高速公路樞紐互通鋼箱梁臨時(shí)支架設(shè)計(jì)及研究

王英森

（中鐵二十二局集團(tuán)第五工程有限公司 重慶 400700）

1 引言

隨著我國(guó)高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，鋼橋的建造數(shù)量在不斷地增加，特別在特長(zhǎng)跨海大橋、樞紐互通式立體高架橋中，鋼箱梁因其自重輕、抗扭性能好、施工速度快、施工可減少對(duì)交通的影響等優(yōu)點(diǎn)受到越來(lái)越多橋梁工程師的青睞和關(guān)注［1-4］。特別是近幾年以來(lái)，鋼箱梁發(fā)展應(yīng)用速度逐年加快，設(shè)計(jì)、制作、架設(shè)等經(jīng)驗(yàn)不斷積累，研究工作也有了相應(yīng)地進(jìn)展。

福州大學(xué)的趙秋、陳美忠、陳友杰收集了已知施工方法與跨徑的鋼箱梁橋共計(jì)18座，其中吊裝施工10座，頂推施工8座。結(jié)果表明，在大型吊裝設(shè)備可以應(yīng)用的情況下，吊裝施工跨徑的分布范圍比較大；而對(duì)于頂推施工，當(dāng)鋼箱梁跨徑較大時(shí)需采用設(shè)置臨時(shí)墩以調(diào)整頂推跨徑。但由于臨時(shí)墩僅在施工中使用，會(huì)增加橋梁施工費(fèi)用。因此臨時(shí)墩的使用和選擇數(shù)量需要綜合橋梁分跨、通航要求、造價(jià)和施工難易等因素綜合確定［5］。

長(zhǎng)安大學(xué)的王行耐和山東交通學(xué)院的彭霞針對(duì)青島海灣大橋滄口航道斜拉橋鋼箱梁大節(jié)段施工，其海上安裝高度高、節(jié)段自重大及施工工期長(zhǎng)等特點(diǎn)，對(duì)鋼箱梁安裝臨時(shí)支架進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)臨時(shí)支架的構(gòu)造細(xì)節(jié)和安裝順序進(jìn)行了介紹；并采用MIDAS建立了其空間有限元模型，參照現(xiàn)行的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范，確定相關(guān)計(jì)算參數(shù)、工況和計(jì)算荷載，對(duì)支架整體結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力和振動(dòng)特性進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果表明鋼箱梁安裝臨時(shí)支架在各種工況下強(qiáng)度及變形滿足要求，且具有較大的安全儲(chǔ)備［6］。

武漢一冶鋼構(gòu)公司的胡俊華、吳夢(mèng)先以武漢市二環(huán)線漢口段鋼箱梁臨時(shí)支架為例，該支架采用鋼管格構(gòu)柱+熱軋H型鋼梁，所有構(gòu)件之間均采用螺栓連接。采用空間鋼結(jié)構(gòu)軟件3D3S對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從臨時(shí)支架應(yīng)用效果來(lái)看，支架橫梁的撓度、鋼柱的水平位移和支架體系的沉降等均滿足規(guī)范要求，其正確性和合理性得到了驗(yàn)證［7］。

由此可見，目前鋼箱梁的施工方法中，臨時(shí)支架法是應(yīng)用最為廣泛，也是安全系數(shù)最高的一種方法。一般的鋼箱梁架設(shè)施工是根據(jù)不同的節(jié)段長(zhǎng)度，在地面相應(yīng)位置搭設(shè)鋼管臨時(shí)支架，經(jīng)鋼箱梁吊裝、焊接并經(jīng)檢測(cè)合格后再拆除支架，施工耗時(shí)較長(zhǎng)，工期、成本不易控制，特別是在跨越高速公路時(shí)，其對(duì)工期、安全性等方面要求更為苛刻。必須要設(shè)計(jì)一種快速搭設(shè)及拆除的支架來(lái)適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下鋼箱梁的施工。

2 工程概況

潼榮高速公路開元樞紐互通式立體交叉鋼箱梁位于重慶市潼南縣榮昌區(qū)榮隆鎮(zhèn)半邊街，與既有成渝高速公路形成互通換乘（見圖1）。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用鋼箱梁，主要包括主線橋左右幅、A匝道、B匝道、C匝道、D匝道共六聯(lián)橋。主線橋鋼箱梁分左右幅，主橋左幅采用25.65 m+43 m+23.35 m三跨一聯(lián)的鋼箱梁；主橋右幅采用23.35 m+43 m+25.65 m三跨一聯(lián)的鋼箱梁。A、B、C、D匝道鋼箱梁主梁均采用25 m+40 m+25 m三跨一聯(lián)的鋼箱梁。六座鋼箱梁總長(zhǎng)分別95 m、95 m、90 m、90 m、90 m、90 m。六聯(lián)橋全部上跨成渝高速，鋼箱梁先在工廠內(nèi)分段預(yù)制，再運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，分段采用汽車吊和臨時(shí)支架吊裝，邊跨直接使用汽車吊吊裝?？绯捎甯咚俚牧憾?，采用先后臨時(shí)封閉成渝高速左右幅路，再使用汽車吊進(jìn)行吊裝施工的方案。

圖1 潼榮高速公路開元樞紐互通平面

3 鋼箱梁總體安裝方案

本工程鋼箱梁安裝采用臨時(shí)支架法安裝。通過(guò)起吊設(shè)備按各節(jié)段順序架設(shè)至臨時(shí)支架上，調(diào)整節(jié)段高程、平面線形及節(jié)段間距，確認(rèn)無(wú)誤后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接，最終連成整體。

考慮現(xiàn)場(chǎng)安裝方便性與結(jié)構(gòu)安全性，主要將鋼箱梁劃分為兩個(gè)類型的節(jié)段：端橫梁節(jié)段、跨中橋面系節(jié)段?，F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行節(jié)段吊裝時(shí)，首先吊裝端橫梁節(jié)段，調(diào)整各個(gè)橫梁節(jié)段坐標(biāo)位置，完成定位后與下部臨時(shí)支架固定（固定采用碼板焊接方式連接）。完成所有端橫梁節(jié)段吊裝定位及固定施工后，吊裝各個(gè)跨中橋面系節(jié)段，同時(shí)完成節(jié)段之間環(huán)縫焊接。

鋼箱梁全部在廠內(nèi)加工完成，通過(guò)公路運(yùn)輸運(yùn)至橋位附近，再通過(guò)平車轉(zhuǎn)運(yùn)至吊裝場(chǎng)地。

4 臨時(shí)支架設(shè)計(jì)及安裝與拆除

4．1 臨時(shí)支架設(shè)計(jì)

為快速完成臨時(shí)支架的搭設(shè)及拆除，減少支架拼裝、焊接等工序?qū)扔懈咚俟返母蓴_，保證車輛運(yùn)行、施工作業(yè)人員的安全，本工程采用一種整體的鋼管井式臨時(shí)支架體系，該臨時(shí)支架體系分別由基礎(chǔ)、鋼格構(gòu)、頂部橫梁以及調(diào)節(jié)管等部分組成。

（1）基礎(chǔ)

基礎(chǔ)采用C30鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，尺寸根據(jù)鋼管立柱搭設(shè)的范圍而定。對(duì)于主線橋支架橫向設(shè)置4根鋼管立柱，匝道橋支架設(shè)置3根鋼管立柱。其高度一般設(shè)為0.6 m，在基礎(chǔ)頂面預(yù)埋500×500×20 mm的鋼板，以與鋼管立柱進(jìn)行焊接固定（見圖2）。

圖2 鋼管井式支架基礎(chǔ)平面（單位：mm）

（2）鋼格構(gòu)

鋼格構(gòu)由鋼管、槽鋼與鋼板焊接組裝而成［8-10］。其中立柱鋼管采用φ478×10 mm的鋼管，立柱連接桿件采用 16槽鋼，鋼管立柱頂部封板采用14 mm厚鋼板（見圖3）。

（3）頂部橫梁

頂部橫梁采用雙拼40工字鋼，必要時(shí)翼緣板兩側(cè)采用10 mm以上鋼板加強(qiáng)，間隔1～2 m，作為鋼箱梁的調(diào)節(jié)管支承擱置點(diǎn)。橫梁同時(shí)也是連接立柱成為整體的主要構(gòu)件（見圖3）。

（4）調(diào)節(jié)管

調(diào)節(jié)管采用φ273×10 mm的鋼管，主要是為了調(diào)節(jié)立柱支架的高度，同時(shí)也便于總支架的拆除，高度控制在0.4 m以內(nèi)（見圖3）。

4．2 臨時(shí)支架安裝

圖3 鋼管井式支架體系

為了最大限度地減少臨時(shí)支架體系拼裝及焊接等作業(yè)對(duì)既有高速公路的影響，保證車輛通行及作業(yè)人員人身安全，所有臨時(shí)支架全部在預(yù)制廠內(nèi)拼裝焊接完成，再運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)，由吊車進(jìn)行一次性整體吊裝（見圖4）。

各個(gè)臨時(shí)支架體系高度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)高程及鋼箱梁底面高程之差進(jìn)行控制。在吊裝到位后，可根據(jù)頂部的調(diào)節(jié)管進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，以確保能夠與鋼箱梁精確相接，保證橋梁線形。

圖4 臨時(shí)支架體系的吊裝與固定

4．3 臨時(shí)支架體系結(jié)構(gòu)計(jì)算

4．3．1 臨時(shí)支架體系基礎(chǔ)計(jì)算

以主線橋支架體系為例進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。主線橋支架體系平臺(tái)采用C30混凝土上放置鋼管樁，鋼管樁上放置分配梁，鋼管樁中心距橫向2.5 m，縱向間距2 m，鋼管樁與混凝土基礎(chǔ)連接方式采用預(yù)埋件連接。

基礎(chǔ)截面反力 A＝94 kN，B＝184 kN，C＝170 kN，D＝137 kN。合力Fk＝94+184+170+137＝585 kN；偏心距 e0＝（94×0.5+184×3+170×5.5+137×8）／585-8.5／2＝4.46-8.5／2＝0.2；彎矩Mk＝585×0.2＝117 kN·m；基底面積 A＝8.5×0.8＝6.8 m2，則基底抵抗矩 W＝1／6×0.8×8.5×8.5＝9.63 m3。

基底應(yīng)力：

計(jì)算其最大基底應(yīng)力為113.2 kPa，施工時(shí)應(yīng)對(duì)基底承載力進(jìn)行檢測(cè)，其承載力不應(yīng)小于113.2 kPa。

抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算：

4．3．2 臨時(shí)支架計(jì)算

采用大型有限元計(jì)算軟件 Midas／civil［11］，以圖紙為依據(jù)進(jìn)行建模計(jì)算，對(duì)其在施工載荷下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核。根據(jù)鋼箱梁的安裝過(guò)程，主要計(jì)算在施工過(guò)程中立柱支架系統(tǒng)的強(qiáng)度、剛度及整體穩(wěn)定性是否滿足許用要求。根據(jù)初步計(jì)算得知在不同工況下支架受力不同，其工況主要包括A、B、C三個(gè)工況。

A工況：計(jì)算支架在兩側(cè)鋼箱梁同時(shí)加載時(shí)的強(qiáng)度、剛度與整體穩(wěn)定性；B工況：計(jì)算支架在單側(cè)鋼箱梁加載的強(qiáng)度、剛度與整體穩(wěn)定性；C工況：計(jì)算支架在一側(cè)一個(gè)節(jié)段鋼箱梁加載時(shí)的強(qiáng)度、剛度與整體穩(wěn)定性。

（1）A工況計(jì)算分析

約束及荷載：鋼箱梁節(jié)段最大重量為102 t，轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)荷載，每個(gè)立柱受節(jié)點(diǎn)荷載Fz＝8.5 t。

立柱節(jié)點(diǎn)受力見圖5。

圖5 立柱節(jié)點(diǎn)荷載（單位：t）

強(qiáng)度計(jì)算見圖6。強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果：荷載組合＝1.2×自重+1.4×Fz。最大綜合應(yīng)力為20.2 MPa，位于支架立柱上。

剛度計(jì)算見圖7。剛度計(jì)算結(jié)果：荷載組合＝1.2×自重+1.4×Fz。最大撓度為1.6 mm，位于分配梁上。

圖7 A工況下剛度計(jì)算受力圖

圖6 A工況下強(qiáng)度計(jì)算

反力計(jì)算結(jié)果：荷載組合＝1.2×自重+1.4×Fz。支架最大反力為25.4 t，最小反力為12.8 t。

整體穩(wěn)定性計(jì)算見圖8。整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果：一階模態(tài)臨界載荷系數(shù)K＝6.8。

圖8 A工況下整體穩(wěn)定性計(jì)算受力圖

（2）B工況計(jì)算分析

強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果：荷載組合＝1.2×自重+1.4×Fz。最大綜合應(yīng)力20.2 MPa，位于支架立柱上。

剛度計(jì)算結(jié)果：荷載組合＝1.2×自重+1.4×Fz。最大撓度為2.5 mm，位于分配梁上。

反力計(jì)算結(jié)果：荷載組合＝1.2×自重+1.4×Fz。支架最大反為25.3 t，最小反力為2 t。

整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果：一階模態(tài)臨界載荷系數(shù)K＝12.8。

（3）C工況計(jì)算分析

強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果：荷載組合＝1.2×自重+1.4×Fz。最大綜合應(yīng)力為18.2 MPa，位于支架立柱上。

剛度計(jì)算結(jié)果：荷載組合＝1.2×自重+1.4×Fz。最大撓度為1.13 mm，位于在分配梁上。

反力計(jì)算結(jié)果：荷載組合＝1.2×自重+1.4×Fz。支架最大反力為15 t，最小反力為2.1 t。

整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果：一階模態(tài)臨界載荷系數(shù)K＝26.1。

經(jīng)以上計(jì)算分析可知，采用鋼管井式支架體系進(jìn)行鋼箱梁的架設(shè)施工，其支架基底承載力不應(yīng)小于113.2 kPa即可滿足要求；支架在兩側(cè)鋼箱梁同時(shí)加載與在單側(cè)鋼箱梁加載，其應(yīng)力集中于立柱上，最大為20.2 MPa；支架在單側(cè)鋼箱梁加載時(shí)，分配梁上承受的剛度最大，為2.5 mm；支架在一側(cè)一個(gè)節(jié)段鋼箱梁加載時(shí)，支架整體穩(wěn)定性最好，其一階模態(tài)臨界載荷系數(shù)K＝26.1；支架在兩側(cè)鋼箱梁同時(shí)加載時(shí)，支架整體穩(wěn)定性最差，其一階模態(tài)臨界載荷系數(shù)K＝6.8。

4．4 臨時(shí)支架拆除

全橋整體吊裝并焊接完成，焊接無(wú)損檢測(cè)全部合格后方可進(jìn)行臨時(shí)支架的拆除［12］?？绯捎甯咚俟放R時(shí)支架拆除方法為半幅支架拆除后進(jìn)行另半幅支架拆除，其他部分主要由中間向兩側(cè)對(duì)稱進(jìn)行拆除。根據(jù)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算以及設(shè)計(jì)規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)拼裝完成后，由于自重影響，臨時(shí)支架支撐位置鋼箱梁結(jié)構(gòu)將會(huì)產(chǎn)生3～4 mm下?lián)希虼嗽谶M(jìn)行卸載施工時(shí)，可直接通過(guò)氣焰切割的方法割除下部支撐調(diào)節(jié)管進(jìn)行鋼箱梁的快速卸落（見圖9），卸落完成后采用運(yùn)輸車轉(zhuǎn)移施工現(xiàn)場(chǎng)。

圖9 臨時(shí)支架拆除示意

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)本工程實(shí)踐，并結(jié)合有限元計(jì)算軟件的計(jì)算分析，鋼管井式整體支架可以快速、高效地完成復(fù)雜條件下高速公路樞紐互通鋼箱梁的架設(shè)施工，且支架安全穩(wěn)定性較好，可為類似工程施工提供借鑒。主要得到如下結(jié)論：

（1）在復(fù)雜條件高速公路樞紐互通鋼箱梁架設(shè)施工中，應(yīng)盡量采用工廠化支架集中加工方法，一次性整體吊裝支架體系，減少對(duì)既有高速公路的干擾及影響。

（2）采用鋼管井式支架體系進(jìn)行鋼箱梁的架設(shè)施工，其支架基底承載力應(yīng)在113.2 kPa以上即可滿足要求。在一般情況下天然地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的地基承載力均在100 kPa以上，由此可知一般的天然地基均可滿足該支架體系的承載力要求。

（3）在單側(cè)鋼箱梁加載時(shí)，立柱上應(yīng)力最大、分配梁上承受的剛度最大，應(yīng)盡量縮短單側(cè)鋼箱梁加載的時(shí)間，盡早施作另一側(cè)鋼箱梁，以保持支架受力合理。