大悬臂预应力盖梁空间托架体系设计与施工研究

摘要：本文以G316长乐漳港至营前段A2合同段大悬臂预应力盖梁施工为工程背景，结合桥梁所处的施工环境及地质条件，对比分析了盘扣式支架、钢管组合支架及空间托架法支架的优缺点，设计了由牛腿、斜撑、主支撑梁、横向分配梁等组成的空间托架体系。采用有限元软件对所设计支架在不同工况下的应力、变形及稳定性等性能进行了详细的检算。结果表明，大悬臂预应力盖梁采用空间托架法具备安全可靠性。

关键词：大悬臂预应力盖梁；空间托架体系；结构设计及检算；施工工序

中图分类号： U443.3文献标识码：A"""""""""""" 文章编号：

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

随着城市立体交通的发展，为了尽可能利用桥下空间，大悬臂预应力盖梁被广泛运用于城市桥梁结构设计当中。在施工过程中，要结合工程实际，选择合理的支撑体系，以保证支撑体系和施工项目的安全性[1]。采用空间托架法施工具备材料少、成本低、搭设工期短、不占用桥下空间的优势，但大悬臂预应力盖梁浇筑的支架体系需承受较大的弯矩荷载，其支架设计及施工均存在较大的难度[2]。本文以G316长乐漳港至营前段A2合同段为工程背景，对大悬臂预应力盖梁空间托架法支架的设计与施工进行研究。

1 工程概况

国道G316线长乐漳港至营前段第A2合同段位于福建省福州市长乐区境内，起讫点里程为：ZK8+772.697～ZK11+051.197，全长2.84 km，为4层立体桥梁互通工程。桥梁20座，总长9 328.3 m，其中大悬臂预应力盖梁共60个，墩高为5 m～25 m（主要集中在15 m～25 m）。盖梁总长为15.6 m，宽2.1 m，高1.8 m，端部设置1 m×4 m的倒角，双柱式桥墩，截面尺寸1.5 m×1.8 m，间距4.8 m，盖梁两侧悬臂段长5.4 m。

2 施工环境及地质条件

1） 施工环境。该施工区域属冲淤积平原，典型海相冲淤积地貌，广泛分布有软土层，地势较平缓变化小，表层附着物多为稻田、鱼塘。施工组织复杂，地面道路与立体桥梁工程同时施工，作业面交叉错综。

2） 水文地质条件。江河水、鱼塘、水塘等作为场地内主要地表水，水面宽10.0 m～45.0 m；水流较缓，对两岸有一定冲刷作用，水深约1.5 m～2.0 m，受雨季季节影响明显，年变化幅度约1.0 m。地基多为软基地层，总体变化不大，以DKQ238探孔为例对地层情况进行描述，见表1。

3 施工方案比选

施工方案的制定通常要考虑多重因素，其中最为关键因素是方案的技术性和经济效益。技术性主要包括方案的安全性、可靠性、可行性等方面，经济效益包括施工成本和施工工期。技术性通常会影响技术方案的经济效益，同时，技术方案应与所处的施工环境、水文地质条件及结构物的设计等条件相适应。综合以上因素，大悬臂预应力盖梁的施工方法主要有以下3种方法：盘扣式满堂支架、落地钢管组合支架、空间托架法组合支架。

1） 盘扣式满堂支架施工。一般是先进行地基处理再搭设盘扣，然后设置剪刀撑、水平撑、顶托、方木等形成支撑体系。采用此种方法搭设比较方便，不需要大型吊车吊装，材料完全可以通过租赁形式获得，具有成本低、效率高的特点。缺点是受高宽比要求的限制，本桥桥墩高度主要集中在15 m～25 m，要求支架间距较大，基础处理面积大，盘扣支架所需材料较多，成本较高。

2） 落地钢管组合支架施工。可以采用钢筋混凝土作为扩大基础或者地面向下打入一定深度的钢管作为基础，立柱由型钢组成，通过柱顶横梁、纵向支撑梁、分配梁等形成支架体系。此种方法结构上较为简单，基础处理成本较低，变形相对较小，安全、可靠、便于操作。但是本桥所处地质条件较差，很难采用钢筋混凝土扩大基础，只有采用地面打入钢管的形式，经过计算打入地面桩基要≥30 m才能承受相应荷载（或者增加基础钢管的根数以减少打入地面钢管的深度），所需材料较多。同时，搭拆需吊车辅助，施工人员在安装过程中无操作平台，安全风险较大。钢管柱下方对地基承载力要求较高[3]。

3） 空间托架法组合支架施工。通过在桥墩上设置预埋件作为支撑牛腿，搭设型钢、方木等材料形成空间支撑体系。此种方法具有体积小、节约材料、传力路径明确等优点，搭设工期短，不占用桥下空间，是较为理想的施工方法。

4 支架具体设计方案

4.1 支架的构造设计

采用空间托架法组合支架的施工方法，在桥墩上设置上下牛腿作为支架的支撑点。通过提前预埋入墩身的爬锥、安装牛腿挂座将支架的力传递到浇筑完成的墩身混凝土上，用Ⅰ45a工字钢作为主支撑梁放置在墩身的挂座上，在悬臂段距墩身轴线3.5 m处及跨中距墩身轴线2.1 m处增设斜撑，与下牛腿通过销钉进行连接，斜撑为双拼[25a槽钢。主支撑梁上层为横向分配梁采用Ⅰ16工字钢，间距60 cm。盖梁倒角处用[10槽钢制作楔形托架将荷载传递到横向分配梁上。盖梁的底模体系为方木和竹胶板直接铺设在横向分配梁及角楔形架上，如图1所示。

4.2 支架所受荷载的取值及材料力学参数

根据《公路桥涵施工技术规范》《路桥施工计算手册》等规范规定，荷载取值如下：钢筋混凝土荷载容重取26 kN/m3，模板荷载取0.75 kN/m3，施工人员、机具及堆放的荷载取2.5 kN/m3，混凝土倾倒时冲击荷载2.0 kN/m3，振捣混凝土时产生的振捣荷载2.0 kN/m3，荷载的分配系数永久荷载取1.3，施工荷载取1.5。所用主要材料均为Q235型钢，当材料厚度≤16 mm时，抗弯和抗拉的容许应力=190 MPa，容许应力=125 MPa[4]。

4.3 支架受力工况及建模条件分析

鉴于支架在跨中及大悬臂中部设置斜撑这种特殊的结构形式，且混凝土浇筑时按照从跨中向两侧浇筑的特点，主要受力工况如下。

工况1：考虑盖梁钢筋密、间距较小，当夏季温度较高时，混凝土坍损较大，流动性很小，同时，未按照浇筑顺序浇筑，最不利情况为混凝土主要集中在两墩轴线之间。

工况2：盖梁混凝土整体浇筑完毕，且混凝土未达到初凝之前。

工况3：此种工况为当工况1发生后单独浇筑单侧倒角混凝土的工况，由于工况1本身是单侧斜撑承受荷载情况下一种不利情况的假定，施工中很少发生类似情况，所以不考虑工况3。

采用有限元分析软件MIDAS整体建模分析计算，建立如图2所示的支架模型。边界约束条件主要考虑上牛腿处主支撑梁、下牛腿处斜撑、斜撑与主支撑梁、横向分配梁和主支撑梁、倒角处楔形支架和横向分配梁，见表2。

4.4 现浇支架计算分析

正常施工中墩顶能承受一定大小的混凝土荷载，但是具体能承受多少荷载受多重因素影响，如混凝土的配合比、坍落度、浇筑速度、温度、模板情况等，此种荷载的大小很难进行量化，因此，在建模时忽略墩顶承载能力，假定墩顶混凝土及施工荷载均由主支撑梁承受，在墩顶处用虚拟横向分配梁传递荷载至主支撑梁上，并在输出结果中将虚拟横向分配梁进行钝化处理。因此盖梁直线段分配梁所受线荷载为：=42.35 kN/m；楔形支架顶部所受线荷载为：=22.86 kN/m；底部所受线荷载为：=37.1 kN/m。将所算荷载输入有限元软件，计算支架结构在不同工况下应力结果，见表3，可知横向分配梁的最大拉应力为：σ=114.3 MPa，满足要求。

经计算，支架绝对位移最大值发生在工况2悬臂端边横向分配梁跨中的位置，fmax=8 mm；两种工况情况下，横向分配梁相对位移最大值相同：fmax=8 mm＜4000/400=10 mm。

对于斜撑结构除了承受压力作用还受弯矩的作用，对其弯压杆的稳定性计算至关重要，经计算得Fx=256.4 kN，M1=6.4 kN·m，M2=0，底部为铰接，因此斜撑与挂座连接位置弯矩为0。Fx为所计算构件段范围内的轴心压力；M1为斜杆的弯矩；M2为底部铰接处的弯矩；稳定性满足受力要求计算公式如下：

4.5 牛腿处挂座及预埋件计算分析

对比2种工况下牛腿处支反力计算结果，第2种工况下墩身下牛腿受力最大。其中，外侧斜撑对挂座作用力=178.2 kN，=-184.3 kN，墩间斜撑对挂座作用力=-29.8 kN，=-53.6 kN。挂座设计为双拼[40a槽钢焊接在2 cm厚的钢板上，钢板与墩柱密贴，通过爬锥螺杆固定在混凝土墩身上，双拼[40a槽钢顶、中、底部设置2 cm厚钢板与槽钢焊接在一起，计算时直接用板单元模拟，仅考虑槽钢腹板及上、下加强钢板，不考虑槽钢上、下缘板，经计算σ=106.6 MPa，=57.1 MPa，满足要求，见图3～图4。

每个牛腿预埋4根预埋件，主要包括M36高强螺栓（10.9级）、爬锥、高强螺杆及埋件板等。高强螺杆其参数指标=500 MPa，=310 MPa（为螺栓抗拉强度设计值；为螺栓抗剪强度设计值），有效计算面积=816.3 mm2查阅《简明计算手册》，则单个螺栓承受极限拉力408 kN，承受极限剪力=253 kN，参照《建筑施工计算手册》，其高强螺栓的受力检算如下。

螺栓能满足受力要求计算公式如下[5]：

式（2）中：为单个螺栓所受的剪力；为单个螺栓承受极限剪力；为单个螺栓所受的拉力；为单个螺栓承受极限拉力。

5 主要施工工艺及操作要点

5.1 空间组合托架的施工

整个支架由预埋件、牛腿挂座、盖梁两侧的主支撑梁、斜撑、倒角处楔形支架及卸落块组成，施工的难点是爬锥等组合杆件的精准预埋、挂座的焊接及安装。每个牛腿上均布置4个爬锥，其平面位置竖向布置2列，位于槽钢的轴线上，列间距30 cm，水平向布置2行，行间距52 cm。挂座由40 cm×65 cm×2 cm竖向与墩身混凝土面接触的底钢板、2根竖向间距30 cm向内放置[40a槽钢、槽钢上下放置的30 cm×30 cm×2 cm钢板、斜撑锚环及结构的加劲板，见图5。

施工控制重点：钢筋绑扎完毕后，预埋件需精准定位，固定牢靠，确保在墩身模板拆除后能与挂座底板孔位保持一致。可以采用5 mm薄钢板精准开孔+定位螺母的形式固定（定位螺母固定在爬锥和预埋螺杆之间）。在浇筑过程中，应尽可能避免振动棒和预埋件的直接接触，边振捣边观察，如预埋件发生位移，应暂停混凝土的浇筑，对预埋件位置再次复核，重新定位、固定，处理完毕后方可继续施工。

墩身混凝土模板拆除后，要仔细检查爬锥的实际位置是否与实际图纸相符，若偏差较小，可对挂座底板的锚孔进行扩孔，通过增加垫片，加长螺杆的形式来确保满足设计要求；当位置的偏差较大时，需要对挂座底钢板重新加工，根据爬锥实际位置开孔，确保能满足预埋件的整体受力要求[6]。

对于支架构件的施工重点是连接点处的焊接、栓接工作，要满足相关规范要求，局部位置需要补强，如挂座的锚栓孔钢板与槽钢应焊接到位，焊缝高度≥8 mm，加劲板按照图纸设置，局部位置需进行加强。

5.2 支架预压施工

支架预压主要目的是验证支架是否安全可靠，消除非弹性变形，记录支架的变形数据。支架搭设完毕后，首先组织验收，当满足设计及规范要求后方可对支架进行堆载试验。堆载系数取1.2倍混凝土荷载，采用沙袋法预压（便于荷载分级），共分60%，80%，100%，120%四级加载，加载过程中及时观测，待每级荷载稳定后再进行下一级加载，加载顺序和混凝土的浇筑顺序基本保持一致，原则上从跨中向支架的两侧推进。观测点的位置主要布置在最大悬臂端及各支点之间跨中的位置，共6个断面，18个点。卸载按照加载的相反顺序进行，过程中及时观测并收集相关数据，计算出弹性变形和非弹性变形数值作为底模标高调整的依据。

5.3 支架的拆除

当混凝土达到设计强度，且预应力施工完毕后，可拆除支架。支架拆除首先通过上牛腿的楔形卸落块整体落架，然后拆除盖梁两侧倒角的楔形支架，再拆除底膜及横向分配梁。对于支撑梁和斜撑应按照先拆除斜撑再拆除主支撑梁的顺序，斜撑拆除前用2个倒链将两端拉紧，防止销钉及螺栓拆除后斜撑摆动或掉落。挂座、爬锥最后拆除，挂座拆除需手动将倒链挂好，防止挂座掉落造成结构内部受损，给下次施工带来安全隐患。拆除作业严格按照安全技术规程的要求，先上后下逐层拆除。

6 结语

国道G316线长乐漳港至营前段第A2合同段的地质条件较差，所以盖梁采用空间托架法施工。空间托架法对施工环境干扰较小，结构形式相对简单，构件数量少、成本低、工期短，优点较明显。此方法适用于高桥墩、水中墩、地基条件差、结构物数量多的桥涵工程。施工时应对支架结构进行详细的设计及受力检算，并对施工班组的能力进行评估，以确保施工过程安全可靠，本方法可为同类工程项目提供参考。

参考文献

[1]王鹏，何海英，张玉斌.十字花瓶高墩盖梁无落地支架支撑体系的研究与应用[J].建筑结构，2020，50（S1）：1156-1159.

[2]韩国祥.高速公路中央墩大悬臂预应力盖梁支架施工监控[J].科学技术与工程，2021，21（30）：13061-13070.

[3]曹瑞，郭祥军，王晓鹏，等.大悬臂预应力盖梁支撑体系分析[J].施工技术，2020，49（S1）：1229-1231.

[4]周水兴，何兆益，邹益松.路桥施工计算手册[M].北京：人民交通出版社，2012：170-172.

[5]江正荣.建筑施工计算手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2018：503.

[6]郭常瑞，黄晓星，胡学伟.马普托大桥索塔上横梁牛腿支架法施工技术研究[J].公路交通科技，2018，35（S1）：120-124，131.