玉磨鐵路王四龍特大橋大尺寸0號段現澆支架方案設計探討

周腱

【摘 要】文章以玉溪至磨憨鐵路王四龍特大橋56 m+96 m+56 m連續梁施工為例，介紹了大跨度連續梁的大尺寸、大荷載0號段現澆支架的形式選擇、支架設計思路及最終方案，并對支架承受荷載的關鍵構件進行了承載驗算，為同類型0號段現澆支架設計提供一些設計思路。

【關鍵詞】大尺寸0號段;現澆支架選擇;落地式;鋼管柱;構件承載計算

【中圖分類號】U445 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）04-0089-04

0 前言

由于0號段不僅結構復雜且作為后續連續梁懸澆梁段的基準，其施工質量對連續梁整體的成型質量起到決定作用，所以連續梁0號段的尺寸、標高及線形必須達到高標準要求。故0號段現澆支架需具有高強度、高剛度，確保其安全穩固、沉降少，使成型后的0號段尺寸和標高準確。

本橋為大跨度連續梁，其0號段尺寸大，一次澆筑砼數量大，對支架產生的荷載值也是普通小跨度連續梁無法比擬的，故對其模板支撐體系的安全穩定性和承受荷載的能力提出了更高的要求。設計結構簡便、施工快速、高承載能力且經濟合理的0號段支架方案和臨時固結方案，是本項目施工的難點。

1 工程概況

玉溪至磨憨鐵路王四龍特大橋起訖樁號為D2K497+418.784～D2K498+591.4，橋梁總長1 172.616 m，主跨為56 m+96 m+56 m連續梁，連續梁全長為209.4 m，25、26號墩為主墩，墩身高度均為6.7 m。梁體設計采用變截面、變高度的單箱單室形式，箱梁梁頂寬度為7 m，底部寬度為4.8 m，梁頂板厚度為35～45 cm，底板厚度為44～70 cm，腹板厚為35～80 cm，中間厚度按拋物線變化。

連續梁0號段長度為12 m，墩頂處梁高度為7 m，梁底寬度為4.8 m，梁頂板厚度為45 cm，腹板厚度為80 cm，梁頂全寬為7 m（其中兩側翼板為1.05 m寬），每個0號段砼量為251.9 m3，節段重6 675.4 kN。本橋兩個“T”構采用4個菱形掛籃平行施工，“T”構0號段則采用支架現澆法施工。

2 0號段現澆施工支架方案的設計

2.1 支架方案形式的選擇

因為本橋25號、26號墩高度均僅為6.7 m，落地式支架較墩頂托架而言，具有支架結構簡單、受力明確、變形沉降少及安全、質量控制難度小等優點，所以考慮采用落地式支架。

常用的落地式支架有滿堂鋼管支架、鋼管柱式支架、鋼桁架支架（如貝雷桁架、萬能桿件等）等多種類型。本項目充分借鑒各種支架類型的優缺點，并結合本項目0號段的具體設計情況、施工條件等，經綜合比選后采用鋼管柱支架的形式。鋼管柱支架具有施工便簡、快速;因采用通長鋼管柱而減少了拼裝間隙而產生的沉降及變形;軸向受壓的鋼管柱承載能力強;施工成本低等優點。

2.2 支架設計思路及總體方案

2.2.1 臨時固結措施

連續梁掛籃懸澆施工時，為確保“T”構的安全穩定性，在橋墩兩側承臺上（0號段梁底）設置4個臨時支墩，臨時支墩采用直徑為1.3 m的鋼管，內灌C50砼，墩頂設置硫黃砂漿臨時支座。每個臨時支墩內預埋34根長度為3 m的φ25 mm螺紋鋼筋，螺紋鋼筋伸入臨時支墩及梁體砼內150 cm。在臨時支座處的箱梁內設置雙層φ25 mm，L=2.2 m的加強水平鋼筋網片，每層鋼筋數量均為15根、間距為15 cm。在支墩底部設錨固鋼板，鋼板下設4個螺栓，將鋼板固定在承臺上。

2.2.2 支架設計方案

（1）鋼管立柱：立柱采用φ609 mm×10 mm鋼管，共設置10根，立柱間采用槽鋼[10a連接件焊接連接，使支架聯結成穩定、安全的承載整體。因為承臺以外地基軟弱，承載能力差，如果將鋼管柱設立在承臺外，則基礎處理工程量非常大，不僅影響工期，而且增大施工成本，所以本項目的鋼管支柱均布置在一、二級承臺上。橋墩橫向側兩根鋼管柱需置于2級承臺上，因承臺寬度不足，支柱處2級承臺加寬30 cm。

（2）柱頂縱梁：柱頂設有落梁砂箱，縱梁為雙I45a“工”字鋼制成，擺放在砂箱上。在墩身頂部埋設6根通長的φ32 mm精軋螺紋鋼筋，中間縱梁近橋墩端焊接有與精軋螺紋鋼筋通過螺栓連接的鋼板（尺寸為500 mm×500 mm×25 mm），使支架與橋墩聯成穩固的承載傳力體系，精軋螺紋鋼筋按36 t進行張拉預緊[1]。因立柱布置在承臺上，柱頂縱梁的懸挑長度過長，荷載產生彎矩過大，采取設置雙I18“工”字鋼斜撐的措施，改善了縱梁的彎矩分布，從而可以使用較小型號的型鋼作縱梁，節約了施工成本。

（3）橫梁：橫梁擺放于柱頂的縱梁上，每側設置12根，采用I36a“工”字鋼，按間距0.4 m布置。

（4）三角桁架：三角桁架位于橫梁上，以形成底模的坡度。三角桁架為[10槽鋼焊接件，每側20榀，除了最外側間距按35 cm布設外，中部均按40 cm布設。

（5）翼緣下縱梁：在翼緣下采用I22a“工”字鋼作分配梁，分配梁擺放在橫梁上。

（6）橫向方木：在三角桁架上擺放橫向方木，方木尺寸為100 mm×100 mm，腹板下橫向方木滿鋪（即間距為10 cm），底板按20 cm布設。

（7）模板：橫向方木上為梁底模板，采用18 mm厚的竹膠板。0號段支架底部平面布置圖、側立面布置圖、正立面布置圖分別如圖1、圖2、圖3所示。

3 支架堆載預壓方案

當箱梁底模拼裝完畢后，對支架實施預加載試驗，驗證實際拼裝完成后的支架承載能力，并獲得支架實際的變形值（含彈性及非彈性），同時通過預加載消除支架的非彈性變形，最終依據實測數據計算底模標高設置值[2]。

采用砼預制塊施加荷載，砼預制塊按0號段砼重量分布壓載。預壓荷載重量按0號懸臂段施工總荷載的1.2倍加載。0號段每懸臂端需由支架承載砼的重量（經計算為175.5 t），模板荷載按20 t，其他施工荷載按1 t計，則每懸臂端施工荷載總量為196.5 t，則每端配重為1.2×196.5=235.8 t，取236 t，兩端總配重為472 t。

按3級（施工總荷載的60%、100%、120%）進行支架預加載的實施和數據觀測，每一級加載后支架的沉降值變化達到規范要求的穩定條件后，方進行下一級的實施和數據觀測，完成全部堆載并達到規范要求的穩定條件后按上述的逆順序分級卸載并觀測數據。

堆載按從支座開始向外側懸端的順序進行，橫橋向對稱均衡實施。在每側底模上設置3個觀測斷面，每個斷面設置3個觀測點，同時在支架的地基上對應的投影位置設置觀測點。在墩頂設標高基準點，采用水準儀觀測沉降并詳細記錄。

最終根據測量數據進行整理及分析，確定箱梁需設置的合理預拱度，并調整底模標高。

4 支架結構承載計算

4.1 荷載分析計算

（1）砼自重。砼容重按26.5 kN/m3。0號段砼最大截面面積為16.105 m2，最小截面面積為15.166 m2。懸臂段等截面（長度1.2 m）處砼的重量16.105×1.2×2.65=51.2 t;懸臂段截面變化（長度3 m）處砼的重量（16.105+15.166）/2×3×2.65=124.3 t。得砼總重=175.5 t。

（2）砼振搗：2 kN/m2。

（3）砼傾：4 kN/m2。

（4）模板：考慮4 kN/m2。

（5）人、料、機荷載：2.5 kN/m2。

4.2 荷載系數考慮及材料應力允許值

考慮荷載系數：靜載1.2，動載1.4。Q235鋼強度按[σ]=210 MPa、[τ]=110 MPa。方木強度按[σ]=13 MPa、[τ]=1.4 MPa。

4.3 支架關鍵承載構件驗算

4.3.1 橫向方木計算

橫向方木采用10 cm×10 cm方木，腹板區域滿鋪，其他區域按中對中間距20 cm布置。

（1）腹板區域。計算跨度0.4 m。q=1.2×（26.5×0.1×7+4×0.1）+1.4×（2.5人、料、機+2振+4砼傾）×0.1×1=23.93 kN·m。最大彎矩M=ql2/8=0.479 kN·m，δ=M/W=0.479 kN·m/166.7 cm3=2.87 MPa<13 MPa。最大剪力Q=ql/2=4.786 kN。τ=Q/A=4.786 kN/（10×10 cm）=0.48 MPa<1.4 MPa。

（2）箱室區域。q=1.2×（26.5×0.2×1.15+4×0.2）+1.4×（2.5人、料、機+2振+4砼傾）×0.2×1=8.274+2.38=10.65 kN·m<腹板均布荷載q=23.93 kN·m。由于腹板區域方木布置符合要求，計算跨度均取0.4 m，因此箱室區方木也符合要求。

4.3.2 I36a“工”字鋼橫梁計算

“工”字鋼間距為40 cm，計算長度為8.7 m，最不利區域為長度1.2 m等截面懸臂段，該段重量為51.2 t。單根“工”字鋼承受砼重量荷載：0.4×（512/1.2）=170.7 kN。模板荷載：4×0.4×7=11.2 kN。人、料、機械、振搗、砼傾的荷載：0.4×7×（2.5人、料、機+2振+4砼傾）=23.8 kN。總荷載：1.2×（170.7+11.2）+1.4×23.8=251.6 kN。考慮荷載全部由寬度為4.8 m的底板承受：q=251.6/4.8=52.4 kN·m。橫梁受力如圖4所示。

采用清華大學的結構力學求解器進行配合計算得：最大彎矩為-179.1 kN·m，δ=M/W=179.1 kN·m/875 cm3=204.7 MPa<210 MPa。最大剪力為109.3 kN，τ=Q/A=109.3 kN/76.3 cm2=14.3 MPa<110 MPa。最大豎向位移為1.525 mm<4 350/400=10 mm。

4.3.3 雙拼I45a“工”字鋼縱梁計算

梁體的砼重量為1 755 kN。模板荷載：7×4.2×4=117.6 kN。人、料、機械、振搗、砼傾：7×4.2×（2.5人、料、機+2振+4砼傾）=235.2 kN。總荷載：1.2×（1 755.1+117.6）+1.4×235.2=2576.52 kN。縱梁的橫向間距為4.35 m，根據縱梁布置進行面積劃分，邊縱梁主要承受區域Ⅰ和區域Ⅲ重量，中縱梁主要承受區域Ⅱ重量[3]，區域面積劃分如圖5所示。

區域Ⅰ和區域Ⅲ受力計算：Q=2576.52×2.043/16.105=326.84 kN，q=326.84/4.2=77.8 kN/m。區域Ⅱ受力計算：Q=2 576.5×12.019/16.105=1 922.82 kN，q=1 922.82/

4.2=457.8 kN。

（1）邊縱梁受力計算。邊縱梁受力如圖6所示。采用清華大學的結構力學求解器進行配合計算得：最大彎矩為-91.9 kN·m，δ=M/W=91.9 kN·m/（2×1 430 cm3）=32.1 MPa<210 MPa。最大剪力為201.6 kN，τ=Q/A=201.6 kN/（2×102 cm2）=9.9 MPa<110 MPa。最大豎向位移為0.568 mm<4 000/400=10 mm。

（2）中縱梁受力計算。中縱梁受力如圖7所示。采用清華大學的結構力學求解器進行配合計算（計算偏保守，未考慮臨時支墩受力）得：最大彎矩為-182.1 kN·m，δ=M/W=182.1 kN·m/（2×1 430 cm3）=63.7 MPa<210 MPa。最大剪力為548.8 kN，τ=Q/A=548.8 kN/（2×102 cm2）=26.9 MPa<110 MPa。最大豎向位移0.388 mm<2 000/400=5 mm。最大反力為R3=1 000.1 kN。

4.3.4 鋼管立柱穩定性計算

鋼管立柱直徑為609 mm，截面面積A=188.181 cm2，彎曲的計算長度Lx=650 cm，截面慣性矩Ix=84 423.116 cm4，容許長細比[λ]=150。根據中縱梁反力計算結果，鋼管最大反力為1 000.1 kN;同時，鋼管立柱承受縱梁斜撐傳遞的368.1 kN軸向壓力，故鋼管立柱承受的軸心壓力設計值=1 368.2 kN。回轉半徑ix=（Ix/A）1/2=（84 423.116/188.181）1/2=21.18 cm。長細比λx=Lx/ix=650/21.18=30.7<[λ]=150，剛度條件滿足要求。根據λ查表得穩定系數φ=0.933。穩定性檢算：σ=F/（φA）=1 368.2 kN/（0.933×188.181 cm2）=77.9 MPa<210 MPa。

4.3.5 雙I18斜撐穩定性計算

雙I18斜撐截面面積A=61.579 cm2，彎曲的計算長度Lx=240 cm，截面慣性矩Iy=1 624.105 cm4，容許長細比[λ]=150。斜撐豎向受力為368.1 kN，承受的軸力為1.414×368.1=520.49 kN，斜撐最大長度為239.78 cm，取值240 cm計算。回轉半徑ix=（Ix/A）1/2=（1624.105/61.579）1/2=5.14 cm。長細比λx=Lx/ix=240/5.14=46.7<[λ]=150，剛度條件滿足要求。根據λ查表得穩定系數φ=0.871。穩定性檢算：σ=F/（φA）=（520.49 kN）/（0.871×61.578 9 cm2）=97 MPa<210 MPa。從以上計算可知，所有關鍵承載構件均能滿足施工要求。

5 結語

本項目連續梁0號段支架方案經結構承載驗算及現場施工監測，證明該方案的安全性、穩固性、承載力等是符合施工要求的，并具有施工快速、沉降小、安全可行、低造價等優點。

參 考 文 獻

[1]丁任盛.鐵路客運專線連續多孔大跨徑橋梁懸臂施工技術[J].價值工程，2014（13）：105-108.

[2]唐光平，邢玉虎，任義.連續剛構橋0號塊托架反拉預壓施工技術[J].工程建設與設計，2019（21）：183-186.

[3]黃小良.萬盛特大連續剛構橋0號塊托架設計與承載力分析[J].公路，2014（11）：97-101.