低塔高跨斜拉桥现浇箱梁超高支架设计

谢朝君

摘 要：潮惠高速榕江大桥主桥为低塔高跨斜拉桥，主桥边跨混凝土箱梁跨度大、载荷重、距离地面高，桥位处淤泥层厚，无法采用满堂支架法进行施工。结合工程特点设计了一种梁柱式超高支架，文章介绍了超高支架的结构设计和计算分析，对同类型现浇箱梁工程有一定的借鉴价值。

关键词：低塔高跨斜拉桥 现浇箱梁 超高支架 设计

1.工程概况

潮惠高速榕江大桥主桥为低塔高跨斜拉桥，跨径布置为 60+70+380+70+60m。中跨及次边跨主梁采用流线型扁平钢箱梁，边跨采用流线型扁平混凝土箱梁。斜拉索采用准辐射形双索面布置，锚固在箱梁外侧，现浇箱梁锚固区内设有8对斜拉索锚管，锚管两端伸出箱梁，其下端设楔形锚块进行包裹。

边跨现浇箱梁长6 0.7m，高3.5m，位于主桥竖曲线起始段，纵坡由1.87%渐变到1.67%，平面线形为直线，设双向2%横坡。梁顶标高在跨中端为+44.026m。混凝土箱梁断面全宽38.7m，为单箱3室截面，顶面宽36.7m，底面宽19.2m。顶板厚30cm，底板厚28cm，腹板厚50cm，外侧锚固区厚2.6m。箱梁每隔4m设有一道横隔板。隔板中室段厚30cm，边室段厚度由30cm渐变到50cm。箱梁在过渡墩及辅助墩墩顶位置均设有一道实腹式横隔梁，分别厚2m和2.2m。现浇箱梁标准断面见图1。

現浇箱梁混凝土标号为C55，单侧总方量为2710m3；钢筋采用φ12～φ28mm螺纹钢筋，单侧总重为810.5t；箱梁内设有纵横向预应力束，采用φ15.2mm钢绞线，单侧总重为136.6t。

现浇箱梁位于浅滩区，榕江大桥桥位处潮位每天出现两次高低潮，属不规则半日混合潮，平均最高潮位为1.75m，平均最低潮位-1.6m，浅滩区河床标高在-0.5m左右。本桥位实测涨落潮最大水流速度约2m/s，桥位区工程地质条件复杂，地勘资料显示表面覆盖土层为淤泥，最大厚度约20m，其下为粉质粘土、细沙和砾沙。

2.现浇箱梁施工难点

（1）主桥边跨混凝土箱梁为预应力混凝土箱梁，外形轮廓与钢箱梁类似， 跨度、宽度及载荷均较常规现浇箱梁大，箱梁桥位处水域地质复杂淤泥层厚，施工难度大。

（2）现浇箱梁距离地面高约44m，需设计超高支架并保证支架稳定性。

（3）现浇箱梁梁端与钢箱梁连接，梁内设有斜拉索锚管，对超高支架不均匀沉降提出了更高的要求。

3.支架设计

结合桥位区工程地质条件和项目特点，现浇箱梁承重支架采用落地钢管贝雷支架。支架基础选用φ820×10mm钢管，顺横桥向各设置14排钢管桩。桩顶垫梁为双拼HM588型钢，横桥方向通长布置，单根长为42m。垫梁上方为三拼HN800型钢承重梁，顺桥方向布置，单根长6m。承重梁上方顺横桥向各设置7排共计49根φ1000×10mm钢管柱，承台钢管柱建基在承台上，其余位置处单根钢管柱下方设置四根钢管桩。钢管柱纵横向联杆选用28a#槽钢，设计成井字型焊接在钢管柱侧面，高度方向每6m设置一层。钢管柱顶承重梁为双拼HN800型钢，横桥方向通长布置，单根长40.8m。双拼HN800型钢承重梁上方顺桥向设置52组贝雷梁，箱梁外侧锚固区及腹板位置下方设置45cm间距贝雷梁，其余位置处设置102cm间距贝雷梁。贝雷梁上方箱梁平底板位置处横桥向设置10#槽钢分配梁，间距为40cm，横隔板位置处间距加密为30cm。箱梁斜底板位置处横桥向设置10#槽钢三角形调平架，间距为100cm，调平架上方顺桥向设置10#槽钢分配梁，间距为40cm，风嘴及锚固区实心段位置处间距加密为20cm。分配梁上方底模面板选用6mm厚钢板。具体支架图见图2和图3所示。

边跨现浇箱梁两侧锚固区设有8对锚管。在每侧锚固区设置一座锚管定位支架来承托锚管。锚管支架独立于模板系统建基在双拼HN800型钢承重梁上。定位支架由立柱和纵梁节段两大类构件组成，均设计成桁架式结构。立柱高4.5m，断面尺寸为80×60cm，由四根10#槽钢主杆和L50×50mm角钢缀杆组焊而成；纵梁节段又分为5类，长6m～21m不等，断面尺寸为130×75cm，由四根16#、14#、12.6#及10#槽钢弦杆、10#槽钢腹杆和平联杆、L50×50mm角钢斜联杆组焊而成；纵梁上还设置了锚管托架，由2cm钢托板和[10槽钢托梁组焊而成，托板上端切割成半圆，其余三边加焊L75×50mm角钢进行加劲。

4.支架结构分析

4.1荷载取值及荷载组合

（1）永久荷载计算：根据混凝土设计配合比，素混凝土密度为2.4t/ m3，浇筑方量2710m3，计素混凝土重6504t；钢筋及预应力筋总重810.5+136.6=947.1t；折算素混凝土、钢筋及预应力筋混合体容重为27.5KN/m3。

（2）可变荷载计算：箱梁内模板及内模脚手架自重取2.0kPa，人群及机具荷载取1.5kPa，混凝土倾倒荷载取2.5kPa，混凝土振捣荷载取2.0kPa，由于桥位位于浅滩区无船只通行且水流速度较慢，计算中流水压力、流冰压力、船只及漂浮物撞击力忽略不计，风荷载按规范计算。

（3）荷载组合系数：对于承载能力极限状态应采用下列设计表达式进行设计：γo Sd≤Rd，式中：

①γo——结构重要性系数，对于设计使用年限为5年的结构构件，结构重要性系数不应小于0.9，计算时取γ_ o=1.0。

②Sd——荷载组合的效应设计值，荷载基本组合的效应设计值S_d的计算式：

式中：

γGj——第j个永久荷载的分项系数，γGj=1.2。

γQi——第i个可变荷载的分项系数， γQi=1.4。

γLi——第i个可变荷载考虑设计使用年限的调整系数，γL1=1.0。

按照承载能力极限状态进行结构设计时的验算公式：

4.2支架强度及刚度分析

采用Midas Civil有限元分析软件建立模型并计算，超高支架自重荷载为软件根据材料自动计算。钢管、型钢、槽钢及钢板均为Q235钢材，[σ]=205MPa，[τ]=120MPa；单片贝雷梁的容许弯矩[M]=788.2kN m，容许剪力[Q]=245.2kN；计算结果如下：

（1）钢管柱支架及双拼HN800型钢承重梁最大组合应力为σ=161.16MPa <[σ]=205MPa，出现在钢管桩上的双拼HM588型钢垫梁位置处；最大剪应力为τ=103.1MPa<120MPa，出现在钢管柱上的双拼HN800型钢承重梁处。10#槽钢分配梁最大组合应力为σ=187.8MPa<[σ]=205MPa，最大剪应力为τ=34.2MPa<[τ]=120MPa。单片贝雷梁，弯矩最大值M=691.5kN m <[M] =78 8 . 2 k N m，最大剪力Q=115.3kN<[Q]=245.2kN。

（2）現浇箱梁支架整体最大变形位于贝雷梁跨中位置处为26mm，该处贝雷梁跨度为12m，允许挠度为30mm。其余各构件的最大竖向变形（挠度）均小于规范规定的L/400的限值。

由计算结果可知，支架强度及刚度均满足要求。

4.3支架稳定性分析

施工支架中可能出现失稳的结构为φ1000×10mm钢管柱及贝雷梁8#工字钢腹杆。采用Midas Civil有限元分析软件进行欧拉线性屈曲分析，分析结果主要关注第一屈曲模态下的特征值，即结构失稳最小临界荷载与实际施加荷载的比值。

（1）支架下部结构的屈曲分析：根据支架结构应力验算结果，对支架下部结构建模，将φ1000×10mm钢管柱最大轴力266.6t作为压力荷载并考虑自重加载至模型。

（2）贝雷梁腹杆的屈曲分析：根据支架结构应力验算结果，贝雷腹杆轴力最大为14.6t，强轴弯矩最大为0.06t·m，弱轴弯矩最大为0.05t·m。最大自由长度取斜腹杆长度约为1.1m。根据计算8#工字钢长度每变化1mm需要约18t轴力，因贝雷斜腹杆两端与竖腹杆相接的交角为45°，故简化杆件顶端的弹性位移约束约为每水平位移1mm需18×sin45°≈12.73t，实际建模计算中采用10t/mm。

经验算：现浇箱梁支架下部结构第一屈曲模态特征值约为2.1，即当压力荷载达到实际施加荷载的2.1倍时，出现初步屈曲失稳，对应的压力为266.6×2.1≈559.9t。贝雷腹杆第一屈曲模态特征值约为4.7，即当压力荷载达到实际施加荷载的4.7倍时，出现初步屈曲失稳，对应的压力为14.6×4.7≈68.6t，强轴弯矩为0.06×4.7≈0.28t·m，弱轴弯矩为0.05×4.7≈0.24t·m。屈曲分析特征值均在2.0以上，即失稳临界荷载为验算中所施加的荷载的2倍以上，结构满足稳定性要求。屈曲模态见图4，其中特征值见红色箭头指示位置。

4.4支架钢管桩基础承载验算

超高支架钢管桩基础均为φ820×10mm钢管，钢管桩基础设计入土深度为24m。根据支架建模计算结果知单根钢管桩承载力为80t。根据桥梁地勘报告，淤泥之下为粉质粘土、细沙或砾沙。沉桩范围内的淤泥深度约12～20m，推荐桩侧摩阻力标准值为20KPa。粉质粘土深度约4m，推荐桩侧摩阻力标准值为55KPa，地基承载力为180KPa。

5.支架施工注意事项

（1）钢管桩利用QUY100t履带吊协助DZ120振动锤进行插打，插打前设置导向装置，控制钢管桩就位精度在5cm以内，垂直度控制在1%以内。钢管桩插打按入土深度和贯入度进行双控，管桩入土深度不小于设计值或最后1min贯入度不大于5cm。

（2）各类型钢承重梁及垫梁对接时，需双面贴焊加劲板后再组合拼装，各根型钢间采用断续平行焊缝连接，焊缝高3mm，每段焊缝长100mm，间距200mm；对应钢管桩顶、钢管柱底和钢管柱顶位置处型钢均设置横向加劲肋；28#槽钢平联与钢管柱连接采用井字形设计，并在平联和钢管柱间设置L75×75mm角钢连接件。

（3）严格控制钢管桩及钢管柱顶标高，确保相邻两构件高差小于5mm，空隙处用薄钢板塞紧。安装钢管柱时确保钢管柱横桥向坐标在同一轴线上，使贝雷梁立杆正对钢管柱顶承重梁，否则在贝雷梁上下弦杆间设置双拼10#槽钢加劲立杆。

（4）支架搭设完成后，选用混凝土预制块按照箱梁自重1.1倍荷载进行预压，以检验支架的安全性，并消除支架和地基的非弹性变形，同时按支架实际弹性变形值设置立模预拱值。为防止梁体不均匀下沉产生裂缝，箱梁分三段进行浇筑。

6.结语

本文介绍了潮惠高速榕江大桥主桥边跨混凝土箱梁超高支架的设计。超高支架在混凝土浇筑过程中结构安全稳定，箱梁实体成桥线形良好，说明超高支架设计方案合理可行，该工程的成功经验可为类似工程提供设计及施工参考。

参考文献：

[1]GB50009-2012建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[2]GB50068—2001建筑结构可靠度设计统一标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2001.

[3]GB50017-2017钢结构设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2017.

[4]JTG/T F50-2011公路桥涵施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2011.

[5]JGJ94-2008建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.