甘溪特大桥三角区下弦0#块及墩间系梁施工总结

帅训营

上海远通路桥工程有限公司，中国·上海201700

论文主要对空腹式斜腿钢构三角区下弦0#块及墩间系梁托架设计、荷载试验施工方法进行总结，为今后类似工程施工提供一些参考。

空腹式斜腿钢构；下弦0#块托架设计；荷载试验

1 工程概述

甘溪特大桥主桥为（155+300+155）m 空腹斜腿式刚构桥，主桥长度610m，单幅梁宽10．25m，两幅桥净距3．5m。空腹式钢构桥主跨300m，同类型桥梁世界第一。其中19#墩高为84．753m，20#墩高为128．753m。19#、20#主墩在主梁下弦根部与主墩连接处设顺桥向系梁联结。该处系梁梁高 950cm，顶、底板厚为 200cm，腹板厚度 200cm。左右副主墩之间，采用单箱单室截面系梁作为横向连接，以增强主墩横向抗推刚度。

图1 下弦0#块立面图

图2 下弦0#块平面图

2 下弦0#块施工概述

为了确保三角区下弦0#块处结构的完整性，确保施工质量，下弦0#块、墩身、纵系梁及横系梁采用与上构同标号C55混凝土同时浇筑，分三层进行浇筑，分层高度分别为：3．5m、3．5m、2．5m。第一层浇筑方梁600 方，第二层浇筑方梁618 方，第三层浇筑方量为650 方。主要施工流程为：墩身预留孔洞施工→牛腿桁片加工→牛腿桁片吊装插入预留孔→穿入对拉螺杆，施加预拉力→安装托架横向联系→托架预压→安装分配梁、模板→绑扎钢筋→浇筑混凝土→混凝土养生等强→张拉预应力钢筋→管道压浆→拆模、拆除托架。

3 下弦0#块施工支架设计

下弦0#块托架主要由三角牛腿、支承钢管、纵、横分配梁组成。三角牛腿的横杆采用2I45a，竖杆和斜撑采用2I28a组成的箱型截面。三角牛腿上为2I45a 的横向分配梁，横向分配梁上为I20a 纵向分配梁，纵向分配梁上为φ48 钢管支架。

纵系梁、横系梁托架主要由三角牛腿、支承钢管、纵、横分配梁组成。三角牛腿的横杆采用 2I63a，斜杆，竖杆和斜撑采用 2I32a 组成的箱型截面，平联和剪刀撑采用 2I32a。三角牛腿上为 2I63a 的横向分配梁，横向分配梁上为 I25a 纵向分配梁，纵向分配梁上为φ48 钢管支架。其中纵系梁托架在横杆位置处采用4 根φ32 精轧螺纹钢与下弦0#块牛腿横杆进行对拉锚固，牛腿下支点采用钢棒作为支撑。

横系梁托架在横杆位置处梁采用4 根φ32 精轧螺纹钢锚固在墩身上，牛腿下支点采用钢棒作为支撑。支架总体布置图下图所示。

图3 托架总平面布置示意图（单位：cm）

图4 顺桥向下弦0#块及系梁施工立面示意图（单位：cm）

图5 横桥向下弦0#块及系梁施工立面示意图（单位：cm）

4 托架结构验算

4.1 基本计算参数

材料参数：

（1）支架钢材为 Q235 材质。根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）3．2．1，Q235 钢材强度设计值如下表所示。

表1 钢材强度设计值

（2）精轧螺纹钢：根据托架设计图纸，桁架上弦杆对拉螺纹钢直径φ32mm，屈服强度830Mpa。单根螺 纹钢公称面积804．2mm²，抗拉设计强度fpd 取 690Mpa，单根螺纹钢预紧力15t。

（3）墩身混凝土采用 C45 标号。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362-2018）3．1．4，C45 轴心抗压强度设计值 fcd 取 20．5Mpa，轴心抗拉强度设计值 ftd 取1．74Mpa。

4.2 计算荷载

计算中考虑的各种荷载如下：

（1）钢材自重：支架钢结构密度取 7850kg/m³，由软件自动添加。

（2）混凝土结构自重：钢筋混凝土容重取 26kN/m³，下弦0 号块分三层浇筑，分层高度 3．5m+3．5m+2．5m。考虑混凝土分层硬化承载，计算时对全截面荷载乘以折减系数。

建立系梁、下弦 0 号块实体模型，经过计算，浇筑过程混凝土下缘拉应力均小于抗拉。

设计强度。对实体模型分层浇筑施工阶段的 2 层、3 层荷载分别提取特征点变形（特征点取桁架片弦杆与最远端主横梁交点位置），再通过提取托架模型全截面混凝土荷载作用下的对应特征点变形，换算得到荷载折减系数。经过计算，混凝土荷载计算取 0．5[1]。

（3）模板自重：偏安全取3KPa。

（4）施工人员及机具荷载：2．5KPa。

（5）混凝土振捣对底模产生的荷载：2KPa。

（6）风荷载：根据《公路桥梁抗风设计规范》（JTJ/T 3360-01-2018）附表 A，1/20 基本风速取 22m/s，对应风压 0．3kPa。根据《公路桥梁抗风设计规范》（JTJ/T 3360-01-2018）4．2．4 及 4．2．6，托架高度处设计基准风速计算如下。

Ud=KfKtKhU10

式中：Ud——设计基准风速（m/s）；

U10——基本风速；1/20 设计风速取 22m/s；

fk——抗风风险系数，根据表 4．2．6-1，取 1．0；

k——地形条件系数，取 1．0；

hk——风速高度修正系数，基准高度 Z 为 182．4m，根据表 4．2．6-2，kh 取 1．58；

根据《公路桥梁抗风设计规范》（JTJ/T 3360-01-2018）5．3．1，结构风荷载按下式计算。

式中：Fg——作用于结构单位长度上的静阵风荷载（N/m）；

——空气密度（kg/m³），取 1．25；

Ug——静阵风风速，根据规范 5．2．1，B 类别地表，静阵风系数取 1．35；

CH——结构阻力系数；经计算，2I45a、[]28a 的风阻系数均为 2．0，首节模板

风阻系数为 1．9；

D——结构的投影高度（m），2I45a、28a、首节模板投影高度（m）分别取 0．45、0．28、3．5；

4.3 荷载组合

支架强度分析荷载组合：

1．2×支架自重＋1．2×模板自重+1．2×1．05×混凝土荷载+1．4×（人群机具荷载+振捣混凝土荷载+1．1 风荷载）。

5 托架结构验算

采用 Midas Civil 结构有限元软件对托架进行建模计算。杆件均采用梁单元建模，小钢管支架在上文采用手算计算，模型中仅作为自重荷载及传递竖向荷载作用。混凝土荷载、模板自重、施工荷载均以面荷载形式施加，风荷载以均布荷载形式施加[2]。上述所有荷载在模型中施加标准值，并按照上文所述考虑分项系数。混凝土荷载加载时，根据不同截面荷载分布分别施加。混凝土荷载施加全高截面荷载标准值，并根据上文考虑荷载折减系数和分项系数。对结构主要荷载—混凝土全截面荷载标准值的加载如下所示。

图6 下弦0#块托架模型

托架强度、托架变形经过 Midas Civil 结构有限元软件对托架进行建模分析得出最终结果：组合应力、压杆稳定应力按 180Mpa 控制，剪切应力按 105Mpa 控制，变形按 L/400 控制，计算结果汇总如下表所示。

表2 结果汇总表

6 支架预压

6.1 支架预压的目的

(1)验证支架的可靠性。

(2)消除支架的非弹性变形。

(3)测定支架在不同荷载条件下的实际变形，为下弦0#块处联系梁施工线形控制提供可靠依据。

6.2 支架预压流程

6.3 支架预压原理

前期施工承台过程中预埋反力装置，托架安装完成后，在系梁及0#块处墩侧托架上设置千斤顶压力架，同时利用钢绞线连接承台上的反力装置和千斤顶，然后用千斤顶对托架进行分级模拟施压，以得到支架变形的各类技术参数，指导托架施工。

图7 支架荷载试验示意图

6.4 预压施工、变形监测、预拱度设置

横系梁托架单侧两个支架同时加载，即4 个千斤顶顶同时加载。纵系梁托架和0#块托架，单墩4 个托架同时加载，即6 个千斤顶同时加载。加载前测量各观测点压载前的标高H1，然后分级加载（荷载等级分别为0%G、、50%G、75%G、100%G、120%G）根据油顶校验曲线观测每段油表数，每级荷载施加到位后，持荷2h，荷载施加至120%G 后，持荷载24h。在加载期间，测出各级加载重量后各沉降控制点标高H2，然后卸载，完毕后再测量一次各点标高H3。

根据测出的各控制点各阶段的标高，计算系梁支架系统弹性变化值及非弹性变形值：

弹性变形值f1=H3-H2，非弹性变形值f2=H1-H3

各支架施工控制标高由设计标高H0 及预拱度组成，其中预拱度值与下列几项有关：

f1—支架弹性变形值

f2—支架非弹性变形值

f3—阶段张拉后的预拱度值

f4—各悬浇阶段的自重引起的下挠值

最后确定支架模板系统施工控制标高为：

H=H0+f1+f2-f3+f4

支架在卸载后重新调整模板标高时，由于非弹性变形已经消除，因此控制标高：

H=H0+f1-f3+f4

7 结语

由于托架采用精轧螺纹钢的方式和墩身进行锚固，而非常规设计（墩身上预埋钢板然后焊接牛腿），大大节约托架安装时间，牛腿托架设计20 个，前后安装用时5 天，下弦0#块及墩间系梁从2019年8月20日开始施工到10月20日完成，前后用时60 天，过程中顺利，下弦0#块施工完成证明了此次托架设计合理，荷载试验方式可行，值得后期推广。