安海湾特大桥主桥超高悬浇0#块支架方案设计

梁宏顺，张政，何善美

（中交一公局厦门工程有限公司，福建 厦门361000）

1 引言

在连续刚构桥施工中，悬臂浇筑法发展至今已成为一种成熟的施工工艺，0#块作为承接连续梁桥下部及上部悬臂段的重要构件，其施工质量是全桥施工管理的重点。本文0#块尺寸、重量均属国内外罕见，通过安海湾特大桥主桥的具体施工，经Midas civil 有限元软件计算对超大、超高0#块支架进行设计验算，为后续类似工程提供借鉴和参考。

2 工程概况

泉厦漳城市联盟路泉州段A3 合同段安海湾特大桥主桥位于泉州晋江市东石镇与泉州南安市石井镇之间的安海湾海域，起讫桩号K16+013.845～K16+583.845，连接安海湾特大桥东西引桥。主桥结构为混合梁连续刚构桥，全桥长570m，跨径组合为135m+300m+135m，主墩两侧悬浇现浇混凝箱梁，中跨钢箱梁吊装段长度103m，上下分幅布置，箱梁腹板左右高度不等形成2.5%横坡，墩身采用双薄壁式实心墩，墩高27m。

其中，0#块梁长20m，梁高15m，隔板对应主墩位置，厚3m，底板厚度2.4m，腹板厚度1.5m，顶板厚度0.3～1.02m，总荷载为31 740kN。如图1、图2 所示。

图1 0#块侧立面图（单位：cm）

图2 0#块底板、顶板剖面图（单位：cm）

3 支架设计思路

经综合考虑，拟选择在外侧搭设钢管支架，近墩身侧设置牛腿，整体受力明确，材料可周转，采取钢管与墩身同步搭设的方式解决功效与安全问题，技术经济比选如表1 所示。

表1 支架方案比选

由于0#块梁高15m，一次性浇筑难以保障浇筑质量，拟分2 次浇筑，第一次浇筑底板、腹板、隔板6.6m 高，第二次浇筑剩余部分；支架按一次性浇筑的荷载设计。

4 支架设计与施工

4.1 钢管支架设计

1）0#块端部设置3 根φ800mm×10mm 钢管，钢管距离墩柱中心587.6mm，钢管横向间距332mm；钢管间平联及附墙采用φ326mm×6mm 钢管，每8m 一道，斜撑为I16a 槽钢；承台顶预埋8 根M20 螺栓与钢管底部钢板连接，钢板厚度不小于20mm。

2）近墩身侧及主墩之间采用牛腿承载，每个腹板下设置6个牛腿，底板设置3 个牛腿；牛腿高度600mm，宽度100mm，长度500mm，其中锚入墩柱200mm；牛腿采用20mm 厚钢板焊接；牛腿采用φ32mm 精轧螺纹钢对拉。

3）钢管顶部及牛腿顶部设置卸落沙箱，钢管顶部沙箱尺寸为φ800mm，牛腿顶部沙箱高800mm，内筒高为400mm。

4）沙箱顶部设置双拼I56a 主横梁，主横梁在沙箱顶部处设3 道加劲肋；墩柱外侧主纵梁采用I40a 工字钢，腹板下满铺，底板下双拼间距100cm；墩柱间主纵梁采用I45a 工字钢，腹板下满铺，底板下双拼间距85cm。

5）墩柱外侧在主纵梁上铺设I12 分配梁，然后其上设置型钢小桁架调节梁底标高，小桁架采用I10 焊接，腹板下间距25cm，底板下间距50cm；小桁架上铺设10cm×10cm 方木，间距20cm，面部为1.5cm 厚竹胶板。

6）墩柱之间主纵梁上铺设10cm×10cm 方木，间距20cm，面部为1.5cm 厚竹胶板。

钢管支架三维模型如图3 所示。

图3 钢管支架与托架三维模型图

4.2 钢管支架及牛腿制作与安装

4.2.1 钢管加工与制作

钢管采用φ800mm×10mm 螺旋焊管，进场后需检验其直径及壁厚。钢管接长采用法兰盘栓接或全熔透等强度焊接，且在外侧帮焊缀板，现场连接时应保证焊接质量符合规范要求。法兰接头处加劲板必须保证焊缝密贴。每一焊道熔敷金属的深度或熔敷的最大宽度不应超过焊道表面的宽度，同一焊缝应连续施焊一次完成【1】。

4.2.2 钢管的安装

钢管安装时，采用塔吊或汽车吊吊装，用全站仪调整好垂直度后，将钢管底部与承台上预埋螺栓连接牢固，钢管安装时需要同步施作平联、附墙、斜撑等，钢管焊接、栓接等作业需要搭设作业平台，确保作业人员安全。

4.2.3 牛腿的制作与加工

牛腿按方案设计图纸施工，要求焊缝饱满、焊缝长度及厚度符合图纸设计的要求，焊接过程中不得烧伤钢材，消除在加工过程中可能出现的构件内力。开孔宜采用送机械构件加工厂加工，以提高加工的精度，减小变形量，增强连接的牢固性。

4.2.4 牛腿的安装

用塔吊按装牛腿，将牛腿安装在墩身预埋盒内，调整牛腿的垂直度，在墩身预留孔处用钢板填塞固定牛腿防止偏移，并将钢板与牛腿焊接，采用φ32mm 精轧螺纹钢与预埋在墩身内的连接器固定，并用千斤顶预紧精轧螺纹钢，确保牛腿共同受力。

4.3 支架计算

4.3.1 底模强度、刚度验算

底模竹胶板下方横向均匀设置10cm×10cm 方木，腹板下方方木满铺，底板下方方木横向间距为20cm，则竹胶板最大应力19.56MPa

4.3.2 I45a 工字钢主纵梁验算

I45a 工字钢跨度5m，中间底板共计10 根工字钢共同受力，计算如下：

式（1）、式（2）中，M为弯矩；W为抗弯截面模量；Q为均布荷载；L为计算跨度；V为剪力；S为所求部分对中性轴的面积矩；It为惯性矩。

强度满足要求。

式中，f为挠度；q为均布荷载；L为计算跨度；E为弹性模量；I为截面抵抗拒。

刚度满足要求。

4.3.3 横向主横梁双拼I56a 验算

双拼I56a 工字钢承受上部I45a 主纵梁传递的荷载以及两侧翼板支架传递的荷载【2】，加载模型如图4 所示。

图4 工字钢荷载加载图

经验算，强度σ=115MPa＜215MPa, 则双拼I56a 工字钢强度满足要求。

4.3.4 跨中牛腿受力验算

1）牛腿垫板面积10cm×15cm，所承受的荷载F=434kN，墩身采用C50 海工耐久混凝土，fc=23.1MPa；查GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中6.6 节，牛腿尺寸验算应满足：Fl≤1.35βcβl fcAln，牛腿尺寸如图5 所示。

式中，Ab为局部受压面的计算底面积；Al为混凝土局部受压面积；Aln为混凝土局部受压净面积；βl为混凝土局部受压时强度提高系数；βc为混凝土强度影响系数。

则：Fl=1.35×1.73×1.0×23.1×15 000×10-3=809＞434kN（Fl为混凝土局部受压面作用的局部压力值），牛腿尺寸满足受力要求。

图5 牛腿尺寸图

2）牛腿受压区因未配置局部承压钢筋，按素混凝土计算查GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》第6.6 节：

式中，Fl为混凝土局部受压面作用的局部压力设计值；fc为混凝土轴心抗压强度设计值。

则0.9βcβl fc Aln=0.9×1.73×1.0×23.1×15 000×10-3=539.5>434kN，满足要求。

3）牛腿抗剪计算。单片牛腿处反力为434kN。单片牛腿钢板抗剪受力面积S=2×20×210=8 400mm2，当不均匀承担时候可由τ=VS/It推导出最大剪应力τ=1.5V/A（最大值）。

式中，τ 为最大剪应力；V为剪力；S为所求部分对中性轴的面积矩；I为毛截面惯性矩；t为厚度。

综上，牛腿结构满足使用要求。

4.3.5 钢管受力验算

1）强度计算

查表得柱子截面积A=248.2cm2，截面惯性矩Ix=193 647cm4，截面抵抗矩Wx=Ix/（D/2）=4 841cm3，转动半径i=27.9cm。根据GB 50017—2003《钢结构设计规范》公式验算强度：

式中，N为轴心压力；An为净截面面积；Mx为最大弯矩；γx为与截面模量相应的截面塑性发展系数；Wnx为截面抵抗拒。

经验算强度满足要求。

2）刚度计算

钢管立柱平连间距为8m，钢管立柱按最不利支撑形式，即两端铰结的压杆，其长度系数μ=1，则计算长度l0=8m。钢管横截面的惯性半径i=27.9cm，长细比λ=l0/r=800/27.9=28.7＜[λ]=150，刚度满足要求。

3）稳定性验算

因为立柱的长细比为28.7，且立柱截面属于b 类，查表得弯矩作用φ＝0.942 平面内的稳定性按下式计算：

式中，N为轴心压力；φ 为轴心受压构件稳定系数；Mx为最大弯矩为参数；βm为等效弯矩系数，取βm=1、A为构件截面积；γ 为与截面模量相应的截面塑性发展系数；w为弯矩作用下平面内对较大受压纤维的毛截面模量。

稳定性满足要求。综上，0#块支架受力满足要求。

5 结语

安海湾特大桥主桥超高悬浇0#块支架采用牛腿+钢管形式，支架设计充分考虑了墩柱形式、承台尺寸、用钢量及本桥0#块超大、超高的特点，支架受力明确，通过Midas civil 有限元软件计算支架各杆件受力状况，支架刚度、强度及稳定性均满足要求，支架安全可靠。牛腿与钢管的合理搭配降低了施工成本的同时提高了工期。通过本桥超高0#块地实践证明，为后续同类超高、超大0#块施工提供了参考价值。