论挂壁式牛腿在桥梁墩顶搭设0#、1#块支架平台中的运用

唐 林

（贵州省公路工程集团有限公司,贵州 贵阳 550001）

0 引言

现浇连续梁通常桥墩与梁体成正交布置，而桥墩的0#块则是由支架现浇而成。斜交桥的支架大多是落地式，牛腿式的很少见。传统的牛腿支撑是在桥墩的一侧预先埋设一块钢板，然后将其上下结构件焊在预制板上，以形成一个稳定的受力结构[1-3]。该技术具有一定的经济优势，但也有以下缺点：1）预埋件锚筋数目多、制造相对重杂、安装难度较大；2）高空作业任务繁重，且牛腿的焊接质量难以控制；3）拆除牛腿后，伤疤面积较大，对桥墩的外观有一定的影响[4-5]。为了解决以上问题，以某高速公路桥梁0#块梁现浇为例，采用挂壁式牛腿支架技术，成功地完成了墩顶现浇梁的施工。

1 工程概况

某高速公路大桥跨河段主桥为45 m+4*75 m+85 m+57 m连续梁，该桥桥墩为门架墩，平行水流以减小阻水面积，与主梁斜交，接近45°夹角；该跨河段连续箱梁共12个0#块，其中河中主墩6个0#块采用牛腿支架施工，6个0#块高4.7 m，长11.0 m，顶板宽16.25 m，底板宽8.25 m，混凝土方量为287 m3。

2 牛腿支架设计

由于主墩与主梁相交呈斜向，而牛腿又是垂直于桥墩，因此，这种支撑方式与普通的牛腿支撑有很大的区别。现场施工方案布局中，应首先确定支撑横梁的布置位置，然后按其结构、载荷的大小来决定横梁受撑点，从受撑点垂直向墩身处，确定三角牛腿平面布置，然后根据桥墩的构造、桥墩的临时支撑进行调整[6]。最终设计的三角桁架式牛腿与支撑横梁为斜交结构，牛腿长度、高度、受力大小均不一致。牛腿支架方案见图1、图2。

图1 0#块三角牛腿支架平面图(N5牛腿同时作横梁)

图2 0#块三角牛腿支架正立面图、侧立面图

3 挂臂式牛腿设计

以N1牛腿为例，牛腿挂在墩顶，通过插钢销(铰)与墩顶预埋钢板连接，挂臂在墩顶受拉、受弯、抗剪，牛腿下支点只水平受压，通过设定位螺栓起稳定作用[7]。

预埋锚固钢板厚50 mm*宽350 mm，预埋深度115 cm，用φ99 mm销轴铰接，见图3。

图3 挂臂牛腿钢板插销锚固设计

受临时支座影响，N2、N3没有预埋钢板位置，采用精轧螺纹钢锚固，见图4。

图4 挂臂牛腿精轧螺纹钢锚固设计

3.1 挂臂式牛腿受力分析

3.1.1 牛腿受力计算

0#块支架为复杂空间结构，采用Midas Civi1进行空间模型分析计算支架整体效应[8]。根据有限元分析结果，选择最不利荷载工况，横梁底支撑反力即牛腿受压力如图5所示。

图5 牛腿受力示意图

以N1牛腿为例，挂臂牛腿支反力如图5，挂臂竖向锚固力169 kN，横向锚固力448 kN，受墩顶竖向支撑力696.3 kN，受墩身壁水平撑力448 kN。挂臂最大组合应力为91.7 MPa＜215 MPa，悬臂端部最大挠度为3.5 mm＜允许挠度5 150/400=12.875 mm，应力与变形如6、7所示。

图6 组合应力（单位：MPa）

图7 竖向挠度（单位：mm）

3.1.2 销轴验算

销轴直径99 mm，材质45号钢，[τ]=125 MPa，双截面受剪。挂臂竖向锚固力169 kN，横向锚固力448 kN，合力P=478.82 kN。剪应力τ=P/AAφ=478.82 kN/（2*π*49.52）mm2，τ=31.1 MPa＜[τ]=125 MPa，满足要求。

3.1.3 预埋钢板销孔承压应力验算

预埋钢板材质A3钢，厚度50 mm，孔径100 mm，受销轴挤压后钢板紧密接触部位将压缩变形以增大接触面[9]。假定接触面达到圆弧中心角90°，受压面积平均压应力f=P/A=478.80 kN/3 499.7 mm2=136.71 MPa＜[f]=210 MPa，满 足要求。

3.1.4 预埋钢板孔壁抗剪应力验算

预埋钢板材质A3钢，[τ]=85 MPa，φ100 mm预留孔。取孔壁最小尺寸计算。由于销轴与孔壁紧密接触，预埋板有2个剪切面，受剪面积A=2*50*125=12 500 mm2，平均剪应力τ=P/A=478.81 kN/12 500 mm2=38.3 MPa＜[τ]=85 MPa，满足要求。

3.1.5 预埋钢板锚固深度

预埋钢板属于悬臂结构，主要是水平向剪力和弯矩，竖向拔力较小。钢板在混凝土中锚固深度应大于15d，再加工有锯齿口、横栓钢筋，则锚固性能满足使用要求，可不做锚固深度验算。实际预埋深度为钢板定尺150 cm-35 cm=115 cm。

3.2 锚固位置钢筋混凝土验算

3.2.1 局部抗压强度验算

假定预埋板水平向力由混凝土的局部抗压强度决定：

式中，d——预埋板厚度，d=5 cm；H——受压计算高度，取1/2锚固深度(应力不匀取一半)，H=115 cm/2；[fc]——混凝土抗压强度设计值，通常C40混凝土取[fc]=19.1 MPa。由于局部混凝土受压，且有钢筋作用，将会发生桶箍效用，此处取[fc]=40.0 MPa。则Fc=5 cm×（115 cm/2）×40 MPa=11 500 kN，安全系数k=11 500 kN/448 kN=25.67。通常钢筋混凝土内混凝土局部受压均满足要求，可不进行验算。

3.2.2 按抗剪计算

假定钢筋混凝土沿预埋板边缘处的2个45°斜截面开裂破坏。将2个斜截面范围墩顶平行预埋板分布筋、墩身内一层构造筋视为拉筋参与抗裂。墩身箍筋、主筋、墩顶垂直预埋板的分布筋、混凝土作为安全储备，不参与计算。

式中，Vs——构件斜截面内剪力设计值；Asl——配置在计算截面内分布筋截面面积，Asl=1 608 mm2，6肢φ16面筋和2肢φ16构造筋的截面面积；fyv——分布筋的抗拉强度设计值，规范规定HRB400取360 MPa。计算得出：Vcs=360 MPa*1 608 mm2=578.88 kN，安全系数k=578.88 kN/448 kN=1.29，满足要求。如果分布筋不满足，则增加拉筋。

4 挂臂式牛腿支架实施

4.1 施工技术要点

（1）加工制作牛腿，墩身施工时在墩身及墩帽上预埋好锚固件。

（2）将牛腿固定好：塔吊吊装牛腿到位，及时进行吊杆锚固，牛腿下支点用螺栓锁定，最后用钢板将桥墩与吊杆之间的空隙垫紧。牛腿在安装后，采用10号槽钢横向连接，以增强牛腿的横向稳定性。

（3）主横梁、纵梁的安装：测量放样，将主梁和工字钢铺平，与牛腿进行点焊，将横梁与牛腿之间的空隙用钢板垫紧；在主梁上铺设纵向工字钢分配梁，纵横工字钢焊接固定。同时在支架平台周围布置施工通道，并做好防护措施。

（4）对支架进行预压：采用预压消除了支座的非弹性变形，并对支座的受力进行了检测，在预压后，累积的非弹性变形为3~6 mm，弹性变形为2~4 mm。

（5）模板系统的安装，0#块钢筋混凝土施工：混凝土浇筑完毕后，先进行张拉、压浆，然后拆除模板、底模、支架。

4.2 挂臂式牛腿技术特点

挂臂式牛腿施工技术特点：

（1）牛腿挂在墩顶锚固，墩身壁仅承受水平向作用力。牛腿挂臂需承受抗拉、抗剪、抗弯，需将牛腿设计成三角形桁架结构。

（2）采用装配式设计，避免了牛腿高空焊接。

（3）预埋螺栓孔、预留孔平齐混凝土面，疤痕不易察觉，符合品质工程要求。

（4）牛腿挂臂预埋件受力大且集中，需对预埋件四周钢筋混凝土进行局部补强。

4.3 挂臂式牛腿结构优化

挂臂式牛腿属于超静定结构，具有以上四个技术特点，且可以进一步优化结构形式。例如依据工况改成2点受力，则变成静定结构，适用于墩梁正交桥0#块施工。由此可见，可因地制宜对预埋件及锚固连接进行优化，以满足墩顶、墩身壁上搭设支架的需求[10]。

5 结论

综上所述，该桥梁工程施工阶段，利用壁挂式牛腿支架进行了6个0#块梁体的现浇施工。在工程实践中，充分发挥了该技术方案的优越性，避免了高空焊接工作，降低了安全风险，质量可靠，单个墩支架安拆可节省工期4天，不但极大地提高了工作效率，而且混凝土外露面没有疤痕，符合内实外美的品质工程要求。该结构采用了装配式技术，安装拆卸便捷，利于材料周转，其应用前景广阔，经济效益显著。