超寬箱梁0#塊鋼管支架設(shè)計(jì)與施工

成先偉

（上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司，上海市 200433）

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的大力發(fā)展，越來越多的大橋如雨后春筍般在我國的大江南北林立而起，同時(shí)也帶動了先進(jìn)施工技術(shù)的大力發(fā)展與應(yīng)用。

在大橋、特大橋施工中，懸壁掛籃法已經(jīng)是一種成熟的施工技術(shù)，但在水深、墩高的橋梁的0#塊施工中，選擇何種0#支架形式、如何搭設(shè)支架，是主梁施工的關(guān)鍵性工作[1-3]。

1 工程概況

肇慶閱江大橋位于廣東省肇慶市，全長3.837 km，主橋?yàn)?60 m+320 m+160 m中央單索面斜拉橋。

承臺平面尺寸31.159 m×22.5 m，高5 m，下設(shè)18根φ2.5 m鉆孔灌注樁。

主墩為雙肢薄壁墩，標(biāo)準(zhǔn)段平面尺寸15 m×2.2 m，高22.965 m。底部與頂部有5 m高的變截面段，最大平面尺寸為15 m×2.7 m。

主梁為單箱五室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，箱梁頂寬33.5 m，底寬12 m，高3.7 m。0#塊長30 m，采用C60丙烯纖維高強(qiáng)混凝土，總設(shè)計(jì)混凝土方量 1 322.2 m3，見圖1。

圖1 主橋0#塊斷面圖(單位:cm)

2 鋼管支架優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 鋼管支架結(jié)構(gòu)組成

鋼管支架的主要功能是為超寬箱梁施工提供臨時(shí)支撐，是確保梁體順利施工最重要的大型臨時(shí)工程結(jié)構(gòu)之一[1]。

主梁0#塊作為主橋的首個(gè)節(jié)段，其成型后又為后續(xù)節(jié)段的掛籃安裝及施工提供基準(zhǔn)。0#塊節(jié)段的標(biāo)高、軸線、成橋線型直接關(guān)系到全橋施工的質(zhì)量。

結(jié)合橋位特點(diǎn)及項(xiàng)目特征，經(jīng)過了前期多種方案比選，確定以主墩承臺為基礎(chǔ)依托，采用鋼管支架進(jìn)行0#節(jié)段施工。

支架體系為28根φ820 mm壁厚10 mm立柱鋼管，橫向采用φ630 mm，壁厚7 mm鋼管作為平聯(lián)。雙肢薄壁墩間采用牛腿支撐，墩間區(qū)域采用雙排HM588 mm×300 mm型鋼作橫向分配梁，其它區(qū)域采用裝配式貝雷片作縱向承重結(jié)構(gòu)，其上依次是I20a工字鋼、方木及模板體系。承臺施工時(shí)提前預(yù)埋鋼板，立柱鋼管與預(yù)埋鋼板焊接固定；并與雙肢薄壁墩上的預(yù)埋件通過鉸接增強(qiáng)橫向穩(wěn)定性，使整個(gè)支架形成一個(gè)整體框架結(jié)構(gòu)，見圖2。

圖2 鋼管支架布置圖(單位:cm)

2.2 鋼管支架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）利用承臺作為剛性支撐，并通過在承臺施工過程中預(yù)埋鋼板形成立柱鋼管的剛性支撐基礎(chǔ)，減少了整個(gè)鋼管支架的非彈性變形因素。

（2）雙肢薄壁墩間采用在立柱內(nèi)側(cè)預(yù)埋牛腿，簡化了狹小空間的支承結(jié)構(gòu)，施工便捷。

（3）采用貝雷片作縱向承重結(jié)構(gòu)，易于拼裝，縮短了支架拼裝時(shí)間，大大節(jié)約了工期。

（4）支架與雙肢薄壁墩通過附墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行鉸接，增加了支架橫向穩(wěn)定性。

3 鋼管支架設(shè)計(jì)驗(yàn)算

3.1 計(jì)算參數(shù)

3.1.1 計(jì)算荷載

混凝土荷載：26.5 kN/m3；

模板荷載：2 kPa；

施工荷載：2.5 kPa；

模板荷載：2 kPa；

正常工作風(fēng)速：V0=24.4 m/s；

最大風(fēng)速：V=34 m/s；

風(fēng)載Fwh=K0K1K3WdAwh。

3.1.2 材料特性

材料特性見表1。

表1 材料特性表

3.1.2 材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

依照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，Q235B鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值如下：

彎應(yīng)力：f=215 MPa；

剪應(yīng)力：fv=125 MPa。

3.2 支架工況

工況一：支架搭設(shè)完成，未澆筑混凝土；

自重+模板+風(fēng)荷載（最大風(fēng)速34 m/s）。

工況二：澆筑混凝土過程中；

自重+模板+風(fēng)荷載（工作風(fēng)速24.4 m/s）。

荷載組合見表2。

表2 荷載組合系數(shù)

3.3 邊界條件

立柱與承臺固接，連墻件鉸接，主橫梁與鋼立柱頂、平聯(lián)間為固接，貝雷梁與下橫梁鉸接。

建立支架有限元模型，見圖3。

3.4 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算模型見圖4、圖5。計(jì)算結(jié)果見表3～表7。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果對相應(yīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定性驗(yàn)算，結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。

4 鋼管支架施工

4.1 施工流程

測量放樣→承臺施工時(shí)預(yù)埋鋼板→雙肢薄壁墩施工時(shí)預(yù)埋牛腿及附墻預(yù)埋件→場外分段分塊焊接鋼管支架→分塊安裝鋼管支架、平聯(lián)、橫向扶墻件→鋼管/牛腿頂抄平（安裝卸荷砂桶）→安放雙拼HM588 mm×300 mm橫向分配梁（抄平）→安放貝雷片桁架→安放I20a小分配梁→（兩側(cè)翼板安裝滿堂支架）→安裝模板系統(tǒng)→1.1倍荷載預(yù)壓→梁體施工→鋼管支架拆除。

圖3 鋼管支架有限元模型(單位:mm)

圖4 工況一 組合1計(jì)算結(jié)果(單位:mm)

圖5 工況二 組合3計(jì)算結(jié)果(單位:mm)

表3 計(jì)算結(jié)果匯總

表4 鋼管支架位移

表5 鋼管立柱柱腳反力

表6 附墻反力（鉸接）

表7 牛腿反力（固結(jié)）

4.2 支架制作

受制作場地、運(yùn)輸?shù)跹b重量等限制，將鋼支架按順橋向分成平面桁架進(jìn)行制作。

制作工序包括選料、下料、鉆孔、坡口加工、組對，焊接、整形、初檢、預(yù)拼裝，各工序的施工要嚴(yán)格遵守規(guī)范進(jìn)行。

（1）鋼材必須有生產(chǎn)廠家出具的產(chǎn)品合格證及材質(zhì)報(bào)告。

（2）下料應(yīng)根據(jù)圖紙要求，保證幾何形狀和尺寸誤差在規(guī)范范圍內(nèi)，調(diào)整好切割工藝參數(shù)，防止割紋深度、邊緣缺棱等缺陷。

（3）各主要構(gòu)件拼接焊縫質(zhì)量要求達(dá)到二級焊縫標(biāo)準(zhǔn)，外觀應(yīng)防止氣孔、夾渣、弧坑等缺陷的產(chǎn)生。

（4）錨板鉆孔前的劃線應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場預(yù)埋件上實(shí)際預(yù)埋孔進(jìn)行測量放線。在打孔時(shí)，先打中心孔，再打十字孔，貫徹一輕、二重、三定的原則，如孔徑過大時(shí)，應(yīng)先鉆小孔，再用規(guī)定孔徑的鉆頭鉆孔。轉(zhuǎn)速和進(jìn)刀量根據(jù)孔徑進(jìn)行選擇，將孔距偏移控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

（5）平聯(lián)、斜撐和立柱連接，應(yīng)放相貫線大樣。在連接時(shí)，誤差值不得超過規(guī)范要求。

（6）所有部件的臨時(shí)點(diǎn)焊均應(yīng)保證在吊運(yùn)及工件翻轉(zhuǎn)時(shí)，不出現(xiàn)焊縫開裂和變形的產(chǎn)生。

（7）應(yīng)采用合理的焊接順序，嚴(yán)格控制焊接變形，調(diào)節(jié)好焊接參數(shù)，保證焊縫滿足設(shè)計(jì)要求，外觀成型應(yīng)美觀，避免氣孔、咬邊、未融合、弧坑等缺陷的產(chǎn)生，焊完后，應(yīng)編號堆放。

4.3 支架安裝

鋼桁架從加工場地運(yùn)輸?shù)狡脚_位置后，利用塔吊進(jìn)行現(xiàn)場的安裝，順序如下：

步驟一：進(jìn)行第一層安裝、對其進(jìn)行位置校正、垂直度調(diào)整、焊接固定柱腳，然后安裝之間平聯(lián)，使之成為框架結(jié)構(gòu)；

步驟二：安裝扶墻結(jié)構(gòu)；

步驟三：重復(fù)上述過程，安裝至頂層桁架和平聯(lián)結(jié)構(gòu)；

步驟四：焊接墩柱內(nèi)側(cè)牛腿結(jié)構(gòu)及卸荷塊；

步驟五：安裝橫向承重梁結(jié)構(gòu)；

步驟六：安裝模板系統(tǒng)。

4.4 支架預(yù)壓

為消除鋼管支架系統(tǒng)的非彈性變形，為另一個(gè)0#塊支架提供彈性變形參考數(shù)據(jù)，拼裝完成后按1.1倍荷載對鋼管支架進(jìn)行預(yù)壓。

預(yù)壓材料采用鋼筋和沙袋，根據(jù)0#塊的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行三級堆載（50%、80%、110%），在接近支架實(shí)際受力的情況下測出支架彈性變形和非彈性變形值。

預(yù)壓后監(jiān)測結(jié)果顯示，支架豎向彈性變形為11 mm，非彈性變形為3 mm。在肇慶閱江大橋另外一個(gè)主梁鋼管支架安裝時(shí)，將模板預(yù)拋高11 mm，實(shí)際變形±2 mm以內(nèi)，施工后尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。

4.5 支架拆除

鋼管支架在0#段掛籃安裝前擇機(jī)拆除。

滿足支架拆除條件時(shí)，先拆除斜腹板、翼緣板位置處鋼管架，再用卸荷塊卸荷，讓平臺距梁底有一定空間，可供人員進(jìn)入逐件撤出各個(gè)構(gòu)件。然后從上至下依次拆除各構(gòu)件。

在箱梁底板上預(yù)留孔，穿鋼絲繩及倒鏈吊住支架構(gòu)件，然后斷開平聯(lián)銷接連接、分段割除立桿，使拆除支架的重量由四個(gè)5 t手動葫蘆倒鏈承受，再緩慢下放支架。

5 結(jié)語

（1）以主墩承臺為鋼管支架基礎(chǔ)，采用鋼管支架進(jìn)行主梁0#塊施工，避免了在深水中打設(shè)鋼管樁，減小了非彈性變形，提高了施工安全性。

（2）采用鋼管支架分塊制作再組拼的方式，減少了高空作業(yè)工作量，有利用于焊接質(zhì)量控制，提高了支架安裝速度，節(jié)約了施工工期。

（3）按實(shí)際荷載分布對支架體系進(jìn)行預(yù)壓，為相同的鋼管支架提供了非彈性變形參考值。

（4）采用傳統(tǒng)的鋼管支架施工方法，結(jié)構(gòu)受力明確、傳力清晰，加之采用科學(xué)合理的有限元方法進(jìn)行受力分析，為結(jié)構(gòu)的受力安全提供了有效的保證。