宽幅箱梁0＃块托架与临时固结一体化施工技术研究

金仁贵

(中铁十六局集团第三工程有限公司 浙江湖州 313000)

1 前言

我国社会经济的稳定持续高速增长，交通面临巨大压力，高等级公路宽幅化建设发展迅猛，应用趋势广泛。连续梁主梁悬臂浇筑的起步段0＃块梁段的施工控制是整个桥梁施工最重要关键的环节，诸多学者及相关科技人员对其进行了大量的试验实践工作。项建光等[1]设计了高速公路悬浇箱梁托架，建立有限元模型进行受力分析检算。陈娜等[2]对公铁两用桥的墩旁托架有限元模型进行施工过程分析，介绍了托架制作及安装施工。徐芳[3]详细阐述了铁路刚构桥托架设计与施工过程，分析了托架受力，提出了预埋牛腿局部压应力计算模型。周彦文等[4]着重介绍了托架设计、计算及预压施工。杨美良等[5]诠释了混凝土分期浇筑的托架体系设计应用，并着重说明了关键施工技术。门发忠[6]对托架进行施工改进，优化了结构设计。唐晶晶[7]重点阐明了高墩连续梁0＃块托架及临时固结施工方案设计及应用。韩少波[8]研究了悬臂浇筑墩梁临时固结装置设计，进行了结构分析计算。张文学等人[9－10]研究了不同类型的临时固结装置，总结了临时固结的设置及施工注意事项。余长虹[11]应用实施了体外临时支撑固结。陈谦[12]探索了临时固结体系的组合应用。但对高速公路宽幅箱梁墩旁托架与临时固结一体化体系的应用研究相对少见。鉴于此，依托杭州绕城高速公路项目，对托架与临时固结一体化施工进行技术应用研究。

东苕溪大桥主梁截面设计为单箱五室，主墩0＃块长12 m，顶宽34.5 m，单侧悬臂宽4 m。墩顶5 m长度范围内为实心段，高度5.5 m，两侧各3.5 m箱梁，箱梁根部高度5.5 m，端部高度4.644 m。箱梁底板曲线按2.0次抛物线变化，底板厚度在箱梁根部为120 cm，渐变至0＃块端部61.2 cm。箱梁外侧腹板采用斜腹板，厚度为70～90 cm，内侧为直腹板，厚度为70～110 cm。主墩0＃块混凝土1 178 m3，节段总重量约3 125.4 t。

2 施工方案

东苕溪大桥主桥设计为单主梁宽幅箱梁，0＃块是悬臂浇筑施工的中心块件，受力复杂，三向预应力管道集中，钢筋密集，作业组织繁杂。现浇支架支撑体系的选型及预压的实施需考虑施工沉降差，施工过程中多种不平衡力、弯矩作用在临时固结位置，临时固结必须具备充足的强度、刚度及整体稳定性的安全储备，确保结构可以抵抗各种潜在不平衡力及作用的影响。经技术和经济效益等综合比对分析，施工时采用型钢托架，主桥墩梁临时固结采用托架和临时固结一体化支撑体系，可有效地解决施工难题，提高工效。

3 型钢托架设计与计算

3.1 型钢托架设计

锚固支撑钢管采用立于承台上的单幅12根φ800×20钢管作为立柱支撑，通过主纵梁2 40a和平联 32a进行钢管立柱及墩身联系，主纵梁上设卸荷装置；卸荷装置上设主横梁，主横梁采用2 40a型钢；主横梁上设分配梁桁架及模板系，分配梁桁架采用 14型钢。所有材料均为 Q235B钢材。见图1。

图1 主墩托架体系

承台和墩身预埋件采用M30-D25定位锥，锚筋为45＃冷拔螺纹锚筋(带锚板)，固定装置采用M30高强螺栓，锚筋处加密@10×10φ16钢筋网。

3.2 支架整体计算

由底模桁架直接作用在支架横梁上的力，以及箱梁翼缘板浇筑荷载，加入支架整体体系中，利用桥梁有限元分析软件建模，对支架进行计算分析。支架整体计算模型及荷载分布见图2。

图2 支架整体计算模型及荷载分布

支架主要构件应力及变形见表1。

表1 支架主要构件应力及变形

3.3 底模桁架计算

底模桁架及荷载分布计算模型见图3。

图3 底模桁架计算模型

底模桁架主要构件应力及变形见表2。

表2 底模桁架主要构件应力及变形

3.4 侧向翼缘板托架计算

由于两主墩0＃节段主梁翼缘板托架结构的差异，将18＃墩0＃节段主梁侧向翼缘板托架进行单独分析。箱梁翼缘板浇筑荷载，加入侧向托架体系中，对侧向托架进行计算分析。侧向翼缘板托架计算模型见图4。

图4 托架整体计算模型及荷载分布

侧向翼缘板托架主要构件应力及变形见表3。

表3 侧向翼缘板托架主要构件应力及变形

4 临时固结设计与计算

4.1 临时固结设计

主桥箱梁悬浇临时支撑由12根支撑在承台上的φ800×20 mm钢管、墩侧钢托架、部分型钢平联及扶墙结构等组成，0＃块施工时参与0＃块的支架系统，0＃块施工完成后拆除支架时保留临时支撑体系，形成体外临时固结系统，详见图1相关内容。

沿墩顶四周浇筑60 cm宽C30素混凝土临时支座(底部每1 m左右预埋1根25 mm PVC管排水孔)，内置精轧螺纹钢由墩顶内预埋至0＃块顶板，每根精轧螺纹钢张拉50 kN(即作为沙箱外支挡结构又作为箱梁悬浇施工临时支撑的安全储备)，沿永久支座四周利用方木和竹胶板制作支座保护模板，标高为梁底标高下降2 cm，内填黄砂，注水密实，标高低于梁底标高4 cm，黄砂上部涂抹2 cm砂浆封面，整面上铺2 cm厚竹胶板底模。详见图5。

图5 墩顶临时固结

0＃块施工时参与0＃块的现浇支架系统，0＃块施工完成后拆除支架时保留临时支撑体系，主要是保留钢管、部分托架、定位锥等。

4.2 稳定支撑计算

(1)荷载组合

东苕溪大桥主桥为(84＋140＋84)m变截面连续箱梁桥，施工时采用挂篮同步悬浇施工。

根据设计要求，挂篮对称悬浇时考虑各种不利工况及其组合为:

①单侧梁体积偏差(梁段重5%)；

②施工进度偏差(悬浇节段的50%)；

③挂篮走行进度差(挂篮重量30%)；

④单侧竖向风力产生的悬臂两侧不平衡升举力。

(2)最大不平衡弯矩

考虑最不利原则的以下两种主要工况:

工况1:最大悬臂施工阶段，考虑右侧箱梁较左侧箱梁均超重5%，左侧最后1个块段迟浇1/2的混凝土方量，同时叠加施工荷载、施工时风荷载、挂篮荷载及堆载；

工况2:最大悬臂施工阶段，考虑右侧箱梁较左侧箱梁均超重5%，施工完毕左侧挂篮拆除30%，右侧无拆除，叠加风荷载、挂篮荷载(140 t)及荷载。

风荷载作用于箱梁时产生的升举力计算式为:

式中，γ为空气密度，取1.25 kg/m3；Vd为设计风速，取台风风速22.2 m/s；Cv为升举系数，根据地表类别取值，取1.28；B为主梁宽度，取34.5 m。

经计算，悬臂两端横风作用为:P＝13.6 kN/m。

风荷载分配满足《公路桥涵抗风设计规范》要求，按最不利原则:

一侧(左侧)风载按100%计算，集中作用力约为:P1＝13.6×70.85＝964 kN，风力中心距中心距离Lf＝35.425 m。

一侧(右侧)风载按50%计算，集中作用力约为:P2＝13.6×67.15×0.5＝457 kN，风力中心距中心距离L′f＝33.575 m。

经计算，工况1不平衡弯矩:ΔM1＝19 177.3 kN·m；工况2不平衡弯矩:ΔM2＝12 225.3 kN·m。工况1为控制工况，施工中最大不平衡弯矩为19 177.3 kN·m。

(3)支撑稳定

采用12根支撑在承台上的φ800×20 mm钢管立柱组成的临时支撑，不考虑墩顶受力，单侧钢管立柱需提供的竖向支撑荷载为:N＝ΔM/L＝19 177.3/4.2＝4 566 kN。

单根钢管立柱承受的竖向荷载为4 566/6＝761 kN。

满足要求。

结构抗倾覆系数为:

k＝N·L/ΔM＝8 658.5×6×4.2/19 177.3＝11.38>2.0

钢管立柱抗倾覆稳定性满足要求。

5 支架安装、预压及拆除

5.1 支架安装

0＃块支架拼装利用吊车起吊配合安装，17＃墩支架安装时利用50 t吊车停靠在东苕溪钢栈桥支栈桥上，18＃墩支架安装时吊车停靠在施工便道上，进行起吊拼装作业。先安装12根主支撑钢管、墩侧托架和扶墙结构，然后自下而上安装卸荷装置、分配梁、临边防护等结构。

支架安装前严格检查现场原材料；钢管立柱安装时，利用铅锤严格控制其竖向垂直度；严格控制主纵梁牛腿、分配梁桁架及墩侧托架等焊接部件的焊接质量，焊缝满足规范要求；确保支架与墩身及承台连接牢固；主横梁、次横梁与主纵梁牛腿和分配梁桁架之间分别利用U型卡扣固定牢固。

5.2 支架预压

在支架搭设安装完成后，铺设0＃块底板模板，根据分布理论计算的变形值设置反拱度，并调整模板高程位置，布设观测点，然后对支架实施预压，以消除其非弹性变形，测出支架弹性变形，并检验支架的安全性能。预压采用箱梁自重的1.2倍总重量的预压专用钢块进行。本桥0＃梁段墩外部分两侧支架每侧预压816 t，分50%、80%、100%、120%四级对称加载，最大不平衡重不超过350 kN，沉降稳定后按加载顺序分级对称卸载。

预压专用钢块采用与梁体施工时的纵横向荷载分布情况基本一致的分布实施，即按结构等效荷载施加预压荷载。荷载加载前分别在底板及翼板上沿横断面布置沉降观测点，每侧底板布置6个观测点，单个翼缘板布置6个观测点，共计24个测点，见图6。加载前及每级加载后对观测点高程进行观测并记录原始数据，每级持荷时间不少于30 min。满载后每6 h观测1次，持荷时间不小于24 h，直至沉降稳定开始卸载，卸载时同样分级观测并记录。加载过程重点关注支架各支承及连接处的变形位移情况。

图6 0＃块支架预压观测点布置

预压时墩身两侧架体同时均衡加载，加载时按照从靠近墩身部位架体加载到远离墩身加载的顺序进行单层荷载的预压。预压荷载按照整体、均匀、分层进行叠加，确保支架整体、均匀受力。预压至满足要求后，总结分析预压实施结果，同时对支架反拱度设置进行修正。

5.3 支架拆除

0＃块预应力张拉、压浆满足要求后，进行支架拆除作业。支架拆除前先对支架进行全面检查，清理支架及模板上的零散物品，严禁有未连接牢固的物品放置在支架及模板上。

支架拆除时首先利用气割拆除支架卸荷装置，然后按照后装先拆的方式拆除0＃块支架(除作为支撑稳定系统的钢管及连接件)。每个0＃块托架设置标准梯笼搭建而成的安全通道，非作业期间，梯笼进口关闭上锁，禁止通行，保证工人上下支架的安全。

6 临时固结拆除

0＃块现浇施工完成，拆除0＃块支(托)架，保留作为支撑稳定系统的钢管及连接件，作为临时固结用，同时浇筑混凝土临时支座等墩顶临时固结设施，组成临时固结体系。主梁边跨合龙段施工完成，拆除边跨合龙段施工吊架、边跨现浇段支架，按顺序拆除临时支撑体系及墩顶临时固结设施，同时解除17＃、18＃支座锁定，完成主梁体系转换。

7 结论

悬臂浇筑0＃块是整个连续梁的施工基准段，三向预应力束交替穿插，受力复杂，对支架支撑系统要求极高。0＃块支架采用型钢贝雷梁托架，临时固结采用钢管立柱配合预应力体系，采用托架和临时固结一体化，有效节省了用钢量，避免了临时固结沉降量；承台和墩身预埋件采用M30-D25定位锥，施工结束后，定位锥退出混凝土面，提高施工质量。

一体化钢管柱在施工过程实现双重作用，安全性能明显增强，提高了工效，施工中节约成本约53万元，提前45 d完成合龙，应用效果显著。