高墩大跨连续梁0号块悬挑托架的设计与施工

胡 刚

(中铁一局集团第二工程有限公司，河北唐山 063004)

大跨连续梁0号块的支撑方案根据墩身高度不同，通常采用的施工方案有落地支架法、墩顶托架法等，托架法施工中三角托架又较为常见［1］，但其构造复杂、成本较高、材料回收率低，在京福客运专线的芹口特大桥(40+64+40)m连续梁0号块施工过程中，成功应用了一种构造简单、受力明确且材料回收率高的工字钢悬挑托架体系。

1 工程概况

芹口特大桥(40+64+40)m连续梁梁体结构为3跨1联变高变截面三向预应力直腹板混凝土箱梁，顶宽12 m，底宽6.7 m。梁面采用双面排水，顶板厚度除梁端附近外均为40 cm，底板厚度为40～80 cm，按直线线性变化;腹板厚度为48～80 cm，按折线变化。0号块长9 m，中支点处截面梁高6.05 m，主墩高38 m，为变截面薄壁圆端空心墩，墩顶截面尺寸为10 m(横向)×5.4 m(纵向)［2］。

2 悬挑托架的设计思路

整个托架体系主要由悬挑杆件、锚固系统、横向分配梁、纵向分配梁等组成，具有体积小、用材省、传力路径明确等优点。悬挑主杆件为双拼I40a型钢，受力特点为“后锚前挑”，主构件悬臂根部采用2道双拼I22a型钢压紧，采用墩顶上预埋φ25 mm精轧螺纹钢筋进行锚固，悬出长度为施工平台，对比三角托架少了竖撑、斜梁及墩身预埋件等，加工制作简单，结构受力明确。浇筑混凝土时托架的传力路径为:新浇混凝土—模板—方木—纵向分配梁—横向分配梁—悬挑托架—墩身［3］。

3 悬挑托架的取材及拼装设计

悬挑主构件采用双拼I40a型钢，墩顶两侧各布置6片，长5.1 m，其中垫石内侧2根采用通长布置，长度为12 m。横向布置间距为1 m+1 m+2.5 m+1 m+1 m。主构件安装前，采用M30水泥砂浆将墩顶找平。同时，在墩顶边缘预埋承压钢板200 mm×400 mm×10 mm，对应位置焊接支垫钢板，支垫钢板宽度不小于150 mm，确保墩边混凝土不被局部破坏［4］。

主构件I40a型钢上横向分配梁采用I22a型钢。其中，梁体悬臂段下方部分采用单根I22a型钢，长度为12 m，布置间距为40 cm。主构件悬臂根部采用2道双拼I22a型钢压紧，同时采用预埋的φ25 mm精轧螺纹钢筋进行锚固，并施加50 kN的张拉应力。待0号块施工完毕后，采用连接套筒接长φ25 mm精轧螺纹钢筋使其伸入至箱体内底板上，并施加张拉应力将其锚固在底板上，以增强梁体抵抗大悬臂不平衡弯矩的能力。0号块悬挑杆件布置立面见图1。

图1 0号块悬挑杆件布置立面(单位:mm)

悬挑杆件搭设布置平面见图2，施工主墩墩身时，在墩柱上实体段两侧对称预埋φ25 mm精轧螺纹钢筋，每侧布置3排，排间距为400 mm+900 mm，其中，第1排φ25 mm精轧螺纹钢筋距离垫石边15 cm，每侧布置18根。

4 支撑体系安装［5］

横向分配梁I22a型钢上满铺1层10 cm×10 cm方木，方木上铺设1层塑料薄膜，确保填充的砂子不渗漏。方木上沿梁底轮廓外边缘砌筑1圈厚度为45 cm的外圈墙，砖墙内填充中粗砂，并用洒水使其密实。待填砂表面干燥后采用M30水泥砂浆找平抹面，形成底模模板铺设基面。底模采用1 220 mm×2 440 mm×16 mm高强覆膜竹胶板拼装，板缝间采用双面胶条粘贴，确保混凝土浇筑时不发生漏浆现象。悬挑托架现场施工图片见图3。

5 载荷分项选取(取单侧悬挑体系进行分析)［6］

根据设计图纸中所示连续梁与墩柱关系，墩顶范围内0号块底模，采用二四砖墙内填充中粗砂进行支垫。临时支墩以外悬臂段，采用双拼I40a型钢悬挑支撑，横向分配梁I22a上满铺100 mm×100 mm方木，方木上采用施作砂仓进行底模支垫。由于本联连续梁施工期间为夏秋季节，附加力仅考虑风荷载。

图2 悬挑杆件搭设布置平面(单位:mm)

图3 悬挑托架现场施工照片

悬挑体系设计检算所涉及到的荷载自上而下分别为:施工荷载、梁体自重、模板荷载、砂仓自重、100 mm×100 mm方木自重荷载、I22a型钢自重荷载及I40a型钢自重荷载。

5.1 附加力(风荷载)

根据《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)风荷载计算公式

式中 Wk——风荷载强度，kN/m2;

WO——基本风压，kN/m2，按照 50 年一遇，武夷山地区风压为取0.35 kN/m2;

K1——风载体形系数，圆端型桥墩长宽比＞1.5，故取 1.1;

K2——风压高度变化系数，轨顶离地面高度按40 m考虑，取1.21;

K3——地形、地理条件系数，桥址所在地区为一般平坦空旷地区，取1.0。

因此，Wk=1.1×1.21×1.0×0.35=0.47 kN/m2

5.2 恒载

预应力钢筋混凝土容重取26 kN/m3。由于梁体按抛物线进行变化，检算时以最大截面处梁体重力的最大值进行校核［8］。

0号块墩顶部分两侧临时支墩之间底模采用充填砂仓进行铺垫，悬臂部分采用悬挑杆件上满铺方木砌筑砂仓进行铺垫。因此，计算时仅检算临时支墩以外的悬臂段部分的杆件受力。悬臂段根部(1－1截面)距离抛物线原点 24.5 m，梁高 5.766 m，底板厚0.781 m，顶板厚0.4 m，腹板厚0.8 m;悬臂段端部(2－2截面)距离抛物线原点22.5 m，梁高5.341 m，底板厚0.75 m，顶板厚0.4 m，腹板厚0.8 m。如图4所示。

图4 梁体结构(单位:cm)

经计算，悬臂段根部1－1截面纵向线荷载Q1=468.52 kN/m，悬臂段端部2－2截面纵向线荷截Q2=446.68 kN/m。

5.3 施工荷载

施工人员及机具作用荷载取P施=2.5 kN/m2，混凝土倾倒产生的荷载取P倒=2.5 kN/m2，混凝土振捣产生的荷载取P振=2.0 kN/m2。

5.4 荷载组合系数

为安全考虑，参照《建筑结构荷载规范》规定，计算支撑架强度时的荷载设计值，取其标准值乘以下列相应的分项系数:

(1)恒载自重分项分项系数，取1.2;

(2)活载分项分项系数，取1.4;

(3)附加力分项分项系数，取1.4。

6 悬挑托架体系检算

6.1 悬挑横向分配梁I22a型钢检算

横向分配梁采用I22a型钢，通长12 m，布置间距40 cm。检算时按满足0号块悬臂根部荷载要求进行计算。工字钢主要承受0号块悬臂段内外侧模及支撑架、混凝土、方木及砂等自重荷载，施工荷载及附加力。

根据结构分析可知:腹板底板均布荷载Q腹=79.53 kN/m;中间底板均布荷载Q中=24.42 kN/m;

外侧模集中荷载:Q侧=33.59 kN，由于侧模有2根立杆支撑，简化为单根工字钢受集中力为16.8 kN。

由上可知:Mmax=29.83 kN·m;Qmax=71.77 kN

δmax=Mmax/W=29.83×106/(309×103)=96.5 MPa＜［σ］=145 MPa

τmax=QmaxS/Ib=71.77×103/(18.9×10×7.5)=50.6 MPa＜［τ］=85 MPa

ωmax=5×q×l4/(384×E×I)=5×24.42×2 5004/(384×2.1×105×34×106)=2 mm＜［l/400］=2 500/400=6 mm(合格)［9］。因此，满足要求。

6.2 悬挑纵梁2I40a型钢检算

悬挑体系纵梁采用双拼I40a型钢，悬挑杆件总长度为5.1 m。悬挑工字钢主要承受0号块悬臂段内外侧模及支撑架、混凝土、砂、方木及I22a型钢等自重荷载，施工荷载及附加力。

根据结构分析可知:悬臂段根部1－1截面纵向线荷载Q1=704.18 kN/m，悬臂段端部2－2截面纵向线荷载Q2=729.22 kN/m，空悬部位纵向线荷载Q空=37.78 kN/m

由上述可知:Mmax=1 380.99 kN·m;Qmax=1 382.66 kN

δmax=Mmax/W=1 380.99×106/(12×1 090×103)=105.6 MPa＜［σ］=145 MPa

τmax=QmaxS/Ib=1 382.66×103/(12×341×10.5)=32.2 MPa＜［τ］=85 MPa

ωmax=ql4/(8EI)=716.75×1 8504/(8×2.1×1011×12×217)=1.9 mm＜［l/400］=1 850/400=4.62 mm(合格)

6.3 反支点预压钢绞线布置

根据总预压荷载等效的原则布置钢绞线

P=(704.28+729.22)×1.85/2+37.78×1.5=1 382.66 kN

布置12根钢绞线，每根钢绞线最大拉力1 382.66/12=115 kN。

6.4 分配梁端头锚固承载能力检算

(1)纵向悬挑梁2I40a采用φ25 mm高强精轧螺纹钢筋进行锚固，每组纵向悬挑梁采用3根，为减小变形量，施工前每根预拉50 kN，偏保守考虑，不考虑锚固段顶上的荷载，则每根螺纹钢筋所受应力

因此，每组纵向悬挑梁采用3根φ25 mm高强精轧螺纹钢筋进行锚固，能够满足设计和施工要求。

(2)精轧螺纹钢筋墩顶预埋深度计算

根据《混凝土结构设计规范》，Ⅳ级钢筋抗拉强度设计值为fy=360 MPa，墩柱混凝土采用C35，轴心抗拉强度设计值fc=1.57 MPa，即

式中 l——受拉钢筋的锚固长度;

fy——钢筋的抗拉强度设计值;

ft——混凝土轴心抗拉强度设计值;

d——钢筋的公称直径;

α——钢筋的外形系数，带肋钢筋取 0.14［11］。

由上可知，实际施工过程中，精轧螺纹钢筋预埋深度只要大于883 mm，即可满足施工要求。

7 悬挑托架结构施工

7.1 悬挑结构反支点预压

悬挑结构采用反支点预压施工工艺，即钢绞线下头锚固于承台混凝土中，上头固定在支架上，通过千斤顶张拉钢绞线，使支架体系达到受力要求。施工工艺流程为:模拟混凝土荷载分布→安装分配梁→安装钢绞线→上、下端锚固→张拉钢绞线→持荷→卸载→确定支架变形量［12］。

7.1.1 模拟混凝土荷载分布

将混凝土的匀布荷载转化为多个集中力作用在支架上，按集中力产生的跨中及支点处的弯矩及剪力与实际混凝土荷载产生的相应位置的弯矩和剪力一样考虑。考虑0号块混凝土、支撑体系及模型，0号块墩柱以外悬臂部分换算成预压荷载为1 440 kN，共计布置12根钢绞线，每根钢绞线受力取115 kN。每侧悬挑杆件布置点为1～12，与之对应的承台上布置点为1＇～12＇。布置位置见图5。

图5 反支点预压钢绞线布置位置(单位:mm)

7.1.2 安装分配梁

为使钢绞线的集中力更加均匀地作用在支架上，使支架整体受力，结合现场材料，采用双拼I20型钢作分配梁。采用塔吊将分配梁按设计位置吊装到位。

7.1.3 安装钢绞线

承台施工时需预埋钢绞线，承台内预埋深度为1.5 m，承台外露长度为1.5 m，外露部分钢绞线涂抹黄油，并外裹塑料布，以防止钢绞线锈蚀。挤压垫板采用2 cm厚钢板自制，尺寸为0.1 m×0.1 m。挤压套筒安装时，要求套丝填满其中，锚固端钢绞线伸出套筒不小于1 cm(图6)。钢绞线按照计算长度下料。先用钢绞线单孔连接器将后下料与承台预埋钢绞线连接，再用塔吊牵引钢绞线至悬挑杆件上，对应承台上的点位将钢绞线穿顺放置在分配梁上，钢绞线穿到位后，采用锚具和夹片锚固于分配梁上。

图6 承台预埋反支点预压钢绞线位置(单位:mm)

7.1.4 张拉钢绞线

观测点位布置:预压时沿纵向设2个观测断面，分别设在悬臂端头处和悬臂根部处，每断面设5个观测点，如图7所示:XA1～XA5、XB1～XB5、DA1～DA5、DB1～DB5。每侧悬挑杆件顶面均采用 2台YDC240QX－200型千斤顶进行张拉，确保两侧同时张拉，单侧对称单端张拉。预压张拉时按照40、80、120 kN分三级加载。预压观测采用二等水准测量。在预压前对观测点进行初始高程的观测，前两级加载时，每级加载后静停15 min测量竖向变形值，第三级加载后静停30 min观测竖向变形值，以后每隔6 h观测1次。当各观测点最初24 h的沉降量平均值小于1 mm时，判定支架变形处于稳定状态。

图7 反支点预压变形观测点布置

7.1.5 卸载

采用相应的两侧同时、单侧对称分级进行卸载，每级卸载后对观测点进行观测，最后一级卸载完毕6 h后观测监测点。根据记录结果，计算各观测点的变形量:梁底立模高程=设计梁底高程+支架弹性变形值+设计预留拱度;弹性变形=堆载稳定后高程－卸载后高程;非弹性变形=堆载前初始高程－卸载后高程。结合检算的计算挠度，分析确定抛物线方程，从而确定立模高程。

7.2 底模支撑体系安装

反支点预压卸载完成后，结合所得观测数据，按要求铺设方木加一层塑料薄膜，沿梁底轮廓外边缘砌筑一圈外圈墙，砖墙内充填密实中粗砂，顶面采用M30水泥砂浆抹面找平并铺设0号块竹胶板底模。

7.3 悬挑托架结构施工控制要点

(1)承台预埋钢绞线的位置必须准确，埋置及外露深度符合设计要求。

(2)墩顶预埋φ25 mm精轧螺纹钢筋的位置必须准确，埋置及外露尺寸大于理论计算值。

(3)在吊装之前，双拼I40a型钢的对拼焊接必须保证焊接质量符合要求，精轧螺纹钢筋穿孔位置预留准确，以便后续吊装一步到位。

(4)精轧螺纹钢筋对工字钢进行锚固时，须采取双螺帽锚固，以确保安全。

(5)反支点预压操作过程中，作为分配梁的双拼I20型钢吊装位置须按设计位置吊放。预压张拉时，必须确保墩柱两侧同时张拉，单侧对称单端张拉。张拉前后严格按要求进行水准观测。

8 结语

悬挑托架在连续梁施工中的可行和实用性，得到了理论和现场双重验证。其具有结构简单，加工方便，安装快捷等优点，既可以保证结构体系所需的抗弯及抗剪强度，材料又可以多次重复使用，避免了浪费，同时缩短了工期，节约了施工成本，在同类的连续梁0号块施工中，可借鉴使用。施工成本经过对比分析，芹口特大桥(40+64+40)m连续梁0号块采用悬挑托架结构方案，比传统三角托架直接节省费用252836.4元。

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