连续刚构桥0号块托架设计与施工技术

(福建省交通建设质量安全监督局，福州 350001)

连续刚构桥0号块托架设计与施工技术

■林荣光

(福建省交通建设质量安全监督局，福州 350001)

连续刚构桥上部结构采用挂篮悬臂浇筑法施工时，0号块作为挂篮悬臂浇筑的基础节段，其托架的设计和施工是一项关键技术。本文结合工程实际，分析了0号块托架设计和施工的技术要点，主要涉及托架的设计与力学验算，以及托架加工、安装、预压、使用与拆除等施工技术，对同类桥梁的施工具有一定的参考意义。

连续刚构桥 0号块托架 设计 施工技术

1 工程概况

某高速公路特大桥上部构造跨径布置为 (77.5+145+ 77.5)m连续刚构+(6×30)m先简支后结构连续T梁，左右分幅，单幅梁宽13m(双向四车道)，为单箱单室混凝土箱梁结构。连续刚构0号块高9m，长13m，混凝土总方量393.4m3，重量约1022.8t；桥面纵坡2.0%，横坡2.0%。纵桥向单侧悬臂长3.75m，悬臂混凝土93.13m3，重量约242.2t, 0号块结构形式如图1所示。0号块采用托架现浇完成，浇筑完成后将其作为挂篮拼装平台，由于0号块具有梁高、体积大、钢筋密布和各种预埋管道多等特点，因此是连续刚构桥施工难度最大的部位之一。

2 托架设计

托架是锚固于墩柱上端用于承担0号块钢筋混凝土、模板、施工脚手架、平台及其它施工荷载的重要受力结构，托架设计关系着工程的质量和安全。

图1 0号块结构示意图(单位：cm)

2.1托架总体设计

考虑到主墩外轮廓为等截面矩形的特点，在墩柱前-后、左-右两组立面对应布置三角托架，并按照自支撑体系构件设计。三角托架根据受力大小不同分为主托架、副托架两种，主托架布置于墩柱前后面(纵桥向)，主要承受0号块两端的悬臂段(L=3.75m)重量，承载能力要求较高；副托架布置于墩柱左右面(横桥向)，主要承受墩顶翼缘板重量，承载能力要求较低。每组托架由支承钢牛腿、钢支座(用于卸荷)、三角托架、对拉系统等组成，支架下方设置施工平台。0号块托架总体设计如图2。

2.2 构件组成

(1)施工平台：墩柱内预埋钢筋+套筒，外挂三角架作为支撑，上铺10mm厚钢板。

(2)支承钢牛腿：主要承受由0号块自重、支架重量、施工荷载等产生的竖向剪力。每个主托架下方设置3块钢牛腿，每个副托架下方设置2块钢牛腿，钢牛腿由20mm钢板组焊而成，加工时注意控制外轮廓尺寸、焊缝质量。牛腿下方墩柱混凝土内布置3层φ16mm钢筋网片，网眼尺寸10cm×10cm，防止局部混凝土受力过大造成开裂，影响实体质量。

(3)钢支座：托架与支承钢牛腿之间的传力结构，由I14型钢组拼而成，支架拆除时先拆除I14分配梁进行卸荷。

(4)主托架：横桥向对应左侧腹板、底板中心、右侧腹板各布置1组，共3组。采用双拼I40c工字钢组焊而成。

(5)副托架：纵桥向间距3.5m布置2组，采用双拼I28a工字钢组焊而成。

(6)对拉系统：拉杆均采用直径32mm的PSB785精轧螺纹钢，每组托架顶部设置2根通长拉杆与墩柱进行锚固，拉杆端部与托架连接处设置型钢压梁、垫板、螺母；同样，每组对应牛腿内穿入1根通长拉杆与墩柱进行锚固，拉杆端部设置垫板、螺母。

(7)分配梁：托架上方间距60cm铺设I32a工字钢分配梁。

(8)型钢架：设置于分配梁上方，用于控制底模线形，由∠75×7mm角钢加工，立杆与下方分配梁对应设置。

3 托架验算

所有承重杆件需进行强度及刚度验算，连接部位进行强度验算，安全系数不小于1.5。荷载计算时取0号块总重量即按照一次浇筑考虑。由于该结构高度较大，为保证施工安全现场分两次浇筑，第二次混凝土浇筑时，第一次浇筑的混凝土已具有一定的承载能力，很大程度上增加了支架的安全储备。本文只对受力较大的主托架进行验算。

3.1 荷载计算

主托架采用I40c工字钢双拼制作，单侧箱梁下端设置3片托架。箱梁悬臂段根部截面面积为25.1m2，端部截面面积为24.0m2，取平均值为(25.1+24.0)/2=24.6m2。

图2 0号块施工托架总体设计图(单位：cm)

箱梁悬臂段线荷载Q=26×24.6×1.1+(2.5+2+2)×12= 781.6kN/m。

对分配梁反力进行计算可知，外侧托架所承受的反力最大，故对其进行内力验算，其所承受的荷载分配系数k=211.8/(211.8+211.8+80.0)=0.42，则外侧托架所受荷载F=k·Q=781.6×0.42=328.7kN/m，受力情况如图3。

图3 外侧托架受力示意图(单位：cm)

3.2 内力验算

根据受力图在Midas Civil软件中进行建模。根据结构形状共建立7个节点，各节点间杆件均为刚性连接，同时对三角托架上层对拉杆位置节点进行水平位移(x、y方向)约束，下层牛腿位置节点进行三向位移(x、y、z方向)约束。将线荷载施加于托架上层水平杆件上进行计算，如图4～图7。

图4 弯曲应力

图5 剪应力

图6 位移

图7 反力

3.3 验算结果

托架水平杆受弯最大，最大弯曲应力为78.5MPa＜[σ]＝215MPa

最大剪应力为69MPa＜[τ]=125MPa

最大挠度为1.8mm＜l/400=2000/400=5mm

托架最大竖向反力975.3KN，位于托架底脚部位；

精轧螺纹钢最大拉力为227.3kN；

综上，各项指标均满足要求，验算通过。

4 托架预压

托架在安装完成后进行预压，以消除托架的非弹性变形产生的影响，并测算出托架的弹性变形，便于设置预拱度。采用双拼HN700型钢主梁、锚固精轧螺纹钢、I32a压梁等组成反力结构，依靠在反力结构与托架间的液压千斤顶施加反向作用力，模拟混凝土施工工况时荷载，测定各工况下托架变形量。双拼HN700型钢长度L=12m，顶、底板每 1m拼接长度焊接 10cm长对接焊缝，主托架预压设计如图8。

图8 主托架预压设计图(单位：cm)

墩柱施工时在顶部预埋4根直径为32mm的PSB785精轧螺纹钢筋，用于锚固双拼HN700型钢主梁。精轧螺纹钢横桥向间距70cm(中心位置与托架中心线对应)，纵桥向距离墩柱外侧边缘20cm(避开墩顶主筋)。精轧螺纹钢长度3m，埋入墩柱顶部1.5m深，锚固端设置垫板及螺母。

预压前在托架指定位置放置千斤顶，放置钢支座，连接油泵。塔吊吊装双拼HN700型钢主梁，下设钢支座垫起一定高度，依次安装双拼I32a分配梁(压梁)、垫板、螺母。双拼HN700型钢主梁的锚固分配梁采用双拼I32a工字钢，L=90cm。中心间距70cm设置50mm拉杆孔，便于精轧螺纹钢穿入、锚固。

托架安装完成后，检查各部件连接牢靠，开始预压。具体为2台200t千斤顶按照等量荷载值向两侧主托架中部位置同时对称加载，单个千斤顶标准加载力值为F= 900kN，加载顺序：0→80%F→100%F→110%，每一级加载过程中，测量托架测点标，预压设置警戒值为l/400= 9mm，测点布置如图9。

图9 主托架预压监测点位布置图

为有效控制测量精度，采用水准仪进行测量。考虑立尺方便，提前在托架外缘横向加焊槽钢测量架，端部设钢筋头测点，监测结果如图10。

加载至110%时托架最大变形为4mm，小于预警值9mm，支架受力满足施工需要。由于加载作用应力相对集中，且增加10%荷载，造成局部变形大于设计计算的2mm。

图10 0号块主托架预压变形监测结果

5 施工关键技术控制

5.1 托架加工

0号块托架的牛腿和三角架严格按照设计图纸在钢构件加工厂制作,为保证0号块底模标高，各部件加工尺寸精度需严格控制，托架采用双拼工字钢组成，加工时先按照单片工字钢制，加工平台应为平面，以保证对拼质量，所有焊缝完成后拼成一体，相接位置每隔1m焊接10cm有效焊，焊缝饱满、长度及厚度符合设计要求。

5.2 托架安装

⑴依据托架图纸在墩身混凝土浇筑前做好支承牛腿、锚固拉杆的预留、预埋，并在墩身内部对各组预埋件设置刚性顶撑，确保位置准确无误，以利托架拼装；

⑵墩柱混凝土浇筑完成后，凿除预埋件，安装平台三角架，铺设作业平台；

⑶吊装钢牛腿至作业位置，将钢牛腿插入墩身预埋盒内，调整牛腿的垂直度，并将钢板与牛腿焊接；

⑷钢牛腿上放置钢支座；

⑸安装精轧螺纹钢拉杆，两端拧入螺母与墩柱混凝土面紧贴；

⑹塔吊依次吊装托架就位，吊装钢丝绳采用长-短绳，保证提起后托架立杆竖直；

⑺安装压梁、垫板，拧入精轧螺母锚固托架；

⑻托架安装完成后，在三角架上铺设分配梁、底模型钢架及操作平台。

5.3 托架拆除

预应力压浆完成后，在箱梁内的预留吊杆孔内穿入32mm的PSB785精轧螺纹钢吊杆，底部连接I32a扁担梁，提起主托架；在施工平台依次割除I14型钢，使主托架下方脱空；缓缓放松主托架拉杆、吊杆，分配梁和支撑钢架下落脱空，再利用卷扬机和塔吊拆除底模转至桥下；两侧底模拆除后，利用塔吊配合拆除主托架、副托架。施工中注意拆除一侧的托架时，先拧紧该侧拉杆上靠近墩柱表面的螺母，防止另一侧对应的托架掉落，两侧托架拆除后、取出钢筋拉杆。

6 结语

大跨径高敦连续刚构桥的生产实践证明，此0号块施工托架结构设计合理，托架、拉杆、牛腿等部件传力明确；加工作业的尺寸精度、焊缝质量得到有效保证，结构安全性提高；预留、预埋件尺寸较小，不影响墩柱实体质量；托架安装、预压、拆除施工简便，墩柱四周设置预埋螺栓用于搭设作业平台，降低高空作业安全风险。结果表明，托架结构各杆件受力均在设计允许范围内，说明该托架的设计和预压方案是成功的，可供同类型桥梁施工参考。

[1]李纲.高墩大跨径预应力混凝土连续刚构桥0号块托架法施工技术[J].北方交通，2016，(5).

[2]兰海弋.高墩宽幅连续刚构桥0号块托架设计与施工[J]．城市道桥与防洪，2015，(5).

[3]朱传娣．大跨高墩连续刚构桥0号块托架法施工技术[J]．混凝土与水泥制品，2009,(4).