赤滘口河特大橋跨北海河（80+150+150+80）m連續梁0#塊托架設計及應用

摘 要：通過莞惠輕軌赤滘口河特大橋跨北海河（80+150+150+80）m連續梁橋0#塊托架的設計及施工實例，重點介紹了尺寸長、體積大的0#塊托架的設計及受力驗算，為同類托架設計及施工起到一定的借鑒作用。

關鍵詞：連續梁橋；0#塊；托架；設計；驗算結果

1 工程簡介

莞惠輕軌赤滘口河特大橋跨北海河主橋在DK3+233.204～DK3+693.218處跨越北海河，111#～113#墩為（80+150+150+80）m連續梁橋主墩。其中橋墩主要采用普通混凝土圓端矩形實體墩，混凝土強度等級為C45，主墩墩高為9.36m/10.96m/5.89m，邊墩墩高8.54m/12.64m。111#～113#墩承臺均采用鋼筋混凝土結構，高5m，混凝土強度等級為C40。基礎均采用鉆孔灌注樁，主墩采用樁徑為？準2.2m摩擦樁14根，110#、114#邊墩采用樁徑為？準1.5m摩擦樁9根，樁基混凝土強度等級為C40。

主梁截面采用單箱單室、變高度、變截面結構，箱梁頂面寬11.6m，箱底寬6.5m。箱梁頂板厚50～80cm，按折線變化。底板厚50～100cm，按圓弧線變化。腹板厚50～90cm，按折線變化。全聯在端支點、中支點及跨中處共設置7道橫隔板，并設置孔洞，供檢查人員通過。連續梁全長459.7m，中支點截面中心線處梁高為11.5m，跨中2m直線段及邊跨5.85m直線段截面中心線處梁高為6.5m，梁底下緣按圓弧線變化，邊支座中心線至梁端0.8m，緩和曲線上梁按曲梁布置。

2 0#塊托架的設計

2.1 托架設計特點

本橋0#塊施工的主要特點為水上、高空作業，因此，作為主要承重構件，采用的托架要求具有以下幾個特點：

（1）拼裝必須簡單易行：由于在水上作業，施工平臺很難搭建，要求托架的拼裝工藝不能過于繁瑣，避免較多的組合或拼組工序；

（2）構件宜輕巧：水上高空作業中，起重設備不同于陸地低空作業，可以采用大噸位吊車等進行吊裝和拼裝，而只能采用塔吊來完成所有的起吊作業，由于在一定回旋半徑內，吊重能力有限，因此要求托架的各個構件重量不能突破塔吊起重的限值；

（3）托架剛度要大：由于托架整體設計要求簡潔，不宜采用過多的桿件，在荷載的傳遞上，也宜簡潔，大部為集中荷載，因此，對托架的主要桿件要求剛度要大，不能出現局部應力集中造成的破壞。

2.2 臨時支墩

在墩身兩邊澆筑4個直徑1.2m鋼筋混凝土0#塊臨時支墩，臨時支墩主筋預埋至承臺內，具體墩身配筋見施工圖。臨時支墩中間段預埋鋼板，用于臨時支墩之間和與主墩墩身之間的橫向連接。0#塊臨時支墩橫向位置設于兩側腹板處，直接支撐至0#塊內，頂部用M50砂漿找平并用塑料薄膜隔離混凝土接觸面。

2.3 托架牛腿

主墩0#塊底模采用0.6cm鋼板、[10槽鋼背帶組合模板，模板下部底板處與兩側側模擔梁處布置I32工字鋼縱梁，腹板處布置雙拼I32工字鋼。I32工字鋼縱梁架立于長12m雙拼I56工字鋼橫梁之上。I56工字鋼橫梁作用與托架牛腿橫撐之上。牛腿橫撐采用雙拼I45工字鋼，直接埋入臨時支墩，兩端懸臂出用雙拼I25工字鋼和雙拼[14槽鋼斜撐，斜撐工字鋼或槽鋼牢固焊接于臨時支墩預埋鋼板內（見圖2）。

2.4 0#塊托架預壓

托架拼裝好后通過吊裝沙袋方式進行預壓，以檢驗托架承重能力并消除托架的非彈性變形，預壓荷載等于0#塊懸出墩身部分重量的1.2倍。

3 0#塊結構計算模型建立

計算采用midas civil 7.8軟件，對連續梁主墩0#塊托架各構件、材料、約束與工況荷載進行模擬，最后達到計算檢驗的目的。

3.1 單元定義

0#塊托架各構件分三類單元進行模擬：

3.1.1 板單元

0#塊底模采用6mm厚Q235鋼板，0#塊鋼筋混凝土重力及各類施工荷載（除墩頂部分外），均直接作用在底模鋼板上。在計算模型中用板單元進行模擬。

3.1.2 梁單元

0#塊托架主要承壓受力構件（包括托架牛腿、托架橫梁、墊梁、底模橫梁、底模縱梁等）采用Q235級型鋼（I56、I45、I32、I25工字鋼，[10、[14槽鋼）組合而成，在計算模型中均用梁單元進行模擬。

3.1.3 實體單元

0#塊自重及施工荷載主要作用于主墩墩身（與墊石）及臨時支墩上，主墩墩身與臨時支墩均為鋼筋混凝土結構，在計算模型中均用實體單元進行模擬。

3.2 材料定義

0#塊托架計算模型分兩類材料進行模擬：

3.2.1 Q235級型鋼

0#塊托架牛腿、托架橫梁、墊梁、底模橫梁、底模縱梁、底模背肋等全部采用Q235級型鋼或者型鋼組合梁，部分連接板、加強肋板及底模板為Q235級鋼板。

3.2.2 C30、C45、C55混凝土

連續梁主墩墩身為C45混凝土，臨時支墩混凝土強度等級為C30，墩頂墊石采用C55混凝土進行照實模擬。

3.3 工況荷載定義

3.3.1 0#塊腹板荷載

連續梁上部結構為單箱單室，0#塊懸臂部分長4.5m，單邊兩個腹板，寬1.0m，至頂板高為11.5m。頂板部分（部分翼板）鋼筋混凝土重力同樣由兩邊腹板傳至托架，由此可知，0#塊托架腹板區域荷載為：

G腹=（1.0×11.5）×4.5m×2.6×9.8=1318.6kN

其中腹板受力區域模板面積為：

S腹=4.8×1.54=7.392m2

單位壓力P腹=G腹/S腹=1318.6kN/7.392m2=178.4kN/m2

3.3.2 0#塊底板荷載

0#塊底板區域荷載主要為0#塊懸臂部分底板、頂板及內模自重，加上機械荷載、人員荷載等組成，具體可簡算為：

G底=[（2.25×2×1.0）+（0.6×4.5）]×4.5m×2.6×9.8=825.55kN

其中底板受力區域模板面積為：

S底=4.8×4.5=21.6m2

單位壓力P底=G底/S底=825.55kN/21.6m2=38.225kN/m2

3.3.3 0#塊翼板荷載

0#塊托架翼板區域主要荷載為0#塊懸臂部分翼鋼筋混凝土自重，及0#塊外模重力荷載。

G翼=[（0.5×2.55）×4.5m×2.6+10]×9.8=244.19kN

其中翼板受力區域模板面積為：

S翼=4.8×1.38=6.624m2

單位壓力P翼=G翼/S翼=244.19kN/6.624m2=36.86kN/m2

3.3.4 施工荷載及結構自重

人員、機具等的荷載按2.5kN/m2計算（荷載分項系數按1.4計），

混凝土的振搗荷載按1kN/m2計算（荷載分項系數按1.4計）。

0#塊托架各個構件的重量在分析計算時由程序自動考慮（荷載分項系數按1.2計）。

3.4 約束定義

3.4.1 一般支撐

約束形式：軸向約束X、Y、Z方向，旋轉約束X、Y、Z方向；

定義點：主墩墩身底部及臨時支墩墩身底部。

3.4.2 彈性連接

約束形式：剛性連接

定義點：0#塊托架各類型鋼豎向連接點（牛腿與墊梁、墊梁與橫梁、橫梁與底模縱梁、縱梁與模板背帶之間）。

4 0#塊托架結構計算結果

4.1 0#塊托架整體驗算

4.1.1 變形值（構件撓度驗算）

經過midas civil 7.8軟件對掛籃模型計算，由上圖可知0#塊托架整體最大變形值為1.90mm，此變形值為各構件累計最大變形值，位于底板中部I32工字鋼縱梁及雙I45工字鋼橫梁處，可作為0#塊預壓理論依據。

0#塊托架變形分為彈性變形與非彈性變形，0#塊施工前前對托架進行預壓，消除非彈性變形，并測出彈性變形值；同時由于0#塊托架是由各類型鋼疊加組合而成，材料之間的擠壓縫隙也將根據材料情況而不同。計算模型中各構件均模擬為符合規范要求的新材料，所有焊接點與搭接處均滿足規范要求。

4.1.2 0#塊托架應力計算

經過midas civil 7.8軟件對托架模型計算，由上圖可知托架最大應力值為+98.2Mp和-82.1Mp，分別位于臨時支墩橫梁（雙I45工字鋼）位置和腹板縱梁（雙I32工字鋼）位置。

由計算可知：σ<1.3[σ]=1.3×145=188.5Mp滿足規范要求。

式中：[σ]為A3（Q235）鋼材容許應力值。

說明：托架最大應力值98.2Mp出現于雙拼I45工字鋼橫梁牛腿支點處，是因為梁單元彎應力與軸向應力在此處應力集中而引起的應力突變，可忽略此突變數據。在施工托架橫梁時，對橫梁支點處采用加勁板加固。

經計算，由上圖可知：

臨時支墩最大應為為5.14Mp<[Ra]=17.5Mp

式中：[Ra]為C30混凝土設計軸心抗壓強度。

4.2 0#塊托架牛腿橫梁驗算

4.2.1 橫梁變形值（構件撓度驗算）

連續梁橋主墩0#塊托架橫梁由雙拼I45工字鋼組成，分別布置于臨時支墩牛腿兩邊墊梁之上，用于承受0#塊底模縱梁（I32工字鋼）傳遞下來的所有荷載，再通過牛腿傳遞于臨時支墩上。

經過midas civil 7.8軟件對托架模型計算，橫梁最大變形為1.89mm。

fmax=1.89mm<12000/600=20mm，符合要求。

4.2.2 橫梁應力計算

經計算，由下圖可知：0#塊橫梁最大應力值為-98.2Mp，位于內側橫梁腹板底牛腿支墊處（同時也是托架整體應力集中處），如下圖所示：

可知：σ<1.3[σ]=1.3×145=188.5Mp滿足要求。

式中：[σ]為A3（Q235）鋼材容許應力值。

應力集中，可忽略集中最大值，由下應力圖可知，其他各部位應力值均較小。

4.3 0#塊托架牛腿驗算

連續梁主墩0#塊托架牛腿布置于臨時支墩頂部相應標高，由一根3m長雙拼工字鋼直接預埋至臨時支墩內，作為牛腿主要承重橫梁，而后用雙拼I25工字鋼與雙拼[14槽鋼分別斜撐于牛腿兩側。其橫梁受力如下圖所示：

4.3.1 臨時支墩、牛腿變形值（構件撓度驗算）

經過midas civil 7.8軟件對托架模型計算，由上圖可知臨時支墩與牛腿最大變形值為0.67mm，位于牛腿橫梁外端。

（1）臨時支墩：

[n]=FL/AEc=6.325×106N×12000mm/0.36×106mm2×3.3×104Mp=6.39mm

[n]>n=0.67mm，符合設計規范要求。

式中：F為混凝土容許軸心壓力；

L為臨時支墩受力點至承臺高度；

A為牛腿受力面積；

Ec為C40混凝土彈性模量。

（2）Q235牛腿橫梁：

fmax=0.67mm<3000/600=5mm，符合要求。

4.3.2 臨時支墩應力

經計算，由上圖可知臨時支墩與牛腿最應力值σ=95.2Mp，位于臨時支腿牛腿內側墊梁處。

可知：σ<1.3[σ]=1.3×145=188.5Mp滿足要求。

式中：[σ]為A3（Q235）鋼材容許應力值。

4.3.3 橫梁與斜撐焊縫驗算

軟件計算可得，牛腿處所受0#塊荷載為178.3kN，施工過程中焊縫高度hf=8mm，斜撐受力情況如下：

則焊縫長度應為：

l=■=■=264.8mm施工過程中焊縫長度能達到1132mm（雙拼I25工字鋼可焊接面），所以焊縫能夠滿足要求。

式中：T——焊縫受力；

hf——焊縫高度；

τ——抗剪強度。

5 計算結論

通過以上對主墩（111#，112#墩）0#塊牛腿托架的受力計算可知，該牛腿托架各結構穩定，各構件受力均衡，能承受北海河連續梁橋0#塊施工各類荷載，且有較大的安全系數。

6 結束語

在長、大箱梁0#節段的施工中，由于普通支架法施工時間長，桿件用量大，自重大，基礎承載面積大，對于水中低樁承臺根本無法實現。即使在高樁、大體積承臺上搭設普通支架，在加載過程中受各桿件及其連接處間隙影響，產生的非彈性變形和彈性變形都較大，即便實施預壓，也難以保證實際變形量滿足有關規范的要求，因此，無論是工期方面，還是技術可行性和經濟性上，都不盡人意。

本橋所采用的“臨時支墩+預埋牛腿焊接型鋼托架法”，單套托架實際總重8t，安裝僅用3d即可全部完成，經托架預壓試驗及0#塊混凝土澆筑的檢驗，托架總變形量最大僅3mm，完全滿足施工要求，具有組裝速度快、變形小、安全性高，經濟適用等優點，在一定意義上，可供同類橋梁施工借鑒。

參考文獻

[1]《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）.

[2]《鐵路橋梁鋼結構設計規范》（TB10002.2-2005）.

[3]《鐵路預應力混凝土連續梁（鋼構）懸臂澆筑施工技術指南》（TZ324-2010）.

[4]《路橋施工計算手冊》（2001.5）.