高速公路枢纽互通钢箱梁临时支架设计及研究

王英森

（中铁二十二局集团第五工程有限公司 重庆 400700）

1 引言

随着我国高速公路建设的快速发展，钢桥的建造数量在不断地增加，特别在特长跨海大桥、枢纽互通式立体高架桥中，钢箱梁因其自重轻、抗扭性能好、施工速度快、施工可减少对交通的影响等优点受到越来越多桥梁工程师的青睐和关注［1-4］。特别是近几年以来，钢箱梁发展应用速度逐年加快，设计、制作、架设等经验不断积累，研究工作也有了相应地进展。

福州大学的赵秋、陈美忠、陈友杰收集了已知施工方法与跨径的钢箱梁桥共计18座，其中吊装施工10座，顶推施工8座。结果表明，在大型吊装设备可以应用的情况下，吊装施工跨径的分布范围比较大；而对于顶推施工，当钢箱梁跨径较大时需采用设置临时墩以调整顶推跨径。但由于临时墩仅在施工中使用，会增加桥梁施工费用。因此临时墩的使用和选择数量需要综合桥梁分跨、通航要求、造价和施工难易等因素综合确定［5］。

长安大学的王行耐和山东交通学院的彭霞针对青岛海湾大桥沧口航道斜拉桥钢箱梁大节段施工，其海上安装高度高、节段自重大及施工工期长等特点，对钢箱梁安装临时支架进行专项设计计算，对临时支架的构造细节和安装顺序进行了介绍；并采用MIDAS建立了其空间有限元模型，参照现行的桥梁设计规范，确定相关计算参数、工况和计算荷载，对支架整体结构的变形、应力和振动特性进行分析，计算结果表明钢箱梁安装临时支架在各种工况下强度及变形满足要求，且具有较大的安全储备［6］。

武汉一冶钢构公司的胡俊华、吴梦先以武汉市二环线汉口段钢箱梁临时支架为例，该支架采用钢管格构柱+热轧H型钢梁，所有构件之间均采用螺栓连接。采用空间钢结构软件3D3S对结构进行分析，从临时支架应用效果来看，支架横梁的挠度、钢柱的水平位移和支架体系的沉降等均满足规范要求，其正确性和合理性得到了验证［7］。

由此可见，目前钢箱梁的施工方法中，临时支架法是应用最为广泛，也是安全系数最高的一种方法。一般的钢箱梁架设施工是根据不同的节段长度，在地面相应位置搭设钢管临时支架，经钢箱梁吊装、焊接并经检测合格后再拆除支架，施工耗时较长，工期、成本不易控制，特别是在跨越高速公路时，其对工期、安全性等方面要求更为苛刻。必须要设计一种快速搭设及拆除的支架来适应复杂环境下钢箱梁的施工。

2 工程概况

潼荣高速公路开元枢纽互通式立体交叉钢箱梁位于重庆市潼南县荣昌区荣隆镇半边街，与既有成渝高速公路形成互通换乘（见图1）。桥梁上部结构采用钢箱梁，主要包括主线桥左右幅、A匝道、B匝道、C匝道、D匝道共六联桥。主线桥钢箱梁分左右幅，主桥左幅采用25.65 m+43 m+23.35 m三跨一联的钢箱梁；主桥右幅采用23.35 m+43 m+25.65 m三跨一联的钢箱梁。A、B、C、D匝道钢箱梁主梁均采用25 m+40 m+25 m三跨一联的钢箱梁。六座钢箱梁总长分别95 m、95 m、90 m、90 m、90 m、90 m。六联桥全部上跨成渝高速，钢箱梁先在工厂内分段预制，再运至现场，分段采用汽车吊和临时支架吊装，边跨直接使用汽车吊吊装。跨成渝高速的梁段，采用先后临时封闭成渝高速左右幅路，再使用汽车吊进行吊装施工的方案。

图1 潼荣高速公路开元枢纽互通平面

3 钢箱梁总体安装方案

本工程钢箱梁安装采用临时支架法安装。通过起吊设备按各节段顺序架设至临时支架上，调整节段高程、平面线形及节段间距，确认无误后，进行现场焊接，最终连成整体。

考虑现场安装方便性与结构安全性，主要将钢箱梁划分为两个类型的节段：端横梁节段、跨中桥面系节段。现场进行节段吊装时，首先吊装端横梁节段，调整各个横梁节段坐标位置，完成定位后与下部临时支架固定（固定采用码板焊接方式连接）。完成所有端横梁节段吊装定位及固定施工后，吊装各个跨中桥面系节段，同时完成节段之间环缝焊接。

钢箱梁全部在厂内加工完成，通过公路运输运至桥位附近，再通过平车转运至吊装场地。

4 临时支架设计及安装与拆除

4．1 临时支架设计

为快速完成临时支架的搭设及拆除，减少支架拼装、焊接等工序对既有高速公路的干扰，保证车辆运行、施工作业人员的安全，本工程采用一种整体的钢管井式临时支架体系，该临时支架体系分别由基础、钢格构、顶部横梁以及调节管等部分组成。

（1）基础

基础采用C30钢筋混凝土条形基础，尺寸根据钢管立柱搭设的范围而定。对于主线桥支架横向设置4根钢管立柱，匝道桥支架设置3根钢管立柱。其高度一般设为0.6 m，在基础顶面预埋500×500×20 mm的钢板，以与钢管立柱进行焊接固定（见图2）。

图2 钢管井式支架基础平面（单位：mm）

（2）钢格构

钢格构由钢管、槽钢与钢板焊接组装而成［8-10］。其中立柱钢管采用φ478×10 mm的钢管，立柱连接杆件采用 16槽钢，钢管立柱顶部封板采用14 mm厚钢板（见图3）。

（3）顶部横梁

顶部横梁采用双拼40工字钢，必要时翼缘板两侧采用10 mm以上钢板加强，间隔1～2 m，作为钢箱梁的调节管支承搁置点。横梁同时也是连接立柱成为整体的主要构件（见图3）。

（4）调节管

调节管采用φ273×10 mm的钢管，主要是为了调节立柱支架的高度，同时也便于总支架的拆除，高度控制在0.4 m以内（见图3）。

4．2 临时支架安装

图3 钢管井式支架体系

为了最大限度地减少临时支架体系拼装及焊接等作业对既有高速公路的影响，保证车辆通行及作业人员人身安全，所有临时支架全部在预制厂内拼装焊接完成，再运输至施工现场，由吊车进行一次性整体吊装（见图4）。

各个临时支架体系高度根据现场基础高程及钢箱梁底面高程之差进行控制。在吊装到位后，可根据顶部的调节管进行精确调节，以确保能够与钢箱梁精确相接，保证桥梁线形。

图4 临时支架体系的吊装与固定

4．3 临时支架体系结构计算

4．3．1 临时支架体系基础计算

以主线桥支架体系为例进行结构计算。主线桥支架体系平台采用C30混凝土上放置钢管桩，钢管桩上放置分配梁，钢管桩中心距横向2.5 m，纵向间距2 m，钢管桩与混凝土基础连接方式采用预埋件连接。

基础截面反力 A＝94 kN，B＝184 kN，C＝170 kN，D＝137 kN。合力Fk＝94+184+170+137＝585 kN；偏心距 e0＝（94×0.5+184×3+170×5.5+137×8）／585-8.5／2＝4.46-8.5／2＝0.2；弯矩Mk＝585×0.2＝117 kN·m；基底面积 A＝8.5×0.8＝6.8 m2，则基底抵抗矩 W＝1／6×0.8×8.5×8.5＝9.63 m3。

基底应力：

计算其最大基底应力为113.2 kPa，施工时应对基底承载力进行检测，其承载力不应小于113.2 kPa。

抗倾覆稳定验算：

4．3．2 临时支架计算

采用大型有限元计算软件 Midas／civil［11］，以图纸为依据进行建模计算，对其在施工载荷下的结构进行校核。根据钢箱梁的安装过程，主要计算在施工过程中立柱支架系统的强度、刚度及整体稳定性是否满足许用要求。根据初步计算得知在不同工况下支架受力不同，其工况主要包括A、B、C三个工况。

A工况：计算支架在两侧钢箱梁同时加载时的强度、刚度与整体稳定性；B工况：计算支架在单侧钢箱梁加载的强度、刚度与整体稳定性；C工况：计算支架在一侧一个节段钢箱梁加载时的强度、刚度与整体稳定性。

（1）A工况计算分析

约束及荷载：钢箱梁节段最大重量为102 t，转化为节点荷载，每个立柱受节点荷载Fz＝8.5 t。

立柱节点受力见图5。

图5 立柱节点荷载（单位：t）

强度计算见图6。强度计算结果：荷载组合＝1.2×自重+1.4×Fz。最大综合应力为20.2 MPa，位于支架立柱上。

刚度计算见图7。刚度计算结果：荷载组合＝1.2×自重+1.4×Fz。最大挠度为1.6 mm，位于分配梁上。

图7 A工况下刚度计算受力图

图6 A工况下强度计算

反力计算结果：荷载组合＝1.2×自重+1.4×Fz。支架最大反力为25.4 t，最小反力为12.8 t。

整体稳定性计算见图8。整体稳定性计算结果：一阶模态临界载荷系数K＝6.8。

图8 A工况下整体稳定性计算受力图

（2）B工况计算分析

强度计算结果：荷载组合＝1.2×自重+1.4×Fz。最大综合应力20.2 MPa，位于支架立柱上。

刚度计算结果：荷载组合＝1.2×自重+1.4×Fz。最大挠度为2.5 mm，位于分配梁上。

反力计算结果：荷载组合＝1.2×自重+1.4×Fz。支架最大反为25.3 t，最小反力为2 t。

整体稳定性计算结果：一阶模态临界载荷系数K＝12.8。

（3）C工况计算分析

强度计算结果：荷载组合＝1.2×自重+1.4×Fz。最大综合应力为18.2 MPa，位于支架立柱上。

刚度计算结果：荷载组合＝1.2×自重+1.4×Fz。最大挠度为1.13 mm，位于在分配梁上。

反力计算结果：荷载组合＝1.2×自重+1.4×Fz。支架最大反力为15 t，最小反力为2.1 t。

整体稳定性计算结果：一阶模态临界载荷系数K＝26.1。

经以上计算分析可知，采用钢管井式支架体系进行钢箱梁的架设施工，其支架基底承载力不应小于113.2 kPa即可满足要求；支架在两侧钢箱梁同时加载与在单侧钢箱梁加载，其应力集中于立柱上，最大为20.2 MPa；支架在单侧钢箱梁加载时，分配梁上承受的刚度最大，为2.5 mm；支架在一侧一个节段钢箱梁加载时，支架整体稳定性最好，其一阶模态临界载荷系数K＝26.1；支架在两侧钢箱梁同时加载时，支架整体稳定性最差，其一阶模态临界载荷系数K＝6.8。

4．4 临时支架拆除

全桥整体吊装并焊接完成，焊接无损检测全部合格后方可进行临时支架的拆除［12］。跨成渝高速公路临时支架拆除方法为半幅支架拆除后进行另半幅支架拆除，其他部分主要由中间向两侧对称进行拆除。根据结构验算以及设计规范要求，结构拼装完成后，由于自重影响，临时支架支撑位置钢箱梁结构将会产生3～4 mm下挠，因此在进行卸载施工时，可直接通过气焰切割的方法割除下部支撑调节管进行钢箱梁的快速卸落（见图9），卸落完成后采用运输车转移施工现场。

图9 临时支架拆除示意

5 结束语

经过本工程实践，并结合有限元计算软件的计算分析，钢管井式整体支架可以快速、高效地完成复杂条件下高速公路枢纽互通钢箱梁的架设施工，且支架安全稳定性较好，可为类似工程施工提供借鉴。主要得到如下结论：

（1）在复杂条件高速公路枢纽互通钢箱梁架设施工中，应尽量采用工厂化支架集中加工方法，一次性整体吊装支架体系，减少对既有高速公路的干扰及影响。

（2）采用钢管井式支架体系进行钢箱梁的架设施工，其支架基底承载力应在113.2 kPa以上即可满足要求。在一般情况下天然地基基础设计的地基承载力均在100 kPa以上，由此可知一般的天然地基均可满足该支架体系的承载力要求。

（3）在单侧钢箱梁加载时，立柱上应力最大、分配梁上承受的刚度最大，应尽量缩短单侧钢箱梁加载的时间，尽早施作另一侧钢箱梁，以保持支架受力合理。