湖美溪大桥0号及平衡段托架吊支架施工方案研究与设计

王伟男

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

1 工程特点

湖美溪大桥位于莆炎高速公路YA10合同段，尤溪县坂面乡上村南侧。设计荷载为公路-I级，设计使用年限为100年。大桥分设独立的双幅左右两线，左线为（40+(82+150+82)+10×40）m，右线桥为（2×30+2×40+(82+150+82)+8×40）m，其中40 m为小箱梁采用先简支后结构连续结构，主墩最大墩高达107 m。左右两幅桥墩采用柱式墩、空心薄壁墩，桥台采用柱式台，基础均为桩基础。主桥(82+150+82) m连续刚构采用单箱双室变高度箱形截面，主墩墩顶梁高9.2 m，跨中梁高3.5 m，按1.8次曲线变化。单幅箱梁顶宽16.75 m，底宽10.75 m，采用纵横竖三向预应力体系。连续刚构主桥布置如图1所示。

图1 连续刚构主桥布置（单位：mm）

该连续刚构有如下特点：

（1）主墩高度达107 m，0#段的现浇支架加工及质量控制难度大、安装拆除作业困难、施工风险高；（2）边墩高度达79 m，边跨平衡段与合龙段的现浇支架加工及质量控制难度大、安装拆除作业困难、施工风险高；常规的墩旁托架会对边墩的受力和位移造成不利影响，甚至危及其安全；（3）按规范要求预压时，上述支架加卸载困难，效率低；（4）桥址位置偏僻，地处山区峡谷，交通不便，不利于大型设备进场。

针对该桥上述环境、工程特点和资源情况，经过多视角、多套施工方案的比选研究，提出以下施工方案：高墩采用爬模施工；0#段采用墩旁三角托架法施工，外模采用整体钢模，内模采用竹胶板模板；在0#块上组装挂篮，采用菱形挂篮施工1～20#悬浇节段；左线1#、4#边墩，右线4#、7#边墩平衡段及合龙段采用盖梁内预埋牛腿与浇筑完成的悬臂端吊挂的精轧螺纹钢形成简支的吊支架进行施工；中跨合龙段采用挂篮施工；支架采用在各墩承台预埋锚点，精轧螺纹钢锚固，再在托架、吊支架上用千斤顶施加压力实现预压；合龙段合龙施工采用水箱存放水实现换重。各幅先同时合龙两个边跨，再合龙中跨。

2 主要施工方案研究

（1）0#段施工方案。该桥0#段长14 m，梁宽16.75 m，顶板厚度28 cm，边腹板厚度75 cm，中腹板厚度75 cm，底板厚度102.1～105 cm变截面变化，梁中截面梁高9.20 m，端头梁高8.977 m，两隔板厚1.5 m，隔板孔洞1.5 ×1.8 m，位于0#段中跨段部分靠近隔板预留进入洞，孔洞边距隔板边80 cm，孔洞直径1.0 m，混凝土方量563 m3，折合梁重约1 492 t。

0#段体量大，墩身高度大，采用墩旁三角托架施工，其上利用挂篮底板系统支承在托架上作为0#段底模。托架为全槽钢杆件组成的全销接结构，各杆件由双拼[28b槽钢焊接，销轴加强板为12 mm厚钢板，缀板为12 mm厚钢板。结构受力明确，且加工工艺简单，对构件精度要求较低，施工现场即可加工。三角托架销接在预埋件上，用[25b槽钢现场焊接斜撑。销接连接在保证可靠性的同时，相较于焊接连接质量检查更直观。三角托架上置沙箱，沙箱上放置挂篮的双拼HN500×200工字钢底横梁作为横梁，底板下方放I-40b工字钢，翼缘板下为I-36b工字钢，结构如图2所示。

图2 托架结构示意（单位：mm）

（2）悬臂施工方案。连续刚构悬臂段采用菱形挂篮悬浇方式施工，在前一个节段施工完成后（张拉、注浆完成），将挂篮移至下一个节段，并调整底模标高实现节段高度变化，通过在前一个节段预留挂篮后锚孔进行挂篮的固定。挂篮结构主要由桁架、吊挂系统、走行及后锚系统、模板系统和张拉操作平台等六部分组成。挂篮是施工梁段的承重结构，又是施工梁段的作业（悬灌，张拉等）平台，挂篮按其悬灌所承受的最大梁段重量及施工荷载等最不利荷载设计。

（3）边跨平衡段及合龙段施工方案。按施工图要求，边跨平衡段及合龙段一次整体浇筑，采用吊支架施工，吊支架一侧支撑在边墩预留牛腿上，另一侧用精轧螺纹钢吊挂在悬臂梁端上，从而形成简支结构，改善边墩的受力状态。边跨吊支架拼装完毕，将进行预压，检验其承载能力，消除支架的非弹性变形并获得荷载-变形曲线。边跨吊支架采用双拼[28b槽钢进行组装，共设置4个支架，支架间距为2.725 m，1.75 m，2.725 m。支架上置沙箱，沙箱上置双拼HN500×200工字钢，其上布置I-36b工字钢，为减少临时结构安装拆除及运输的工作量，充分利用0#段托架及挂篮的构件，横梁利用挂篮的底横梁拼装，布置如图3所示。吊支架拼装并试压合格后，即可进行平衡段及合龙段施工。

图3 边跨吊支架结构（单位：mm）

采用在悬臂端水箱加放水的方法实现合龙段混凝土浇筑的换重。各幅先同时合龙两个边跨，再合龙中跨。

（4）托架与吊支架的预压。考虑到墩身很高，预压件装卸载困难，0#段托架和边跨平衡段吊支架均采用精轧螺纹钢进行预压。在临时支撑结构安装完成后，箱梁施工前，对其进行相当于1.1倍最大施工荷载预压，以检查托架和吊支架的承载能力，减少和消除临时结构体系的非弹性变形。预压时，在结构顶部设置14根竖向精轧螺纹钢，采用连接套筒接长至墩底，由承台预埋的14根精轧螺纹钢提供反力，采用千斤顶张拉加载。通过分配梁使千斤顶施加的荷载与截面混凝土重力分布大致相当，加载时，自中间向两侧分段、分层对称加载，严防不对称加载，预防偏载事故。预压过程中合理设置观测点，并做好观测记录，以利于计算结构的变形量。观测点设置在梁底模板上，共设置14个观测断面，每个断面3个观测点。加载过程应注意分级加载，加载按照1.1倍重量的60%、80%、100%分3次进行，每阶段加载完成后1 h开始进行观测，间隔6 h测量一次，待连续两次观测沉降小于2 mm后再进行下一阶段加载；待加载重量全部施加到位后，连续观测12 h，直至沉降量稳定在2 mm之内。加载过程应均匀缓慢、有序进行，避免托架受力不均和突然受力而出现不稳定情况，当确认消除结构非弹性变形量及压缩稳定后，测出弹性变形量，即完成压重施工。

（5）考虑施工温度的中跨合龙。连续刚构桥在合龙时除需注意过程中水箱配重对梁体结构和形态的影响，还需考虑温度效应对梁体造成的影响，当实际合龙温度与设计合龙温度不同时，会导致后期桥墩倾斜。实际合龙温度高于设计合龙温度时，需对中跨进行顶推施工，达到设计合龙温度的状态；实际合龙温度低于设计合龙温度时，则需采用对拉的方法使梁体达到设计合龙温度的状态。

3 主要施工临时结构检算

鉴于菱形挂篮属于悬臂浇筑施工常用临时结构，不再赘述，现使用Midas Civil对施工中提出的全销接临时结构进行检算。

3.1 边跨平衡段吊支架检算

利用桥梁工程软件Midas Civil对平衡段支架进行有限元分析计算，支架主要受剪力，其反力如图4所示。

图4 吊支架反力（单位：kN）

取受力最大的支架作为研究对象，考虑腹板处20 mm厚的加强板，预埋杆件IZ=1.576×108mm4预埋杆最大支反力为856 kN，故其剪应力为：

同理，对吊支架纵梁检算结果为，最大正应力168.4 MPa＜f=215 Mpa，最大切应力为38.2 MPa＜fv=125 Mpa，均满足规范要求。

对吊支架横梁检算结果为最大正应力为193.1 MPa＜f=215 Mpa，最大切应力为55.9 MPa＜fv=125 Mpa，均满足规范要求。

3.2 0#段托架

与吊支架的检算类似，对0#段托架根据施工时的实际荷载工况，利用有限元软件Midas Civil计算托架结构杆件及销接件的应力和变形，达到对托架强度、刚度以及稳定性的检算。

检算结果如下，最大正应力为146.9 MPa＜f=215 Mpa，最大切应力为40.9 MPa＜fv=125 Mpa，最大变形为，均满足规范要求。

针对0#段托架连接的检算。

（1）斜杆。托架最大轴力为700 kN，销轴采用Cr30材质，直径为100 mm，销轴双面抗剪，抗剪面积A=15700 mm2。

经查《钢结构设计手册》可得：φ=0.895

斜杆最大压杆的应力值为：

稳定性符合要求。

（2）水平杆强度水平拉杆的轴力为N=266.4kN，水平拉杆截面面积为9045 mm2；

水平拉杆截面拉应力为：

销孔孔壁压应力：

符合强度要求。

（3）预埋杆抗剪检算

杆件IZ=1.567×108mm4，S＊max=7.604×105mm2预埋杆最大支反力为674.8 kN，故其剪应力为：

满足要求。

4 结论

通过对湖美溪大桥(82+150+82) m预应力混凝土连续刚构的环境、工程特点和资源情况研究，选定了上述施工方案，并对相关临时结构进行了设计，同时按照相关桥梁施工规范要求并结合工程实际情况，运用有限元方法进行了结构分析和检算，该桥施工实践表明：（1）0#段施工采用全销接、静定桁式托架，并利用挂篮的底模系统作为支承在托架上的0#段底模，结构合理，各构件受力明确，简化了结构构件加工工艺和施工工艺，降低了施工风险，节约了临时结构费用。（2）边跨平衡段及合龙段使用简支吊支架施工，结构合理，各构件受力明确，简化了结构各构件加工工艺和施工工艺；更重要的是减小了边墩竖向荷载，大大减小了其偏心矩，改善了边墩的受力状态。（3）0#段采用精轧螺纹钢进行预压，解决了装卸载不便的问题，节约了成本提高了施工效率。