高寒地区全预制跨线桥梁支架设计与力学性能分析

（中铁一局集团第二工程有限公司，河北唐山 063000）

近年来，工程领域内桥梁设计电算与仿真分析、试验检测和精确控制等技术长足发展，以往限制节段预制拼装法建造桥梁技术的难题得到有效解决[1]。在东北严寒地区跨线桥梁中，装配式桥梁应用较少，需要进一步推广，在推广过程中，需要关注支架的设计与分析。施工中常由于忽视某些技术要点，如桥梁支架、模板架等临时辅助施工设施的搭设，导致工程质量事故发生。因此，研究施工过程中桥梁支架体系是一项迫切且重要的工作[2]。

在对支架体系的研究中，国内已有研究多针对支架地基处理问题[3-4]、原位吊装段支架有限元分析计算方案[5-6]、施工阶段支架应何时拆除问题[7-8]，但对支架模型分析计算大多局限于原位吊装段支架，且对支架设计方案的介绍较为粗略。

本文依托东部快速路南延长线工程，拟基于MIDAS/Gen软件，分别建立滑移系统支架、原位吊装系统支架有限元模型，模型中根据滑移流程对滑移支架进行计算，得出各工况下较不利的结果，以此为未来的桥梁工程支架安全顺利施工，提供有利的安全技术参考。

1 工程概况

为了减少顶推次数，降低对跨越段京哈高速公路的影响，节约施工空间，本项目计划采用顶推结合支架法进行钢箱梁拼装架设[9]。本文拟结合东部快速路南延长线工程，其规划为城市快速路，全线高架桥。

线路在STA16#～STA19#墩上跨京哈高速。桥梁上部结构设计为三跨一联钢箱梁，分左、右幅设置，下部桥墩结构采用矩形柱式墩，基础均采用钻孔灌注桩。

2 支架设计方案

由于上跨高速段钢梁施工采用“拼装→吊装→焊接→顶推滑移”的方式进行，需要搭设由临时钢管柱组成的施工平台，柱顶铺设两道纵梁，在纵梁上铺设滑移轨道，达到利用施工平台安装节段钢梁的目的。主线桥临时支架系统分为滑移段与吊装段两部分。

采用顶推法进行滑移段钢箱梁施工，采用原位吊装法吊装滑移两端箱梁实现整跨吊装[10]，现场仅需焊接纵、横向接缝，施工期间对城市交通干扰小、施工效率高，应用前景广泛[11]。

2.1 滑移系统支架设计

2.1.1 临时支墩布置

临时支墩沿线路方向，从STA16#墩向STA18#墩方向纵向布设，每幅布设两排，纵向间距7.5 m，横向间距6 m。临时支墩采用Φ529 mm×12 mm钢管搭设，四种形式，分别为1#、2#、3#、4#临时墩。支架间采用系杆连接成整体，保证整体支架系统刚度、强度和稳定性。为满足工期要求，须实现移动式钢平台的快速安装[12]。

1#墩与对面接引的3#临时墩上，设置顶推用的滑动支承装置。滑移系统由型钢平台、楔形垫块、下滑道、滑块等组成。各墩顶设左右两列滑道，设置于钢箱梁腹板和向内第一道加劲肋底部，顶推滑道中心间距为6 m；下滑道支承平台为型钢平台，为适应竖曲线要求，在型钢平台上铺设楔形垫块，内灌C30混凝土，楔形垫块长度为280 cm，宽度60 cm，中心间距为6 m；下滑道板由3 cm厚钢板构成，滑道宽60 cm（与楔形垫块和滑块尺寸匹配）。为提高下滑道整体性，采用整块钢板制作，其滑道板长度为280 cm。

2#临时墩采用2根Φ325 mm×10 mm钢管柱，高度14 m，管柱间采用系杆连接，确保支架的刚度强度、稳定性。柱顶采用H600 mm×500 mm×20 mm×30 mm横梁连接，上方铺设H700 mm×400 mm×24 mm×28 mm纵梁（轨道梁）。

3#、4#临时墩采用Φ529 mm×12 mm钢管柱，高度14 m，管柱间采用系杆连接，确保支架的强度、刚度和稳定性。柱顶采用H600 mm×500 mm×20 mm×30 mm环向连接，上方铺设H600 mm×700 mm×20 mm×30 mm楔形纵梁。

1#墩与3#临时墩基础采用桩基础+承台，桩径1 m，桩长15 m，4根钻孔桩；2#、4#临时墩支架基础直接作用于坚硬地面，承台尺寸为4 m×6 m×0.8 m。

2.1.2 滑移轨道及滑靴设置

滑移轨道在整个滑移过程中，起到承重导向和径向限制构件水平位移的作用。由于滑移距离较长，滑移轨道须进行分段现场拼接施工。为了能够在预定工期内开展并做好屋面的滑移工作，应在滑移之前保证轨道安装的精度。

滑靴与钢梁底板连接时，在滑靴每个侧面设置2块加筋板（共四个侧面），滑靴横线留有10 mm缝隙，留有的缝隙能够保证顶推过程中释放轨道上滑靴不同心产生的内力。铰接方式为三角板只与底板焊接不与滑靴焊接，且在滑靴横线留有10 mm缝隙。

2.1.3 顶推平台布置

在顶推临时支撑上采用木质跳板搭设平台，防护栏杆底部设置踢脚板，防止作业平台内螺栓小型工具等落入平台外，威胁作业人员及行车安全。

由于场地原因只能搭设上下爬梯式上下通道，安装四氟乙烯滑板位置须设置局部安装小平台，并设置护栏、警示标志。

2.2 原位吊装支架制作与搭设

2.2.1 临时支架布置

采用2根Φ325 mm×10 mm钢管柱，高度14 m，管柱间采用系杆进行连接，确保支架的刚度强度、稳定性。柱顶采用H600 mm×500 mm×20 mm×30 mm横梁连接，上方铺设H700 mm×400 mm×24 mm×28 mm纵梁（轨道梁）。

临时支架制作分标准段和调节段，先制作成单片，再组装为整体。调节段主要用于钢箱梁吊装时，调节钢箱梁标高以及安装结束后进行钢箱梁整体卸载。调节段高度400 mm左右，采用50 t千斤顶，每个调节钢管旁设置1台千斤顶。

支架应在钢箱梁吊装前进场安装就位、找正、固定，临时支架2根钢管组成1片作为1个制作单元，再拼装为整体，临时支架选用25 t全液压汽车式起重机。在围挡内进行安装，临时支架安装前，应提前在地面标识出每个支架的就位点，支架安装完成后，在支架横梁上标注箱梁安装就位控制点、标高控制点。

临时支架采用钢管格构体系，结构由横梁（分配梁）及立柱组成，分配梁采用双排规格为I32a的工字型钢制作，每间隔1 m设置一道筋板，立柱采用D325×8 mm钢管，中间横、斜撑采用10#槽型钢连接成整体。

3 有限元分析

根据滑移流程图建立19种计算工况下导梁与桥体简化计算模型并得出计算结果。

部分工况下反力统计如表1所示。

表1 各工况支点反力表 单位：kN

3.1 滑移段支架计算

支架所受水平力均取竖向力的10%，即取钢材之间的有润滑静摩擦系数0.1，考虑1.5倍安全系数。

3.1.1 滑移拼装支架计算

滑移拼装支架肢柱、腹杆和柱上横梁结构分为双肢、四肢、六肢三种形式，其截面形状均为圆形，各构件截面数据如表2所示。

表2 构件截面数据表 单位：mm

根据滑移流程对滑移支架进行计算，各工况计算不利结果分别为：

在荷载工况9情况下，变形DX最大为2 mm：变形DZ最大（工况11）：-6 mm；柱子轴力FX最大（工况14）：-866 kN；轨道梁剪力最大（工况14）：1 106.3 kN；轨道梁弯矩最大（工况11）：1 082 kN·m。弯矩如图2所示。

图1 轨道梁弯矩

依据《钢结构设计规范》（GB 50017—2017），柱钢管长细比验算λmax=10.939≤100，满足规范要求；强度验算、稳定性验算满足规范要求。同理，腹杆钢管、柱钢管、轨道梁验算符合规范要求。

轨道梁挠度验算，构件在目标组合下最大挠度L/1 585，挠度限值：[γ]=L/250，挠度验算满足要求；z向剪切强度验算内力：τ=38.558≤120 MPa，满足规范要求。

3.1.2 3#支架计算

选取荷载工况19，此时1#临时支架最大受力2 557 kN，3#临时支架最大受力2 471 kN。支架采用四管柱，2 m×2 m的4肢柱斜腹杆形式，计算高度14 m，4肢柱底部按铰接验算。

各构件截面数据如表3所示。

表3 构件截面数据表 单位：mm

此时支架沿Dx方向最大位移为3 mm，沿Dz方向最大位移为-3 mm。梁最大剪力为911 kN，柱最大轴力为-693 kN。根据《钢结构设计规范》（GB 50017—2017），柱P529 mm×12 mm计算其长细比验算、强度验算和稳定性验算，满足规范要求；腹杆钢管、柱顶横梁、轨道梁验算符合规范要求，柱最大轴力如图2所示。

图2 柱最大轴力图

柱顶横梁挠度验算中，构件在目标组合下的最大挠度为L/1 618.8，挠度限值[γ]=L/250，挠度验算满足要求；z向剪切强度验算内力τ满足规范要求。同理，轨道梁的剪切强度、挠度验算符合规范要求。

3#支架基础桩身经计算，正截面受压承载力，主筋及箍筋配置满足要求；裂缝计算中，由于桩身受力形式为轴心受压桩，无须进行裂缝计算。

3.2 吊装段支架计算

采用支架法原位吊装箱梁时，因支架采用高强度钢管柱管，且柱间采用系杆连接。支架基础直接作用于坚硬地面，地基承载力不小于200 kPa，确保了支架的刚度、强度和稳定性。

吊装段支架布置如图3所示。

图3 吊装段支架布置

4 结语

（1）本文以高寒地区全预制跨线桥梁为背景，结合支架法与顶推滑移架设法进行施工，提出了顶推段、原位吊装段支架的设计方案，保证了施工过程中钢箱梁顺利进行节段拼接。经实践证明，本桥支架架设方案切实可行。

（2）通过MIDAS/Gen软件建立全预制跨线桥梁支架模型，在最不利荷载工况下对滑移拼装支架、吊装支架、基础桩身的强度、刚度和稳定性进行计算。经计算，支架结构的各项力学指标均满足规范要求，可供相关设计人员参考。

（3）支架架设方案以及有限元分析结果表明，滑移段临时支架布置是施工过程中关注的重点，在工程实践中应予以重视。