超高墩連續梁橋邊跨直線段現澆支架方案比選與優化

陳讓利

(滬昆鐵路貴州有限公司, 貴州貴陽 550003)

1 工程概況

依托工程位于廣東省深圳市珠江水系東江下游左岸支流，東莞市境東部。沿海地區的風荷載是設計工程結構的主要控制荷載。該流域屬低山丘陵地區，土壤多為壤土或沙壤土，植被良好，河床有深厚沙層基本穩定。連續梁橋全長336 m，結構采用五跨連續梁形式，跨徑布置為48 m+3×80 m+48 m。見圖1。

圖1 全橋整體布置(單位:cm)

結構的主要參數：

(1)混凝土：主梁選用C60混凝土，其余構件選用C30混凝土?；炷撩芏热?6 kN/m3；

(2)鋼絞線及鋼筋規格：鋼絞線采用1860級高強低松弛 15.24鋼絞線，普通鋼筋選取R235鋼筋(公稱直徑D<12 mm)和HRB335鋼筋(公稱直徑D>12mm)；

(3)截面形式：邊跨直線段為箱型結構，高383 cm，頂板寬1260 cm，底板寬670 cm；腹板厚48 cm，頂板厚37 cm，底板厚44 cm，上梗腋為30 cm×90 cm，下梗腋為20 cm×40 cm；

(4)其他事項：車道為雙向車道，安全等級為Ⅰ級，橋寬為13.2m。主梁用輕型掛籃分段懸臂澆筑施工方法，預應力鋼筋張拉時采用后張法。

2 方案設計及初步比選

該橋0#塊使用托架施工，邊跨連續段擬設計滿堂支架施工、鋼管支架施工、托架施工三種方案，并對比分析采用最優方案。

2.1 滿堂支架方案

在橋梁施工過程中最常使用的支架方法是滿堂支架法。滿堂支架是由立桿、橫桿、斜撐、剪刀撐等組成，按照一定的距離進行搭設，為受力均勻的腳手架施工方法，目前常見于現澆橋梁施工及現澆樓板施工。滿堂支架施工時在橋位處搭設支架，在支架上澆筑橋體混凝土，待混凝土達到強度后拆除模板及支架。

滿堂支架法優點：接頭構造合理，自鎖能力強，便于人工拆裝，不需要大型吊裝設備；結構強度高，力學性能好，立桿為軸心壓桿，承受荷載能力約為扣件支架的2.5倍；抗剪、抗彎扭強度大，對承載力要求較低；支架的整體剛度好、成本低；節點在框架平面內且軸心交于一點，結構體系穩固可靠承載力大；施工過程多點支撐，沉降容易控制，張拉時支架反彈量小，對主梁健康有利，且線形容易控制。其缺點是：施工用的支架模板消耗量大，施工工期長；支架支點多，對施工環境有較高要求，對山區橋梁及高墩施工有很大的局限性。

根據《鐵路混凝土梁支架法現澆施工技術規程》，滿堂支架法適用于支架高度不宜大于20 m；梁體高度不宜大于7 m；需在地勢平坦，地基條件較好的地區施工，地基不需特殊處理即可滿足承載力和沉降變形要求。本工程墩高為60 m，不符合滿堂式支架的施工技術規范。

2.2 鋼管支架方案

當支架高度超過15 m時，采用碗扣式滿堂支架將很不經濟，且支架穩定性難以保證，這時較優的方案是選用鋼管支架。根據本單位現有材料，本橋邊跨直線段現澆支架擬采用Φ720鋼管墩+2×I40a下橫梁+縱向I40a+I20a工字鋼橫向分配梁結構形式。其中縱向I40a的跨徑為260 cm，I20a工字鋼橫向分配梁以60 cm間距縱向布置，支墩采用Φ720，壁厚8 mm的鋼管。為增強支架的整體穩定性，在支架中間位置增加四條預應力鋼絲繩與地面呈45°連接，每根鋼絲繩施加20 kN的預拉力。建立相應的MADIS模型如圖2。

圖2 MADIS模型

在橋梁施工過程中，風荷載是無處不在的，當風以一定的速度向前運動遇到結構物阻礙時，結構就會承受風壓。對于大跨徑橋梁，特別是特大連續梁橋，風荷載是極為重要的設計荷載，有時甚至起著決定性的作用，即對結構的強度、剛度和穩定性起著控制作用。

根據JTG D60-2004《公路橋涵設計通用規范》，考慮風荷載作用下，作用在橋梁支架上的風荷載標準計算公式：

Fwh=k0k1k3WdAwh

式中：Fwh—橫橋向風荷載標準值；k0—設計風速重現期換算系數，k0=1；k1—風荷載體型系數，k1=1.2；k3—風壓高度變化系數，k3=1.4；Wd—設計基準風壓；Awh—橫向迎風面積；

鋼管穩定性驗算：風載隨高度變化，取鋼管為60 m，故Awh=0.72×60=43.2m2。風荷載取100年一遇，V10=38.4m/s。取30 m處的風壓值，等效為均布荷載施加在每根鋼管上。

V30=k2k5V10=1.19×1.38×38.4=63.06m/s；

F30=1×1.2×1.4×2.42×60×0.72=175.63kN；

均布荷載q=F30/60=175.63/60=2.93kN/m。

因為順橋向鋼管有連墻件與橋墩連接，所以計算風荷載方向僅取橫橋向作用，計算結果如圖3、圖4所示。

圖3 鋼管支反力

圖4 橫橋向支架位移等值線

由圖3知，鋼管支點處所受最大拉力為838 kN，需要做抗拔樁處理；最大壓力為1 098.4 kN，單根鋼管的允許壓力值為3 848.5 kN，滿足承載力要求。由圖4橫橋向支架位移等值線圖可知，支架橫橋向的最大位移值為9.74 cm。當考慮橫向風荷載條件作用下，鋼管支墩施工方案，橫向位移過大，不滿足相應規范要求。

2.3 托架方案

對施工現場各類情況及橋梁結構承載力進行全面系統的考慮后，設計邊跨直線段的托架方案。

將托架上平桿長度確定為5.6 m，托架斜桿長度確定為5.72 m。托架梁結構形式使用5榀三角形結構，托架由上平桿、斜桿、連接件、上錨座、下錨座組成，橫向分配梁采用I32a，上平桿則采用2[40b外扣，斜桿采用2[40b內扣，下錨座采用2[40b外扣，托架聯系桿采用[40b。托架示意見圖5。

托架上平桿采用[40b槽鋼加工，銷孔處采用δ20的鋼板加強，兩根[40b槽鋼采用綴板連接，綴板為δ10的鋼板；加強板和綴板均采用滿焊方式與[40b槽鋼焊接。托架斜桿采用[40b槽鋼加工，槽鋼對口接縫處采用滿焊連接，銷釘處采用δ20的鋼板加強，加強板采用滿焊方式與[40b槽鋼焊接。斜桿截面和連接措施均在斜桿上施工，斜向聯系桿采用[40b鋼加工而成，銷釘處采用Φ80的螺栓連接。綴板采用δ10的鋼板，焊接時要嚴格按照設計的位置及尺寸；托架錨座采用[40b槽鋼加工，銷釘處采用δ20的鋼板加強，兩根[40b槽鋼采用綴板連接，綴板為δ10的鋼板；錨座可采用通長的[40b加工，也可分2段加工，在中間用[10工字鋼連接；加強板、綴板和加長連接[10槽鋼均采用滿焊方式與[40b槽鋼焊接。

圖5 托架示意

外側兩榀托架的上錨座如位于橋墩圓端區，施工時要按照軸線定位；錨座銷孔中心與墩身橫截面的縱對稱軸距離相等且在同一條直線上；同一榀托架上下兩個銷結點位于同一條鉛垂線上。根據工程實踐經驗，混凝土箱梁以及托架頂面處應該保持與地面線上吻合。為了有效的避免托架在施工的過程中出現變形的情況，應該使用托架預壓處理。

3 托架方案優化分析

3.1 橫向分配梁I32a驗算

經計算得橫向分配梁的受力如圖6所示：

(b)橫梁剪力圖6 橫向分配梁內力

(a)橫梁彎矩

由圖知，Mmax=62.15kN·m，Qmax=64.53kN。

由此可見托架上的橫向分配梁能夠滿足承載力需求，強度驗算和撓度驗算通過。

3.2 托架[40b槽鋼驗算

經計算得托架主桁的受力如圖7所示：

(a) 托架彎矩

(b) 托架剪力

(c) 托架軸力

由力學求解器可知，Mmax=326.05kN·m，Qmax=634.44kN，Nmax=897.24kN。

驗算托架的壓(拉)構件:

由此可見設2根[40b槽鋼+綴板組成構件，在邊跨直線段中橋墩每側設置5道三角托架能夠滿足承載力需求，強度驗算和撓度驗算通過。

3.3 托架穩定性驗算

斜桿的鋼材為Q235鋼，fv=235N/mm2。型號為[40b，抗壓強度設計值f=215N/mm2。

由于桿件截面為型鋼，局部穩定性自然滿足要求，不必驗算。只需驗算整體穩定性即可。

托架中斜桿為主要受壓桿件，其兩端鉸接，計算長度系數為1.0，整體穩定性計算參數見表1，其中x表示強軸方向，y表示弱軸方向。

桿件受到的最大軸壓力為N=897.24kN。

驗算如下：

表1 整體穩定計算參數

3.4 配重驗算

本橋配重塊采用1.2 m×1.2 m×1.2 m混凝土塊，邊跨直線段重心距墩中心l直=3.93m，配重塊重心距墩中心l配=6.77m。

邊跨直線段懸臂端對墩的彎矩：M直=W0·L·l直=8737.03kN·m

所需混凝土配重塊重量：w配=M直/l配=1290.6kN

所需混凝土配重塊體積：V=w配ρ混=49.6m3

4 結束語

(1)通過對該連續梁橋現澆邊跨直線段進行荷載組合下的內力和承載力分析，可以看出，邊墩較高的連續梁橋一定要考慮風荷載作用影響。

(2)通過對該橋施工方案比選分析可知，邊跨直線段應采用托架施工方案，使得在強度、變形和穩定方面均滿足相應的規范要求?？蔀橥惞こ烫峁﹨⒖?。

(3)在按設計圖紙進行施工時，一定要嚴格按照相應規范進行施工，控制好施工質量，特別應注意鋼管墩的順直和錨座位置安裝準確，避免失穩。