超宽箱梁0#块钢管支架设计与施工

成先伟

（上海公路桥梁（集团）有限公司，上海市 200433）

0 引言

随着我国基础建设的大力发展，越来越多的大桥如雨后春笋般在我国的大江南北林立而起，同时也带动了先进施工技术的大力发展与应用。

在大桥、特大桥施工中，悬壁挂篮法已经是一种成熟的施工技术，但在水深、墩高的桥梁的0#块施工中，选择何种0#支架形式、如何搭设支架，是主梁施工的关键性工作[1-3]。

1 工程概况

肇庆阅江大桥位于广东省肇庆市，全长3.837 km，主桥为160 m+320 m+160 m中央单索面斜拉桥。

承台平面尺寸31.159 m×22.5 m，高5 m，下设18根φ2.5 m钻孔灌注桩。

主墩为双肢薄壁墩，标准段平面尺寸15 m×2.2 m，高22.965 m。底部与顶部有5 m高的变截面段，最大平面尺寸为15 m×2.7 m。

主梁为单箱五室预应力混凝土箱梁结构，箱梁顶宽33.5 m，底宽12 m，高3.7 m。0#块长30 m，采用C60丙烯纤维高强混凝土，总设计混凝土方量 1 322.2 m3，见图1。

图1 主桥0#块断面图(单位:cm)

2 钢管支架优化设计

2.1 钢管支架结构组成

钢管支架的主要功能是为超宽箱梁施工提供临时支撑，是确保梁体顺利施工最重要的大型临时工程结构之一[1]。

主梁0#块作为主桥的首个节段，其成型后又为后续节段的挂篮安装及施工提供基准。0#块节段的标高、轴线、成桥线型直接关系到全桥施工的质量。

结合桥位特点及项目特征，经过了前期多种方案比选，确定以主墩承台为基础依托，采用钢管支架进行0#节段施工。

支架体系为28根φ820 mm壁厚10 mm立柱钢管，横向采用φ630 mm，壁厚7 mm钢管作为平联。双肢薄壁墩间采用牛腿支撑，墩间区域采用双排HM588 mm×300 mm型钢作横向分配梁，其它区域采用装配式贝雷片作纵向承重结构，其上依次是I20a工字钢、方木及模板体系。承台施工时提前预埋钢板，立柱钢管与预埋钢板焊接固定；并与双肢薄壁墩上的预埋件通过铰接增强横向稳定性，使整个支架形成一个整体框架结构，见图2。

图2 钢管支架布置图(单位:cm)

2.2 钢管支架结构特点

（1）利用承台作为刚性支撑，并通过在承台施工过程中预埋钢板形成立柱钢管的刚性支撑基础，减少了整个钢管支架的非弹性变形因素。

（2）双肢薄壁墩间采用在立柱内侧预埋牛腿，简化了狭小空间的支承结构，施工便捷。

（3）采用贝雷片作纵向承重结构，易于拼装，缩短了支架拼装时间，大大节约了工期。

（4）支架与双肢薄壁墩通过附墙结构进行铰接，增加了支架横向稳定性。

3 钢管支架设计验算

3.1 计算参数

3.1.1 计算荷载

混凝土荷载：26.5 kN/m3；

模板荷载：2 kPa；

施工荷载：2.5 kPa；

模板荷载：2 kPa；

正常工作风速：V0=24.4 m/s；

最大风速：V=34 m/s；

风载Fwh=K0K1K3WdAwh。

3.1.2 材料特性

材料特性见表1。

表1 材料特性表

3.1.2 材料强度设计值

依照《钢结构设计规范》，Q235B钢材的强度设计值如下：

弯应力：f=215 MPa；

剪应力：fv=125 MPa。

3.2 支架工况

工况一：支架搭设完成，未浇筑混凝土；

自重+模板+风荷载（最大风速34 m/s）。

工况二：浇筑混凝土过程中；

自重+模板+风荷载（工作风速24.4 m/s）。

荷载组合见表2。

表2 荷载组合系数

3.3 边界条件

立柱与承台固接，连墙件铰接，主横梁与钢立柱顶、平联间为固接，贝雷梁与下横梁铰接。

建立支架有限元模型，见图3。

3.4 计算结果

计算模型见图4、图5。计算结果见表3～表7。

根据计算结果对相应结构进行强度、稳定性验算，结果均满足设计要求。

4 钢管支架施工

4.1 施工流程

测量放样→承台施工时预埋钢板→双肢薄壁墩施工时预埋牛腿及附墙预埋件→场外分段分块焊接钢管支架→分块安装钢管支架、平联、横向扶墙件→钢管/牛腿顶抄平（安装卸荷砂桶）→安放双拼HM588 mm×300 mm横向分配梁（抄平）→安放贝雷片桁架→安放I20a小分配梁→（两侧翼板安装满堂支架）→安装模板系统→1.1倍荷载预压→梁体施工→钢管支架拆除。

图3 钢管支架有限元模型(单位:mm)

图4 工况一 组合1计算结果(单位:mm)

图5 工况二 组合3计算结果(单位:mm)

表3 计算结果汇总

表4 钢管支架位移

表5 钢管立柱柱脚反力

表6 附墙反力（铰接）

表7 牛腿反力（固结）

4.2 支架制作

受制作场地、运输吊装重量等限制，将钢支架按顺桥向分成平面桁架进行制作。

制作工序包括选料、下料、钻孔、坡口加工、组对，焊接、整形、初检、预拼装，各工序的施工要严格遵守规范进行。

（1）钢材必须有生产厂家出具的产品合格证及材质报告。

（2）下料应根据图纸要求，保证几何形状和尺寸误差在规范范围内，调整好切割工艺参数，防止割纹深度、边缘缺棱等缺陷。

（3）各主要构件拼接焊缝质量要求达到二级焊缝标准，外观应防止气孔、夹渣、弧坑等缺陷的产生。

（4）锚板钻孔前的划线应根据现场预埋件上实际预埋孔进行测量放线。在打孔时，先打中心孔，再打十字孔，贯彻一轻、二重、三定的原则，如孔径过大时，应先钻小孔，再用规定孔径的钻头钻孔。转速和进刀量根据孔径进行选择，将孔距偏移控制在规范允许范围内。

（5）平联、斜撑和立柱连接，应放相贯线大样。在连接时，误差值不得超过规范要求。

（6）所有部件的临时点焊均应保证在吊运及工件翻转时，不出现焊缝开裂和变形的产生。

（7）应采用合理的焊接顺序，严格控制焊接变形，调节好焊接参数，保证焊缝满足设计要求，外观成型应美观，避免气孔、咬边、未融合、弧坑等缺陷的产生，焊完后，应编号堆放。

4.3 支架安装

钢桁架从加工场地运输到平台位置后，利用塔吊进行现场的安装，顺序如下：

步骤一：进行第一层安装、对其进行位置校正、垂直度调整、焊接固定柱脚，然后安装之间平联，使之成为框架结构；

步骤二：安装扶墙结构；

步骤三：重复上述过程，安装至顶层桁架和平联结构；

步骤四：焊接墩柱内侧牛腿结构及卸荷块；

步骤五：安装横向承重梁结构；

步骤六：安装模板系统。

4.4 支架预压

为消除钢管支架系统的非弹性变形，为另一个0#块支架提供弹性变形参考数据，拼装完成后按1.1倍荷载对钢管支架进行预压。

预压材料采用钢筋和沙袋，根据0#块的结构形式进行三级堆载（50%、80%、110%），在接近支架实际受力的情况下测出支架弹性变形和非弹性变形值。

预压后监测结果显示，支架竖向弹性变形为11 mm，非弹性变形为3 mm。在肇庆阅江大桥另外一个主梁钢管支架安装时，将模板预抛高11 mm，实际变形±2 mm以内，施工后尺寸满足设计要求。

4.5 支架拆除

钢管支架在0#段挂篮安装前择机拆除。

满足支架拆除条件时，先拆除斜腹板、翼缘板位置处钢管架，再用卸荷块卸荷，让平台距梁底有一定空间，可供人员进入逐件撤出各个构件。然后从上至下依次拆除各构件。

在箱梁底板上预留孔，穿钢丝绳及倒链吊住支架构件，然后断开平联销接连接、分段割除立杆，使拆除支架的重量由四个5 t手动葫芦倒链承受，再缓慢下放支架。

5 结语

（1）以主墩承台为钢管支架基础，采用钢管支架进行主梁0#块施工，避免了在深水中打设钢管桩，减小了非弹性变形，提高了施工安全性。

（2）采用钢管支架分块制作再组拼的方式，减少了高空作业工作量，有利用于焊接质量控制，提高了支架安装速度，节约了施工工期。

（3）按实际荷载分布对支架体系进行预压，为相同的钢管支架提供了非弹性变形参考值。

（4）采用传统的钢管支架施工方法，结构受力明确、传力清晰，加之采用科学合理的有限元方法进行受力分析，为结构的受力安全提供了有效的保证。