黑石头大桥百米跨连续箱梁高支架设计与施工

【内容提要】 以贵阳市北二环道路工程黑石头大桥第三联100米跨高支架施工成功经验为背景，介绍了高墩采用螺旋钢管+贝雷桁架+碗扣式脚手架组合支架的设计及施工。实践证明，该设计安全可靠，经济性好，可为同类桥梁施工提供参考经验。

【关 键 词】 现浇箱梁高支架设计施工

中图分类号：S611文献标识码： A

工程概況

贵阳市北二环道路工程黑石头大桥位于白云区黑石头村，跨越规划中的成贵、渝黔、贵开、贵昆铁路，大桥共14跨，分左右两幅。左幅桥梁全长913m，位于半径1807m的平曲线上；右幅桥梁全长901m，位于半径1793m的平曲线上。线路最大纵坡4.454%，设计荷载为公路I级，设计车速60Km/h。全桥基础型式采用扩大基础和人工挖孔桩基础，重力式U形桥台，桥墩下部结构为花瓶式桥墩，最高墩高38.5m，上部结构为现浇混凝土连续箱梁。

该桥左幅第三联跨径布置为66m+100m+66m，右幅第三联跨径布置为60m+100m+60m，为变截面预应力混凝土箱梁。箱梁为单箱双室断面，箱梁顶宽15m，底宽9m，中立柱墩顶梁高5.5m、跨中及边立柱顶梁高2.5m，梁高按二次抛物线渐变。梁体采用C55混凝土。

施工方案选择

由于黑石头大桥第三联属于高墩大跨度连续箱梁，国内外在同类型的桥梁施工一般采用悬臂挂篮法施工工艺。但由于挂篮法施工最大的不足是无法快速施工。为加快施工进度，黑石头大桥选用支架现浇施工工艺。支架现浇施工在投入一定量的支架、模板后，即可实现快速施工，从而保证本项目能够按时交付安全使用。

梁体施工支架方案的选择

黑石头大桥第三联墩高26m～38.5m，按常规的施工方法，现浇箱梁采用碗扣式钢管脚手架，由于箱梁下地质情况较差，满堂支架的基础处理难度大，费用高。其次，箱梁跨度大，自重较大，若满堂支架过高，其高宽比大于2，根据实践经验和风荷载使支架立杆产生拉力的计算可知，架体的稳定性将很难满足安全要求。结合现场实际情况，经多方论证比选，采用钢管立柱+贝雷桁架+碗扣式钢管脚手架组合支架的形式。

组合支架设计

支架采用单层贝雷桁架短跨布置形式，因桥梁在曲线上，贝雷桁架纵梁必须安折线布置，100m主跨布置为：3*9m+(9+12)m+(12+9)m+3*9m，66m边跨布置为：3*12m+3*9m，60m边跨布置为：(12m++9m+9m)+3*9m。支架的基础形式根据地质情况及设计要求承载力大小，采用扩大基础或桩基础，立柱采用D630*7.5mm螺旋焊接钢管，立柱间纵横支撑采用I16工字钢，立柱顶横梁采用2I45b工字钢，横梁上安装20～28片贝雷桁架纵梁，纵梁跨度9～12m，纵梁上摆放I12.6工字钢，作为碗扣式钢管脚手架的支点，其上安装碗扣式钢管脚手架。100m跨箱梁支架结构纵断面、横断面如图2 及图 3 所示。

支架基础设计

7#～9#跨过沟谷，地表为水田，谷底常年流水。表层为淤泥质土（Qh），褐黄色～灰黑色，偶见有植物根系，含水量高，有腥味，厚度约4.0 m，其下为基岩，整体性较好。立柱基础均采用φ1.2m挖孔桩基础，按端承桩设计，桩深根据实际地质情况，桩长一般在5～8m，桩底置于基岩上，且嵌岩不小于1m。桩顶预埋地脚螺栓与螺旋钢管法兰连接。

第9#～10#表层为耕植土（Qpd），褐黄色～灰黑色，多见植物根系，结构松散，厚度约0.5~1.0 m；下为软塑状红粘土，含水量高，承载力不小于200KPa，厚度大于6m。。立柱基础均采用双层扩大基础，第一层基础14.63*2.63m，第二层基础16.63*4.63m，每层基础高1m。基顶预埋地脚螺栓与螺旋钢管法兰连接。

支架立柱和横梁设计

钢管立柱采用厚7.5mm Q235热轧钢板卷制成，钢管直径630mm钢管，横桥向设置6根，间距2.4m，竖向每隔8m设置水平杆，横纵桥向水平杆件采用I16工字钢，因纵向水平杆（I16）过长，柔度较大，将相邻的两根水平型钢间增加横向型钢支撑和斜拉钢筋，提高其刚度，并将纵向水平杆与桥墩连接，提高立柱纵向稳定性。横桥向斜杆设在两水平杆间中部，与钢管采用焊接，立柱顶用2I45b工字钢做横梁，两条工字钢采用钢板焊接，横梁上布置贝雷桁架。

支架纵梁设计

支架纵梁水平布置，采用国产贝雷桁架拼装成支架纵梁，根据梁部荷载不同，横桥向布置20片和28片两种形式，大桥中支墩每侧三跨支架（27m）横桥向布置28片贝雷桁架，其余部分布置20片，纵梁在腹板处进行加密布置。一般采用9m标准跨距，受大桥跨度控制，在箱梁高度低段调整跨距，最大跨度12m。大桥平面处在圆曲线上，贝雷桁架按折线布置，每二至三跨为一联，两联之间贝雷桁架不进行连接，联内按连续梁布置。

支架顶满堂支架设计

贝雷桁架纵梁上搭设满堂碗扣式钢管脚手架，翼板下立杆纵距为60cm，横距为90cm，横杆竖向步距为120cm；腹板下立杆纵距为60cm，横距为30cm，横杆竖向步距为60cm，底板下立杆纵距为60cm，横距为30cm，横杆竖向步距为120cm。底层纵、横向水平杆作为扫地杆，距底面高度不大于35cm，立杆底部设置可调顶托，倒扣在I12.6工字钢分配梁上，分配梁置于贝雷桁架上，立杆上端包括可调顶托伸出顶层水平杆的长度不大于70cm。

组合支架施工

混凝土基础施工

根据现场实际地质情况，确定本工程扩大基础基坑采用人工配合机械开挖；桩基础采用人工挖孔桩，钢筋混凝土护壁，桩底置于基岩上，墩边支架立柱利用桥墩扩大基础（承台）作为基础。混凝土基础顶预埋螺栓，安放立柱底钢板（76*76*2cm），立柱与基础采用法兰连接。

支架立柱的加工安装

螺旋钢管立柱的加工

螺旋钢管采用630*7.5mm螺旋焊接钢管，为专业厂家生产合格产品，钢管标准节段长度12m，根据钢管立柱高度，设置多种型号的调节节段，调整立柱达到设计高度。

钢管连接采用法兰连接，法兰盘购买厂家生产同批次产品，连接螺栓孔不少于10个，采用φ24螺栓连接，保证所有法兰盘彼此都能拼接。法兰盘与钢管采用焊接，并环向焊接梯形加强钢板（牛腿），焊缝均为连续焊缝。

由于钢管接长及对钢管进行纵横连接的需要，钢管上焊接供工人上下的爬梯，爬梯采用φ16钢筋，间距30～40cm。

图1 立柱与基础连接图

立柱安装

安装立柱前，首先调整底钢板水平，采用砂浆调平或在基础与底钢板间填塞薄钢板调整，钢管分段吊装，法兰连接。安装顺序为：首先安装每根立柱的调节段钢管，依次安装，达到第一个水平纵横杆位置后，将纵横水平杆件（I16）和横向斜杆（I16）焊接到钢管立柱上，纵向水平杆件两端与桥墩连接，分节加固。然后再进行下一阶段的安装。

横梁的安装

由于桥梁处在曲线上，贝雷纵梁按折线布置，横梁长14m，曲线内外弦长度不同，需要对分联立柱横梁两根工字钢间距进行调整，确保贝雷桁架支点位置不变。横梁工字钢间距见表1。

表1 分联立柱顶横梁间距表

I45b工字钢横梁在地面焊接，二根工字钢中间采用钢板间断焊接，钢板置于两工字钢内缘，使工字钢外缘表面光滑，确保贝雷桁架纵梁安装安装时能够滑移，对贝雷桁架支点及立柱位置，横梁工字钢腹板采用1cm厚钢板进行加强，横梁一次吊装到立柱钢管上，钢管立柱顶安装2cm厚钢板，钢板与钢管顶法兰栓接，钢板与工字钢横梁全部满焊，并侧向焊接钢板牛腿，确保横梁稳定。

图5 组合支架施工照片

贝雷桁架纵梁安装

贝雷桁架首先在地面按跨度分片组装，用支撑架作横向连接，每片贝雷桁架两端均连接，每组2～3片（长9m或12m）一次吊装到横梁上，横梁上必须先画出每片纵梁的位置，将桁架准确吊装到位，无法一次吊装到位的纵梁，将5t手拉葫芦一端挂在横梁端头，另一端牵引纵梁就位。并将相邻两跨桁架连接成一联，形成连续梁，避免出现个别纵梁滑落。因桥梁在曲线上，贝雷桁架纵梁必须安折线布置，100m主跨分成四联，具体为27m+21m+21m+27m，66（60）m边跨分成二联，具体为27m+36（30）m。

横向分配梁的安装

贝雷桁架安装好后，在桁架上按60cm间距放置I12.6工字钢小横梁，采用吊机安装，从一端往另一端排放，人工拨移就位。其上搭设碗扣式钢管架，脚手架立柱底部采用可调顶托倒扣在小横梁的方法，防止支架滑落。

满堂碗扣式钢管支架搭设

满堂支架采用碗扣式钢管脚手架，支架搭设横向分配梁上。由于腹板位置支架间距较小，搭设现浇筑支架时，先搭设腹板位置对应部分，从墩台端开始搭设、以墩台外缘10cm为第一排、立好立杆后，及时设置扫地杆和第一步大小横杆，距地面高度不大于35cm。

架体与墩柱交界拉结可靠后，随支架体升高、吊线锤随时检查支架立杆的竖直度，发现偏差及时用可调底托调整，竖直度合格后，剪刀撑应同步设置，确保支架的整体稳定，安全网在剪刀撑等设置完毕后及时设置。

立杆主要采用3.0m、2.4m、1.8m等三种立杆接长并错开布置，顶杆长度主要有1.5m、1.2m、0.9m等三种型式，横杆主要采用0.9m、0.6m、0.3m等三种型式组成，顶底托采用可调顶托撑。支架搭设好，用可调顶托来调整支架高度或拆除模板用。

碗扣式支架搭设好后，粗略调整顶托高度，在可调整顶托上纵向铺设10×10cm的方木，然后在其上铺设横向10×10cm的方木，最后在其上铺设底模。

支架结构计算

根据跨度及梁部荷载的大小，桥墩每侧3*9m范围内横向贝雷梁布置28片，其余部分贝雷梁布置20片，最大跨度12m，100m跨箱梁支架结构纵断面、横断面如图2 及图 3 所示。本次计算对荷載大的中立柱附近支架及最大跨度支架（12m）进行受力分析及计算，如果能达到各设计规范要求，则其它部分一定能满足受力要求。

（1）箱梁横截面钢筋混凝土重量分翼板、腹板和箱室三部分，利用CAD软件精确计算出每部分截面面积，按均布荷载计算。模板、支架等周转材料按设计布置分类计算，折算成均布荷载。活载按经验取值。

（2）将上述荷载叠加在一起，简化为以贝雷桁架为支点，以I12.6工字钢为梁的计算模型，按连续梁计算，计算出各支点支反力，即每米贝雷桁架的承担的荷载。

（3）本桥箱梁为变截面箱梁，梁高按二次抛物线变化，贝雷桁架纵梁承担的荷载简化为梯形荷载，按简支梁计算，对贝雷桁架的弦杆、端竖杆和斜杆内力进行验算。

（4）2I45b工字钢横梁承担来自贝雷桁架的荷载，按连续梁计算，验算弯矩、剪力和挠度。

（5）D630*7.5mm钢管立柱为受压构件，对其承载力和稳定性进行验算，并计算出地基承载力要求。

（6）验算所用数据取值为：钢筋混凝土自重按26KN/m3计；竹胶板自重按8KN/m3计；木材自重按6KN/m3计；型钢、碗扣式钢管架自重按相应规范取值。施工产生的荷载取2.0KPa。

（7）根据建筑结构荷载规范，永久荷载分项系数采用K=1.2，可变荷载分项系数采用K=1.4。

本文仅对贝雷桁架纵梁、工字钢横梁和钢管立柱等主要部位进行验算，其余部分不再赘述。

表2 各截面恒载汇总表

第一跨的验算

贝雷桁架跨度为9m，横桥向按荷载大小，采用不等间距布置，共设置28片单层贝雷桁架。每片贝雷桁架承担的荷载全部由上部横向工字钢（I12.6）分配梁传递，其荷载组合模型如图6，该跨支架上部承受的荷载最大，取该跨支架进行贝雷桁架荷载计算。

1-1截面结构计算

图6 1-1截面荷载组合简化模型

1-1截面荷载组合后，贝雷桁架承受上部荷载计算如下：

翼板单位长度荷载：q1=（10.4+0.39+1.38+0.24）*1.2+2*1.4=17.692KN/m

腹板单位长度荷载：q2=（143+0.62+1.2+0.24）*1.2+2*1.4=176.872KN/m

底板单位长度荷载：q3=（39+0.62+0.39+0.89+0.8+0.24）*1.2+2*1.4=53.128KN/m

图7 1-1截面剪力图

2-2截面结构计算

2-2截面荷载组合后，贝雷桁架承受上部荷载计算方式同上1-1截面，结果满足设计要求。计算过程（略）。

表3 第一跨贝雷桁架荷载计算表

第一跨最不利贝雷桁架计算

通过对截面荷载受力进行计算，对每片贝雷桁架承担的荷载按梯形荷载考虑。对最不利桁架进行弯矩、剪力计算，进而对贝雷桁架的弦杆、端竖杆和斜杆进行验算。

从表2结果分析，最不利桁架位于第7、8片（中腹板下），对此跨下的贝雷桁架纵梁进行荷载计算（贝雷桁架自重1KN/m）

杆件内力验算

弦杆内力：267.874KN

斜杆内力：SF=

端竖杆内力：

图8第一跨荷载图（单位：KN）

图9第一跨弯矩剪力图（单位：KN/m、KN）

挠度验算

将纵梁承担的荷载按均布荷载考虑，贝雷桁架简化为等截面的矩形实腹梁。

均布荷载：q=（43.499+29.518）/2=37.008KN/m

实腹梁惯性矩：

式中：Ax—贝雷桁架弦杆截面积；

h—贝雷桁架计算高度；

实腹梁弹性挠度：

贝雷桁架非弹性挠度：

贝雷桁架最大挠度：fmax=fx+fm=14mm<[f]=9000/400=22.5mm

结论：挠度满足要求。

第五跨的验算

贝雷桁架跨度为12m，横桥向按荷载大小，采用不等间距布置，共设置20片单层贝雷桁架。每片贝雷桁架承担的荷载全部由上部横向工字钢（I12.6）分配梁传递，其荷载组合模型如图12，该跨支架跨度最大，取该跨支架进行贝雷桁架荷载计算。

3-3和4-4截面结构计算

3-3和4-4截面荷载组合后，计算过程同上，此处省略。

表4 第五跨贝雷桁架荷载计算表

第五跨最不利贝雷桁架计算

通过对截面荷载受力进行计算，对每片贝雷桁架承担的荷载按梯形荷载考虑。对最不利桁架进行弯矩、剪力计算，进而对贝雷桁架的弦杆、端竖杆和斜杆进行验算。

从表3结果分析，最不利桁架位于第8、9片（中腹板下），对此跨下的贝雷桁架纵梁进行荷载计算（贝雷桁架自重1KN/m）。计算过程同上，结论：挠度满足要求。

柱顶横梁验算

每个钢管立柱设钢管柱6根，间距2.4m，钢管柱顶采用2I45b工字钢横梁，边跨悬臂长1m，对最不利截面的弯曲应力和剪应力进行验算，选取第2#立柱横梁荷载进行验算（2-2截面）横梁荷载组合简化模型见图17，每根工字钢承担的一半的荷载，取单根横梁进行内力计算，I45b工字钢自重0.87KN/m，结果如下：

表5 横梁集中荷载表

图10 2#立柱横梁荷载组合简化模型（荷载：KN，尺寸：cm）

图112#立柱横梁弯矩剪力图（单位：KN.m、KN）

图12 2#立柱横梁挠度图（单位：mm）

（1）弯曲应力最不利截面为横梁中部，弯曲应力：

（2）剪应力最不利截面为横梁中部支点：

结论：2I45b横梁满足要求！

钢管立柱承载力及稳定性计算

2#立柱中部支点钢管柱（见图18）承受的压力最大，以此钢管墩来验算钢管的整体稳定。

截面积：

回转半径：

长细比，折减系数ψ=0.914

结论：钢管墩承载力及稳定性满足要求。

基础承载力计算

（1）当钢管立柱基础采用直径1.2m挖孔桩基础，桩底置于基岩上，要求基底承载力为：

（2）当钢管立柱基础采用条形混凝土扩大基础，基底置于原状土上，每根钢管柱基底截面尺寸为2.4*4.63m，要求基底承载力为：

9#～10#墩的扩大基础基底为红粘土，承载力达到200KPa，满足设计要求。所有桩基础桩尖置于基岩上，承载力达到2000KPa，为端承桩，满足设计要求。

结束语

通过对贵阳市北二环道路工程黑石头大桥施工，钢管立柱+贝雷桁架+碗扣式钢管脚手架组合支架结构简单，受力明确，安装拆除方便快捷，便于质量控制，安全、经济合理地解决了大跨度现浇连续梁高支架的设计设计施工难题，为同类桥梁施工提供参考。

【参考文献】

1路桥施工计算手册 ，人民交通出版社，2001

2 钢结构设计规范（GB50017-2003），中国计划出版社，2003

3装配式公路钢桥多用途使用手册，人民交通出版社，2001

4建筑结构荷载规范(GB50009-2001) ，中国建筑工业出版社，2006

5公路桥涵施工技术规范（JTJ041-2000），人民交通出版社，2009

6建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范（JGJ 166-2008），中国建筑工业出版社，2009

作者简介：张亚军，男，1967年12月生人，1989年7月毕业于石家庄铁道大学，现就职于中铁十三局集团有限公司第四工程公司，任工程师。