超长0号块支架结构的设计和施工

张庆文，吴靖江，周东坡

（1.兰州市市政工程研究所，甘肃兰州 730000;2.中国建筑第七工程局有限公司，河南郑州 473000）

1 工程概况

元通黄河大桥是兰州市城区横跨黄河，连通南北的一座大型市政桥梁，主跨为（80+150+80）m的连续梁拱组合桥。由群桩基础、承台、实体墩、减隔震支座、预应力悬浇箱梁、钢管拱组成。

主梁中支点处梁高7.0 m，跨中处梁高2.5 m，梁高、底板厚度均按二次抛物线变化。主梁截面为单箱三室直腹板形式，顶宽28.8 m，底宽21.0 m，顶板等厚0.3 m，边腹板厚度由跨中0.4 m变化到墩顶附近1.3 m，中腹板厚度由跨中0.55 m变化到墩顶附近1.3 m。底板厚度由跨中0.3 m变化到墩顶附近1.0 m。

0号块全长20 m，混凝土1880 m3。

2 支架方案总体设计构想

0号块支架的施工和预压，要根据桥梁所处的地形地貌条件、设计结构和环境要求等综合确定。一般分为落地支架（碗扣支架、钢管立柱支架、组合梁支架等）和悬空支架（三角支架、纵梁支架等）。在支架设计时，同样需要考虑墩身的高度、承台大小、箱梁的结构形式和重量。

考虑到该桥0号块单侧悬臂长度达到8 m，墩身高度12 m，决定利用主墩承台做基础，在承台上搭设落地支架进行现浇，解决大悬臂施工问题，避免不均匀沉降现象。

因该桥墩顶设计面积较小，仅依靠墩顶临时固结难以满足0号块施工要求，通过设计让支架立柱起到临时固结作用，较好的解决了悬臂施工的安全问题。

2.1 方案比选

根据现场实际情况，设计出两种支架方案。

方案一，贝雷桁架方案：

支架采用贝雷桁架落地拼装，用贝雷桁架做立柱和纵梁，顶部安装工字钢做分配梁。

方案二，钢管立柱方案：

（1）采用630×10 mm螺旋钢管作为立柱，顶部安装工字钢作为主梁和分配梁，立柱间焊接剪刀撑结为整体。

（2）采用1200×10 mm螺旋钢管作为立柱，内部灌注混凝土，提高单柱承载能力，顶部安装工字钢作为主梁和分配梁，立柱间焊接剪刀撑结为整体。

三种形式比选如下：全部利用承台作为基础，均可避免支架不均匀沉降，能确保安全可靠。

方案一，虽然架拼简单，但是该地区贝雷桁架使用较少，难以满足要求，若长距离调运成本较高。

方案二之一，由于0号块体较大，尺寸定型，需设计异性结构满足要求，承台上至少设立2排钢管，每排13根，钢管立柱多，立柱间联系多，用钢量大，同样不经济。同时，外端悬臂需要设置斜撑，产生的水平分力平衡困难。

方案二之二，大直径钢管混凝土立柱，较大的提高了立柱承载力，用钢量相对较少，较为经济。可以采用对称布置斜撑的方式，平衡水平力。同时利用钢管立柱点为临时固结，为后期箱梁悬臂施工可能存在的不平衡力矩提供抵抗力。

通过方案比选，大直径钢管混凝土立柱方案能较好地满足设计总体构想，决定施工采用。

2.2 钢管支架结构设计

钢管支架由以下部分组成：8根1200×10 mm钢管立柱做主承力构件，为保证受力良好，2I40b工字钢承力主横梁采用通长整体形式，把每侧4根立柱连成整体。上布设高度40 cm落架体系，2I56b工字钢做主纵梁，其上布置I20b作为分配横梁组成承重体系。

该桥承台尺寸，宽度13.8 m，而0号块长20 m，在主纵梁和钢管立柱之间做挑撑，缩短了主纵梁悬臂长度，可减少梁的挠度。同时平衡水平分力，斜撑尽量对称布置。

根据设计要求，拆除底模板后，在每根立柱位置应提供不小于30000 kN支撑力，以抵抗箱梁施工可能产生的不平衡力矩。该支架采用钢管立柱直顶箱梁底板的形式。在拆除底板其它位置模板支撑系统之后，立柱一直存在,至箱梁中跨合龙前拆除。

利用立柱产生的锚固力，平衡箱梁施工产生的不平衡力矩。立柱顶部通过锚固钢筋进行锚固。

通过锚固钢筋贴应变片，对锚固钢筋应力的监测，可以反应出悬臂施工阶段不平衡力矩值，指导施工，保证施工安全。

设计示意见图1、图2所示。

2.3 落架体系设置

落架体系应制作安拆方便、高程可调整等。

一般落架体系有硫磺砂浆、千斤顶、型钢落架等。其中，型钢落架由于承载力大，制作简单，高程可调，安拆方便等做为此次施工的首选。

采用的型钢系统，高度中心高度约40 cm。分为A、B、C三个块体，A、B为固定模块，可以周转使用，C顶面坡度同梁底。

每块体上下表面各用5 mm厚光滑钢板罩面，以减小接触面摩擦力，方便调整高度及落架。施工时，A下面和主横梁点焊，C上面和主纵梁点焊，B留作高度调节块。

该桥梁底纵坡8%，落架块直接加工成相应坡度。落架安装调节过程中，各块体接触面长度不小于25 cm。

型钢落架体系示意见图3所示。

3 钢管支架施工

3.1 施工流程

预埋地脚钢板——竖立1200×10 mm钢管——主横梁安装——钢管立柱连接焊接——落架体系安装——主纵梁安装——纵梁受力斜撑安装——钢管立柱内浇筑混凝土——分配横梁安装——模板系统安装——支架预压——0号块梁体施工——模板部分支架体系拆除——中跨合龙前立柱拆除。

3.2 支架基础施工

腹板位置可以承受悬臂施工产生的外力，钢管立柱对应腹板布置，为减少主纵梁悬臂长度，尽量靠近承台边沿布置。

在承台施工时预埋锚固钢筋。钢管竖立之后，锚固钢筋和钢管立柱焊接。

根据设计位置切割钢管安装主横梁，同时封堵切割面。

钢管内混凝土的浇筑，采用C30微膨胀混凝土，高位抛落无振捣法施工。顶部3～4 m范围内混凝土应振捣，保证混凝土密实。

混凝土浇筑应在主横梁和斜撑施工完毕之后进行，避免后期焊接施工造成钢材变形，混凝土受高温失效使立柱承载力下降。

在主横梁和墩顶截面相应位置设置可调节式型钢落架体系。

3.3 支架上部结构施工

主纵梁采用双拼I56b工字钢。在弯矩较大区间增加纵向加劲肋，提高抗弯能力；在支点位置附近位置按照间隔50cm布置横向加劲肋，提高抗剪能力。

主纵梁在钢管立柱两侧各20cm和各箱室居中布置，以使各梁受力近似。

为减少外悬臂主纵梁变形，设置受力斜撑。斜撑采用双拼I40b工字钢，直接支撑在主纵梁悬挑侧。同时，为均衡钢管立柱受到的水平分力，对侧主纵梁同样设置斜撑。

斜撑下端应力较大，通过增加加劲钢板，增加焊缝长度形式解决。

分配横梁采用I20b工字钢，间距40cm布置在主纵梁上布置。

3.4 模板安装

底模板采用大面积定型钢模板,为提高利用率，挂篮底模板先做支架底模板使用，拆除后再安装作为挂篮上。

3.5 支架预压

支架预压采用堆载法和反力法相结合形式。

墩顶及对应承台外侧部分采用堆载法，对应承台段采用承台预埋精轧螺纹钢筋，利用千斤顶在支架上施加荷载，锚具锁定方式进行预压。

3.6 支架拆除

0号块施工完毕后，可拆除除钢管立柱、墩顶临时固结之外的所有临时结构，周转使用提高材料利用率。

同时，钢管混凝土立柱作为悬臂箱梁施工时抵抗不平衡力矩的重要组成部分，应继续监控应力，以保证箱梁悬臂施工安全。

按照设计要求，中跨合龙前拆除立柱。

4 钢管支架设计计算

4.1 支架工况

支架作为一个临时支撑结构，要确保施工期间的安全性和稳定性。在设计时，充分考虑混凝土自重荷载、施工荷载等。

按照以下工况计算：

（1）混凝土首次浇筑，荷载按照箱梁截面受力计算；

（2）混凝土二次浇筑，按照均布力分配计算；

（3）混凝土全部按照箱型截面受力计算。

4.2 支架计算参数

支架计算取值：

钢纤维混凝土：27 kN/m2；

钢模板： 1.2 kN/m2；

施工人员、施工设备、施工材料：2.5 kN/m2；

振捣混凝土产生的振捣荷载： 2.0 kN/m2。

4.3 主要计算内容

单根立柱承载力计算计算内容参考 《钢管混凝土结构设计与施工规程》（CECS 28-90）。

支架搭设完毕后，计算内容为：主横梁、主纵梁、分配横梁的强度、刚度、稳定性。

斜撑受力及角部焊缝受拉验算（见《钢结构设计手册》4.1,4.5 章节）。

4.4 计算结果

整个支架受力体系为一个超静定结构，采用计算软件建模分析和计算，同时按照简支构件进行核算。计算结果显示，结构强度刚度稳定性均满足施工技术规范要求。

通过支架预压对支架结构行进进行检验、验证。理论计算和实际基本吻合，达到了设计要求。

5 结语

0号块施工质量影响到全桥质量，而0号块支架体系的选择不仅关系到施工质量，还关系到施工投入、安全、施工快捷便利等的问题，在施工过程中应综合考虑。

以承台作为基础，利用钢管支架进行施工，避免了超长0号块施工不均匀沉降现象，提高了施工安全性，确保了工程质量。

该桥设计的支架费用较省，材料回收率高，同时，主要材料周转速度加快，相应降低了投资。

该桥0号块支架形式的选择，不仅解决了大悬臂0号块施工问题，同时，底模板拆除之后，钢管立柱可以做为箱梁支点，直至最后拆除，缩短了悬臂施工可能出现不的不平衡力矩的力臂，增加了抵抗侧的力臂长度，节约了临时固结的费用。

可以通过监控立柱钢管锚筋应力提供的抗拉力，指导施工，为箱梁施工安全提供了保障。

此种支架的设计和施工，具有在类似桥梁施工中推广价值。

[1]JTG/T f50-2011,公路桥涵施工技术规范[S].

[2]GB 50017-2003,钢结构设计规范[S].

[3]CECS 28-90，钢管混凝土结构设计与施工规程[S].

[4]汪一俊，等，钢结构设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社.

[5]周水兴，等.路桥施工计算手册[M].北京：人民交通出版社.