交叉施工条件下的大跨悬臂盖梁模架结构形式研究

王 宁，赵建康，杨俊涛，张文香

(北京市市政一建设工程有限责任公司，北京 100083)

由于受到自然水文环境的影响，为保证跨河桥梁下部结构及河道护砌施工避开汛期影响，同时满足设计要求的：河道防护工期随桥梁施工同期实施，工程需合理安排施工进度计划，保证进入汛期前完成以上内容的施工，项目部经过对工程进度进行研究，发现如将河道护砌的时间调整至与跨河桥盖梁同步实施，传统的满堂支架形式将会影响河道护砌施工，经过进行技术优化及方案比选，项目部决定采用钢抱箍的支撑形式，以减小对河道施工的空间影响，但由于本工程主幅桥盖梁跨度10 m，悬臂端长度4.24 m。因此，在采用此施工工艺时，对确定主梁布置形式带来一定的难度，同时，也导致了桥梁下部空间交叉施工的问题，安全隐患加大，因此项目部决定在施工前应用计算软件对盖梁模架支撑体系进行安全核算，同时对项目部作业人员进行方案及安全技术交底，并在进行盖梁施工时加强盖梁下部安全防护，保证施工安全及质量。

1 工程概况

本工程主幅桥盖梁结构为三墩柱C50现浇预应力混凝土形式，墩柱间跨度为10 m，位于两端的悬臂投影长度为4.24 m，盖梁下部的净空高度为5.37 m，盖梁投影尺寸(长×宽)为28.48 m×2.2 m，盖梁的最大高度1.6 m。根据设计图纸要求，需对桥梁投影范围及桥梁上下游185.1 m范围内进行河道护砌，护砌时间：河道防护工期随桥梁施工同期实施。桥梁布置图，如图1所示。

图1 桥梁布置图

2 工程重难点

2.1 跨河桥施工需避开汛期

本桥梁工程跨越现况河流，汛期时50年一遇最高洪水情况下，水深在4.76 m左右。按照传统模架形式进行工期计划安排，跨河桥下部结构施工时将进入本市汛期，将给下部结构施工安全、质量等多方面控制带来很大难度。因此，安排跨河桥施工时需要合理制定工程计划安排，尽量避开下部结构汛期施工。桥梁下部结构与河道护砌结构断面图，如图2所示。

图2 桥梁下部结构与河道护砌结构断面图

2.2 交叉施工带来较大安全风险

进行技术优化后，采用钢抱箍+局部支架法进行盖梁施工，可在保证盖梁模架体系稳定性的前提下，尽可能多地为下部河道护砌等施工内容提供施工场地，由于在空间上，需要上下同时作业，就产生了交叉施工的问题，施工时，安全防护难度加大。

2.3 盖梁结构跨度大对结构选型难度加大

由于本工程涉及的跨河桥主幅桥盖梁墩柱间的跨度为10 m，墩柱间跨度大，且悬臂端长度4.24 m，悬臂较长，使得在力学模型中，跨中及悬臂端弯矩较大，对主梁材料的抗弯性能要求较高，导致在确定盖梁模架体系时，常规简单的支撑形式无法满足本盖梁安全施工的要求，这给方案制定带来了难度。盖梁结构尺寸，如图3所示。

图3 盖梁结构尺寸图

3 技术方案优化

按照常规施工工艺，本工程桥梁下部结构施工的关键线路为桩基础施工—承台施工—墩柱施工—盖梁施工—河道护砌施工，盖梁施工时如采用最常见的满堂式排架施工形式，工期计划为81 d，然而考虑到本工程河流水文情况，并满足设计要求，跨河桥下部结构施工宜避开雨季汛期，河道防护工期随桥梁施工同期实施，因此需要调整施工工艺，优化工期。因此，项目拟调整工程关键线路上的关键项目，即考虑在桥梁墩柱成型后，盖梁施工环节可进行优化，安排河道护砌与盖梁同步施工，从空间上调整施工作业流程，为保证此方案可行，就需为河道护砌提供必要的施工场地。

在目前国内较成熟的盖梁模架支搭方式中，满堂支架法、钢立柱法、抱箍法施工均适合盖梁这种断面相对较小的结构。为保证盖梁支撑体系施工安全，项目部对3种支撑形式分别进行了设计，同时运用计算软件，对支撑结构及材料进行了安全稳定性验算，以上3类施工工艺及结构形式分述如下。

3.1 盖梁支架采用满堂式碗扣支架法

按照常规的满堂支架结构形式施工时，其施工工艺流程为：承台、墩柱施工→河底地基处理→满堂支架搭设→盖梁施工→拆除模架→整体河道护砌。

其结构形式由下至上依次为：满堂支架—主梁(12#工字钢)—次梁(10 cm×10 cm方木)，—模板。

满堂支架法结构布置，如图4所示。

图4 满堂支架法结构布置图

经过模架设计，若本盖梁施工采用满堂支架形式，模架影响河道护砌的面积为500 m2左右，模架搭设时间为13 d(含基础施工和养护时间)，拆除时间为2 d，影响河道护砌部位施工时间为5 d，共占用工期20 d。满堂支架法施工范围剖面图，如图5所示，满堂支架法施工影响范围平面图，如图6所示。

图5 满堂支架法施工范围剖面图

图6 满堂支架法施工影响范围平面图

3.2 盖梁支架采用钢立柱法

桥梁盖梁支架采用钢立柱法施工工艺为：承台施工完成后，施工钢立柱作用于承台表面，立柱上方架设支撑梁形成平台，上方再支搭满堂红排架。立柱架设完成后进行承台回填，承台回填后进行河道护砌，河道护砌与盖梁施工平行施工，后期盖梁完成拆除支撑时，将护砌上方钢立柱拆除，护砌埋设钢立柱采用混凝土封闭，保障汛期之前完成占河施工。经过计算，若采用此支撑方法，钢管柱上方需设置贝雷梁作为主梁才能满足安全稳定性要求，支架费用测算为人民币8.9万元。

其结构形式由下至上依次为：钢立柱—贝雷梁—工字钢—满堂支架—模板，钢立柱法结构平面布置图，如图7所示。

图7 钢立柱法结构布置图

经过模架设计，若本盖梁施工采用钢管柱+贝雷梁+支架形式，模架影响河道护砌的面积为170 m2左右，模架搭设时间为5 d，拆除时间为2 d，影响河道护砌部位施工时间为2 d，共占用工期9 d；与常规满堂支架施工相比，可实现缩短工期11 d，如图8所示。

图8 钢立柱法施工影响范围平面图

3.3 盖梁支架采用抱箍法

桥梁盖梁采用墩柱钢抱箍作为主要支承形式，辅以小型临时支架的施工工艺为：墩柱模板拆除且达到强度后安装抱箍，同时进行承台回填及河底护砌施工，后期盖梁施工完成，支架拆除方便快捷，不影响河道护砌进度，满足了河道防汛要求，经过安全稳定性计算，需要在钢抱箍上搭设工字钢作为主梁，同时配合小型临时支架，其费用测算为人民币3万元。

其结构形式由下至上依次为：钢抱箍及临时支架—主梁(H型钢)—次梁(工字钢)—模板。钢抱箍+局部临时支架法结构布置如图9所示，剖面图如图10所示。

图9 钢抱箍+局部临时支架法结构布置图

图10 钢抱箍+局部临时支架法剖面图

经过模架设计，若本盖梁施工采用钢抱箍+局部临时支架+工字钢形式，模架影响河道护砌的面积为25 m2左右，模架搭设时间为2 d(临时支架基础采用级配砂石回填夯实处理)，拆除时间为2 d，影响河道护砌部位施工时间为0.5 d，共占用工期4.5 d；较常规满堂支架施工，可以达到缩短工期15.5 d。钢抱箍+局部临时支架法施工影响范围平面图，如图11所示。

图11 钢抱箍+局部临时支架法施工影响范围平面图

经过方案比选，项目部最终决定采用钢抱箍法进行施工。上述3种支撑方案优缺点不同支撑形式对比，见表1。

表1 不同支撑形式对比

4 钢抱箍安全性验算

钢抱箍的工作原理是利用抱箍与柱之间产生的竖向摩擦力起到对上部钢平台等一系列荷载的支撑作用，因此，在进行钢抱箍设计时，通常需要先对钢抱箍产生的摩擦力与上部荷载进行比较，应保证摩擦力大于上部荷载的总和，才能保证施工安全。即：

σ1=F/(μπBD)

(1)

σ1——单层抱箍钢带对墩柱的压应力；

F——单层抱箍承受最大荷载；

μ——钢带和墩柱间的摩擦系数；

B——单层抱箍钢带宽度；

D——墩柱直径。

本工程钢抱箍使用12 mm厚钢板进行加工制作，高度为500 mm，保证其内径大于柱径6 mm；每个柱箍由两个半圆形钢箍组成，保证在柱上安装完成后，其相接面有30 mm的空隙，以保证钢抱箍可以与墩柱之间形成较大摩擦力，以形成对盖梁结构的良好支撑效果。为了增大墩身与抱箍间的摩擦力，需要在钢抱箍内侧与墩柱接触位置包裹一层3 mm厚的橡胶皮，增大摩擦力的同时可防止墩柱表面损坏，影响墩柱外观质量。

牛腿腹板使用8根10.9级M30高强螺栓进行连接。抱箍两端三角肋板上放置63a工字钢。

经过计算，本工程采用单层抱箍时，其承受的最大荷载为：

F=2×Rmax/n1=2×742.868/1=1 485.736kN

4.1 单层抱箍钢带对墩柱的压应力

σ1=F/(μπBD) =1 485.736×103/(0.35×3.142×500×1 500)=1.802 N/mm2≤fc=19.1 N/mm2

满足要求！

4.2 单层抱箍钢带内应力

σ2=σ1D/(2t)=1.802×1 500/(2×12)

=112.601 N/mm2≤f=215N/mm2

满足要求！

5 施工要点

抱箍施工前，应对抱箍的外观进行检查，包括检查抱箍有无变形，螺栓孔直径，焊缝质量等。

安装抱箍时，首先需要把墩柱施工时搭设的施工脚手架拆除至抱箍位置。

进行抱箍吊装时，需先在脚手架上搭设脚手板，作为紧固抱箍螺栓的操作平台。同时，需要先在地面上对两片抱箍进行预连接，用方木条卡入抱箍之间的缝隙进行临时楔紧。随后即可进行抱箍吊装。吊装时，需要从墩柱上方把抱箍套在墩柱外侧，此过程应由工人在墩顶进行辅助作业。

在进行抱箍紧固时，为保证螺栓受力均匀，防止墩柱产生偏心受压的现象，需要将每侧的螺栓都均匀拧到相似的坚固程度后，进行对称、均匀,先内后外的顺序拧紧。“连接处的螺栓必须分3次进行拧紧，第1次在抱箍拼装好后进行，第2次在抱箍拼装好后第2天进行，第3次在给抱箍加压后进行”在拧紧过程中，应时刻观察抱箍与墩柱间橡胶皮垫的变形情况，防止施工隐患的发生。同时还需注意抱箍各处焊缝情况，发现变形或开裂时应立即停止施工，查明原因采取措施后，方准继续施工。

墩柱的抱箍安装好后，方可进行后续施工。

6 安全施工措施

为保证同时施工安全，项目部采取了以下措施。

6.1 加强人员管理

加强进场人员的安全教育和管理，严格执行安全技术交底和安全操作规程，不得进行违章作业。

同时要求进入工地现场人员正确佩戴安全帽，高处作业人员应按照要求挂安全绳，其使用的工具必须放进工具袋或采取防坠落措施，严禁到处乱放。

6.2 加强物料堆放管理

高处作业处临时使用的材料必须放置整齐、稳固，并保证其放置位置安全可靠。

6.3 作业环境管理

在盖梁模架四周安装钢式防护网，高度为1.77 m，盖梁底部挂防坠网。

在盖梁四周悬挂相关安全警示牌，保持安全通道畅通。

在墩柱的周围设置防撞水马，张贴反光条和安全警示灯，同时在模架盖梁下方悬挂限高牌。保证盖梁下部施工安全。

7 结束语

抱箍法施工不受地基、墩高等因素限制，避免了采用满堂支架法施工产生的局限性，具备一定的实用性；施工过程简单，大幅节约了劳动力、材料及设备的投入，且其施工周期短，抱箍重复使用率高，具备一定的经济性；抱箍体刚度大，受力结构简单，避免了很多不确定安全因素，从而确保了盖梁施工的总体质量，具备一定的安全性。

本工程项目由于受工程水文条件影响，设计要求河道防护工期随桥梁施工同期实施，常规满堂支架施工工艺无法满足施工需求，经过方案比选，选择采用在可以满足设计要求的同时，结构形式简单，施工周期短，费用低的抱箍法施工，通过安全性验算，确定最终形式为钢抱箍+工字钢，同时加强对人员交底及现场安全防护管理，保证交叉施工过程中的施工安全。通过对交叉施工条件下桥梁模架形式的研究，为日后类似施工提供了宝贵的经验。