现浇箱梁斜钢管支架的应用分析

刘金伟

（中交路桥华南工程有限公司，广东中山 528405）

1.工程概况

杭州市九堡大桥南接线一标跨杭甬高速主线上部结构设计为64m+110m+64m的连续刚构形式，连续刚构桥0#块高度为6.4m，长度为16.0m，其中主墩墩身两侧悬臂端长度为4.4m，双薄壁墩之间长度为4.8m，横隔板厚1.2m同墩身厚度，为单箱单室结构形式，底板宽620cm，顶板宽1240cm，翼缘板宽390cm，翼缘板边厚均为20cm，翼缘根部厚均为55cm，悬臂端底板厚82.5cm～90cm，顶板厚均为25cm，腹板厚均为60cm[1]。

河百高速四标K57+013.128处车行天桥上部结构采用30m+40m+30m预应力混凝土等截面连续箱梁，箱梁高度为210cm，底板宽350cm，顶板宽600cm，翼缘宽95cm，翼缘板边厚均为18cm，翼缘根部厚均为40cm，单箱单室结构底板厚22cm～42cm，顶板厚25cm～45cm，腹板厚45cm～80cm。

2.支架方案的初步比选分析

2.1 上跨杭甬高速主线连续刚构0#块支架方案初步比选分析

根据现场实际情况，杭州市九堡大桥南接线一标上跨杭甬高速主线连续刚构0#块支架的设置比选方案主要有两种，一种为直立式的钢管支架形式，采用此种支架结构，共需设置Φ630mm×8mm的钢管12根，其中6根钢管支架均位于主墩承台外，且该桥位地处杭州粉砂土地层，表层土壤地基承载力弱，对于位于主墩承台外的钢管，为确保支架基础的安全，需考虑插打钢管桩作为支架基础，方案设计示意图如图1所示。

图1 直立式钢管支架立面及平面设计示意图（以单幅支架为例 单位：cm）

另一种支架设置方案为斜钢管支架形式，改第一种方案中处于主墩承台外的直钢管支架为斜钢管支架形式，经调整后，共有4根钢管支架位于主墩承台外，对于位于承台外钢管桩，考虑在进行主墩承台进行施工时，外部设置钢筋混凝土牛腿与主墩承台进行可靠连接，钢管支架支撑在钢筋混凝土牛腿上，采用此种方法可节约相应的钢管桩基础设置费用，方案设计示意图如图2所示。

图2 斜钢管支架立面及平面设计示意图（以单幅支架为例 单位：cm）

综合比较上述2种支架设计方案，直钢管支架虽具有搭设方便的优势，但不能利用已有的桥梁基础，需插打钢管桩作为支架基础，成本较大；斜钢管支架搭设难度相对较大，但能利用已有的桥梁基础，节约了一定的基础处理费用，但由于支架钢管设置为斜立形式，整个支架承受一定的水平力，须做好支架与墩身的连接设计。

2.2 K57+013.128处车行天桥现浇箱梁支架方案初步比选分析

K57+013.128处车行天桥现浇箱梁同样有直立式钢管和斜钢管2种支架比选方案，如支架设置为直立式形式，靠近墩身处的支架钢管基础需设置在边坡上，边坡开挖出来的地质揭示为强风化泥质粉砂岩，支架钢管基础可采用扩大基础形式，但前期主墩承台施工时已开挖部分边坡，边坡遭到破坏，在条形基础施工前，需对已开挖破坏的边坡进行支挡防护，防止后期边坡垮塌，整个支架方案的成本较大且较不安全，方案设计示意图如图3所示。

图3 直立式钢管支架立面设计示意图（单位：cm）

对于靠近墩身处支架，变直立式钢管为斜钢管的形式，将钢管基础设置在既有主墩承台上，避开位于已开挖边坡上，一方面支架基础较稳，另一方面不需进行条形基础的施工，节约了一定的基础处理费用，具有一定的经济性，方案设计示意图如图4所示。

图4 斜钢管支架设计示意图（单位：cm）

综合比较上述2种支架设计方案，斜钢管支架具有一定的经济和安全方面的优势，但由于支架钢管设置为斜立的形式，整个支架承受一定的水平力，且由于墩身宽度较窄，靠近墩身顺桥向两侧的支架钢管采用了对拉连接，支架受力在确保墩身连墙件水平受力满足要求的同时，还需对墩身两侧支架在不平衡浇筑工况下的受力进行计算，并在过程中严格控制现浇箱梁砼的浇筑顺序，确保支架受力安全性。

3.斜钢管支架的受力分析

3.1 斜钢管支架连墙件受力分析

斜钢管支架的受力不同于直立钢管的受力，由于立柱钢管设置为与竖直方向带一定夹角的形式，立柱钢管不可避免地会产生水平方向的分力，需将支架整体采用连墙件与刚性的墩身结构进行连接，抵消掉水平分力对于支架体系的不利影响，确保支架体系的整体稳定。连墙件宜释放对于支架钢管的垂直受力约束，尤其对于搭设高度较大的钢管支架，支架钢管在承受混凝土浇筑传递来的竖向力作用时，钢管将产生竖直方向的压缩变形，钢管搭设高度越高，此种变形越大，如连墙件对支架钢管具有垂直方向的约束，钢管的压缩变形得到约束，连墙件与墩身及钢管连接处将产生较大的次内力，连墙件与墩身预埋钢板及支架钢管均采用焊接进行连接时，焊缝很有可能产生破坏，且当连墙件的长度越短、刚度越大时，次内力越难得到释放，破坏则越大，严重时将导致连墙件失效。对比全约束连接，铰接连接释放了垂直方向的位移约束及各方向的转动约束，连墙件不受竖直方向的反力及约束转动的弯矩，连墙件的受力情况得到了改善，连墙件设置为销接形式，在墩身混凝土内预埋锚筋及锚板，在锚板上焊接销接耳板，耳板内穿销子与连墙件进行连接，连墙件另一侧与支架钢管采用焊接[2]。

3.2 支架在不平衡浇筑工况下的受力分析

对于既与墩身采用了连墙件进行连接，墩身两侧钢管又采用了对拉连接的支架，其虽设置为对称、对拉的形式，在理想的对称浇筑工况下，支架水平分力可得到抵消。但在不平衡浇筑的工况下，整个支架的水平分力处于未抵消的状态，一侧的水平分力将导致另一侧的支架处于反向受拉状态，根据MIDAS软件的分析，平衡浇筑与不平衡浇筑两种工况条件下连墙件的最大反力差别较小，但揭示的反力显示。由于不平衡浇筑导致一侧支架处于反拉状态，反拉状态下的连墙件处于受压状态，可见对于这种可能处于不平衡浇筑状态下的连墙件设计需重点考虑拉压受力，连墙件宜设置为焊接形式，以此来确保约束的有效性及受压杆件的稳定性，保证支架整体稳定。对于焊接带来的竖直方向次内力过大的问题，在保证连墙件承受水平反力的同时，可通过减少连墙件刚度的方式来得以解决，连墙件具有一定的柔性，可释放对应的次内力，尤其是柔性的连墙件可减少对于立柱钢管在竖直方向压缩变形及转动变形的约束，减少连墙件所受的竖向力及弯矩。实际施工过程中，减少连墙件的刚度主要通过增加连墙件的长度或减少连墙件的横截面面积来进行解决，K57+013.128处车行天桥现浇箱梁支架连墙件设置为双拼槽20a型钢与墩身预埋件及支架钢管进行焊接，支架在平衡浇筑工况下及不平衡浇筑工况下的连墙件焊缝及强度均满足要求，连墙件约束的有效性得到了保证。在实际施工过程中，对于斜钢管支架的浇筑来说，尽量平衡对称浇筑，确保连墙件的对称受力，保证了支架承受水平荷载的安全[3]。

4.结语

斜钢管支架较直立式钢管支架来说，支架基础利用既有的桥梁下部结构或通过可靠的连接方式与桥梁下部结构基础进行连接，整个支架的基础刚度较大，支架基础的安全性更有保障，且能节约一定的基础施工成本。但对于这种非常规的支架设置形式，应用的关键为支架的受力分析，需着重从斜钢管支架承受水平力的特点上，进行支架连墙件的设计。当墩身两侧支架采用对拉时，需考虑支架在不平衡浇筑工况下的受力分析，当支架支撑在与主墩承台相连接的钢筋混凝土牛腿上时，针对钢筋混凝土承受较大竖直向反力的特点，需对钢筋混凝土牛腿进行专项的抗剪设计。