高墩小半徑曲線連續箱梁現澆支架受力性能分析

基金項目：2023年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“巖溶缺陷對隧道穩定性的影響及處治技術研究”（編號：2023KY1171）;廣西交通職業技術學院橫向課題“巖溶地區大跨徑公路隧道安全耐久技術服務”（編號：X-GL-SHZGS（S）-GUX-TB-05-JS-013）

作者簡介：黃樂樂（1984—），高級工程師，研究方向：橋隧施工技術研究及教學。

摘要：文章以廣西三江縣浪泡大橋引橋現澆箱梁施工為背景，根據現場小半徑混凝土現澆箱梁橫坡大、扭矩大的特點和現澆施工復雜且難度系數大的實際條件，設計了組合式支架，合理循環利用了現有的設備材料，并通過Midas軟件分析驗算，驗證了該方案的可行性，解決了施工的關鍵技術難題。

關鍵詞：高墩；小半徑曲線；箱梁現澆；支架；受力分析

中圖分類號：U448.21⁺3

0 引言

近些年來，在高速公路工程互通樞紐及城市立交橋的設計時，為了盡量減少土地占用面積，節約工程建設投資，很多橋梁引橋、匝道會應用小半徑平曲線。小半徑曲線橋梁大多數為斜彎橋，施工時難度系數較大，其橋墩高度＞20 m，半徑＜100 m，設置較大超高。由于箱梁的高差較大，導致支架搭設難度大，支架材料周轉使用改裝工作量特別大。本文設計組合支架解決了小半徑曲線梁橋現澆施工安全質量控制問題，經濟高效地完成了現澆作業，可為類似工程提供設計與研究參考。

1 支架設計

1.1 工程概況

浪泡大橋引橋平面位于曲線內，其半徑為80 m，寬度為11.25 m，引橋上部結構為（4×16）m跨徑鋼筋混凝土現澆連續箱梁，下部結構采用樁柱式橋墩，最高的3號墩高30 m。引橋上部結構橫斷面布置：引橋采用（4×16） m鋼筋混凝土箱梁，梁高1.3 m，為單箱4室現澆箱梁。第一跨橋面橫坡由2%漸變為4%，第二跨至第四跨橋面橫坡為4%，引橋位于路線超高段上。引橋構造尺寸：頂板厚0.22 m，底板厚0.22 m，腹板厚0.4 m，箱梁兩個中室內寬1.6 m，邊室內寬為1.525 m。主要工程量：現澆混凝土474.5 m³，鋼筋161 192.8 kg。浪泡大橋引橋平面圖見圖1。

1.2 設計方案

組合式支架設計方案^［1］：混凝土擴大基礎+鋼管立柱+雙拼工字鋼縱梁+貝雷梁橫梁+工字鋼分配梁+碗扣支架。

1.2.1 混凝土擴大基礎

臨時支墩采用擴大基礎，尺寸為1.5 m×1 m×1.5 m，基坑承載力＞250 kPa，采用C30鋼筋混凝土。基礎頂面應略高于原地面。基礎周圍應設置排水溝、截水溝，防止雨水浸泡基礎造成失穩。

1.2.2 ?529×7 mm鋼管柱

順橋向三跨間隔分別為4 m、5.5 m、4 m布設，橫橋向4.5 m布設。立柱底和頂分別焊接一塊80 cm×80 cm×1.4 cm鋼板，鋼板4個角與鋼管連接處采用8塊10 cm×15 cm的小鋼板焊接加固，起分散應力的作用。鋼管柱橫向、縱向均采用20a槽鋼連接兩個相鄰立柱，并設剪刀掌。槽鋼與鋼管立柱連接處用鋼板焊接。

1.2.3 雙拼Ⅱ36a工字鋼下縱梁

下縱梁由3排Ⅱ36a工字鋼組成，下面墊鋼板調節標高。

1.2.4 橫向貝雷梁

每跨橫向布設14片，每組貝雷梁間距為115 cm。

1.2.5 Ⅰ10工字鋼、Ⅰ12工字鋼分配梁

橫橋向間距均為60 cm，在腹板處加強采用Ⅰ12工字鋼分配梁，其余位置均為Ⅰ10工字鋼。

1.2.6 碗扣支架

支架采用?48×3.5 mm立柱，（60×65） cm布置，水平兩向小橫桿連接，步距為120 cm或180 cm，三個方向都必須設置剪刀撐。

1.2.7 縱坡、橫坡的設置

支架搭設時，同一聯3跨的工字鋼水平搭設，在工字鋼水平放置貝雷梁，貝雷梁上垂直方向水平放置Ⅰ10a、Ⅰ12a工字鋼作為分配梁，在分配梁上豎直焊接直徑?25 mm、高度≥10 cm的鋼筋頭，套上?48×3.5 mm架子管作為立柱。每條立柱安裝一個調節頂托，用于調節縱坡、橫坡。立柱的高度為150～220 cm，平面間距為（60×65）cm，頂托調節范圍為±10 cm，按滿堂支架的要求設掃地桿、大橫桿、小橫桿和剪刀撐，剪刀撐順橋向設置為130 cm/道，以此減少橋梁較大橫坡對支架穩定性的影響。

組合支架結構見圖2、圖3。

1.2.8 貝雷梁剪力增強設計

通過Midas Civil軟件建立計算模型，在貝雷梁剪力集中的地方進行加強：雙支10槽鋼］［下料長度為130 cm （按與貝雷弦桿接觸斷面形狀修整好端口），背對背地以8 cm凈距夾緊貝雷片腹桿（用鐵線綁扎2道），并將上下弦桿頂緊（加薄鋼板墊塊頂撐緊密，槽鋼不允許與貝雷片焊接）支撐在一起，如圖4所示。

1.2.9 模板與雙鋼管連接設計

在模板橫向兩端，在兩根鋼管之間的位置各鉆一孔，即橫向兩個孔，孔徑與馬車螺栓直徑相同，從模板上

側朝下穿入馬車螺栓，在鋼管下方套上山形扣，上緊螺帽，使山形扣緊扣雙鋼管。在模板橫向接縫處用（5×12）cm方木代替雙鋼管，用鋼釘將模板與方木釘在一起。

2 組合支架結構驗算

組合支架采用Midas Civil軟件進行結構受力分析。

2.1 荷載計算

2.1.1 靜荷載

全橋箱梁共計474 m³混凝土，混凝土重12 324 kN，曲線引橋混凝土荷載見表1，曲線引橋結構部位荷載見表2。

2.1.2 動荷載

（1）設備及人工荷載：q＝2.5 kN/m²。

（2）混凝土澆筑沖擊荷載：q＝2 kN/m²。

（3）混凝土澆筑振搗荷載：q＝2 kN/m²。

（4）混凝土重度（配筋率＞2%）：q＝26 kN/m³。

（5）混凝土超載系數取：1.2。

2.2 鋼管立柱驗算

鋼管立柱間距為60 cm×65 cm，每根立柱承受0.39 m²的混凝土重量，按最厚1.3 m計算，混凝土密度按26 kN/m³計，則單根立柱受力為13 kN。（48×3）mm的鋼管截面積為424 mm²，回轉半徑i＝（482+422）0.5/4＝15.9 mm。

根據《路橋施工計算手冊》第413頁表12-2，軸心受壓桿件穩定性滿足N/Am＜ψ₁［σ］。

橫桿最大步距L為1.8 m，則立柱長細比 λ＝L/i_y＝1.8 m/15.9 mm＝113。

根據《路橋施工計算手冊》^［2］第790頁附表3-26，縱向彎曲系數ψ₁取0.491。

τ＝13 000 N÷424 mm²＝30.7 MPa＜0.491×140＝68.74 MPa，穩定性滿足要求。

2.3 貝雷梁及上下分配梁計算

貝雷梁及各桿件的計算相對復雜，以Midas Civil軟件建模來模擬，以混凝土最重、跨度最大的數據進行建模。

（1）靜荷載：

建模時，將翼板荷載和腹板荷載分開施加。經計算，翼板均布荷載=10.5 kN/m²，腹板均布荷載=18.7 kN/m²。

（2）動荷載：

①施工人員及設備荷載：計算模板及直接支承模板的小梁時取2.5 kN/m²；計算直接支撐小梁的主梁時取1.5 kN/m²；計算支架及其他支撐結構構件時取1.0 kN/m²。本模型驗算取1.0 kN/m²。

②振搗混凝土產生的荷載：對水平模板取2.0 kN/ m²。

（3）工況荷載組合^［3］：

翼板部分：1.2倍靜荷載+1.4倍動荷載=1.2×10.5+1.4×（1+2）=16.8 kN/m²

腹板部分：1.2倍靜荷載+1.4倍動荷載=1.2×18.7+1.4×（1+2）=26.64 kN/m²

2.3.1 主要驗算內容

（1）螺旋管立柱在全橋荷載作用下的抗屈服及抗傾覆整體穩定性驗算。

（2）立柱支撐鋼管在全橋荷載作用下整體穩定性驗算。

（3）Ⅰ36a工字鋼橫梁在全橋荷載作用下的強度和剛度驗算。

（4）貝雷梁在全橋荷載作用下的強度和剛度驗算。

（5）Ⅰ10a、Ⅰ12a工字鋼分配梁在全橋荷載作用下的強度和剛度驗算。

2.3.2 結構材料參數

（1）貝雷梁采用16 Mn鋼，抗壓強度設計值為273 kN/m²。

（2）工字鋼及螺旋鋼管采用Q235鋼，抗壓強度設計值為205 kN/m²。

（3）加強桿件、支撐鋼管采用A3鋼，抗壓強度設計值為205 kN/m²。

2.3.3 建模驗算

下部支架結構采用?529×7 mm螺旋鋼管作立柱，雙拼Ⅰ36a工字鋼作縱梁，貝雷梁作橫梁，Ⅰ10a、Ⅰ12a工字鋼作縱向分配梁。按設計建立支架結構模型如圖5所示。

2.3.3.1 ?529×7 mm螺旋鋼管柱驗算

螺旋鋼管為支架的立柱，螺旋鋼管采用Q235鋼材，［σ］＝181 MPa，主要承受縱梁傳遞下來的荷載。受力分析計算見圖6，其最大應力值為49.3 MPa＜［σ］＝181 MPa，滿足強度設計要求。

2.3.3.2 螺旋管剪刀撐［20槽鋼驗算

螺旋管剪刀撐［20槽鋼采用Q235鋼材，其抗壓強度設計值為181 MPa，受力分析計算見圖7，其最大應力值為19.99 MPa＜［σ］＝181 MPa，滿足強度設計要求。

2.3.3.3 雙拼Ⅰ36a工字鋼橫梁驗算

工字鋼橫梁設置于立柱頂，是其以上支架的承力構件。Ⅰ36a工字鋼采用Q235鋼材，設計抗壓強度值為181 MPa。受力分析計算見圖8，最大應力值為109.2 MPa＜［σ］＝181 MPa；其撓度分析計算見圖9，最大撓度值為5.81 mm，小于規范要求5 500/400=13.75 mm，滿足設計要求。

2.3.3.4 貝雷梁驗算

貝雷梁為橫梁，采用16 Mn鋼規范抗壓強度設計值為273 MPa，承受縱向分配梁傳遞下來的荷載，其受力分析計算見圖10，最大應力值為163.8 MPa＜［σ］=273 MPa；最大撓度發生在工字鋼跨徑中心處，其值為6 mm，小于規范要求值4 500/400=11.25 mm，如圖11所示，滿足設計要求。

2.3.3.5 Ⅰ10a、Ⅰ12a工字鋼分配梁驗算

Ⅰ10a、Ⅰ12a工字鋼分配梁采用Q235鋼材設計抗壓強度值為181 MPa，承受鋼管架傳遞下來的荷載。其受力分析見圖12，最大應力值為134.6 MPa＜［σ］＝181 MPa，滿足設計要求。

2.4 混凝土基礎驗算

C30混凝土擴大基礎長寬分別為150 cm，高100 cm，基底承載力計算時按250 kPa控制，螺旋鋼管立柱直徑為0.529 m，擴大基礎尺寸取1.5×1.5×1 m，見圖13。

按鋼管樁受力45°分布至擴大基礎，整個基礎整體受力。其混凝土基底受力面積為A=1.5×1.5=2.25 m²，對應的地基承載力P=2.25×250=562.5 kN。

地基承受的最大荷載為3根螺旋鋼管立柱承受的最大豎向荷載+基礎自重，鋼管樁單根的最大反力為427.3 kN，即F=427.3 kN＜562.5 kN，地基承載力按250 kPa控制滿足要求，基礎尺寸滿足要求。見圖14。

3 結語

本文通過Midas Civil軟件分析了高墩小半徑曲線箱梁現澆組合支架承載能力，考慮了箱梁現澆施工時組合支架的動靜荷載，得出結論如下：

（1）該高墩小半徑曲線箱梁現澆采用?529×7 mm螺旋鋼管作為立柱，其最大應力值為49.3 MPa，遠小于Q235鋼材設計應力值［σ］＝181 MPa，且螺旋鋼管間通過［20槽鋼剪刀撐連接成為整體，大大增加了支架結構的整體穩定性。

（2）該高墩小半徑曲線箱梁現澆最大橫坡為4%，支架扭矩特別大。本組合支架頂部通過碗扣支架來進行箱梁橫坡調節，起到了很好的效果，支架穩定牢固。

（3）該支架貝雷梁采取橫橋向布置，對于小半徑僅有80 m的箱梁，有利于箱梁的半徑調節，支架穩定牢固。

綜上，采用混凝土擴大基礎+螺旋鋼管立柱+雙拼工字鋼縱梁+貝雷梁橫梁+工字鋼分配梁+碗扣支架組合支架，承載能力及穩定性良好，施工便捷安全，保證工程質量，降低施工成本，在高墩小半徑曲線箱梁現澆施工中推廣，可取得良好的效果，為其他類似工程施工提供寶貴經驗，創造良好的經濟效益和社會效益。

參考文獻

［1］李志強.小半徑曲線箱梁橋貝雷梁柱式支架現澆施工技術［J］.廣東公路交通，2017，43（4）：65-67.

［2］周水興，何兆益，鄒毅松，等.路橋施工計算手冊［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［3］JTJ041-2000，公路橋涵施工技術規范［S］.

收稿日期：2023-04-12