悬浇梁边跨现浇段与合龙段同时施工支架设计与验算

悬浇梁边跨现浇段与合龙段同时施工支架设计与验算

方建创

广东骏熙建设有限公司    广东  佛山  528000

摘要： 大跨径预应力连续箱梁桥采用悬臂施工法，合龙施工是该施工技术的重要组成部分，合龙方案的选取在大跨径桥梁的施工中已成为关键环节。由于大跨径连续箱梁采用悬臂法施工，且跨径大、连续孔数多，有效地实施施工控制对桥梁施工过程中的结构安全、确保最终大桥的顺利合龙，以及成桥状态的线形和受力情况符合设计要求，是必不可少的。随着施工阶段的推进，桥梁的结构形式和荷载作用方式等都在不断发生变化。结构中最终恒载内力与施工合龙的程序有关，不同的施工程序，由于它们的初始恒载内力不同，在体系转换的过程中，由徐变引起的内力重分布的数值也不同。采用不同的合龙顺序对整个桥梁建设的工期和成本的影响也不同，因此，选择连续梁边跨现浇段与合龙段同时施工的合龙方式至关重要。

关键词：边跨现浇段  合龙段    同时施工  设计  验算

一、工程概况

佛山市季华北路北延线工程（王借岗大桥）为左右两幅桥断面布置，主桥采用预应力混凝土连续箱梁，引桥采用预制简支小箱梁，跨径组合：（3×25m）简支小箱梁+（4×25m）简支小箱梁+（3×25m+32.7m）简支小箱梁+（70m+110m+70m）预应力混凝土连续箱梁桥+（22.7m+3×25m）简支小箱梁+（4×25m）简支小箱梁+（4×25m）简支小箱梁+（4×25m）简支小箱梁。主桥单幅桥采用大挑臂单箱双室直腹板断面，箱梁结构全宽19.2米，支点梁高6.5米，高跨比为1/16.9，跨中梁高2.5米，高跨比为1/44，梁高按1.8次抛物线变化。箱梁节段顺桥向对称布置，顺桥向分段布置为14m（边跨现浇段）+2.0m（边跨合龙段）+（4×4m+4×3.5m+6×3.0m）共14个悬浇段+12,m（0号块）+（6×3.0m+4×3.5m+4×4m）共14个悬浇段+2.0m跨中合龙段，悬臂浇筑最大节段重230吨。边跨、中跨合龙段长度均为2m，其箱梁中心高度为2.5米，顶板厚28cm，腹板为渐变段厚50～60cm，底板为渐变段厚30～60cm。

根据以往施工经验和桥梁工程经典著作上的案例，王借岗大桥计划采用边跨现浇段与边跨合龙段同时施工，施工支架全部采用满堂支架施工。

二、计算说明

2.1、边跨现浇段与合龙段同时施工总体思路分析

王借岗大桥为70+110+70cm预应力混凝土连续箱梁，施工图设计边跨悬浇节段施工至14#块与现浇混凝土箱梁段长14m之间预留有2米长的合龙段，设计采用8条[36a槽钢固定在箱梁底板和顶板的两端，传递合龙段内力。混凝土浇注应选在一天中最低温度下开始浇筑，使连续浇筑处于升温状态。

（1）、边跨A端是活动支座，B端在临时固结解除前是刚构状态。连续预应力筋分批张拉完成后，边跨为超静定结构，B端临时固结解除后转化为静定结构，两个B端的悬臂梁端合龙后，从静定梁转换为超静定梁。各项次内力叠加，边跨近A端的现浇段+合龙段的次内力相对两B之间中跨段的次内力小很多，且边跨设合龙口与不设合龙口次内力形态是相同的。边跨不设合龙口不仅可以节省合龙口劲性骨架之类的材料，而且可加快施工进度，这就是边跨不设合龙口的因由。

（2）、魁奇路西延线上跨佛山高速公路的预应力混凝土连续箱梁主桥的边跨就是取消合龙口支架上现浇箱梁与悬浇段连接的。现已通车两年多，边跨梁体在日常桥梁健康监测过程中没有发现裂缝。同时也参考其他桥梁工程的施工方法。

（3）、边跨现浇段与边跨合龙段同时施工，使合龙段的荷载同时作用在最终的结构上，可使内力的变化更趋均匀，比先边跨现浇段再边跨合龙段的施工顺序相继产生的结构形式不断改变所带来的复杂内力计算要简单得多。可以达到线性正确、受力合理、成桥快的目的。

2.2、工程地质情况

本桥位地处珠江三角洲冲积平原地带，地面标高在2.0～4.8m之间。主要有人工填筑土、亚粘土、淤泥质土、粉细砂等。根据《岩土工程勘察报告》（上海市市政工程设计研究总院集团有限公司，2014年12月）对场地内勘察所获得的原位测试数据进行分析，各主要岩土层力学指标如表《各岩土层的力学性质指标一览表》。

各岩土层的力学性质指标一览表

2.3、地基处理

本标段现浇箱梁所处的环境较为复杂，为保证箱梁的施工质量，针对不同的地基情况，制定不同地基的施工处理措施，在满足施工要求的前提下做到经济合理。基础处理工程从每联箱梁墩柱施工完成后进行，处理工作连续、一次性完成。根据满堂式钢管碗扣支架地基承载力要求，拟将桥址范围内的表土，用挖掘机清理干净，处理宽度为桥梁实际投影面宽度加上两侧向外各扩大1.0米的宽度。采用18t振动压路机分层碾压密实，碾压过程不得少于6～8遍，然后顶层采用10cm厚C15混凝土地基硬化处理的措施，在支架地基硬化层完成后，需对地基进行验收。

2.4、地基承载力试验

在各地基处理完成后选取具有代表性的地段（承台基坑回填处）进行局部承载力检验，支架预压方式参照《钢管满堂支架预压技术规程》（JTJ/T194）第4.2条：“支架基础预压荷载不应小于支架基础承受的混凝土结构恒载与钢管支架、模板重量之和的1.2倍”。本项目拟采用的方式为：依据正常的施工工艺搭设间距为90cm×90cm或60cm×60cm的碗扣支架，支架上、下均布置方木，以砂袋做为加重荷载。加载采用一次性加载。对支架基础的预压监测过程中，当满足下列条件之一时，应判定支架基础预压 ：各监测点连续24h的沉降量平均值小于1mm；各监测点连续72h的沉降量平均值小于5mm；

如果各监测点连续72h的沉降量平均值大于5mm时，同类支架基础应全部进行处理，处理后的支架基础应重新选择代表性区域进行预压，并应满足第4.1.5条的规定：“对支架基础代表性区域的预压监测过程中，当最初72h各监测点的沉降量平均值小于5mm时，应判定同类支架基础的其余部分预压合格”。

三、支架方案设计及计算过程

3.1、支架方案

现浇箱梁施工均采用满堂式碗扣支架，支架纵、横向设置水平拉杆和剪刀撑，纵横向水平拉杆间距为420cm。扫地杆间距：横向每420cm一道；纵向每420cm一道。剪刀撑与水平方向角度为45º～60º，同时满足间距不大于4.5m。

考虑到支架最高仅6.2m，当模板支撑架高度大于4.8m时，顶端和底部必须设置水平剪刀撑，设置间距应小于或等于4.8m。

支架立杆间距在横梁及横隔梁中心线两侧各3.0m的范围内设计均为60（横向）×60（纵向）cm；箱室底板、腹板下设计均为60（横向）×90（纵向）cm；翼板处支架步距设计均为90（横向）×90（纵向）cm，最大立杆步距为1.2m。

横梁支架顶至梁底范围内依下至上采用：横向间距为60cm的纵向Ø4.8cm（δ=3.5mm）钢管2根；纵向间距为30cm的横向10×10cm木枋。调节木楔及1.8cm厚酚醛板（箱梁底模）。

箱室底板、腹板支架顶至梁底范围内依下至上采用：横向间距为60cm的纵向Ø4.8cm（δ=3.5mm）钢管2根；纵向间距为30cm的横向10×10cm木枋。调节木楔及1.8cm厚酚醛板（箱梁底模）。

翼板下支架顶至梁底范围内依下至上采用：横向间距为90cm的纵向Ø4.8cm（δ=3.5mm）钢管2根；纵向间距为30cm的横向10×10cm木枋。调节木楔及1.8cm厚酚醛板（箱梁底模）。

3.2、荷载参数取值

考虑箱梁腹板部位的重量较集中，而为了方便计算，箱梁自重是按整体均布考虑，计算时是以最不利荷载组合验算，导致箱梁计算荷载比实际荷载偏大，保证有足够的安全储备，同时在支架施工时应确保腹板、横梁等不利部位有足够支架立柱的布置。

钢筋混凝土容重：按含筋量＞2%，取：26KN/m3；施工人员、施工材料、机具行走运输或堆放荷载标准值：支撑模板的横向方木：均布荷载3KN/m2+集中荷载3KN；横向方木下纵向支撑（方木）：均布荷载3KN/m2；满堂支架均布荷载1.0 KN/m2；振捣砼时产生荷载：均布荷载3.0KN/m2；风雨载：均布荷载1.0KN/m2；其他木材、钢材、碗扣支架重量取值：方木容重：r=8KN/m3；

碗扣支架：扣件式钢管支架自重，包括立柱、纵向水平杆、横向水平杆、支承杆件、扣件等构件组成，其主要构件及物理力学性能指标值（如下表所示）：

扣件式钢管截面特性

3.3、支架受力计算：

横向布置（钢管走向平行于桥中线）钢管受力检算

箱梁横梁处支架搭设按步距为60×90cm验算，则横向钢管计算宽度取支架布置步距为，施工时选用2根Ø4.8cm（δ=3.5mm）钢管，选取最不利荷载布置下的C-C截面进行验算，则：

①、荷载计算

扣件式钢管截面特性

钢材的强度设计值和弹性模量（）

则有：

混凝土：

模板自重：

由于一个顶托螺栓支撑2根钢管（如下图所示），则有：

钢管布置大样图

施工操作人员及机械均布：

混凝土施工时振动棒振捣：

风雨载：

施工人员及机械集中荷载：

横向布置（钢管走向平行于桥中线）钢管受力计算简图

根据根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2001荷载分项系数关系，确定荷载相关系数，荷载分项系数为：静载，动载。

静荷载的计算值：

活荷载的计算值：

均布总荷载：

②、受力验算：

弯矩：

由于纵向钢管的布置具有一定的随机性，因此检算应力时应按产生最大应力布载模式进行计算，最大弯矩考虑为四跨等跨连续梁均布荷载加每跨2个集中荷载作用下的弯矩，查《路桥施工计算手册》（人民交通出版社，周永兴主编）第765页附表2-10《四跨等跨连续梁的内力和挠度系数》，则有：

在考虑均布荷载作用下的弯矩为：

在考虑每跨2个集中荷载作用下的弯矩为：

四跨等跨连续梁在考虑均布荷载加每跨2个集中荷载叠加作用下的弯矩为：

查JGJ 166-2008规范第5.1.6《钢材的强度设计值和弹性模量》表可得Q235A级钢材抗拉、抗压和抗弯强度设计值。结合《钢管满堂支架预压技术规程（条文说明）》（JTJ/T194-2009）第3节的相关规定：立杆钢管钢材抗压强度设计值，对于新管取，对于旧管（重复使用）乘以0.85的折减系数。本项目支架材料拟采用旧管（重复使用），为确保钢管有足够的支撑面，施工过程中将2根钢管采用编织拉带十字交叉绑扎为一个整体，则由2根Ø4.8cm（δ=3.5mm）钢管的截面抵抗矩为：

则有：

满足要求

剪力：

在考虑均布荷载作用下的剪力为：

在考虑每跨2个集中荷载作用下的剪力为：

四跨等跨连续梁在考虑均布荷载加每跨2个集中荷载叠加作用下的剪力为：

钢管在采用四跨等跨连续梁为计算模型，并考虑均布荷载加每跨2个集中荷载叠加作用下的抗剪能力：

满足要求

挠度：

则在考虑均布荷载作用下的挠度为：

在考虑每跨2个集中荷载作用下的挠度，即：

钢管在采用四跨等跨连续梁为计算模型，并考虑均布荷载加每跨2个集中荷载叠加作用下的最大挠度为：

       满足要求

横梁、腹板处WDJ碗扣支架立杆受力检算

WDJ碗扣支架立杆为主受力杆件，立杆采用尺寸为Φ48×3.5mm钢管，箱梁腹板、底板支架立杆纵、横向间距选用90×60cm进行验算。其中横梁支架立杆纵、横向间距设计采用60×60cm，但在验算时采用90×60cm进行验算，从而保证了横梁支架的安全富余系数；层间最大距离为120cm，按支架步距为120cm的最不利荷载检算立杆的稳定性。

箱梁翼板支架立杆纵、横向步距为90×90cm，层间最大距离为120cm，计算步距为120cm，计算时按翼板根部最大部位40cm取值，按最不利荷载检算支架立杆的稳定性。

竖向荷载组成

箱梁腹板、底板竖向荷载组成

①、混凝土：

②、模板自重：

方木及纵向钢管自重：

③、施工人员及机械均布：

④、混凝土施工时振动棒振捣：

⑤、支架自重：

每根碗扣支架立柱所承受的竖向力按其所支撑面积内的荷载计算，按支架搭设间距60×90cm，求算支架的投影面积，得：

根据《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ166-2008）第5.6《模板支撑架设计计算》5.6.2单肢立杆轴力和承载力按式5.6.2-1，不组合风荷载时单肢立杆轴向力为：

式中：

——模板及支撑架自重标准值，按4.3.4.1《竖向荷载组成》②+⑤取值：

；

——新浇混凝土及钢筋自重标准值，按4.3.4.1《竖向荷载组成》①取值：

；

——施工人员及设备荷载标准值，按4.3.4.1《竖向荷载组成》③取值，；

——浇筑和振捣混凝土时产生的荷载标准值，按4.3.4.1《竖向荷载组成》④取值，；

——单肢立杆纵向间距（m），；

——单肢立杆横向间距（m），；

可得：

翼板竖向荷载组成

①、混凝土（按照翼板根部最大部位40cm）：

②、模板自重：

方木自重：

③、施工人员及机械均布：

④、混凝土施工时振动棒振捣：

⑤、支架自重：

每根碗扣支架立柱所承受的竖向力按其所支撑面积内的荷载计算，按翼板支架搭设间距90×90cm，求算支架的投影面积，得：

根据《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ166-2008）第5.6《模板支撑架设计计算》5.6.2单肢立杆轴力和承载力按式5.6.2-1，不组合风荷载时单肢立杆轴向力为：

式中：

——模板及支撑架自重标准值，按4.3.5.1《竖向荷载组成》②+⑤取值：

；

——新浇混凝土及钢筋自重标准值，按4.3.5.1《竖向荷载组成》①取值：

；

——施工人员及设备荷载标准值，按4.3.5.1《竖向荷载组成》③取值，；

——浇筑和振捣混凝土时产生的荷载标准值，按4.3.5.1《竖向荷载组成》④取值，；

——单肢立杆纵向间距（m），；

——单肢立杆横向间距（m），；

可得：

单根立杆稳定性检算

根据箱梁横梁、腹板单肢立杆轴向力与翼板单肢立杆轴向力的数据比较结果，采用横梁、腹板单肢立杆轴向力作为支架立杆稳定性检算荷载。按《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ166-2008）第5.6《模板支撑架设计计算》，立杆承载力计算不组合风荷载时，按5.6.2单肢立杆轴力和承载力式5.3.3-2计算，立杆的单肢轴向承载力计算公式为：

式中：

——轴心受压杆件稳定系数，按长细比查本规范附录E采用，根据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ 130-2011），第5.2.6节，式5.2.6-2相关说明计算：

长细比，

——计算长度（mm），应按JGJ 166-2008规范第5.6.3条规定计算：，a为立杆伸出顶层水平杆长度。

——截面回转半径（mm），计算立杆的截面回转半径：

支架搭设尺寸为60×90cm，搭设步距为120cm，计算时取横杆最大步距为120cm，故立杆计算长度为，长细比：

    查JGJ 166-2008规范附录E《Q235A级钢管轴心受压构件的稳定系数》可得：

A——立杆的截面面积（），按JGJ 166-2008规范第5.1.7条钢管截面特性取。

则由式可得立杆稳定性计算式：

可得：

查JGJ 166-2008规范第5.1.6《钢材的强度设计值和弹性模量》表可得Q235A级钢材抗拉、抗压和抗弯强度设计值。结合《钢管满堂支架预压技术规程（条文说明）》（JTJ/T194-2009）第3节的相关规定：立杆钢管钢材抗压强度设计值，对于新管取，对于旧管（重复使用）乘以0.85的折减系数。本项目满堂碗扣支架材料拟采用旧管（重复使用）。

则：

   满足要求。

立杆地基承载力计算（支架搭设步距为60×90cm）

根据《建筑施工模板安全技术规范》（JGJ162-2008）第5.2.6条，立杆底地基承载力按式5.2.6计算：

式中：

P——立柱底垫木的底面平均压力；

N——上部立柱传至垫木顶面的轴向力设计值，其中上部结构荷载组成详见《WDJ碗扣支架立杆受力检算》，竖向荷载取。

A——垫木底面面积，取立杆底面垫板的宽度为；支架底与地基接触面如按计算面积偏小，根据《广东省建筑地基基础设计规范》（DBJ15-31）第9.2.7条款，当计算基础变阶处时，取上阶宽加两倍该处的基础有效高度，即可得混凝土硬化层底的碎石土层的接触面积为：

fak——地基承载力设计值，按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB 50007的规定或工程地质报告提供的数据采用。

——立柱垫木地基承载力折减系数，按JGJ162-2008规范表5.2.6《地基土承载力折减系数》表采用。本项目支架地基处理均采用混凝土，折减系数为1.0。

查《广东省建筑地基基础设计规范》（DBJ15-31-2003）表4.4.2-1《碎石土承载力特征值的经验值（KPa）》取稍密碎石的特征值经验值为200～400KPa。可得：

立杆基础底面的平均压力：

基础直接以10cm厚C15混凝土垫层及混凝土路面作为地基时，地基承载力参照10cm支架场地硬化层下的碎石土特征值经验值200～400KPa取用，故以原路面作为地基满足设计要求！

四、合龙段施工注意事项

根据监测单位对本项目主体结构悬臂段的长期监测，悬臂结构在日照升温作用下发生下挠。合龙段混凝土浇筑选择载一天中最低温度时间进行，并保证在温差变化较小的时间段内完成凝固，确保混凝土凝结过程中处于升温受压状态不出现不力的压应力。施工过程中选择合理的边跨现浇段混凝土浇筑时间能够进一步消除温度效应，提高施工精度。对此，边跨现浇段+边跨合龙段为15.88m长，一次浇筑混凝土约285.63立方米，估计在6小时内完成，根据对温度的统计与分析，安排在晚上22:00点开始浇筑，至凌晨4点完成混凝土浇筑。混凝土终凝后开始覆盖土工布洒水养护，连续养护7天。

另外，在边跨现浇段及合龙段混凝土同时浇筑之前，临时固定边跨支座，当混凝土强度达到设计强度60%之后，解除支座的临时固定装置，确保梁体在水平方向不受约束。

结语：随着桥梁工程施工技术的日益成熟，在悬臂浇筑连续梁边跨合龙段满堂支撑架体系的设计和施工过程中，越来越多的施工方法可以进行选择，通过本次王借岗大桥的预应力混凝土连续箱梁边跨现浇段与边跨合龙段同时施工的成功实施，后续类似工程可取消边跨合龙段与现浇段同时施工。浇筑前，通过精心组织，不断优化施工方案，创新采用了将边跨现浇段与边跨合龙段整体一次性浇筑的施工工艺，此工艺不仅有效杜绝了分段浇筑的线形问题，而且缩短了施工工期，加快了施工进度。在传统的施工方法基础上，不断进行优化和改进，着重细部验算，促进桥梁施工的安全性、可靠性不断进步。

参考文献：

[1]钢管满堂支架预压技术规程（JTJ/T194）.

[2]建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范（JGJ166）.

[3]建筑施工模板安全技术规范（JGJ162）.

[4]建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范（JGJ130）.

[5]建筑施工门式钢管脚手架安全技术规范（JGJ128）.

[6]公路桥涵施工技术规范（JTG-TF50）.

[7]钢筋混凝土用热轧带肋钢筋（GB1499.2）.

[8]建筑结构荷载规范GB50009.

[9]钢结构设计规范(GB 50017).

[10]公路桥涵钢结构及木结构设计规范（JTJ025）.

[11]路桥施工计算手册（人民交通出版社，周永兴主编）.

[12]木结构设计规范（GB 50005）.

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