海上大跨度蓋梁施工現澆混合支承體系設計分析

王淳豐，蒙立和

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

蓋梁是橋涵設計中的常見結構，由于支架體系的運用相對成熟，工程師們可根據蓋梁荷載分布及周邊環境靈活地使用特點各異的施工方式。但是，在海上作業區域，因海床表土承載力弱，大跨度蓋梁的混凝土自重荷載高，導致落地式支架與無支架抱箍法這兩種傳統施工工藝均無法保證其作業平臺受力后的穩定性[1]，因而在此類受限條件下選擇構造安全、方便實施又經濟合理的支承體系成為工程管理及建設的一個關鍵環節[2]。為此，本文結合工程實例，提出了以鋼平臺為基礎、鋼棒法加盤扣支架共用的復合式蓋梁支承體系，通過對其穩定性的驗算與工程實踐，證明了此體系在施工過程中不會因支架失穩而引起質量安全事故，且具有很強的實用性。

1 工程概況

位于廣西濱海公路龍門大橋終點的互通式立交橋揚帆立交全長590 m，主線橋共20跨橋跨，自西向東分別布置為3×(3×30 m)+2×25 m+2×(3×30 m)+(25+30+25)m，為雙向六車道分離式雙幅結構。其單幅橋寬16.5～30 m，其中蓋梁由小樁號至大樁號方向逐漸加寬，并在匝道匯入口處達到最大跨徑17 m(見圖1)。另外，此橋橫跨海陸交界的紅樹林生態保護區，相對于常規工程，揚帆立交的建設需具備更高的施工精度與環保意識。

2 施工支承系統的選定

揚帆立交主線橋地處沿海淺灘區域并穿越大片灘涂，其圓柱墩墩高為1.5～14.4 m。蓋梁尺寸根據橋面

圖1 匝道匯入口處9#墩大蓋梁結構圖(mm)

寬度及箱梁片數的不同而進行調整，其中右幅第9跨橋面設計寬度為全橋最寬的29.26 m，需架設箱梁片數為9片，與之對應的蓋梁尺寸則是28.46 m×2.4 m×2.2 m，因此本文以右幅9#墩蓋梁為例展開技術分析與探討。

在支承體系的選擇上，由于所處地區的地基表土多為軟塑態淤泥，加之受海中水流力影響，使用傳統式落地支架會面臨極大的安全風險[3]。另外，為提高地基承載力，若利用已施工完畢的圓柱墩作為豎向承重結構，在其適當位置埋設預留孔，通過插入圓鋼來支撐整個作業平臺，則通過計算，在9#墩蓋梁模板與混凝土澆筑荷載的作用下，鋼棒所受的組合應力將會超過其強度允許值，引起結構整體失穩。針對上述情況，經多次方案論證及技術分析，該項目對于跨徑為17 m的蓋梁均采用盤扣架+鋼棒預埋法，以樁基鋼平臺與圓柱墩作為共同反力基礎來承受整個蓋梁混凝土與作業平臺的荷載。其設計總體布置如下頁圖2所示。

圖2 混合支承體系總體布置圖(mm)

3 混合支承體系設計與計算

3.1 體系設計概述

(a)立面

(b)正面

3.2 荷載參數與組合

通過參考《鋼結構設計規范》《公路橋涵施工技術規范》《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》等規范，并結合實際情況，本次計算中的主要參數取值如下：

鋼材自重取值為78.5 kN/m3；C40鋼筋混凝土容重取值為26 kN/m3；人員機械荷載取值為2 kN/m2；模板荷載取值為0.75 kN/m2；荷載分項系數取1.1；蓋梁尺寸為28.46 m×2.4 m×2.2 m。又因底模板下分配梁間距均為50 cm，計算時按線荷載加載于分配梁上，即荷載取值如下：

混凝土澆筑荷載：ρ1=0.5×26×2.2=28.6 kN/m

模板荷載：ρ2=0.75×0.5=0.375 kN/m

人員機械荷載：ρ3=2×0.5=1 kN/m

荷載組合=1.2×混凝土澆筑荷載+1.4×人機荷載+1.4×模板荷載+1.2×結構自重

3.3 計算分析

3.3.1 上部支承結構有限元模型建立

計算中依照結構離散原則，通過有限元軟件Midas Civil對上部結構進行建模分析。模型中主橫梁、分配梁、鋼棒等各桿件采用梁單元進行模擬，材料參數與成品模型分別如表1與圖4所示。

表1 上部支承結構主要桿件截面尺寸統計表

圖4 上部支承結構Midas模型云圖

3.3.2下部支承結構有限元模型

如圖5所示，體系中的下部結構結合前期施工平臺與盤扣架布置形式進行建模。另外，因鋼平臺是前期樁基施工時所用的臨時結構，在蓋梁施工中只起到支撐支架底托的作用，所以本次計算僅以盤扣支架的最不利荷載布局形式對其進行模塊分析(見圖6)。

圖5 下部支承結構Midas模型云圖

圖6 最不利荷載布局示意圖

模型中的鋼管基礎、樁間連系梁、縱橫分配梁、貝雷片結構桿件等均使用梁單元進行模擬，其余桿件間則采用桁架連接，具體材料參數、截面參數和單元類型如表2所示。在邊界條件設置上，各鋼管樁與地基基礎均以固結方式連接；鋼管樁與樁頂橫梁、樁頂橫梁與貝雷片、貝雷片與支撐架、貝雷片與分配梁四種接觸面則由下至上均采用剛性連接并釋放相應的自由度。

表2 下部支承結構主要桿件截面尺寸統計表

4 結構內力分析

在安裝盤扣架輔助支撐后，通過對蓋梁托架結構應力進行計算可得：鋼棒結構最大組合應力為128.7 MPa；主橫梁和分配梁的最大組合應力為91.3 MPa；鋼平臺貝雷梁最大組合應力為180.1 MPa；平臺中其他型鋼最大組合應力為90.2 MPa。即各構件應力最大值均小于其本身的強度允許值且具有一定的安全儲備，滿足本結構施工要求。

剪應力部分，托架結構最大剪應力為21.4 MPa，小于允許值85 MPa；鋼平臺的貝雷梁最大剪應力為59.2 MPa，小于允許值120 MPa；鋼平臺的其他型鋼最大組合應力為24.5 MPa，也小于允許值80 MPa。另外，在位移計算方面，蓋梁托架的最大撓度為9.63 mm，小于位移極限值L/400=17 000/400=42.5 mm；鋼平臺最大位移為6.68 mm，也未達到其位移極限值L/400=12 000/400=30 mm。結合上述數據對比與下頁表3的結果匯總可知，超寬蓋梁托架和鋼平臺滿足蓋梁的施工要求。

表3 上下部支承結構模型計算結果匯總表

5 結語

綜上所述，在海上作業空間受限條件下，廣西濱海公路龍門大橋項目部通過對現有蓋梁施工工藝的分析，并結合現場條件，設計了較為實用的混合支承體系。通過建模計算表明，不管是上部托架結構，還是下部支撐結構，兩者的剛度、強度及穩定性均滿足規范要求，驗證了整體結構的安全性。目前，此套體系已運用到實際作業中，幫助該項目克服了海上地基承載力弱、普通托架無法承受大體積蓋梁重量的施工難點，順利完成了揚帆立交主線橋左幅9#墩大跨度蓋梁的澆筑。然而，此系統由于對前期施工平臺的運用，導致平臺材料難以在完成樁基、墩柱施工后立刻進行周轉，也面臨著后期蓋梁投影面積下鋼材難拆除的問題，對項目施工周期產生了一定影響。因此，混合支承系統在輔助支撐部分的選用上，還需展開更多的探討與設計。