大懸臂預應力蓋梁空間托架體系設計與施工研究

摘要：本文以G316長樂漳港至營前段A2合同段大懸臂預應力蓋梁施工為工程背景，結合橋梁所處的施工環境及地質條件，對比分析了盤扣式支架、鋼管組合支架及空間托架法支架的優缺點，設計了由牛腿、斜撐、主支撐梁、橫向分配梁等組成的空間托架體系。采用有限元軟件對所設計支架在不同工況下的應力、變形及穩定性等性能進行了詳細的檢算。結果表明，大懸臂預應力蓋梁采用空間托架法具備安全可靠性。

關鍵詞：大懸臂預應力蓋梁；空間托架體系；結構設計及檢算；施工工序

中圖分類號： U443.3文獻標識碼：A"""""""""""" 文章編號：

Study on Design and Construction of Space Bracket System of Large Cantilever Prestressed Cover Beam

Abstract：In this paper，based on the construction of large cantilever prestressed cover beam in A2 contract section of G316 Changle Zhanggang to Yingqian Section as the engineering background，combined with the construction environment and geological conditions of the bridge，the advantages and disadvantages of disc buckle bracket，steel pipe composite bracket and space bracket are compared and analyzed，and a space bracket system composed of bull leg，diagonal brace，main support beam and transverse distribution beam is designed.The stress，deformation and stability of the designed support under different working conditions are checked in detail by finite element software.The results show that the space bracket method is safe and reliable for large cantilever prestressed covered beams.

Keywords：large cantilever prestressed cover beam;space bracket system;structural design and calculation;construction procedure

隨著城市立體交通的發展，為了盡可能利用橋下空間，大懸臂預應力蓋梁被廣泛運用于城市橋梁結構設計當中。在施工過程中，要結合工程實際，選擇合理的支撐體系，以保證支撐體系和施工項目的安全性[1]。采用空間托架法施工具備材料少、成本低、搭設工期短、不占用橋下空間的優勢，但大懸臂預應力蓋梁澆筑的支架體系需承受較大的彎矩荷載，其支架設計及施工均存在較大的難度[2]。本文以G316長樂漳港至營前段A2合同段為工程背景，對大懸臂預應力蓋梁空間托架法支架的設計與施工進行研究。

1 工程概況

國道G316線長樂漳港至營前段第A2合同段位于福建省福州市長樂區境內，起訖點里程為：ZK8+772.697～ZK11+051.197，全長2.84 km，為4層立體橋梁互通工程。橋梁20座，總長9 328.3 m，其中大懸臂預應力蓋梁共60個，墩高為5 m～25 m（主要集中在15 m～25 m）。蓋梁總長為15.6 m，寬2.1 m，高1.8 m，端部設置1 m×4 m的倒角，雙柱式橋墩，截面尺寸1.5 m×1.8 m，間距4.8 m，蓋梁兩側懸臂段長5.4 m。

2 施工環境及地質條件

1） 施工環境。該施工區域屬沖淤積平原，典型海相沖淤積地貌，廣泛分布有軟土層，地勢較平緩變化小，表層附著物多為稻田、魚塘。施工組織復雜，地面道路與立體橋梁工程同時施工，作業面交叉錯綜。

2） 水文地質條件。江河水、魚塘、水塘等作為場地內主要地表水，水面寬10.0 m～45.0 m；水流較緩，對兩岸有一定沖刷作用，水深約1.5 m～2.0 m，受雨季季節影響明顯，年變化幅度約1.0 m。地基多為軟基地層，總體變化不大，以DKQ238探孔為例對地層情況進行描述，見表1。

3 施工方案比選

施工方案的制定通常要考慮多重因素，其中最為關鍵因素是方案的技術性和經濟效益。技術性主要包括方案的安全性、可靠性、可行性等方面，經濟效益包括施工成本和施工工期。技術性通常會影響技術方案的經濟效益，同時，技術方案應與所處的施工環境、水文地質條件及結構物的設計等條件相適應。綜合以上因素，大懸臂預應力蓋梁的施工方法主要有以下3種方法：盤扣式滿堂支架、落地鋼管組合支架、空間托架法組合支架。

1） 盤扣式滿堂支架施工。一般是先進行地基處理再搭設盤扣，然后設置剪刀撐、水平撐、頂托、方木等形成支撐體系。采用此種方法搭設比較方便，不需要大型吊車吊裝，材料完全可以通過租賃形式獲得，具有成本低、效率高的特點。缺點是受高寬比要求的限制，本橋橋墩高度主要集中在15 m～25 m，要求支架間距較大，基礎處理面積大，盤扣支架所需材料較多，成本較高。

2） 落地鋼管組合支架施工。可以采用鋼筋混凝土作為擴大基礎或者地面向下打入一定深度的鋼管作為基礎，立柱由型鋼組成，通過柱頂橫梁、縱向支撐梁、分配梁等形成支架體系。此種方法結構上較為簡單，基礎處理成本較低，變形相對較小，安全、可靠、便于操作。但是本橋所處地質條件較差，很難采用鋼筋混凝土擴大基礎，只有采用地面打入鋼管的形式，經過計算打入地面樁基要≥30 m才能承受相應荷載（或者增加基礎鋼管的根數以減少打入地面鋼管的深度），所需材料較多。同時，搭拆需吊車輔助，施工人員在安裝過程中無操作平臺，安全風險較大。鋼管柱下方對地基承載力要求較高[3]。

3） 空間托架法組合支架施工。通過在橋墩上設置預埋件作為支撐牛腿，搭設型鋼、方木等材料形成空間支撐體系。此種方法具有體積小、節約材料、傳力路徑明確等優點，搭設工期短，不占用橋下空間，是較為理想的施工方法。

4 支架具體設計方案

4.1 支架的構造設計

采用空間托架法組合支架的施工方法，在橋墩上設置上下牛腿作為支架的支撐點。通過提前預埋入墩身的爬錐、安裝牛腿掛座將支架的力傳遞到澆筑完成的墩身混凝土上，用Ⅰ45a工字鋼作為主支撐梁放置在墩身的掛座上，在懸臂段距墩身軸線3.5 m處及跨中距墩身軸線2.1 m處增設斜撐，與下牛腿通過銷釘進行連接，斜撐為雙拼[25a槽鋼。主支撐梁上層為橫向分配梁采用Ⅰ16工字鋼，間距60 cm。蓋梁倒角處用[10槽鋼制作楔形托架將荷載傳遞到橫向分配梁上。蓋梁的底模體系為方木和竹膠板直接鋪設在橫向分配梁及角楔形架上，如圖1所示。

4.2 支架所受荷載的取值及材料力學參數

根據《公路橋涵施工技術規范》《路橋施工計算手冊》等規范規定，荷載取值如下：鋼筋混凝土荷載容重取26 kN/m3，模板荷載取0.75 kN/m3，施工人員、機具及堆放的荷載取2.5 kN/m3，混凝土傾倒時沖擊荷載2.0 kN/m3，振搗混凝土時產生的振搗荷載2.0 kN/m3，荷載的分配系數永久荷載取1.3，施工荷載取1.5。所用主要材料均為Q235型鋼，當材料厚度≤16 mm時，抗彎和抗拉的容許應力=190 MPa，容許應力=125 MPa[4]。

4.3 支架受力工況及建模條件分析

鑒于支架在跨中及大懸臂中部設置斜撐這種特殊的結構形式，且混凝土澆筑時按照從跨中向兩側澆筑的特點，主要受力工況如下。

工況1：考慮蓋梁鋼筋密、間距較小，當夏季溫度較高時，混凝土坍損較大，流動性很小，同時，未按照澆筑順序澆筑，最不利情況為混凝土主要集中在兩墩軸線之間。

工況2：蓋梁混凝土整體澆筑完畢，且混凝土未達到初凝之前。

工況3：此種工況為當工況1發生后單獨澆筑單側倒角混凝土的工況，由于工況1本身是單側斜撐承受荷載情況下一種不利情況的假定，施工中很少發生類似情況，所以不考慮工況3。

采用有限元分析軟件MIDAS整體建模分析計算，建立如圖2所示的支架模型。邊界約束條件主要考慮上牛腿處主支撐梁、下牛腿處斜撐、斜撐與主支撐梁、橫向分配梁和主支撐梁、倒角處楔形支架和橫向分配梁，見表2。

4.4 現澆支架計算分析

正常施工中墩頂能承受一定大小的混凝土荷載，但是具體能承受多少荷載受多重因素影響，如混凝土的配合比、坍落度、澆筑速度、溫度、模板情況等，此種荷載的大小很難進行量化，因此，在建模時忽略墩頂承載能力，假定墩頂混凝土及施工荷載均由主支撐梁承受，在墩頂處用虛擬橫向分配梁傳遞荷載至主支撐梁上，并在輸出結果中將虛擬橫向分配梁進行鈍化處理。因此蓋梁直線段分配梁所受線荷載為：=42.35 kN/m；楔形支架頂部所受線荷載為：=22.86 kN/m；底部所受線荷載為：=37.1 kN/m。將所算荷載輸入有限元軟件，計算支架結構在不同工況下應力結果，見表3，可知橫向分配梁的最大拉應力為：σ=114.3 MPa，滿足要求。

經計算，支架絕對位移最大值發生在工況2懸臂端邊橫向分配梁跨中的位置，fmax=8 mm；兩種工況情況下，橫向分配梁相對位移最大值相同：fmax=8 mm＜4000/400=10 mm。

對于斜撐結構除了承受壓力作用還受彎矩的作用，對其彎壓桿的穩定性計算至關重要，經計算得Fx=256.4 kN，M1=6.4 kN·m，M2=0，底部為鉸接，因此斜撐與掛座連接位置彎矩為0。Fx為所計算構件段范圍內的軸心壓力；M1為斜桿的彎矩；M2為底部鉸接處的彎矩；穩定性滿足受力要求計算公式如下：

4.5 牛腿處掛座及預埋件計算分析

對比2種工況下牛腿處支反力計算結果，第2種工況下墩身下牛腿受力最大。其中，外側斜撐對掛座作用力=178.2 kN，=-184.3 kN，墩間斜撐對掛座作用力=-29.8 kN，=-53.6 kN。掛座設計為雙拼[40a槽鋼焊接在2 cm厚的鋼板上，鋼板與墩柱密貼，通過爬錐螺桿固定在混凝土墩身上，雙拼[40a槽鋼頂、中、底部設置2 cm厚鋼板與槽鋼焊接在一起，計算時直接用板單元模擬，僅考慮槽鋼腹板及上、下加強鋼板，不考慮槽鋼上、下緣板，經計算σ=106.6 MPa，=57.1 MPa，滿足要求，見圖3～圖4。

每個牛腿預埋4根預埋件，主要包括M36高強螺栓（10.9級）、爬錐、高強螺桿及埋件板等。高強螺桿其參數指標=500 MPa，=310 MPa（為螺栓抗拉強度設計值；為螺栓抗剪強度設計值），有效計算面積=816.3 mm2查閱《簡明計算手冊》，則單個螺栓承受極限拉力408 kN，承受極限剪力=253 kN，參照《建筑施工計算手冊》，其高強螺栓的受力檢算如下。

螺栓能滿足受力要求計算公式如下[5]：

式（2）中：為單個螺栓所受的剪力；為單個螺栓承受極限剪力；為單個螺栓所受的拉力；為單個螺栓承受極限拉力。

5 主要施工工藝及操作要點

5.1 空間組合托架的施工

整個支架由預埋件、牛腿掛座、蓋梁兩側的主支撐梁、斜撐、倒角處楔形支架及卸落塊組成，施工的難點是爬錐等組合桿件的精準預埋、掛座的焊接及安裝。每個牛腿上均布置4個爬錐，其平面位置豎向布置2列，位于槽鋼的軸線上，列間距30 cm，水平向布置2行，行間距52 cm。掛座由40 cm×65 cm×2 cm豎向與墩身混凝土面接觸的底鋼板、2根豎向間距30 cm向內放置[40a槽鋼、槽鋼上下放置的30 cm×30 cm×2 cm鋼板、斜撐錨環及結構的加勁板，見圖5。

施工控制重點：鋼筋綁扎完畢后，預埋件需精準定位，固定牢靠，確保在墩身模板拆除后能與掛座底板孔位保持一致。可以采用5 mm薄鋼板精準開孔+定位螺母的形式固定（定位螺母固定在爬錐和預埋螺桿之間）。在澆筑過程中，應盡可能避免振動棒和預埋件的直接接觸，邊振搗邊觀察，如預埋件發生位移，應暫停混凝土的澆筑，對預埋件位置再次復核，重新定位、固定，處理完畢后方可繼續施工。

墩身混凝土模板拆除后，要仔細檢查爬錐的實際位置是否與實際圖紙相符，若偏差較小，可對掛座底板的錨孔進行擴孔，通過增加墊片，加長螺桿的形式來確保滿足設計要求；當位置的偏差較大時，需要對掛座底鋼板重新加工，根據爬錐實際位置開孔，確保能滿足預埋件的整體受力要求[6]。

對于支架構件的施工重點是連接點處的焊接、栓接工作，要滿足相關規范要求，局部位置需要補強，如掛座的錨栓孔鋼板與槽鋼應焊接到位，焊縫高度≥8 mm，加勁板按照圖紙設置，局部位置需進行加強。

5.2 支架預壓施工

支架預壓主要目的是驗證支架是否安全可靠，消除非彈性變形，記錄支架的變形數據。支架搭設完畢后，首先組織驗收，當滿足設計及規范要求后方可對支架進行堆載試驗。堆載系數取1.2倍混凝土荷載，采用沙袋法預壓（便于荷載分級），共分60%，80%，100%，120%四級加載，加載過程中及時觀測，待每級荷載穩定后再進行下一級加載，加載順序和混凝土的澆筑順序基本保持一致，原則上從跨中向支架的兩側推進。觀測點的位置主要布置在最大懸臂端及各支點之間跨中的位置，共6個斷面，18個點。卸載按照加載的相反順序進行，過程中及時觀測并收集相關數據，計算出彈性變形和非彈性變形數值作為底模標高調整的依據。

5.3 支架的拆除

當混凝土達到設計強度，且預應力施工完畢后，可拆除支架。支架拆除首先通過上牛腿的楔形卸落塊整體落架，然后拆除蓋梁兩側倒角的楔形支架，再拆除底膜及橫向分配梁。對于支撐梁和斜撐應按照先拆除斜撐再拆除主支撐梁的順序，斜撐拆除前用2個倒鏈將兩端拉緊，防止銷釘及螺栓拆除后斜撐擺動或掉落。掛座、爬錐最后拆除，掛座拆除需手動將倒鏈掛好，防止掛座掉落造成結構內部受損，給下次施工帶來安全隱患。拆除作業嚴格按照安全技術規程的要求，先上后下逐層拆除。

6 結語

國道G316線長樂漳港至營前段第A2合同段的地質條件較差，所以蓋梁采用空間托架法施工。空間托架法對施工環境干擾較小，結構形式相對簡單，構件數量少、成本低、工期短，優點較明顯。此方法適用于高橋墩、水中墩、地基條件差、結構物數量多的橋涵工程。施工時應對支架結構進行詳細的設計及受力檢算，并對施工班組的能力進行評估，以確保施工過程安全可靠，本方法可為同類工程項目提供參考。

參考文獻

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