悬臂施工0#块临时支撑设计探析

夏荣泉 （合肥信睦工程建设有限公司，安徽 合肥 230011）

0 引言

悬臂浇筑法是连续梁施工中最为常，也是最为重要的一种方法，该方法以浇筑好的0#块为依托，利用挂篮沿墩身的两边分节段的浇筑箱梁混凝土。0#块作为整个悬浇梁施工的基础部分，具有梁高体大的特点，是施工的重难点，0#块的临时支撑体系是保证施工的关键结构，因此，对做好0#块临时支撑体系的设计进行研究是十分有必要的。本文以温岭跨甬台温铁路特大桥36m+56m+36m（24#～27#墩）连续梁为研究对象，设计了0#块托架结构，并通过有限元软件对0#块托架进行受力分析，结合施工的实际情况优化设计，针对施工过程中的要点进行探究，供类似的临时支撑结构设计参考。

1 工程概况

悬臂浇筑法施工，起止里程为DK234+165.38～DK234+295.08，上跨国道G104复线。

24#墩～27#墩主桥平面位于缓和曲线上，纵断面为20‰下坡，桥面横坡为双向2%。梁体为单箱单室、变高度、变截面结构。箱梁顶宽12.6m，箱梁底宽7.6m。顶板厚度38.5cm；底板厚度40 cm～80cm，底板下缘按抛物线变化至中支点梁根部，中支点处加厚到110cm；腹板厚48 cm～90cm,按折线变化。

梁全长为129.5m，中支点处梁高4.335m，边支点梁高3.035m，边支座中心线至梁端0.75m。梁底下缘按抛物线变化，抛物线方程为y=0.0027481x2。

全联共分31个梁段，A0号梁段长度9m，一般梁段分成3.5m、4m，合龙段长2m，边跨直线段长7.75m，最大悬臂浇筑梁段重1318.2kN。

2 方案设计

2.1 方案比选

悬浇梁常用的0#块施工方法有落地支架法和预埋悬臂式托架法，考虑到25#、26#墩墩柱较高，且跨G104复线，落地支架法施工难度较大且阻碍交通，不适宜在此项目应用，因而0#块采用墩身预埋牛腿托架法施工。通过在墩身预埋辍板，安装牛腿托架托盘，支撑起0#块。施工托架采用φ325×10无缝钢管牛腿斜撑，结构简便、受力清晰，每个梁每侧设置4组牛腿。各杆件与预埋钢板之间采用节点板连接，牛腿托架各个杆件之间采用栓接。墩身预埋Q345B钢板，每个钢板上预留4个孔，墩身内部预留φ4.8cm钢管，前后通过φ32精轧螺纹钢对拉住钢板。横向分配梁采用40b双背槽钢，上设I25b工字钢纵向分配梁，横向分配梁与牛腿纵梁间采用沙箱，方便脱模。

2.2 托架设计

托架结构由横向分配梁、纵向分配梁、牛腿斜撑、牛腿纵梁、调坡支架、Φ 32mm精轧螺纹钢、钢箱支座及插销组成；钢箱支座安装与墩身预埋板通过贯穿墩身两侧的Φ=32mm的精轧螺纹钢对拉固定，牛腿纵梁与斜撑之间以及纵梁与钢箱支座、斜撑与钢箱支座均采用Φ48.5mm插销连接；牛腿纵梁采用2[18b槽钢，斜撑采用Φ325×10mm无缝钢管；牛腿上调坡支架选用Φ45×3.5mm钢管支架，建立在工字钢纵向分配梁上；横向分配梁与牛腿间采用沙箱，方便脱模，沙箱底座与牛腿顶支点焊接连接；牛腿及预埋支座在加工厂内定制焊接，如图1、图2所示。

图1 托架结构纵向布置图

图2 托架结构横向布置图

2.3 临时支座和临时锚固

临时支座采用C50的混凝土浇注，临时支座与永久支座同高。每个主墩设置4个临时支墩，支墩尺寸为2×0.45m。每个支墩采用φ32螺纹钢筋，在箱梁和0#块施工时，进行钢筋绑扎和预埋，预埋钢筋56根（15组3根，11组1根），每根预埋钢筋长3.14m，Φ32mm螺纹钢筋，沿支座外侧布置，锚入梁内1.0m，锚入墩内1.2m。两端设置15cm直角弯钩，沿支座外侧布置，3根一组的螺纹钢筋沿支墩长边方向布置间距为13cm，一个支墩15组，1根一组的螺纹钢筋沿支墩长边方向布置间距为18cm，一个支墩11组。

图3 临时固结布置图

3 计算分析

3.1 计算荷载

计算荷载包括永久荷载（新浇混凝土荷载、模板支架自重荷载、新浇混凝土对侧模荷载、钢管支架和三角牛腿自重）和可变荷载（施工人员及设备自重荷载2.5kPa、倾倒混凝土产生的冲击荷载2.0kPa和振捣产生的冲击荷载2.0kPa、混凝土超灌系数1.05）。

各计算位置的恒载及活载之和，其中恒载分项系数取1.2，活载分项系数取1.4。

根据纵梁分布间距，对底纵梁承受的梁体截面进行了划分，共划分为5个区域。对底纵梁上分布的荷载面积通过CAD量取，并根据荷载取值及荷载组合要求，以最高截面计算出混凝土浇筑荷载，如下表所示。

底纵梁上的荷载

3.2 模型建立

由于结构均为梁单元，故使用Midas/civil建立模型进行有限元分析。

①截面：牛腿纵梁使用[18槽钢、斜撑使用Φ350×10mm无缝钢管，横向分配梁使用[40b，纵向分配梁使用[25b，上部调坡支架使用Φ48×3.5mm钢管，模板厚度取1cm。为便于建模计算，忽略对计算结果影响不大的精轧螺纹钢和插销等细部结构，以边界条件的形式体现。

②材料：托架材料全部选用Q235钢材。

③边界条件：不建立桥墩，所用的插销均简化为铰接约束。

④荷载施加：根据表中分析的荷载，对模型施加自重、施工人员及机具设备和混凝土振捣荷载。

根据0#块结构形式，将翼板荷载以集中荷载的形式加载到两边纵梁的支架顶端，根据钢管支架竖杆数量计算，每根竖杆受到集中力为1.5kN；腹板和顶底板荷载以均布荷载形式加载在相应区域，根据以混凝土容重26kN/m2计算分别为 112.7kN/m2和 33.2kN/m2；人员及设备荷载和混凝土倾倒及振捣荷载分别以 2.5kN/m2和 4kN/m2均布置在模板平面上。

由于结构顺桥向桥墩中心线完全对称，故只需建立一半模型。

图4 计算模型（半跨）

3.3 受力计算分析

3.3.1 托架验算

①托架整体强度验算

根据图5、图6可知，托架整体最大组合应力为 76.9MPa＜215 MPa，出现在底部纵梁上，托架整体最大剪力为22.8MPa＜125 MPa，出现在横向分配梁上，均满足强度要求。

图5 托架整体最大组合应力图

图6 托架整体最大剪力图

②托架结构刚度验算

由图7可知，托架整体最大变形为5mm，出现在顶部纵向分配梁端部，满足要求。

图7 托架整体最大变形图

③托架稳定性计算

由结构形式可知，托架斜撑受力最大，且长细比最大，因此对斜撑进行稳定性验算。由图得，斜撑最大轴力Fmax=412.7kN,计算长度为 3.2m。斜撑采用直径325mm，壁厚10mm无缝钢管。

长细比 λ=3200/111.4=29，a 类截面，查表得Φ=0.964

斜撑轴压稳定性满足要求。

3.3.2 销轴及连接部位验算

销轴主要传递牛腿斜撑及纵梁轴力，销轴采用45#钢，直径Φ89mm，销轴面积A=πd2/4=6221mm2，惯性矩I=3.08×106mm4,截面系数W=69.21×103mm3。

①托架牛腿斜撑销轴弯应力

②托架牛腿斜撑销轴剪应力

③托架牛腿纵梁销轴弯应力

④托架牛腿纵梁销轴剪应力

⑤托架牛腿纵梁销轴孔部位应力

托架纵梁为][18槽钢，中间夹焊30mm厚钢板，共同轴向受拉，最不利部位为销轴孔部位。

⑥钢箱支座耳板焊缝应力

经分析，墩柱上部钢支座耳板焊缝主要承受销轴施加的拉应力及上部支点的竖向反力。墩柱下部钢支座主要承受销轴施加的压应力，下部钢支座压应力竖向分力对耳板焊缝产生剪切作用。上部钢箱支座耳板焊缝承受拉应力及支点竖向反力、下部钢支座耳板焊缝承受的剪切力为钢箱支座耳板最不利焊缝。

托架牛腿上部钢箱支座耳板焊缝计算：

托架牛腿下部钢箱支座耳板焊缝计算：

⑦对拉精轧螺纹钢强度

3.3.3 结果分析

经过分析可得，该结构能够满足强度、刚度和稳定性要求，本设计可以满足工程要求。

4 托架预压

现浇连续梁托架承受的荷载不是均匀分布的，腹板处荷载较大，底板处荷载相对较小，故托架预压荷载也应重点沿箱梁底板的两端及腹板位置布置，以检验托架的稳定性并消除托架的非弹性变形。预压重量为最大施工荷载的110%，分三级加载，测量各阶段变形，腹板、顶底板区域预压堆载采用混凝土预制块进行预压，翼缘板区域采用钢筋进行堆载预压。

4.1 预压注意事项

加载前，按加载的重量，根据预压材料算好堆载高度，由于重量基本集中在腹板上，堆载时，尽量以底板中心线向两侧进行堆载重量的分布。

由于堆载时底模标高无法进行实时测量，只能在堆载前和卸载完毕进行对比测量，其余阶段的沉降测量点分布在底模下两侧，对应螺旋焊管的位置，上下各布置一个点，在堆载前，用记号笔作好标识，并编好号，确保测量准确。

4.2 预压步骤

先进行初始观测，然后预压同步分阶段进行，为确保预压安全，加载分三级，一级为60%荷载，第二次观测，测沉降量；二级为100%荷载，第三次观测，测沉降量；三级为110%荷载，第四次观测，测沉降量。托架加载前，应监测记录各监测点初始值。每级加载完成1h后，进行托架的变形观测，以后每隔6h监测记录各点的位移量，当相邻两次监测位移平均值之差不大于2mm时，方可进行后续加载。全部预压荷载施加完成后，应间隔6h监测点的位移量；当连续12h监测位移平均之差不大于2mm时，方可卸除预压荷载。托架卸载6h后，应监测记录各监测点位移量。根据加载前、满载后及卸载后的对应各点的现场标高值分析托架弹性和非弹性变形量，确定现浇箱梁的总预留拱度，进行箱梁的施工。

图8 托架预压平面图

图9 托架预压立面图

4.3 预压线形控制

0#块托架及边跨托架线性控制应根据设计要求的预拱度、预压数据确定预拱度的设置。在确定预拱度时要综合考虑下列因素：

①设计要求的预拱度δ1；

②托架在荷载作用下的弹性压缩δ 2；

③托架在荷载作用下的非弹性压缩δ3；

④托架基底在荷载作用下的非弹性沉陷δ4。

预拱度的设置是通过钢管斜支撑、沙箱顶托调整来实现。当侧模及底模安装就位后，调整各支点模板纵向标高，使模板处于浇筑混凝土时的正确位置，同时设置好预留拱度。通过计算确定跨中的拱度值，其余各点标高按二次抛物线设置。

5 结构优化

经过有限元软件对结构进行分析计算，得到本设计满足受力要求，但为了工程的经济性、适用性及其施工方面的考虑，仍可以将结构进行优化。托架上钢管支架更换为贝雷片，重新对模型进行计算，由于贝雷片较钢管支架刚度更大，预计可以减小结构变形。将钢管支架换为贝雷片后，计算最大变形为5mm小于钢管支架，位于顶部纵向横梁端部，刚度满足要求；托架最大组合应力为77.5 MPa，出现在底部纵梁上略大于钢管；最大剪力为24.1 MPa，出现在横向分配梁上略大于钢管支架；牛腿最大剪力为4.9MPa，最大组合应力为 77.9MPa，略大于钢管支架。综上，将托架上支架由钢管更换为贝雷片后确实可减小变形，但最大应力及剪力会有些许增大。钢管支架具有便于调节、拆卸和重复利用的优点；此处贝雷片可能需要定制，但具有安装简便、抵抗变形能力较强、线形较为顺直的优点。在实际应用过程中，可以综合考虑造价、现场工人工种、工期等因素，合理选用方案，减小造价，提高施工效率，保证施工质量。

6 结语

托架结构形式的确定需要综合考虑合理、经济、安全等各方面的因素，本设计采用悬臂托架代替落地支架作为0#块施工的临时支撑，该方法具有不受墩高、洪水、交通等因素的制约，不仅经济实用而且能有效保证安全。同时，通过对托架上的模板支架进行更换，调整结构受力情况，为现场施工提供了可适应现场实际的选择方案，对其他高墩连续梁施工具有较好的借鉴意义。