湖美溪大橋0號及平衡段托架吊支架施工方案研究與設計

王偉男

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

1 工程特點

湖美溪大橋位于莆炎高速公路YA10合同段，尤溪縣坂面鄉上村南側。設計荷載為公路-I級，設計使用年限為100年。大橋分設獨立的雙幅左右兩線，左線為（40+(82+150+82)+10×40）m，右線橋為（2×30+2×40+(82+150+82)+8×40）m，其中40 m為小箱梁采用先簡支后結構連續結構，主墩最大墩高達107 m。左右兩幅橋墩采用柱式墩、空心薄壁墩，橋臺采用柱式臺，基礎均為樁基礎。主橋(82+150+82) m連續剛構采用單箱雙室變高度箱形截面，主墩墩頂梁高9.2 m，跨中梁高3.5 m，按1.8次曲線變化。單幅箱梁頂寬16.75 m，底寬10.75 m，采用縱橫豎三向預應力體系。連續剛構主橋布置如圖1所示。

圖1 連續剛構主橋布置（單位：mm）

該連續剛構有如下特點：

（1）主墩高度達107 m，0#段的現澆支架加工及質量控制難度大、安裝拆除作業困難、施工風險高；（2）邊墩高度達79 m，邊跨平衡段與合龍段的現澆支架加工及質量控制難度大、安裝拆除作業困難、施工風險高；常規的墩旁托架會對邊墩的受力和位移造成不利影響，甚至危及其安全；（3）按規范要求預壓時，上述支架加卸載困難，效率低；（4）橋址位置偏僻，地處山區峽谷，交通不便，不利于大型設備進場。

針對該橋上述環境、工程特點和資源情況，經過多視角、多套施工方案的比選研究，提出以下施工方案：高墩采用爬模施工；0#段采用墩旁三角托架法施工，外模采用整體鋼模，內模采用竹膠板模板；在0#塊上組裝掛籃，采用菱形掛籃施工1～20#懸澆節段；左線1#、4#邊墩，右線4#、7#邊墩平衡段及合龍段采用蓋梁內預埋牛腿與澆筑完成的懸臂端吊掛的精軋螺紋鋼形成簡支的吊支架進行施工；中跨合龍段采用掛籃施工；支架采用在各墩承臺預埋錨點，精軋螺紋鋼錨固，再在托架、吊支架上用千斤頂施加壓力實現預壓；合龍段合龍施工采用水箱存放水實現換重。各幅先同時合龍兩個邊跨，再合龍中跨。

2 主要施工方案研究

（1）0#段施工方案。該橋0#段長14 m，梁寬16.75 m，頂板厚度28 cm，邊腹板厚度75 cm，中腹板厚度75 cm，底板厚度102.1～105 cm變截面變化，梁中截面梁高9.20 m，端頭梁高8.977 m，兩隔板厚1.5 m，隔板孔洞1.5 ×1.8 m，位于0#段中跨段部分靠近隔板預留進入洞，孔洞邊距隔板邊80 cm，孔洞直徑1.0 m，混凝土方量563 m3，折合梁重約1 492 t。

0#段體量大，墩身高度大，采用墩旁三角托架施工，其上利用掛籃底板系統支承在托架上作為0#段底模。托架為全槽鋼桿件組成的全銷接結構，各桿件由雙拼[28b槽鋼焊接，銷軸加強板為12 mm厚鋼板，綴板為12 mm厚鋼板。結構受力明確，且加工工藝簡單，對構件精度要求較低，施工現場即可加工。三角托架銷接在預埋件上，用[25b槽鋼現場焊接斜撐。銷接連接在保證可靠性的同時，相較于焊接連接質量檢查更直觀。三角托架上置沙箱，沙箱上放置掛籃的雙拼HN500×200工字鋼底橫梁作為橫梁，底板下方放I-40b工字鋼，翼緣板下為I-36b工字鋼，結構如圖2所示。

圖2 托架結構示意（單位：mm）

（2）懸臂施工方案。連續剛構懸臂段采用菱形掛籃懸澆方式施工，在前一個節段施工完成后（張拉、注漿完成），將掛籃移至下一個節段，并調整底模標高實現節段高度變化，通過在前一個節段預留掛籃后錨孔進行掛籃的固定。掛籃結構主要由桁架、吊掛系統、走行及后錨系統、模板系統和張拉操作平臺等六部分組成。掛籃是施工梁段的承重結構，又是施工梁段的作業（懸灌，張拉等）平臺，掛籃按其懸灌所承受的最大梁段重量及施工荷載等最不利荷載設計。

（3）邊跨平衡段及合龍段施工方案。按施工圖要求，邊跨平衡段及合龍段一次整體澆筑，采用吊支架施工，吊支架一側支撐在邊墩預留牛腿上，另一側用精軋螺紋鋼吊掛在懸臂梁端上，從而形成簡支結構，改善邊墩的受力狀態。邊跨吊支架拼裝完畢，將進行預壓，檢驗其承載能力，消除支架的非彈性變形并獲得荷載-變形曲線。邊跨吊支架采用雙拼[28b槽鋼進行組裝，共設置4個支架，支架間距為2.725 m，1.75 m，2.725 m。支架上置沙箱，沙箱上置雙拼HN500×200工字鋼，其上布置I-36b工字鋼，為減少臨時結構安裝拆除及運輸的工作量，充分利用0#段托架及掛籃的構件，橫梁利用掛籃的底橫梁拼裝，布置如圖3所示。吊支架拼裝并試壓合格后，即可進行平衡段及合龍段施工。

圖3 邊跨吊支架結構（單位：mm）

采用在懸臂端水箱加放水的方法實現合龍段混凝土澆筑的換重。各幅先同時合龍兩個邊跨，再合龍中跨。

（4）托架與吊支架的預壓?？紤]到墩身很高，預壓件裝卸載困難，0#段托架和邊跨平衡段吊支架均采用精軋螺紋鋼進行預壓。在臨時支撐結構安裝完成后，箱梁施工前，對其進行相當于1.1倍最大施工荷載預壓，以檢查托架和吊支架的承載能力，減少和消除臨時結構體系的非彈性變形。預壓時，在結構頂部設置14根豎向精軋螺紋鋼，采用連接套筒接長至墩底，由承臺預埋的14根精軋螺紋鋼提供反力，采用千斤頂張拉加載。通過分配梁使千斤頂施加的荷載與截面混凝土重力分布大致相當，加載時，自中間向兩側分段、分層對稱加載，嚴防不對稱加載，預防偏載事故。預壓過程中合理設置觀測點，并做好觀測記錄，以利于計算結構的變形量。觀測點設置在梁底模板上，共設置14個觀測斷面，每個斷面3個觀測點。加載過程應注意分級加載，加載按照1.1倍重量的60%、80%、100%分3次進行，每階段加載完成后1 h開始進行觀測，間隔6 h測量一次，待連續兩次觀測沉降小于2 mm后再進行下一階段加載；待加載重量全部施加到位后，連續觀測12 h，直至沉降量穩定在2 mm之內。加載過程應均勻緩慢、有序進行，避免托架受力不均和突然受力而出現不穩定情況，當確認消除結構非彈性變形量及壓縮穩定后，測出彈性變形量，即完成壓重施工。

（5）考慮施工溫度的中跨合龍。連續剛構橋在合龍時除需注意過程中水箱配重對梁體結構和形態的影響，還需考慮溫度效應對梁體造成的影響，當實際合龍溫度與設計合龍溫度不同時，會導致后期橋墩傾斜。實際合龍溫度高于設計合龍溫度時，需對中跨進行頂推施工，達到設計合龍溫度的狀態；實際合龍溫度低于設計合龍溫度時，則需采用對拉的方法使梁體達到設計合龍溫度的狀態。

3 主要施工臨時結構檢算

鑒于菱形掛籃屬于懸臂澆筑施工常用臨時結構，不再贅述，現使用Midas Civil對施工中提出的全銷接臨時結構進行檢算。

3.1 邊跨平衡段吊支架檢算

利用橋梁工程軟件Midas Civil對平衡段支架進行有限元分析計算，支架主要受剪力，其反力如圖4所示。

圖4 吊支架反力（單位：kN）

取受力最大的支架作為研究對象，考慮腹板處20 mm厚的加強板，預埋桿件IZ=1.576×108mm4預埋桿最大支反力為856 kN，故其剪應力為：

同理，對吊支架縱梁檢算結果為，最大正應力168.4 MPa＜f=215 Mpa，最大切應力為38.2 MPa＜fv=125 Mpa，均滿足規范要求。

對吊支架橫梁檢算結果為最大正應力為193.1 MPa＜f=215 Mpa，最大切應力為55.9 MPa＜fv=125 Mpa，均滿足規范要求。

3.2 0#段托架

與吊支架的檢算類似，對0#段托架根據施工時的實際荷載工況，利用有限元軟件Midas Civil計算托架結構桿件及銷接件的應力和變形，達到對托架強度、剛度以及穩定性的檢算。

檢算結果如下，最大正應力為146.9 MPa＜f=215 Mpa，最大切應力為40.9 MPa＜fv=125 Mpa，最大變形為，均滿足規范要求。

針對0#段托架連接的檢算。

（1）斜桿。托架最大軸力為700 kN，銷軸采用Cr30材質，直徑為100 mm，銷軸雙面抗剪，抗剪面積A=15700 mm2。

經查《鋼結構設計手冊》可得：φ=0.895

斜桿最大壓桿的應力值為：

穩定性符合要求。

（2）水平桿強度水平拉桿的軸力為N=266.4kN，水平拉桿截面面積為9045 mm2；

水平拉桿截面拉應力為：

銷孔孔壁壓應力：

符合強度要求。

（3）預埋桿抗剪檢算

桿件IZ=1.567×108mm4，S＊max=7.604×105mm2預埋桿最大支反力為674.8 kN，故其剪應力為：

滿足要求。

4 結論

通過對湖美溪大橋(82+150+82) m預應力混凝土連續剛構的環境、工程特點和資源情況研究，選定了上述施工方案，并對相關臨時結構進行了設計，同時按照相關橋梁施工規范要求并結合工程實際情況，運用有限元方法進行了結構分析和檢算，該橋施工實踐表明：（1）0#段施工采用全銷接、靜定桁式托架，并利用掛籃的底模系統作為支承在托架上的0#段底模，結構合理，各構件受力明確，簡化了結構構件加工工藝和施工工藝，降低了施工風險，節約了臨時結構費用。（2）邊跨平衡段及合龍段使用簡支吊支架施工，結構合理，各構件受力明確，簡化了結構各構件加工工藝和施工工藝；更重要的是減小了邊墩豎向荷載，大大減小了其偏心矩，改善了邊墩的受力狀態。（3）0#段采用精軋螺紋鋼進行預壓，解決了裝卸載不便的問題，節約了成本提高了施工效率。