建筑技术丨装配式临时支架在宽幅钢箱梁施工中的应用

1 项目概况

G347通江大道快速化改造工程因跨越现有交通道路共设计有3座简支钢箱梁，钢箱梁跨径分别为60 m、55 m和50 m。其中60 m跨径钢箱梁横断面为单箱5室，截面宽28 m，梁高2.46~2.7 m。纵向跨中位置梁高2.7 m，两端支座位置处梁高1.8 m，桥面横坡为2 %双向横坡。钢箱梁每隔2 m设置1道横隔板，在横隔板间设置1道竖向加劲肋。箱梁顶、底板采用20 mm厚钢板，两端及渐变段腹板采用18 mm厚钢板，跨中段腹板采用16 mm厚钢板，顶板、底板设置U形加劲肋，腹板设置钢板加劲肋，钢板材质均为345 qD，60 m孔钢箱梁重量总计1 033.2 t。

桥面铺装均为100 mm厚防水混凝土+2 mm厚防水层+100 mm厚沥青混凝土，桥面铺装与钢梁连接采用焊钉。

钢箱梁因横截面较宽，拟采用纵向分段、横向分块，运输吊装完成后焊接成整体，钢梁分段原则为采用长节段，减少焊缝数量，且分段处避开墩顶、跨中等应力集中部位。纵向分段处的顶板、底、腹、隔板在不影响U形加筋肋、板肋安装的情况下，相互之间错开200 mm，横向错开150 mm，确保不在同一个断面进行焊接。60 m长的钢箱梁顶板纵向可以分为以下3段：19.75 m+20.9 m+19.35 m，横向共分为7块，单块最大重量为79.74 t。

2 临时支架设计

钢箱梁支架采用的结构形式相同，均采用标准节拼接，标准节高度2.5 m、4.5 m和6.5 m这3种规格；立柱采用4根  325×8 mm钢管组成的格构式钢柱，立杆中心距2m；横杆与斜腹杆采用[16a槽钢，横向分配梁采用双拼I45a工字钢，支架杆件材质均为Q235钢材。临时支架如图1所示。

图1 临时支架示意

2.1 荷载取值

（1）永久荷载：钢箱梁和支架自重。

（2）可变荷载：1）施工人员、施工料具、运输荷载，按3 kN/m²考虑；2）作用在钢箱梁上的风荷载按芜湖市50年一遇取。

2.2 荷载组合

包括承载能力极限状态（组合①）和正常使用极限状态（组合②）两种组合，其中：组合①=1.3×钢箱梁自重+1.3×临时支架自重+1.5施工可变荷载+1.5风荷载；组合②=钢箱梁自重+临时支架自重+施工可变荷载+风荷载。

2.3 计算模型

钢箱梁支架设计利用midas Civil建模进行计算，沿梁纵向共分成3个施工段进行吊装。

3 各阶段支架受力分析

3.1 各阶段应力和变形

按照每跨钢箱梁加工分块图，结合现场实际吊装顺序，每跨划分为3个吊装施工阶段，并按从小里程向大里程的顺序分别进行梁段的吊装施工。各梁段施工时按照先吊装横向中心处节段、后吊装两侧、最后吊装翼缘板的顺序完成横向吊装。

由各阶段支架应力图和变形图可知，设计计算时按3个阶段分别进行吊装验算，但从各阶段支架应力云图和验算结果可知：3个阶段的最大应力和最小应力值相差不大，其中最大拉应力均出现在施加荷载侧的横梁跨中位置，而最大压应力均出现在边跨立柱上。受力特征符合一般钢框架，且最大应力值均在限值范围内，满足钢结构设计强度要求。

结合表1可以看出，3个阶段的支架变形，随着各阶段的逐级加载，支架的变形成反向减小的趋势，即通过3阶段的加载，支架变形趋于稳定一致。各阶段变形较大处出现在横梁的跨端和跨中。

表1 各阶段格构式支架的应力和变形最大值

通过变形整体趋势可以看出，单侧加载的格构柱较对称加载有明显的偏向变形，表明对称加载对于位移控制更有利，通过计算可知，阶段3分别较单侧受荷的阶段1和阶段2变形值减小40.36 %和29.30 %，且最大变形值6.558 mm≤L/400=7.5 mm，整体支架满足刚度设计要求。

3.2 各阶段稳定性分析

通过分析结果可知，3个阶段的立杆和弯矩值相差不大，其中阶段2和阶段3略大于阶段1。由阶段3立杆轴力图可以看出：所有立杆均处于受压状态，其中最大轴压力出现在边跨立柱的底部。

由阶段3的弯矩图可以看出：立柱由于连接横杆与斜杆的存在而产生集中力，因此在横杆位置弯矩会发生转折而达到最大弯矩。由立杆弯矩图也可以看出，最大弯矩基本都在横杆位置处，且两个方向的最大弯矩值基于一致，表明装配式支撑横杆位置设置的合理性。各阶段单根钢管计算结果见表2。

表2 各阶段单根钢管计算结果

通过提取单根钢管的轴力和弯矩对各阶段单根钢管稳定性分析，得出最大稳定应力为77.96 N/mm²，小于规范规定的限值，因此整体支架的稳定性满足设计要求。

4 支架基础设计

按独立基础承受格构柱4根钢管立柱传下来的支反力进行独基与地基承载力的验算，修正后的地基承载力特征值按150 kPa考虑。由软件计算可知，支架立柱底部最大支反力竖向为432.1 kN，水平向为4 kN。基础尺寸采用3.8 m×3.8 m×0.5 m，如图2、图3所示。

（a）

（b）

图2 独基配筋示意

（a）剖面图；（b）平面图

图3 冲切验算最不利截面示意

4.1 地基承载力验算

根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》5.2.1条基础底面的压力需满足平均应力p_k=72.36≤f_a=150.00 kPa，且最大压应力p_kmax=99.51≤1.2f_a=180.00 kPa，因此地基承载力满足要求。

4.2 独基承载力验算

根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》中基础底板抗弯配筋计算公式A_s=M/(0.9f_yh₀b)和扩展基础受力钢筋最小配筋率应不小于0.15 %的要求，独立基础配置双层双向直径14@200 mm配筋满足构造要求和计算要求。

4.3 基础抗冲切验算

按破坏锥体单侧截面验算：抗冲切验算按照GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》中公式F₁≤0.7β_hpf_tah验算。冲切力F根据最大净反力p计算，并减去底板顶面计算范围内的柱子的轴力。按最不利截面验算柱子1右侧截面：冲切力F=318.18 kN，抗冲切力为434.96 kN。冲切力小于抗冲切力，即截面冲切验算满足。

5 钢箱梁分开吊装工艺

5.1 起重机选型

本工程钢箱梁架设采用单机抬吊机作业。根据设计图纸计算最重为60 m钢箱梁Z3–3节段，吊装重量为79.74 t，故选其为验算对象。即按Q₁=80 t考虑，考虑索具重量Q=2.0 t，K为起重机降低系数，取0.70。

考虑现场起重机最不利工况站位，起重机工作半径取9 m，根据260 t履带起重机起重性能表，可得（Q_主+Q_副）K≥Q+Q，即（124+0）×0.7=86.8＞82 t，综合考虑，选用1台260 t履带式起重机能够满足施工要求。

5.2 分块吊装顺序

跨站东路钢箱梁纵桥向吊装顺序为由西向东进行，即从小桩号向大桩号方向依次进行钢箱梁的吊装。横桥向根据现场起重机站位选择分段的中间箱室向两边依次进行吊装顺序，即横向为中间向两侧吊装，两侧翼缘板为最后吊装。

6 结论

通过本项目采用装配式组合支架设计的应用可发现：装配式构件材料材质容易把控，安装质量比焊接更能得到保证；从构件应力云图可知，横杆和斜腹杆设置位置的合理性能够把钢结构立杆的材料性能发挥到最佳状态。同时，本项目共3座钢箱梁桥梁，装配式支架比焊接支架更节约成本。