段（28.8m+76.4m+28.8m=134m），橫斷面分為3塊，分塊寬度分別為3.05m（近高架一側）、3.00m、3.25m，橫斷面的3塊分塊質量比為1∶1∶1.2。

2 臨時支墩及鋼箱梁吊裝方案

2.1 臨時支墩水中墩設計方案

因為水中墩設計的兩個“H”形墩柱，支座設置在兩個門式墩柱頂部，鋼箱梁安裝時橫斷面分為3塊吊裝成型，所以在鋼箱梁的橫斷面拼縫下部須設置臨時支墩。水中墩N040、N041、S041、S042的臨時支墩，擬在橋梁墩柱兩側分別設置2組雙拼HW400mm×400mm型鋼組，將其作為下橫梁橫擔在墩柱承臺上面，其上布置4根?609mm×10mm直縫焊接管作為臨時支墩，4根臨時支墩鋼管之間用[20a槽鋼和拼接板作為平聯，4根鋼管臨時支墩頂部沿橫橋向布置2組雙拼45a工字鋼，作為上橫梁。其上再布置?245mm×6.5mm，長度490mm的短鋼管支撐，在上橫梁支點位置每側設置4道加筋肋板。整個水中墩臨時支墩由下橫梁、鋼管立柱、立柱平聯系統和上橫梁、短鋼管支撐等幾部分構成。水中墩臨時支墩設置方案，如圖1所示。

2.2 鋼箱梁吊裝方案

鋼箱梁吊裝擬采用2臺160t浮吊，用抬吊的方式聯合吊裝就位，跨運河橋一聯鋼箱梁134m，縱向分段吊裝就位，由鋼結構廠家分段制作中間部分 ，用汽車運輸到橋位北側預拼場地組，拼成76.00m的大節段，拼裝完成后采用2臺浮吊抬吊吊裝就位[4]。

3 水中墩臨時支墩施工

3.1 承臺預埋件安裝

當水中墩承臺施工時，應按照方案設計的位置，將預埋鋼板埋設到位，預埋件的位置偏差不大于10mm。

預埋鋼板的錨固鋼筋應與預埋鋼板焊接牢固，承臺頂面的鋼筋錨固長度不少于25cm，預埋在系梁內側面的過渡墩臨時支墩鋼立柱拉結桿的鋼筋錨固長度不小于15cm。

承臺預埋鋼板部位的混凝土應保證振搗密實，以防止出現預埋板下的混凝土脫空現象。當埋設承臺頂面的預埋鋼板時，應控制表面平整度，四角高差不大于2mm。

3.2 下橫梁安裝

下橫梁采用2H400mm×400mm型鋼雙拼，兩側翼緣板布置加勁鋼板，上下部設置有拼接鋼板。下橫梁由鋼結構廠家負責組拼焊接成整體，在運輸到施工現場后，用一臺25t吊機配合吊裝到位，與預埋在承臺頂面的鋼板焊接固定。在下橫梁吊裝前，應人工清理預埋鋼板頂部的浮漿，并用砂紙或砂輪機將預埋鋼板表面的浮銹清理干凈。

采用鐵角焊縫形式焊接下橫梁與預埋鋼板，焊縫厚度不小于10mm。

當安裝下橫梁時，應控制下橫梁的平整度，下橫梁東西和南北方向的高差應控制在2mm以內。

下橫梁焊接完成后，項目部的工區施工員和質檢員負責檢查下橫梁焊接質量和平整度，檢查合格后方可安裝鋼管立柱。

3.3 鋼管立柱安裝

臨時支墩的鋼管立柱采用?609mm×12mm鋼管。

當安裝鋼管立柱時，在下橫梁上用石筆將鋼管立柱的平面位置放樣出來，然后用吊機配合吊裝鋼立柱就位。

安裝鋼立柱時應嚴格控制鋼立柱的垂直度，垂直度偏差不大于H/100[5]。

將鋼立柱吊裝到設計位置后，首先用電焊臨時固定鋼立柱的一點，其次用工具配合調整鋼立柱的垂直度，調整完成，最后用電焊機將鋼柱焊接到位。

鋼立柱的焊接順序：焊接鋼管四周環焊縫，焊縫厚度不小于10mm。焊接底部三角加勁板，加勁板焊縫厚度不小于10mm。每根鋼管底部布置8塊三角加勁板。

當焊接鋼管和加勁板時，應對稱施焊，防止焊接變形導致鋼管傾斜。

3.4 平聯和拉結體系安裝

為保證臨時支墩的整體穩定性，在支墩頂部設置縱橫向的平聯體系，平聯采用[20槽鋼，通過拼接板連接平聯與鋼管。

采用焊接方式連接平聯和拉結體系與鋼管和預埋件，構件尺寸按照設計圖紙下料，現場焊接時根據實際尺寸進行細部調整，焊縫厚度不小于10mm。

當安裝平聯和拉結體系時，焊接拼接板，再焊接槽鋼平聯和拉結桿，拼接板焊接時應將拼接板與鋼管的中心控制在同一平面內。

3.5 上橫梁安裝

上橫梁作為傳遞鋼箱梁荷載至鋼立柱和承臺分配梁，它與鋼立柱之間采用焊接方式連接，上橫梁采用雙拼45a工字鋼，頂面和底面設置拼接板，鋼立柱支點處設置8塊加勁鋼板。在鋼結構廠制作上橫梁，在現場焊接鋼立柱。

用一臺25t吊機配合安裝上橫梁，安裝人員站在鋼管腳手架平臺上，吊裝上橫梁與鋼立柱頂面的圓形蓋板，將橫梁位置與鋼立柱蓋板對正后松鉤。采用貼腳焊縫方式焊接上橫梁與鋼立柱，焊縫厚度不小于10mm。

當焊接上橫梁與鋼立柱時，同一片橫梁應對稱施焊，當發現焊接變形導致橫梁不平整時，應及時調整和采取糾正措施。

3.6 短鋼管支撐安裝

根據臨時支墩方案設計，上橫梁與鋼箱梁底板之間采用?245mm×6.5mm短鋼管支撐，短鋼管支撐的長度為30～40cm。短鋼管支撐作為調整標高和支撐桿，其高度不宜大于60cm。

鋼管支撐底部與上橫梁用焊接固定，短鋼管支撐的位置必須按照方案圖安裝到位。短鋼管支撐安裝必須保證垂直度，垂直度偏差不大于2mm。必須綜合考慮鋼箱梁底面設計高程、設計預拱度和施工預拱度等因素來確定短鋼管頂面高程，由鋼結構加工廠家初步計算短鋼管的頂面設計高程，項目總工復核無誤后實施。

短鋼管支撐安裝完成后，應安排測量人員逐個測量短鋼管頂面高程，若不滿足要求，則用5～16mm鋼板作為墊板調整頂面高程，直到滿足要求為止。

4 臨時支墩驗算

4.1 臨時支墩材料

跨京杭運河水中墩橫斷面分為3.05m（近高架一側）、3.00m、3.25m，縱斷面分為3段：（29+76+29）m，南線和北線高架的跨京杭運河的鋼箱梁各分為9段。中間76m鋼箱梁分塊質量分別為174.27t、171.41t、185.70t，邊跨29m鋼箱梁分塊質量分別為65.69t、64.62t、70.00t。臨時支墩結構涉及HW400mm×400mm、Ⅰ45a、?609mm×10mm鋼管等材料，鋼材材質為Q235。

4.2 荷載計算

考慮永久支座和臨時支墩共同參與受力，橫斷面按照平面加載的方式計算臨時支墩受力，跨京杭運河一聯鋼箱梁總質量為932t。全寬9.3m的中間段鋼箱梁自重荷載G1：考慮10%不均勻系數。

臨時支墩荷載的計算過程如公式（1）所示。

（1）

式中：G1為中間段鋼箱梁自重荷載。

臨時支墩自重荷載G2：全橋4個臨時支墩自重總荷載87.7t，每2個臨時支墩荷載為438.5kN，由2個臨時支墩8根?609mm×10mm鋼管柱承擔，分擔到8根鋼管柱的荷載為54.81kN。

鋼箱梁自重荷載分配：臨時支墩布置橫斷面分塊接縫處，分塊寬度為3.05m（近高架側）、3.00m、3.25m，根據平面加載原理進行荷載分配，荷載計算結果如下。

臨時支墩近高架側加載寬度B1=（3.05+3.00）/2=3.025m。

臨時支墩遠離高架側加載寬度B2=（3.00+3.25）/2=3.215m。

分配荷載的計算過程如公式（2）、公式（3）所示。

（2）

（3）

式中：P1近高架側分配荷載；P2遠離高架側分配荷載。

基于安全考慮，將P2=1990.79作為驗算荷載。根據臨時支墩方案，P2荷載分別有4根鋼管柱承擔，荷載經調平裝置、上橫梁、鋼管柱、下橫梁，在經下橫梁傳遞承臺和樁基。

單根鋼管柱荷載計算：單根鋼管柱承受荷載主要考慮鋼箱梁的自重荷載和臨時支墩的自重荷載，計算過程如公式（4）所示。

N=1990.79/4+54.81=552.5kN " （4）

式中：N單根鋼管柱承受荷載。

4.3 臨時支墩驗算

4.3.1 上橫梁局部承壓驗算

荷載承壓面主要有45a工字鋼腹板和每側4道加筋鋼板，工字鋼承壓長度按照50cm考慮，兩根工字鋼承壓長度100cm，加勁板寬度6cm，每個支點8塊加勁板，壓長度48cm。45a工字鋼腹板厚度10.5mm，加勁板厚度10mm，計算上橫梁承壓面積為15300mm2。局部壓應力的計算過程如公式（5）所示。

（5）

式中：σ為局部壓應力；S為上橫梁承壓面積。

上橫梁局部承壓滿足要求。

4.3.2 鋼管柱承壓和橫向穩定性驗算

鋼管柱采用?609m×10mm鋼管，N040、N041、S041、S042等臨時支墩鋼管柱最長為9.56m，去掉上部平聯高度1.80m，按照兩端鉸接考慮，承壓計算長L=9.56-1.80=7.76m。

鋼管柱的長細比λ為，則軸心受壓應力的計算過程如公式（6）所示。

（6）

式中：δ為鋼管柱軸心受壓應力；ψ為受壓桿件的橫向彎曲系數，為0.90。

鋼管柱承壓和橫向穩定性滿足要求。

4.3.3 下橫梁強度驗算

根據臨時支墩水中墩設計方案，下橫梁為雙拼HW400mm×

400mm型鋼，以承臺作為支點，承受鋼管柱傳遞下來的鋼箱梁和臨時支墩自重荷載，為單跨簡支梁受力體系。彎矩和正應力的計算過程如公式（7）、公式（8）所示。

Mmax=Nl=552.5×1.145=632.3kN·m " （7）

（8）

式中：Mmax為最大彎矩；l為力矩長度；[σ]即為彎曲容許應力；W為抗彎截面模量。

抗彎強度滿足要求。

抗剪強度驗算：剪切力Q=552.5kN，A=2×21950=43900mm2，

則剪應力的計算過程如公式（9）所示。

（9）

式中：Q為剪切力；A為剪切面積。

抗剪強度滿足要求。

剛度驗算的過程如公式（10）所示。

4.86mm " "（10）

式中：EI為材料的抗彎剛度；a為單跨簡支梁長度，為5300mm。

剛度滿足要求。

4.3.4 下橫梁局部承壓驗算

下橫梁的兩端支點和鋼管柱支點，承受鋼管柱傳遞過來的支點反力，承受局部壓力，根據臨時支墩方案圖和臨時支墩水中墩設計方案，荷載承壓面主要有下橫梁支點和鋼管柱支點，主要由HW400mm×400mm型鋼2道腹板和每側3×4道加筋鋼板承受，HW400mm×400mm型鋼承壓長度按照50cm考慮，兩根工字鋼承壓長度為100cm，加勁板寬度為16.4cm，每個支點12塊加勁板，壓長度為196.8cm。加勁板的厚度為10mm，S=1000×13+196.8×10=14968mm2。

則壓應力的計算過程如公式（11）所示。

（11）

式中：σ局部壓應力。

下橫梁局部承壓滿足要求。

5 結論

依托杭州市石祥路提升完善工程03標，本文對跨運河鋼箱梁臨時支墩水中墩力學驗算進行研究，得出以下結論。

水中墩臨時支墩由下橫梁、鋼管立柱、立柱平聯系統和上橫梁、短鋼管支撐等部分構成。施工工藝流程主要為下橫梁安裝、鋼管立柱安裝、平聯和拉結體系安裝、上橫梁安裝和短鋼管支撐安裝。文中對各個工藝進行詳細講解，并分析臨時支墩的使用材料及力學參數，計算施加的荷載，驗算臨時支墩各個結構的穩定性、剛度和強度等承載能力。結果表明，該水中墩臨時支墩能夠滿足施工需求。

參考文獻

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