懸臂施工0#塊臨時支撐設計探析

夏榮泉 （合肥信睦工程建設有限公司，安徽 合肥 230011）

0 引言

懸臂澆筑法是連續梁施工中最為常，也是最為重要的一種方法，該方法以澆筑好的0#塊為依托，利用掛籃沿墩身的兩邊分節段的澆筑箱梁混凝土。0#塊作為整個懸澆梁施工的基礎部分，具有梁高體大的特點，是施工的重難點，0#塊的臨時支撐體系是保證施工的關鍵結構，因此，對做好0#塊臨時支撐體系的設計進行研究是十分有必要的。本文以溫嶺跨甬臺溫鐵路特大橋36m+56m+36m（24#～27#墩）連續梁為研究對象，設計了0#塊托架結構，并通過有限元軟件對0#塊托架進行受力分析，結合施工的實際情況優化設計，針對施工過程中的要點進行探究，供類似的臨時支撐結構設計參考。

1 工程概況

懸臂澆筑法施工，起止里程為DK234+165.38～DK234+295.08，上跨國道G104復線。

24#墩～27#墩主橋平面位于緩和曲線上，縱斷面為20‰下坡，橋面橫坡為雙向2%。梁體為單箱單室、變高度、變截面結構。箱梁頂寬12.6m，箱梁底寬7.6m。頂板厚度38.5cm；底板厚度40 cm～80cm，底板下緣按拋物線變化至中支點梁根部，中支點處加厚到110cm；腹板厚48 cm～90cm,按折線變化。

梁全長為129.5m，中支點處梁高4.335m，邊支點梁高3.035m，邊支座中心線至梁端0.75m。梁底下緣按拋物線變化，拋物線方程為y=0.0027481x2。

全聯共分31個梁段，A0號梁段長度9m，一般梁段分成3.5m、4m，合龍段長2m，邊跨直線段長7.75m，最大懸臂澆筑梁段重1318.2kN。

2 方案設計

2.1 方案比選

懸澆梁常用的0#塊施工方法有落地支架法和預埋懸臂式托架法，考慮到25#、26#墩墩柱較高，且跨G104復線，落地支架法施工難度較大且阻礙交通，不適宜在此項目應用，因而0#塊采用墩身預埋牛腿托架法施工。通過在墩身預埋輟板，安裝牛腿托架托盤，支撐起0#塊。施工托架采用φ325×10無縫鋼管牛腿斜撐，結構簡便、受力清晰，每個梁每側設置4組牛腿。各桿件與預埋鋼板之間采用節點板連接，牛腿托架各個桿件之間采用栓接。墩身預埋Q345B鋼板，每個鋼板上預留4個孔，墩身內部預留φ4.8cm鋼管，前后通過φ32精軋螺紋鋼對拉住鋼板。橫向分配梁采用40b雙背槽鋼，上設I25b工字鋼縱向分配梁，橫向分配梁與牛腿縱梁間采用沙箱，方便脫模。

2.2 托架設計

托架結構由橫向分配梁、縱向分配梁、牛腿斜撐、牛腿縱梁、調坡支架、Φ 32mm精軋螺紋鋼、鋼箱支座及插銷組成；鋼箱支座安裝與墩身預埋板通過貫穿墩身兩側的Φ=32mm的精軋螺紋鋼對拉固定，牛腿縱梁與斜撐之間以及縱梁與鋼箱支座、斜撐與鋼箱支座均采用Φ48.5mm插銷連接；牛腿縱梁采用2[18b槽鋼，斜撐采用Φ325×10mm無縫鋼管；牛腿上調坡支架選用Φ45×3.5mm鋼管支架，建立在工字鋼縱向分配梁上；橫向分配梁與牛腿間采用沙箱，方便脫模，沙箱底座與牛腿頂支點焊接連接；牛腿及預埋支座在加工廠內定制焊接，如圖1、圖2所示。

圖1 托架結構縱向布置圖

圖2 托架結構橫向布置圖

2.3 臨時支座和臨時錨固

臨時支座采用C50的混凝土澆注，臨時支座與永久支座同高。每個主墩設置4個臨時支墩，支墩尺寸為2×0.45m。每個支墩采用φ32螺紋鋼筋，在箱梁和0#塊施工時，進行鋼筋綁扎和預埋，預埋鋼筋56根（15組3根，11組1根），每根預埋鋼筋長3.14m，Φ32mm螺紋鋼筋，沿支座外側布置，錨入梁內1.0m，錨入墩內1.2m。兩端設置15cm直角彎鉤，沿支座外側布置，3根一組的螺紋鋼筋沿支墩長邊方向布置間距為13cm，一個支墩15組，1根一組的螺紋鋼筋沿支墩長邊方向布置間距為18cm，一個支墩11組。

圖3 臨時固結布置圖

3 計算分析

3.1 計算荷載

計算荷載包括永久荷載（新澆混凝土荷載、模板支架自重荷載、新澆混凝土對側模荷載、鋼管支架和三角牛腿自重）和可變荷載（施工人員及設備自重荷載2.5kPa、傾倒混凝土產生的沖擊荷載2.0kPa和振搗產生的沖擊荷載2.0kPa、混凝土超灌系數1.05）。

各計算位置的恒載及活載之和，其中恒載分項系數取1.2，活載分項系數取1.4。

根據縱梁分布間距，對底縱梁承受的梁體截面進行了劃分，共劃分為5個區域。對底縱梁上分布的荷載面積通過CAD量取，并根據荷載取值及荷載組合要求，以最高截面計算出混凝土澆筑荷載，如下表所示。

底縱梁上的荷載

3.2 模型建立

由于結構均為梁單元，故使用Midas/civil建立模型進行有限元分析。

①截面：牛腿縱梁使用[18槽鋼、斜撐使用Φ350×10mm無縫鋼管，橫向分配梁使用[40b，縱向分配梁使用[25b，上部調坡支架使用Φ48×3.5mm鋼管，模板厚度取1cm。為便于建模計算，忽略對計算結果影響不大的精軋螺紋鋼和插銷等細部結構，以邊界條件的形式體現。

②材料：托架材料全部選用Q235鋼材。

③邊界條件：不建立橋墩，所用的插銷均簡化為鉸接約束。

④荷載施加：根據表中分析的荷載，對模型施加自重、施工人員及機具設備和混凝土振搗荷載。

根據0#塊結構形式，將翼板荷載以集中荷載的形式加載到兩邊縱梁的支架頂端，根據鋼管支架豎桿數量計算，每根豎桿受到集中力為1.5kN；腹板和頂底板荷載以均布荷載形式加載在相應區域，根據以混凝土容重26kN/m2計算分別為 112.7kN/m2和 33.2kN/m2；人員及設備荷載和混凝土傾倒及振搗荷載分別以 2.5kN/m2和 4kN/m2均布置在模板平面上。

由于結構順橋向橋墩中心線完全對稱，故只需建立一半模型。

圖4 計算模型（半跨）

3.3 受力計算分析

3.3.1 托架驗算

①托架整體強度驗算

根據圖5、圖6可知，托架整體最大組合應力為 76.9MPa＜215 MPa，出現在底部縱梁上，托架整體最大剪力為22.8MPa＜125 MPa，出現在橫向分配梁上，均滿足強度要求。

圖5 托架整體最大組合應力圖

圖6 托架整體最大剪力圖

②托架結構剛度驗算

由圖7可知，托架整體最大變形為5mm，出現在頂部縱向分配梁端部，滿足要求。

圖7 托架整體最大變形圖

③托架穩定性計算

由結構形式可知，托架斜撐受力最大，且長細比最大，因此對斜撐進行穩定性驗算。由圖得，斜撐最大軸力Fmax=412.7kN,計算長度為 3.2m。斜撐采用直徑325mm，壁厚10mm無縫鋼管。

長細比 λ=3200/111.4=29，a 類截面，查表得Φ=0.964

斜撐軸壓穩定性滿足要求。

3.3.2 銷軸及連接部位驗算

銷軸主要傳遞牛腿斜撐及縱梁軸力，銷軸采用45#鋼，直徑Φ89mm，銷軸面積A=πd2/4=6221mm2，慣性矩I=3.08×106mm4,截面系數W=69.21×103mm3。

①托架牛腿斜撐銷軸彎應力

②托架牛腿斜撐銷軸剪應力

③托架牛腿縱梁銷軸彎應力

④托架牛腿縱梁銷軸剪應力

⑤托架牛腿縱梁銷軸孔部位應力

托架縱梁為][18槽鋼，中間夾焊30mm厚鋼板，共同軸向受拉，最不利部位為銷軸孔部位。

⑥鋼箱支座耳板焊縫應力

經分析，墩柱上部鋼支座耳板焊縫主要承受銷軸施加的拉應力及上部支點的豎向反力。墩柱下部鋼支座主要承受銷軸施加的壓應力，下部鋼支座壓應力豎向分力對耳板焊縫產生剪切作用。上部鋼箱支座耳板焊縫承受拉應力及支點豎向反力、下部鋼支座耳板焊縫承受的剪切力為鋼箱支座耳板最不利焊縫。

托架牛腿上部鋼箱支座耳板焊縫計算：

托架牛腿下部鋼箱支座耳板焊縫計算：

⑦對拉精軋螺紋鋼強度

3.3.3 結果分析

經過分析可得，該結構能夠滿足強度、剛度和穩定性要求，本設計可以滿足工程要求。

4 托架預壓

現澆連續梁托架承受的荷載不是均勻分布的，腹板處荷載較大，底板處荷載相對較小，故托架預壓荷載也應重點沿箱梁底板的兩端及腹板位置布置，以檢驗托架的穩定性并消除托架的非彈性變形。預壓重量為最大施工荷載的110%，分三級加載，測量各階段變形，腹板、頂底板區域預壓堆載采用混凝土預制塊進行預壓，翼緣板區域采用鋼筋進行堆載預壓。

4.1 預壓注意事項

加載前，按加載的重量，根據預壓材料算好堆載高度，由于重量基本集中在腹板上，堆載時，盡量以底板中心線向兩側進行堆載重量的分布。

由于堆載時底模標高無法進行實時測量，只能在堆載前和卸載完畢進行對比測量，其余階段的沉降測量點分布在底模下兩側，對應螺旋焊管的位置，上下各布置一個點，在堆載前，用記號筆作好標識，并編好號，確保測量準確。

4.2 預壓步驟

先進行初始觀測，然后預壓同步分階段進行，為確保預壓安全，加載分三級，一級為60%荷載，第二次觀測，測沉降量；二級為100%荷載，第三次觀測，測沉降量；三級為110%荷載，第四次觀測，測沉降量。托架加載前，應監測記錄各監測點初始值。每級加載完成1h后，進行托架的變形觀測，以后每隔6h監測記錄各點的位移量，當相鄰兩次監測位移平均值之差不大于2mm時，方可進行后續加載。全部預壓荷載施加完成后，應間隔6h監測點的位移量；當連續12h監測位移平均之差不大于2mm時，方可卸除預壓荷載。托架卸載6h后，應監測記錄各監測點位移量。根據加載前、滿載后及卸載后的對應各點的現場標高值分析托架彈性和非彈性變形量，確定現澆箱梁的總預留拱度，進行箱梁的施工。

圖8 托架預壓平面圖

圖9 托架預壓立面圖

4.3 預壓線形控制

0#塊托架及邊跨托架線性控制應根據設計要求的預拱度、預壓數據確定預拱度的設置。在確定預拱度時要綜合考慮下列因素：

①設計要求的預拱度δ1；

②托架在荷載作用下的彈性壓縮δ 2；

③托架在荷載作用下的非彈性壓縮δ3；

④托架基底在荷載作用下的非彈性沉陷δ4。

預拱度的設置是通過鋼管斜支撐、沙箱頂托調整來實現。當側模及底模安裝就位后，調整各支點模板縱向標高，使模板處于澆筑混凝土時的正確位置，同時設置好預留拱度。通過計算確定跨中的拱度值，其余各點標高按二次拋物線設置。

5 結構優化

經過有限元軟件對結構進行分析計算，得到本設計滿足受力要求，但為了工程的經濟性、適用性及其施工方面的考慮，仍可以將結構進行優化。托架上鋼管支架更換為貝雷片，重新對模型進行計算，由于貝雷片較鋼管支架剛度更大，預計可以減小結構變形。將鋼管支架換為貝雷片后，計算最大變形為5mm小于鋼管支架，位于頂部縱向橫梁端部，剛度滿足要求；托架最大組合應力為77.5 MPa，出現在底部縱梁上略大于鋼管；最大剪力為24.1 MPa，出現在橫向分配梁上略大于鋼管支架；牛腿最大剪力為4.9MPa，最大組合應力為 77.9MPa，略大于鋼管支架。綜上，將托架上支架由鋼管更換為貝雷片后確實可減小變形，但最大應力及剪力會有些許增大。鋼管支架具有便于調節、拆卸和重復利用的優點；此處貝雷片可能需要定制，但具有安裝簡便、抵抗變形能力較強、線形較為順直的優點。在實際應用過程中，可以綜合考慮造價、現場工人工種、工期等因素，合理選用方案，減小造價，提高施工效率，保證施工質量。

6 結語

托架結構形式的確定需要綜合考慮合理、經濟、安全等各方面的因素，本設計采用懸臂托架代替落地支架作為0#塊施工的臨時支撐，該方法具有不受墩高、洪水、交通等因素的制約，不僅經濟實用而且能有效保證安全。同時，通過對托架上的模板支架進行更換，調整結構受力情況，為現場施工提供了可適應現場實際的選擇方案，對其他高墩連續梁施工具有較好的借鑒意義。