大跨度高净空盖梁支撑体系比选与力学性能研究*

杨金龙，曾华新，韩 珂

(1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040； 2.长沙市城市建设投资开发集团有限公司，湖南 长沙 410100)

0 引言

近年来，随着交通建设的快速发展，桥梁工程大量增加，技术发展日新月异，大跨度和宽桥面桥梁逐渐发展起来，从而出现众多大跨度、高净空盖梁结构。盖梁在整个桥梁结构中起重要作用，因此盖梁施工为桥梁建造过程中的重要环节之一，施工工艺及支撑体系选择是盖梁施工的关键。

盖梁施工常采用穿心钢棒法、抱箍法、落地支架法或托架法等，不同方法各有利弊。少有工程采用组合支撑体系施工，因此依托暮坪湘江特大桥工程，对组合支撑体系力学性能进行深入研究，以期为同类工程设计与施工提供参考。通过在盖梁施工过程中同步开展应力、应变监测，对组合支撑体系施工可行性进行验证，用于指导实际施工。

1 工程概况

暮坪湘江特大桥位于湖南省湘江市内，起点位于河东暮云片区，终点位于湘江新区大王山片区，线路全长1.83km。主桥为中承式钢桁架系杆拱桥，东、西涉水引桥为等高度单箱单室钢-混组合结构梁桥。涉水引桥盖梁长15.7m，宽2.6m，高2.5m，每片盖梁设置2块支撑垫石，如图1所示。盖梁采用C40混凝土浇筑，单片盖梁混凝土浇筑量为97.4m3，钢筋用量为15 766.6kg。

图1 涉水引桥盖梁立面布置(单位：cm)

2 支撑体系比选

通过对同类型盖梁施工工艺进行调研，结合工程特点，同时考虑施工便利性、安全性及可操作性，对抱箍法、支架法、抱箍+支架组合支撑体系施工法进行综合比选。由于本工程对混凝土外观质量要求高，禁止采用穿心钢棒法，因此本文未对该方法进行比选。

2.1 抱箍法

抱箍法采用的支撑体系底模为6mm厚钢板，下设[10纵肋，分配梁采用I25a，主梁采用2根HM588×300×12×20，抱箍内径2.2m，采用双抱箍的形式设置于墩柱上，如图2所示。

图2 抱箍法支撑体系布置示意(单位：cm)

采用Midas/Civil软件建立计算模型(见图3)，对抱箍法支撑体系力学性能进行数值模拟分析。抱箍、主梁、分配梁均采用梁单元进行模拟，为保证计算模型受力最大程度地接近实际受力，在抱箍节点处约束z向位移，分配梁为铰接，即上层分配梁弯矩无法传至下层分配梁。钢材材料特性及各杆件截面特性数据采用软件默认值。仅选取最不利工况进行分析，即在工作风速下混凝土即将浇筑完毕，此时模型所受荷载包括风荷载、施工荷载、支撑体系荷载与钢筋混凝土荷载。

图3 抱箍法支撑体系计算模型

计算结果表明，分配梁抗弯强度、抗剪强度及挠度均满足规范要求，且具有较大的富余度。主梁弯曲应力达186.7MPa，小于抗弯强度设计值(215MPa)，挠度达26mm，小于允许变形值(26.75mm)。计算结果虽满足规范要求，但为保证施工安全性，将主梁钢材改为HN700×300×12×24，此时单片抱箍支反力达684.7kN，单根墩柱上的抱箍需承受1 369.4kN的荷载。随着技术的成熟，抱箍法施工安全性虽越来越高，但当大跨度、高净空盖梁采用抱箍法施工时，因支反力过大，使整个结构体系在施工过程中承受着较大的施工风险。

2.2 支架法

支架法采用的支撑体系底模为6mm厚钢板，下设[10纵肋，分配梁采用I25a，主梁采用2根HM588×300×12×20，桩顶分配梁采用2根I45a，立柱采用φ426×5钢管，支撑体系布置如图4所示。

图4 支架法支撑体系布置示意(单位：cm)

对支架法支撑体系稳定性及构件力学性能进行分析。立柱柱脚为固结，分配梁为铰接，同样选取最不利工况进行分析，计算模型如图5所示。

图5 支架法支撑体系计算模型

计算结果表明，主梁悬臂端挠度不满足要求，桩顶分配梁挠度不满足要求，其弯曲应力达191.23MPa。为解决主梁悬臂端挠度过大的问题，需在悬臂端搭设立柱，受限于涉水墩柱施工环境，单独设置水中立柱基础较困难，且不利于控制施工成本。

2.3 组合支撑体系施工法

采用组合支撑体系施工法施工时，将钢管立柱与抱箍型钢支架相结合，型钢支架底模采用6mm厚钢板，下设[10纵肋，分配梁采用I25a，主梁采用2根HM588×300×12×20，桩顶分配梁采用2根I45a，立柱采用φ426×5钢管，抱箍内径2.2m。组合支撑体系布置如图6所示。

图6 组合支撑体系布置示意(单位：cm)

对组合支撑体系进行力学性能分析，主梁、分配梁、立柱均采用梁单元进行模拟，在抱箍节点处约束z向位移，立柱柱脚为固结，分配梁为铰接，选取最不利工况进行分析，计算模型如图7所示。

图7 组合支撑体系计算模型

计算结果表明，组合支撑体系各构件受力与变形均满足要求。

2.4 比选结果

由计算结果可知组合支撑体系力学性能可满足本工程施工要求，无须单独设置独立扩大基础，且无须设置预埋件，不对主体结构外观造成影响，因此最终选用组合支撑体系施工法。

3 施工重难点

盖梁施工属于高空作业，施工过程中除需保证主体结构质量满足要求外，还需加强安全管控，施工重难点如下。

1)涉水引桥盖梁跨度大，净空高，施工过程中不可控因素多。

2)盖梁均一次浇筑完成，单片盖梁混凝土浇筑量大，对支撑体系的要求高。

3)钢立柱需采取固定与限位措施，防止整个支撑体系失稳，同时需确保主体结构耐久性不受影响。

4 关键施工技术

4.1 抱箍预压

为确保盖梁施工过程中的安全性，抱箍安装前需采用双抱箍对扣预压法进行预压处理，预压设备选用50t液压千斤顶，将其置于上、下抱箍之间。高强度螺栓需进行初拧、复拧和终拧，单片抱箍设计承载力为387.08kN，按1.1倍施工荷载进行试压，使用经标定的千斤顶和压力表，根据标定证书中的线性回归方程，采用三级加载方式进行预压。

4.2 组合支撑体系安装

1)钢管立柱安装

立柱采用φ426×5钢管，钢管接长采用等强焊接的方式，横桥向立柱之间通过槽钢连接，考虑到涉水环境风速大及整个支撑体系高度大的特点，通过设置连接系梁的方式将墩柱与支撑体系连成整体，从而增强支撑体系的稳定性。

与在系梁中预埋锚筋的传统方式不同，结合本工程系梁涉水的特点，为防止预埋孔后期处理不当对主体结构产生影响，柱脚锚垫板直接与预留在系梁顶部的钢板焊接，钢板在系梁施工时通过4根工字钢与系梁钢吊箱底板焊接，从而达到限制组合支撑体系横向位移的目的。

2)抱箍吊装

抱箍吊装前将操作走道与单片抱箍焊接成整体，2片抱箍临时组拼后由25t汽车式起重机配合吊装，当抱箍顶面沿着墩柱下移至设计安装位置时，利用扳手逐个拧紧M30螺栓，并通过加长杆(长度>50cm)复拧，复拧时采用标定后的扭矩扳手对每根螺栓进行检查。

3)主梁与分配梁安装

主梁与分配梁吊装前，首先安装卸荷砂筒，砂筒装有烘干的细砂，使用前通过自制反力架对砂筒进行预压，预压力为1 000kN。

砂筒安装完成后，依次吊装2根桩顶分配梁及2根主梁，同步设置操作走道，加装防护栏杆。

4.3 钢筋与模板制作安装

为确保主体结构外观质量，盖梁模板均采用组合钢模。底模与侧模安装完成后，吊装盖梁骨架钢筋网片。

盖梁及垫石预埋件钢筋安装完成后，吊装侧模，侧模通过精轧螺纹钢拉杆对拉。在满足结构受力要求的前提下，仅在侧模顶口和底口各设置1道拉杆，既便于精轧螺纹钢拉杆周转，又不会对主体结构外观产生影响，避免了后期修饰。钢筋与模板制作安装后的结构如图8所示。

图8 钢筋与模板制作安装后的结构

4.4 混凝土浇筑及养护

采用起重机配合料斗的方式分层对称浇筑混凝土。混凝土初凝后，在盖梁顶面及时覆盖透水薄膜进行洒水养护。待端模与侧模拆除完成后，将透水土工布包覆在盖梁表层，在盖梁顶部放置水桶，采用滴灌的方式对盖梁进行养护。

5 受力与变形分析

5.1 应变

为进一步研究组合支撑体系力学性能，在支撑体系上布设应变传感器，监测支撑体系实际受力与变形状态。由于盖梁结构为对称设计，根据计算结果，在半幅盖梁结构临时支架上对称布置监测点，其中监测点S1，S6对称布置于支架系统纵梁上，监测点S2，S5对称布置于支架系统立柱顶部，监测点S3，S4对称布置于墩柱抱箍卸荷砂筒上，如图6b所示。

采用自带温度监测功能、应变监测精度为1με的振弦式表面应变计进行应变监测。分3次采集应变监测数据，结果如表1所示。当盖梁支撑体系搭设完成时进行第1次数据采集，当混凝土浇筑一半时进行第2次数据采集，当混凝土浇筑完成时进行第3次数据采集。由于第1次数据采集时钢筋与模板均未搭设，应力、应变均较小，因此本文不对第1次采集数据进行分析。

表1 应变监测结果 με

5.2 应力

对应力实测值与理论值进行对比，结果如表2，3所示。为便于分析，应力值均采用绝对值。由表2，3可知，无论是混凝土浇筑过程中还是混凝土浇筑完成后，应力理论值均大于实测值，这可能是因为建模过程过于保守，附加荷载过大，荷载系数取值及加载方式与实际工程施工存在差异，现场监测数据及处理存在一定误差。

表2 应力实测值与理论值(混凝土浇筑一半时)

应力实测值与理论值虽存在一定差异，但除个别数据外，误差均<9%，且应力实测值与理论值均小于材料允许应力，进一步验证了组合支撑体系可安全可靠地辅助现场施工，表明基于组合支撑体系建立的力学分析模型可为同类型盖梁设计提供依据。

表3 应力实测值与理论值(混凝土浇筑完成时)

立柱应力均较抱箍应力大，可知组合支撑体系受力以立柱为主，以抱箍为辅。

6 结语

1)钢管立柱与抱箍型钢支架相结合的组合支撑体系增强了结构整体稳定性，避免发生抱箍法施工过程中因单点支反力过大引起的结构失稳问题，降低了施工风险。

2)采用组合支撑体系时，立柱直接支撑于系梁上，抱箍支点解决了主梁端部挠度过大的问题，且无须单独设置独立基础，解决了受限空间下水中盖梁施工难题。

3)抱箍采用千斤顶对扣预压法进行预压，预压方式简单便捷，预压效果较好。柱脚锚垫板通过与系梁钢板焊接，避免锚筋位置处理不当对主筋造成影响，从而保证了主体结构耐久性。卸荷砂筒采用自制反力架进行预压，可方便、快速完成预压。

4)通过应力理论计算值与实测数据进行对比分析，明晰了组合支撑体系受力分配。理论计算值与实测数据均表明组合支撑体系强度、刚度及稳定性满足要求，可知组合支撑体系可安全可靠地辅助现场施工，基于组合支撑体系建立的力学分析模型可为同类型盖梁设计提供依据。