厦漳大桥斜拉桥0#、1#主梁支架设计与施工

刘明军，林志军

（中交一公局厦门工程有限公司，福建厦门361021）

1 工程概况

厦漳大桥南汊主桥全长570 m，为双塔双索面钢与混凝土组合梁斜拉桥 （见图1），跨径组成为（135+300+135）m。主梁采用双工字型钢主梁、横梁及小纵梁，与混凝土桥面板结合形成组合截面。双工字型钢主梁横向中心间距为34 m，全宽40 m（含检修道、导流板），桥面设置2%双向横坡，梁段长度4.0 m～19.5 m，设计采用环氧喷涂钢绞线斜拉索。

图1 厦漳大桥立面图（单位：cm）

钢梁结构形式如图2所示。钢主梁与混凝土桥面板叠合形成主梁，二者通过剪力钉、预应力结合在一起。钢结构部分由工型纵梁、横梁（工字梁）及小纵梁（工字梁）共同组成梁格体系。锚拉板直接焊接在工字型钢主梁的上翼缘板上。

图2 主梁结构示意图

Z0梁段长度19.5 m，主要由2道主纵梁(A梁段)、5道横梁（HL0横梁和4道HL1横梁）及小纵梁组成，总重量约242.8 t，最重单件为主纵梁，重量39.6 t；Z1、B1梁段长度15.5 m，主要由2道主纵梁（B 梁段）、4 道横梁（HL1）及小纵梁组成，总重量约192.1 t，最重单件为主纵梁，重量 27 t； Z0、Z1、B1 梁段采用在落地支架上单件拼接的方法进行安装。

2 支架设计与结构形式

Z0、Z1、B1梁段支架下部结构采用钢管，钢管支承在承台顶面，在下横梁、下塔柱亦有连接。位于钢主梁底部支架钢管为主桁架，支架的承重结构部分，钢管规格φ800×10 mm，主桁架与下横梁联接采用钢管 φ800×10 mm，其余联接钢管均为 φ377×6 mm；钢管底端设置法兰，与承台预埋螺栓连接。所有钢管间均通过钢管或型钢连接，主要承重钢管顶部底脚设置加强肋。Z0、B1、Z1梁段支架上部结构采用2H400×400×13×21 mm型钢作为纵梁兼滑移轨道，在滑轨上安装重物移位器。支架顶部设纵坡，坡度分别为1.3%（边跨侧）和0.8%（中跨侧），纵坡通过钢管顶部标高调整。支架的纵、横断面见图3、图4所示。

图3 支架纵断面示意图（单位：cm）

2.1 支架相关参数

（1）支架高度为41.17m，分别在主墩塔柱纵向两侧对称设置桁架，每侧顶部长度19.75m，支架基础安装在承台顶部。支架顶部长度较承台纵向宽度大，支架外侧采用斜撑钢管，斜撑钢管偏角为10.745°。

（2）钢管采用钢板螺旋轧制而成，钢管与H型钢的材质均为Q235钢材。

（3）支架主要受力钢管采用法兰连接，钢管端部与型钢联接采用焊接，支架与承台之间联接采用螺栓联接，支架与下横梁、下塔柱之间采用预埋螺栓法兰、吊耳铰接。

（4）支架单片主桁架自重（每片桁架均采用双排承重钢管，整个支架共有4片主桁架）为85.077t。

2.2 支架主要计算内容（见表1）

表1 支架主要计算内容一览表

2.3 计算依据

（1）《厦漳跨海大桥设计图纸》；

（2）《公路桥涵施工技术规范》（JTJ 041-2000）；

（3）《公 路 桥 涵 设 计 通 用 规 范 》 （JTG D60-2004）。

3 支架计算

为考虑结构计算偏于安全，简化计算过程，便于手工计算，将支架近似为静定平面桁架。计算中取荷载安全系数为1.3。

3.1 工况分析

工况1：Z0梁段吊装施工

支架搭设完成后，在边跨B1梁段位置上吊装Z0梁段，支架主要受力状态为梁段重量、支架自重及施工临时荷载 （临时荷载较小计算过程中忽略）。移位器上方横梁承受梁段重量。

工况2：Z0梁段纵移

Z0梁段纵移通过移位器在支架顶部纵梁轨道上平移实现，需要对纵梁进行强度和刚度验算。

工况 3：Z1、B1 梁段吊装

Z0梁段移位至设计位置后进行临时锚固，之后在相应的设计位置吊装Z1、B1梁段，安装完成后进行桥面吊机安装，此项施工作业在1#吊索安装并进行初张拉后方可操作，支架受力状态为梁段部分重量、支架自重。

3.2 支架计算

支架单片主桁架自重包括钢管及顶部纵梁，共重85.077t，主要工程量的计算见表2所列。

桁架自重力矩的计算见表3所列。

3.2.1 支点反力计算

根据力学平衡方程，

支架计算见图5所示。

3.2.2 Z0梁段拼装施工（含吊装8片桥面板）

Z0、B1、Z1梁段中为Z0梁段长度最长，重量最大，计算Z0梁段安装、移运。Z0梁段长度为19.5 m，重242.818 t，桥面板每片混凝土7.71 m3，安装过程中计算时取8片（纵向两侧各4片）。取Z0梁段安装计算，见图6所示。

3.2.2.1 支点反力计算

梁段拼装时以主纵梁端两侧四个端点为支点，每个支点各安装两台安放重物移位器，为简化，计算时四个角点取平均值！

表2 桁架工程数量表（单片组合)

G（梁）=(242.818×10+7.71×26×8)/4=1007.97（kN）

从图形中可以得出，Z0梁安装时，最不利工况是一端支点在下横梁，一端支点在支架最远端，即图6中D点（N3钢管顶部），其计算见图7所示。

表3 桁架自重力矩计算表（逆时针为正）

图5 支架计算示意图（单位：cm）

图6 ZO梁段安装示意图（单位：cm）

根据力学平衡方程，

RA+RB=G(梁)

ΣMA=0,G×7.7-RB×7.25=0得出支点反力：

RB=-1 070.53 kN（向下拉力）RA=2078.5 kN

3.2.2.2 支架（含自重）抗倾覆稳定计算

（1）倾覆力矩计算。

Z0梁段在支架顶部拼装，梁段重量通过八个移位器传递至支架！计算中取移位器为支点，重力为集中力！

D点处力臂：-7.70 m （取逆时针方向为正），得出Z0梁段产生的倾覆力矩：

M=1007.97×（-7.70）=-7 761.4 （kN·m）（顺时针）支架以A点为支点产生的倾覆总力矩：

图7 ZO梁段安装计算示意图（二）

M=-7 761.4+1 284.6=-6 476.8 （kN·m）（顺时针）,支架的倾覆力矩通过钢管N1与承台联接、钢管N22与下横梁联接抵消，保持支架平衡！

（2）下横梁联接稳定计算。

通过力矩方程得出每根联接钢管N22（Ф800×10 mm截面面积24 819 mm2）所受拉力：

Q=M/L=1.3×6 476.8/38.75/2=108.6 （kN）（力臂为钢管N22距离承台顶高度，为38.75 m）

钢管N22采用螺栓与下横梁联接，每根钢管设置M30柱脚螺栓16个（螺栓中心线半径为50 cm，间距19.5 cm）。螺栓拉力：

σ=108.6×1 000/（16×1/4×π×26.716 32）=12.1（MPa） <215 MPa。

钢管N22轴向拉应力：

σ=108.6×1 000/24 819=4.4 （MPa） <[σ]=215 MPa。

符合要求！

3.2.2.3 钢管内力计算（见图8）

图8 Z0梁段安装计算示意图（二）

A点支点反力总和：

RA=2 078.5+673.58=2 752.08（kN）

B点支点反力总和:

RB=177.19-1 070.53=-893.34（kN）（向上拉力）

钢管轴向力：

F=RA/cos10.745°=2 801.2（kN）（两根钢管）

产生水平方向推力：

RX=RA×tg10.745°=522.2（kN）（两根钢管）。

(1)钢管N3轴向压应力计算。

钢管N3轴向压应力 （Ф800×10 mm截面面积24 819 mm2）：

σ=F/A=1.3×2 801.2×1 000/24 819/2=73.4 （MPa） <[σ]=215 MPa，

符合要求！

（2）钢管N3连接螺栓剪切应力计算。

支架钢管与承台联接采用柱脚螺栓。钢管N3与承台采用M30柱脚螺栓联接，每根钢管设置16个螺栓（螺栓中心线半径为50 cm，间距19.5 cm）！

单个螺栓所承受的剪切应力：

τ=Rx/A=1.3×522.2×1 000/(2×16×1/4×π×26.71632)=37.8 （MPa） <[τ]=125 MPa，

符合要求！

（3）钢管N1轴向拉应力计算。

钢管N1轴向拉应力：

σ=F/A=1.3×893.34×1 000/24 819/2=23.4 （MPa）<[σ]=215 MPa，

符合要求！

（4）钢管N1连接螺栓拉应力计算。

钢管N1与承台采用M30柱脚螺栓联接，每根钢管设置16个螺栓（螺栓中心线半径为50cm，间距19.5cm）！螺栓所承受的拉应力：

σ =F/A=1.3×893.34×1 000/(2×16×1/4×π ×26.71632)=64.7 （MPa） <215 MPa，

符合要求！

（5）钢管变形计算。

钢管N3在轴力作用下产生的压缩变形：

Δl=Nl/EA=(1.3×2 801.2×1 000/2×40.58×1 000)/(2.1×105×24 819)=14.2（mm）

3.2.2.4 压杆稳定计算

钢管N3采用Ф800×10 mm的Q235钢板螺旋卷制，其回转半径：

从图中得出杆件最大节点长度：l=1323cm

杆件长细比：

λ=μl/i=13 230/279.3=47<λp=100 （μ 为压杆的长度系数，取μ=1.0）

查表得钢管轴压杆件截面分类为a类，得出稳定系数：

φ=0.924

P/φA=1.3×2 801.2×1 000/（2×24 819×0.924）=79.4 （MPa） <[σ]=215 MPa，

压杆满足稳定要求！

3.2.3 Z0梁段纵移施工

Z0梁段安装完成后进行纵移，采用千斤顶张拉钢绞线作为前进牵引，纵移速度小，不考虑冲击荷载，视为集中力静荷载（见图9）。

图9 Z0梁段安装计算示意图

轨道采用双排 H400×400×13×21 mm 型钢并排焊接，内侧翼板每1 m焊接一片2 cm厚A3钢板作为加强肋。每片主桁架中均设置双排钢管，每排钢管上各设置双排 H400×400×13×21 mm型钢轨道（见图 10）。

图10 轨道纵梁实景（2H400×400×13×21 mm）

H400×400×13×21 mm 型钢特性参数：

截面面积A=219.5 cm2，惯性矩Ix=66 583 cm4，截面抵抗矩Wx=3 343 cm3，回转半径i=17.5 cm，节点间距l=8 950 mm，假定为两端固定梁结构。

3.2.3.1轨道纵梁强度验算

轨道纵梁最大弯矩出现在跨中，最大弯矩：Mmax=Pl/4=1 007.97×8.95/8=1 127.7（kN·m）纵梁轨道H400×400×13×21 mm型钢弯曲应力：σ=M/W=1.3×1 127.7×1 000×1 000/(3 433×1 000×4)=106.8 （MPa） <[σ]=205 MPa

符合要求！

3.2.3.2轨道纵梁剪力验算

轨道纵梁剪应力：

τ=P/A=1.3×1 007.97×10×3/(219.5×10×2×4)=14.9 （MPa） <[τ]=120 MPa，

符合要求！

3.2.3.3 轨道纵梁刚度验算

纵梁轨道H400×400×13×21 mm型钢最大挠度：

fmax=Pl3/(192EI)=1.3×1 007.97×103×8 9503/(4×192×2.1×103×66 583×103)=8.7（mm）<[f]=l/400=8 950/400=22 （mm）

符合要求！

轨道梁翼板部分采用加强肋加固，轨道梁刚度可满足要求！

3.2.4 Z1、B1梁段安装

B1、Z1 梁段重量为 192.1 t，长度 15.5 m，安装设计位置远端处于悬臂状态。如图11所示。

图11 Z1梁段安装计算示意图（单位：cm）

3.2.4.1 计算梁段对支架产生的作用力

根据力学平衡方程，

R1+R2=G(梁)，G（梁）=192.1×10/4=480.25（kN）ΣM=0,G×15.5/2-R1×10.5=0得出支点反力：R1=354.47 kN R2=125.78 kN

3.2.4.2 计算梁段对支架底支点（A点、B点）的作用力

根据力学平衡方程，

RA+RB=G(梁)，G（梁）=480.25 kN

ΣMB=0,R1×14.95+R2×4.45-R1×7.25=0得出支点反力：

RB=-327.89 kN(拉力)

RA=808.14 kN

A点支点反力总和：

RA=808.14+673.58=1 481.72（kN）<2 752.08 kN B点支点反力总和：

RB=177.19-327.89=-150.7 （kN）<-893.34 kN（向下拉力，“-”仅为方向）

3.2.4.3 计算梁段对支架产生的倾覆力矩

ΣMB=R1×14.95+R2×4.45=354.47×14.95+125.78×4.45=5 859.0（kN·m）

总力矩：

ΣM=1 284.6-5 859.0=-4574.4（kN·m ）<-6 476.8 kN·m（顺时针，“-” 仅为方向）

通过以上计算得出，Z1(B1)梁段安装时对支架的作用力小于Z0梁段安装时对支架的作用力，故支架可满足要求！

4 支架安装施工

4.1 支架拼装

钢管按分片整体安装的方法，由内到外依次安装，即先在后场将钢管分段、分片加工，然后采用主墩侧面的塔吊将钢管吊装，在现场设计位置连接成整体，见图12所示。

图12 支架钢管分段、分片安装示意图（单位：cm）

支架桁架分段、分片安装，分片重量应控制在塔吊的允许吊重（8 t）范围之内。

4.2 支架主桁架安装

安装顺序：从图12中图示的（一）部开始至（六）部逐步安装就位。

根据安装施工要求，边跨侧的承重钢管N1、N2、N3钢管分为三节，N1、N2、N3分段长度分别为（13.4+13.0+14.37）m、 （13.4+13.0+14.29）m 和（13.64+13.23+14.43）m。中跨侧的承重钢管 N11、N12、N13钢管分为三节，分段长度分别为 （13.4+13.0+14.45）m、 （13.4+13.0+14.49）m 和 （13.64+13.23+14.83）m。支架安装过程中，钢管对接后中心线保持在同一直线上。支架安装过程中支架自重产生的向外侧倾覆力矩相对较小，支架各连接部位可保持平衡，施工过程须注意安全。为确保安装过程便于支架安装施工人员上下，在承重钢管侧面焊接一定步距Φ22 mm的II级钢筋作为爬梯。

（1）从边跨侧（一）部开始，（一）部竖向高度为13.4 m。

首先，安装两根N1钢管（长度为13.4 m），采用塔吊吊装，底端法兰与承台预埋柱脚螺栓联接；安装N25钢管（横桥向外侧、单根）通过法兰与下塔柱的预埋柱脚螺栓连接，N25连接钢管与N1钢管之间连接采用焊接，确保支架安装过程中保持稳定。

其次，安装N2钢管（长度为13.4 m），底端法兰与承台预埋柱脚螺栓连接。

第三步，焊接N5连接钢管。第四步，焊接N4连接钢管。

第五步，采用塔吊吊装N3钢管（根据倾斜角度计算长度为13.64 m）进行安装，底端法兰与承台预埋柱脚螺栓联接。

第六步，焊接N5连接钢管。安装过程中及时进行N21横向连接钢管（3根）焊接，将两排承重钢管之间连接固定。

完成（一）部的支架安装，如图13、图14所示。（2）进行（二）部支架安装。竖向高度为13.0 m。首先，安装两根N1钢管（长度为13.0 m），采用塔吊吊装，通过法兰高强螺栓与已安装完成的（一）部联接；安装 N24钢管（横桥向外侧、单根）通过法兰与下塔柱的预埋柱脚螺栓连接，N24连接钢管与N1钢管之间连接采用焊接，确保支架安装过程中保持稳定。

其次，安装N2钢管（长度为13.0 m），通过法兰高强螺栓与已安装完成的（一）部连接。

第三步，焊接N8连接钢管。第四步，焊接N6连接钢管。

第五步，采用塔吊吊装N3钢管（根据倾斜角度计算长度为13.23 m）进行安装，通过法兰高强螺栓与已安装完成的（一）部连接。

图13 支架安装过程示意图（一）（单位：cm）

图14 支架安装现场实景（一）

第六步，焊接N8连接钢管。安装过程中及时进行N21横向连接钢管（3根）焊接，将两排承重钢管之间连接固定。

完成（二）部的支架安装，如图15、图16所示。

（3）进行（三）部支架安装。竖向高度为14.37 m。

首先，先安装两根N1钢管（长度为14.37 m），采用塔吊吊装，通过法兰高强螺栓与已安装完成的（二）部联接，安装N22钢管通过法兰与下横梁的预埋柱脚螺栓连接，确保支架安装过程及支架整体稳定。

其次，安装N2钢管（根据顶部设置标高计算长度为14.29 m），通过法兰高强螺栓与已安装完成的（二）部连接。

第三步，焊接N9连接钢管。

图15 支架安装过程示意图（二）（单位：cm）

图16 支架安装实景（二）

第四步，安装支架顶部纵向轨道梁H400×400×13×21 mm 型钢，H400×400×13×21 mm 型钢安装长度为9.8 m（单侧通长19.75 m），轨道梁纵向接缝设置在N2钢管顶。

第五步，采用塔吊吊装N3钢管（根据倾斜角度和顶部设置标高计算长度为14.43 m），通过法兰高强螺栓与已安装完成的（二）部连接，采用钢丝绳临时固定N3钢管。

第六步，焊接N10连接钢管。

第七步，完成支架顶部纵向轨道梁H400×400×13×21 mm 型钢安装，H400×400×13×21 mm 型钢安装长度为9.95 m，撤除N3钢管临时固定设施。

安装过程中及时进行N21横向连接钢管（3根）焊接，将两排承重钢管之间连接固定。轨道梁与支架钢管顶部钢板的横向、纵向连接缝均必须满焊。

完成边跨侧的支架安装，如图17、图18所示。

图17 支架安装过程示意图（三）（单位：cm）

（4）中跨侧的（四）部至（六）部与边跨侧的支架成对称结构布置，根据现场实际施工情况，可与边跨侧的（一）部至（三）部的支架同时安装施工。

5 结语

Z0、Z1、B1梁段支架的现场施工已经完成，使用效果良好，可以为类似桥梁结构的支架施工提供一定的参考。

图18 支架安装实景（三）

[1]周水兴，等.路桥施工计算手册[M].北京：人民交通出版社 ，2001.

[2]郭仁俊，等.结构力学[M]北京：中国建筑工业出版社，2007.

[3]董军，曹平周.钢结构原理与设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[5]JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[6]JTJ 041-2000，公路桥涵施工技术规范[S].