黑石頭大橋百米跨連續(xù)箱梁高支架設計與施工

【內容提要】 以貴陽市北二環(huán)道路工程黑石頭大橋第三聯(lián)100米跨高支架施工成功經(jīng)驗為背景，介紹了高墩采用螺旋鋼管+貝雷桁架+碗扣式腳手架組合支架的設計及施工。實踐證明，該設計安全可靠，經(jīng)濟性好，可為同類橋梁施工提供參考經(jīng)驗。

【關 鍵 詞】 現(xiàn)澆箱梁高支架設計施工

中圖分類號：S611文獻標識碼： A

工程概況

貴陽市北二環(huán)道路工程黑石頭大橋位于白云區(qū)黑石頭村，跨越規(guī)劃中的成貴、渝黔、貴開、貴昆鐵路，大橋共14跨，分左右兩幅。左幅橋梁全長913m，位于半徑1807m的平曲線上；右幅橋梁全長901m，位于半徑1793m的平曲線上。線路最大縱坡4.454%，設計荷載為公路I級，設計車速60Km/h。全橋基礎型式采用擴大基礎和人工挖孔樁基礎，重力式U形橋臺，橋墩下部結構為花瓶式橋墩，最高墩高38.5m，上部結構為現(xiàn)澆混凝土連續(xù)箱梁。

該橋左幅第三聯(lián)跨徑布置為66m+100m+66m，右幅第三聯(lián)跨徑布置為60m+100m+60m，為變截面預應力混凝土箱梁。箱梁為單箱雙室斷面，箱梁頂寬15m，底寬9m，中立柱墩頂梁高5.5m、跨中及邊立柱頂梁高2.5m，梁高按二次拋物線漸變。梁體采用C55混凝土。

施工方案選擇

由于黑石頭大橋第三聯(lián)屬于高墩大跨度連續(xù)箱梁，國內外在同類型的橋梁施工一般采用懸臂掛籃法施工工藝。但由于掛籃法施工最大的不足是無法快速施工。為加快施工進度，黑石頭大橋選用支架現(xiàn)澆施工工藝。支架現(xiàn)澆施工在投入一定量的支架、模板后，即可實現(xiàn)快速施工，從而保證本項目能夠按時交付安全使用。

梁體施工支架方案的選擇

黑石頭大橋第三聯(lián)墩高26m～38.5m，按常規(guī)的施工方法，現(xiàn)澆箱梁采用碗扣式鋼管腳手架，由于箱梁下地質情況較差，滿堂支架的基礎處理難度大，費用高。其次，箱梁跨度大，自重較大，若滿堂支架過高，其高寬比大于2，根據(jù)實踐經(jīng)驗和風荷載使支架立桿產(chǎn)生拉力的計算可知，架體的穩(wěn)定性將很難滿足安全要求。結合現(xiàn)場實際情況，經(jīng)多方論證比選，采用鋼管立柱+貝雷桁架+碗扣式鋼管腳手架組合支架的形式。

組合支架設計

支架采用單層貝雷桁架短跨布置形式，因橋梁在曲線上，貝雷桁架縱梁必須安折線布置，100m主跨布置為：3*9m+(9+12)m+(12+9)m+3*9m，66m邊跨布置為：3*12m+3*9m，60m邊跨布置為：(12m++9m+9m)+3*9m。支架的基礎形式根據(jù)地質情況及設計要求承載力大小，采用擴大基礎或樁基礎，立柱采用D630*7.5mm螺旋焊接鋼管，立柱間縱橫支撐采用I16工字鋼，立柱頂橫梁采用2I45b工字鋼，橫梁上安裝20～28片貝雷桁架縱梁，縱梁跨度9～12m，縱梁上擺放I12.6工字鋼，作為碗扣式鋼管腳手架的支點，其上安裝碗扣式鋼管腳手架。100m跨箱梁支架結構縱斷面、橫斷面如圖2 及圖 3 所示。

支架基礎設計

7#～9#跨過溝谷，地表為水田，谷底常年流水。表層為淤泥質土（Qh），褐黃色～灰黑色，偶見有植物根系，含水量高，有腥味，厚度約4.0 m，其下為基巖，整體性較好。立柱基礎均采用φ1.2m挖孔樁基礎，按端承樁設計，樁深根據(jù)實際地質情況，樁長一般在5～8m，樁底置于基巖上，且嵌巖不小于1m。樁頂預埋地腳螺栓與螺旋鋼管法蘭連接。

第9#～10#表層為耕植土（Qpd），褐黃色～灰黑色，多見植物根系，結構松散，厚度約0.5~1.0 m；下為軟塑狀紅粘土，含水量高，承載力不小于200KPa，厚度大于6m。。立柱基礎均采用雙層擴大基礎，第一層基礎14.63*2.63m，第二層基礎16.63*4.63m，每層基礎高1m?；旑A埋地腳螺栓與螺旋鋼管法蘭連接。

支架立柱和橫梁設計

鋼管立柱采用厚7.5mm Q235熱軋鋼板卷制成，鋼管直徑630mm鋼管，橫橋向設置6根，間距2.4m，豎向每隔8m設置水平桿，橫縱橋向水平桿件采用I16工字鋼，因縱向水平桿（I16）過長，柔度較大，將相鄰的兩根水平型鋼間增加橫向型鋼支撐和斜拉鋼筋，提高其剛度，并將縱向水平桿與橋墩連接，提高立柱縱向穩(wěn)定性。橫橋向斜桿設在兩水平桿間中部，與鋼管采用焊接，立柱頂用2I45b工字鋼做橫梁，兩條工字鋼采用鋼板焊接，橫梁上布置貝雷桁架。

支架縱梁設計

支架縱梁水平布置，采用國產(chǎn)貝雷桁架拼裝成支架縱梁，根據(jù)梁部荷載不同，橫橋向布置20片和28片兩種形式，大橋中支墩每側三跨支架（27m）橫橋向布置28片貝雷桁架，其余部分布置20片，縱梁在腹板處進行加密布置。一般采用9m標準跨距，受大橋跨度控制，在箱梁高度低段調整跨距，最大跨度12m。大橋平面處在圓曲線上，貝雷桁架按折線布置，每二至三跨為一聯(lián)，兩聯(lián)之間貝雷桁架不進行連接，聯(lián)內按連續(xù)梁布置。

支架頂滿堂支架設計

貝雷桁架縱梁上搭設滿堂碗扣式鋼管腳手架，翼板下立桿縱距為60cm，橫距為90cm，橫桿豎向步距為120cm；腹板下立桿縱距為60cm，橫距為30cm，橫桿豎向步距為60cm，底板下立桿縱距為60cm，橫距為30cm，橫桿豎向步距為120cm。底層縱、橫向水平桿作為掃地桿，距底面高度不大于35cm，立桿底部設置可調頂托，倒扣在I12.6工字鋼分配梁上，分配梁置于貝雷桁架上，立桿上端包括可調頂托伸出頂層水平桿的長度不大于70cm。

組合支架施工

混凝土基礎施工

根據(jù)現(xiàn)場實際地質情況，確定本工程擴大基礎基坑采用人工配合機械開挖；樁基礎采用人工挖孔樁，鋼筋混凝土護壁，樁底置于基巖上，墩邊支架立柱利用橋墩擴大基礎（承臺）作為基礎?；炷粱A頂預埋螺栓，安放立柱底鋼板（76*76*2cm），立柱與基礎采用法蘭連接。

支架立柱的加工安裝

螺旋鋼管立柱的加工

螺旋鋼管采用630*7.5mm螺旋焊接鋼管，為專業(yè)廠家生產(chǎn)合格產(chǎn)品，鋼管標準節(jié)段長度12m，根據(jù)鋼管立柱高度，設置多種型號的調節(jié)節(jié)段，調整立柱達到設計高度。

鋼管連接采用法蘭連接，法蘭盤購買廠家生產(chǎn)同批次產(chǎn)品，連接螺栓孔不少于10個，采用φ24螺栓連接，保證所有法蘭盤彼此都能拼接。法蘭盤與鋼管采用焊接，并環(huán)向焊接梯形加強鋼板（牛腿），焊縫均為連續(xù)焊縫。

由于鋼管接長及對鋼管進行縱橫連接的需要，鋼管上焊接供工人上下的爬梯，爬梯采用φ16鋼筋，間距30～40cm。

圖1 立柱與基礎連接圖

立柱安裝

安裝立柱前，首先調整底鋼板水平，采用砂漿調平或在基礎與底鋼板間填塞薄鋼板調整，鋼管分段吊裝，法蘭連接。安裝順序為：首先安裝每根立柱的調節(jié)段鋼管，依次安裝，達到第一個水平縱橫桿位置后，將縱橫水平桿件（I16）和橫向斜桿（I16）焊接到鋼管立柱上，縱向水平桿件兩端與橋墩連接，分節(jié)加固。然后再進行下一階段的安裝。

橫梁的安裝

由于橋梁處在曲線上，貝雷縱梁按折線布置，橫梁長14m，曲線內外弦長度不同，需要對分聯(lián)立柱橫梁兩根工字鋼間距進行調整，確保貝雷桁架支點位置不變。橫梁工字鋼間距見表1。

表1 分聯(lián)立柱頂橫梁間距表

I45b工字鋼橫梁在地面焊接，二根工字鋼中間采用鋼板間斷焊接，鋼板置于兩工字鋼內緣，使工字鋼外緣表面光滑，確保貝雷桁架縱梁安裝安裝時能夠滑移，對貝雷桁架支點及立柱位置，橫梁工字鋼腹板采用1cm厚鋼板進行加強，橫梁一次吊裝到立柱鋼管上，鋼管立柱頂安裝2cm厚鋼板，鋼板與鋼管頂法蘭栓接，鋼板與工字鋼橫梁全部滿焊，并側向焊接鋼板牛腿，確保橫梁穩(wěn)定。

圖5 組合支架施工照片

貝雷桁架縱梁安裝

貝雷桁架首先在地面按跨度分片組裝，用支撐架作橫向連接，每片貝雷桁架兩端均連接，每組2～3片（長9m或12m）一次吊裝到橫梁上，橫梁上必須先畫出每片縱梁的位置，將桁架準確吊裝到位，無法一次吊裝到位的縱梁，將5t手拉葫蘆一端掛在橫梁端頭，另一端牽引縱梁就位。并將相鄰兩跨桁架連接成一聯(lián)，形成連續(xù)梁，避免出現(xiàn)個別縱梁滑落。因橋梁在曲線上，貝雷桁架縱梁必須安折線布置，100m主跨分成四聯(lián)，具體為27m+21m+21m+27m，66（60）m邊跨分成二聯(lián)，具體為27m+36（30）m。

橫向分配梁的安裝

貝雷桁架安裝好后，在桁架上按60cm間距放置I12.6工字鋼小橫梁，采用吊機安裝，從一端往另一端排放，人工撥移就位。其上搭設碗扣式鋼管架，腳手架立柱底部采用可調頂托倒扣在小橫梁的方法，防止支架滑落。

滿堂碗扣式鋼管支架搭設

滿堂支架采用碗扣式鋼管腳手架，支架搭設橫向分配梁上。由于腹板位置支架間距較小，搭設現(xiàn)澆筑支架時，先搭設腹板位置對應部分，從墩臺端開始搭設、以墩臺外緣10cm為第一排、立好立桿后，及時設置掃地桿和第一步大小橫桿，距地面高度不大于35cm。

架體與墩柱交界拉結可靠后，隨支架體升高、吊線錘隨時檢查支架立桿的豎直度，發(fā)現(xiàn)偏差及時用可調底托調整，豎直度合格后，剪刀撐應同步設置，確保支架的整體穩(wěn)定，安全網(wǎng)在剪刀撐等設置完畢后及時設置。

立桿主要采用3.0m、2.4m、1.8m等三種立桿接長并錯開布置，頂桿長度主要有1.5m、1.2m、0.9m等三種型式，橫桿主要采用0.9m、0.6m、0.3m等三種型式組成，頂?shù)淄胁捎每烧{頂托撐。支架搭設好，用可調頂托來調整支架高度或拆除模板用。

碗扣式支架搭設好后，粗略調整頂托高度，在可調整頂托上縱向鋪設10×10cm的方木，然后在其上鋪設橫向10×10cm的方木，最后在其上鋪設底模。

支架結構計算

根據(jù)跨度及梁部荷載的大小，橋墩每側3*9m范圍內橫向貝雷梁布置28片，其余部分貝雷梁布置20片，最大跨度12m，100m跨箱梁支架結構縱斷面、橫斷面如圖2 及圖 3 所示。本次計算對荷載大的中立柱附近支架及最大跨度支架（12m）進行受力分析及計算，如果能達到各設計規(guī)范要求，則其它部分一定能滿足受力要求。

（1）箱梁橫截面鋼筋混凝土重量分翼板、腹板和箱室三部分，利用CAD軟件精確計算出每部分截面面積，按均布荷載計算。模板、支架等周轉材料按設計布置分類計算，折算成均布荷載?；钶d按經(jīng)驗取值。

（2）將上述荷載疊加在一起，簡化為以貝雷桁架為支點，以I12.6工字鋼為梁的計算模型，按連續(xù)梁計算，計算出各支點支反力，即每米貝雷桁架的承擔的荷載。

（3）本橋箱梁為變截面箱梁，梁高按二次拋物線變化，貝雷桁架縱梁承擔的荷載簡化為梯形荷載，按簡支梁計算，對貝雷桁架的弦桿、端豎桿和斜桿內力進行驗算。

（4）2I45b工字鋼橫梁承擔來自貝雷桁架的荷載，按連續(xù)梁計算，驗算彎矩、剪力和撓度。

（5）D630*7.5mm鋼管立柱為受壓構件，對其承載力和穩(wěn)定性進行驗算，并計算出地基承載力要求。

（6）驗算所用數(shù)據(jù)取值為：鋼筋混凝土自重按26KN/m3計；竹膠板自重按8KN/m3計；木材自重按6KN/m3計；型鋼、碗扣式鋼管架自重按相應規(guī)范取值。施工產(chǎn)生的荷載取2.0KPa。

（7）根據(jù)建筑結構荷載規(guī)范，永久荷載分項系數(shù)采用K=1.2，可變荷載分項系數(shù)采用K=1.4。

本文僅對貝雷桁架縱梁、工字鋼橫梁和鋼管立柱等主要部位進行驗算，其余部分不再贅述。

表2 各截面恒載匯總表

第一跨的驗算

貝雷桁架跨度為9m，橫橋向按荷載大小，采用不等間距布置，共設置28片單層貝雷桁架。每片貝雷桁架承擔的荷載全部由上部橫向工字鋼（I12.6）分配梁傳遞，其荷載組合模型如圖6，該跨支架上部承受的荷載最大，取該跨支架進行貝雷桁架荷載計算。

1-1截面結構計算

圖6 1-1截面荷載組合簡化模型

1-1截面荷載組合后，貝雷桁架承受上部荷載計算如下：

翼板單位長度荷載：q1=（10.4+0.39+1.38+0.24）*1.2+2*1.4=17.692KN/m

腹板單位長度荷載：q2=（143+0.62+1.2+0.24）*1.2+2*1.4=176.872KN/m

底板單位長度荷載：q3=（39+0.62+0.39+0.89+0.8+0.24）*1.2+2*1.4=53.128KN/m

圖7 1-1截面剪力圖

2-2截面結構計算

2-2截面荷載組合后，貝雷桁架承受上部荷載計算方式同上1-1截面，結果滿足設計要求。計算過程（略）。

表3 第一跨貝雷桁架荷載計算表

第一跨最不利貝雷桁架計算

通過對截面荷載受力進行計算，對每片貝雷桁架承擔的荷載按梯形荷載考慮。對最不利桁架進行彎矩、剪力計算，進而對貝雷桁架的弦桿、端豎桿和斜桿進行驗算。

從表2結果分析，最不利桁架位于第7、8片（中腹板下），對此跨下的貝雷桁架縱梁進行荷載計算（貝雷桁架自重1KN/m）

桿件內力驗算

弦桿內力：267.874KN

斜桿內力：SF=

端豎桿內力：

圖8第一跨荷載圖（單位：KN）

圖9第一跨彎矩剪力圖（單位：KN/m、KN）

撓度驗算

將縱梁承擔的荷載按均布荷載考慮，貝雷桁架簡化為等截面的矩形實腹梁。

均布荷載：q=（43.499+29.518）/2=37.008KN/m

實腹梁慣性矩：

式中：Ax—貝雷桁架弦桿截面積；

h—貝雷桁架計算高度；

實腹梁彈性撓度：

貝雷桁架非彈性撓度：

貝雷桁架最大撓度：fmax=fx+fm=14mm<[f]=9000/400=22.5mm

結論：撓度滿足要求。

第五跨的驗算

貝雷桁架跨度為12m，橫橋向按荷載大小，采用不等間距布置，共設置20片單層貝雷桁架。每片貝雷桁架承擔的荷載全部由上部橫向工字鋼（I12.6）分配梁傳遞，其荷載組合模型如圖12，該跨支架跨度最大，取該跨支架進行貝雷桁架荷載計算。

3-3和4-4截面結構計算

3-3和4-4截面荷載組合后，計算過程同上，此處省略。

表4 第五跨貝雷桁架荷載計算表

第五跨最不利貝雷桁架計算

通過對截面荷載受力進行計算，對每片貝雷桁架承擔的荷載按梯形荷載考慮。對最不利桁架進行彎矩、剪力計算，進而對貝雷桁架的弦桿、端豎桿和斜桿進行驗算。

從表3結果分析，最不利桁架位于第8、9片（中腹板下），對此跨下的貝雷桁架縱梁進行荷載計算（貝雷桁架自重1KN/m）。計算過程同上，結論：撓度滿足要求。

柱頂橫梁驗算

每個鋼管立柱設鋼管柱6根，間距2.4m，鋼管柱頂采用2I45b工字鋼橫梁，邊跨懸臂長1m，對最不利截面的彎曲應力和剪應力進行驗算，選取第2#立柱橫梁荷載進行驗算（2-2截面）橫梁荷載組合簡化模型見圖17，每根工字鋼承擔的一半的荷載，取單根橫梁進行內力計算，I45b工字鋼自重0.87KN/m，結果如下：

表5 橫梁集中荷載表

圖10 2#立柱橫梁荷載組合簡化模型（荷載：KN，尺寸：cm）

圖112#立柱橫梁彎矩剪力圖（單位：KN.m、KN）

圖12 2#立柱橫梁撓度圖（單位：mm）

（1）彎曲應力最不利截面為橫梁中部，彎曲應力：

（2）剪應力最不利截面為橫梁中部支點：

結論：2I45b橫梁滿足要求！

鋼管立柱承載力及穩(wěn)定性計算

2#立柱中部支點鋼管柱（見圖18）承受的壓力最大，以此鋼管墩來驗算鋼管的整體穩(wěn)定。

截面積：

回轉半徑：

長細比，折減系數(shù)ψ=0.914

結論：鋼管墩承載力及穩(wěn)定性滿足要求。

基礎承載力計算

（1）當鋼管立柱基礎采用直徑1.2m挖孔樁基礎，樁底置于基巖上，要求基底承載力為：

（2）當鋼管立柱基礎采用條形混凝土擴大基礎，基底置于原狀土上，每根鋼管柱基底截面尺寸為2.4*4.63m，要求基底承載力為：

9#～10#墩的擴大基礎基底為紅粘土，承載力達到200KPa，滿足設計要求。所有樁基礎樁尖置于基巖上，承載力達到2000KPa，為端承樁，滿足設計要求。

結束語

通過對貴陽市北二環(huán)道路工程黑石頭大橋施工，鋼管立柱+貝雷桁架+碗扣式鋼管腳手架組合支架結構簡單，受力明確，安裝拆除方便快捷，便于質量控制，安全、經(jīng)濟合理地解決了大跨度現(xiàn)澆連續(xù)梁高支架的設計設計施工難題，為同類橋梁施工提供參考。

【參考文獻】

1路橋施工計算手冊 ，人民交通出版社，2001

2 鋼結構設計規(guī)范（GB50017-2003），中國計劃出版社，2003

3裝配式公路鋼橋多用途使用手冊，人民交通出版社，2001

4建筑結構荷載規(guī)范(GB50009-2001) ，中國建筑工業(yè)出版社，2006

5公路橋涵施工技術規(guī)范（JTJ041-2000），人民交通出版社，2009

6建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術規(guī)范（JGJ 166-2008），中國建筑工業(yè)出版社，2009

作者簡介：張亞軍，男，1967年12月生人，1989年7月畢業(yè)于石家莊鐵道大學，現(xiàn)就職于中鐵十三局集團有限公司第四工程公司，任工程師。