大悬臂盖梁可调高度机械组合钢桁梁托架施工技术

王 蕾

（中铁十六局集团第三工程有限公司，浙江湖州313000）

1 概 述

大悬臂盖梁作为桥梁建设中常见的结构形式，具有线型流畅、造型美观、桥下通行空间宽敞、采光良好等优点，成为城市高架桥盖梁首选形式。但大悬臂盖梁的现浇施工对下部托架强度、刚度、稳定性、调节性能等要求较高，因此国内许多专家对此进行过相关研究。张新朝［1］通过墩柱预埋牛腿的方式对盖梁现浇托架进行固定；姚凯在立柱上预留好Ф150 mm孔，通过销棒连接，将型钢托架安装在其两侧牛腿上，型钢托架采用对拉螺杆多点横向连接为整体后，在其上布置28a工字钢作为纵梁，从而形成完整钢桁梁托架系统［2-4］；在人、车流量大的地段，为了保证正常通车运行，前人采用门式钢管脚手架和抱箍悬挑架，门式钢管脚手架受力明确，技术成熟，但施工速度较慢，且存在安全质量方面的隐患［5-8］；一些专家通过在墩身前后两侧的承台设置钢管支撑立柱，钢管支撑立柱设置斜撑，斜撑上设置双工字钢分配梁，并在上面设置横桥方向的主梁，主梁上设双工字钢分配梁，从而形成整个托架系统［9-10］；还有一些学者采用抱箍进行固定的方式，其中抱箍悬挑架将力直接传递到桥墩，较大程度上减少对两侧道路的占用［11-12］。因此，本项目开展了可调高度机械组合钢桁梁托架的研究，以提高大悬臂钢桁梁托架的拼装速度，保证施工安全及精度的控制。

2 工程概况

浙江省甬台温高速公路复线温州南塘至黄华四标段，线路全长5.46 km，设计为双向六车道，时速100 km／h，路基整体宽度33.5 m。线路位于浙江省温州乐清市境内，其中，翁垟高架桥桥梁全长为4.41 km，共有146个桥墩，且墩高度相差较大，大悬臂预应力钢筋混凝土盖梁136个，盖梁的尺寸为长31.57 m，宽2.5 m，盖梁跨中等截面高为3.0 m。盖梁左右两端悬臂段8.5 m为变截面，盖梁高度由3.0 m变化至2.1 m，翁垟高架桥下左右为地方道路乐翁西路。

桥址地基地质条件较差，上部为全新统海积层淤泥、淤泥质土，整体厚20～45 m，局部厚度达到了60 m。中部分布冲积湖层黏土，灰黄色，可塑状为主，厚度一般，且不连续分布，其下多为海积软塑—可塑状黏性土，厚度较大，力学性质一般。中下部为冲湖积、海积黏性土，局部有砾石分布。

3 设计原理及工艺流程

目前城市高架桥施工中常采用钢桁架立柱＋钢桁架梁的方式，通过预压控制变形及关键截面受力，确保了结构安全稳定，且能最大限度提供该梁下部空间。这种方式虽然具有一定的优势，但是在每个盖梁施工中都要进行钢架立柱的安装，且由于现场盖梁高度相差较大，立柱规格不一致，部分立柱长度比较大，运输及安装也不方便，保证立柱安全稳定性的处理措施也不同，部分立柱之间需要现场加强横向连接，增加高处焊接施工。另一方面，当采用模块化组合钢桁梁托架时，可以根据盖梁高度针对性地组合，而且各构件可以工厂化预制，现场进行拼装可加快施工进度。因此现场施工中采用了可调高度机械组合钢桁梁托架作为盖梁托架，可大大加快施工速度。

3.1 钢桁梁托架的组成

钢桁梁上下弦杆为I45a工字钢，端斜杆为I28a工字钢，其余腹杆均为I18工字钢；上层托架为矩形，钢桁梁上下弦杆为I45a工字钢，端竖杆为I45a工字钢，端部三根斜腹杆均为I28a工字钢，其余腹杆均为I18工字钢，下层托架竖杆为I22a工字钢。当花瓶式桥墩高度超过两层钢桁梁托架高度之和时，上、下两层钢桁梁托架之间的下层钢桁梁托架弦杆上，采用 I45a型钢支墩加高450、900、1 350 mm钢桁梁托架高度，组合钢桁梁可调高度，采用高度450 mm模数化尺寸加高，为施工提供了便利性。

3.2 材料强度标准及验算

3.2.1 材料强度

参考《桥梁施工工程师手册》提供的资料，混凝土自重取26 kN／m3，钢模板自重按1.2 kN／m2，方木自重取7.5 kN／m3，钢材自重取78.5 kN／m3，施工人员、机具等活载取2.5 kN／m2，倾倒混凝土产生的活载取2 kN／m2，振捣混凝土产生的活载取2 kN／m2。贝雷梁钢材容许拉、压和弯曲应力为273 MPa，剪应力为208 MPa。Q235钢材参数（厚度或直径≤16 mm）：抗拉、抗压和抗弯强度为215 MPa；弹性模量E＝2.06×105MPa；抗剪强度为125 MPa。Q345钢材参数（厚度或直径≤16 mm）：抗拉、抗压和抗弯强度为310 MPa；弹性模量E＝2.06×105MPa；抗剪强度为180 MPa。Q345钢材参数（厚度或直径≤35 mm）：抗拉、抗压和抗弯强度为295 MPa；弹性模量E＝2.06×105MPa；抗剪强度为170 MPa。悬臂处最大挠度小于L／250，跨中位置最大挠度小于L／400。利用桥墩承台作为承载基础，托架直接作用在承台顶面，不需要对基础进行处理，节约了资源，减少了大量的地基处理费用，并且采用了粗调和精调相结合的方式对托架标高进行控制，其中粗调主要是在矩形钢桁梁和梯形钢桁梁之间加入钢支墩来实现托架整体加高，精调主要在贝雷梁托架和矩形钢桁梁之间设置螺旋千斤顶，通过调节千斤顶实现托架整体精调，从而保证大悬臂盖梁施工精度的控制。

3.2.2 受力验算

贝雷梁自重为：Q2＝0.9 kN／m

作用在贝雷梁上的横向风荷载计算：w＝k1k2k3w0。k1取 1.3；k2取 1.0（支架高度小于10 m）；k3取1.0（按一般平坦空旷地区）；按50年一遇最大风速。贝雷梁按桁架计算其挡风系数，取0.4。

计算得到横向风荷载为：q1＝w×1.5×0.4＝1.3×1.0×1.0×0.6×1.5×0.4＝0.468 kN／m（按作用在贝雷梁上弦杆考虑）。

作用在盖梁侧面模板的风荷载为：q2＝w×1.3×1.0×1.0×0.6×3×1＝2.34 kN／m（按作用在盖梁侧模顶考虑），贝雷梁以上层托架千斤顶为支点，千斤顶间距为 4.44、4.21、4.21、4.21、4.44 m。采用有限元模拟结果可知单排单层贝雷梁在荷载作用下的最大弯矩为258.4 kN·m，最大剪力为197.8 kN，比单排单层贝雷梁所能承担的弯矩788.2 kN·m和剪力245.2 kN要小，因此贝雷梁满足强度要求；悬臂处最大挠度为 20.4 mm ＜5 975／250＝23.9 mm，跨中位置最大挠度为5.8 mm＜4 210／400＝10.525 mm，贝雷梁挠度也满足要求。

3.3 拼装工艺

3.3.1 钢桁梁托架模块化组合

如图1所示，可调高度组合钢桁梁托架，采用两层组合式钢桁梁上下叠加，以便于安装。下层钢桁梁为梯形断面结构，减小下层钢桁梁占用横向面积，腾出横向空间，钢桁梁下部空间宽敞，视野通透。上层钢桁梁为矩形断面结构，在下层梯形断面钢桁梁腾出横向空间后，上层矩形断面钢桁梁左右悬臂长度，在下层梯形钢桁梁增加3.35 m，减小了上部的贝雷桁架梁的悬臂长度，提高了大悬臂盖梁变截面处贝雷桁架梁的刚度。大悬臂盖梁可调高度组合钢桁梁托架，全部为模块化组合，下层梯形断面钢桁梁、上层矩形断面钢桁梁和加高钢支墩，尺寸规格、杆件型钢规格、材质全部相同，通用性和互换性好。

钢桁梁上下弦杆为I45a工字钢，端斜杆为I28a工字钢，其余腹杆均为I18工字钢；上层托架为矩形，钢桁梁上下弦杆为I45a工字钢，端竖杆为I45a工字钢，端部三根斜腹杆均为I28a工字钢，其余腹杆均为I18工字钢，下层托架竖杆为I22a工字钢。

图1 可调高度组合钢桁梁托架设计

3.3.2 组合式钢桁梁托架标高控制

当桥墩高度超过两层钢桁梁托架高度之和时，在上、下两层钢桁梁托架之间的下层钢桁梁托架弦杆上，采用高450 mm的I45a型钢支墩对钢桁梁托架进行模数化尺寸加高，安装时I45a型钢支墩垂直于钢桁梁托架，且平行于桥梁中线设置安装，上下两层钢桁梁托架之间以及钢桁梁托架与钢支墩之间均采用高强螺栓进行连接，上层托架分成两段进行安装，两段之间采用高强螺栓拼接，墩身前后上、下层钢桁梁托架之间安装I18工字钢横向剪刀撑，以提高各榀钢桁梁托架之间的整体性。为了在小范围内更精确地对钢桁梁托架高度进行调整和盖梁支架的落架拆除，在上层钢桁梁托架下弦杆的横梁联系梁上设置螺旋式千斤顶，每个桥墩钢桁梁托架设置6对螺旋千斤顶，螺旋千斤顶间距为 4.44、4.21、4.21、4.21、4.44 m。最外侧螺旋千斤顶位于盖梁大悬臂段，承载重量最大，采用型号为QL100 t，其他位置螺旋千斤顶承载重量小，采用型号为QL50 t。上层钢桁梁托架下弦杆内侧设有螺旋千斤顶横梁联系梁支座，螺旋千斤顶螺旋丝杠上设有门字型钢框架，为了防止门字型钢框架受力后发生偏移，钢框架立柱置于导向槽内，贝雷梁安置在门字型钢框架上，从而实现螺旋千斤顶对钢桁梁托架高度的精确调整。

根据施工设计图承台顶面设计高程和盖梁底面设计高程计算墩身高度：H＝盖梁底面设计高程－承台顶面设计高程。

1）如图2所示，当墩身高度大于2层组合钢桁梁托架总高度，托架高度在螺旋千斤顶升降调节高度范围内，不需要在下层钢桁梁托架与上层钢桁梁托架之间增加钢支墩，只需要通过螺旋千斤顶升降调节支架高度。

图2 组合钢桁梁无加高托架

2）如图3所示，当墩身高度大于2层组合钢桁梁托架总高度，托架高度不在螺旋千斤顶升降调节高度范围内，需要在下层钢桁梁与上层钢桁梁之间增加钢支墩加高钢桁梁，且加高度在450 mm范围内，需要在下层钢桁梁托架与上层钢桁梁托架之间，桥墩单侧增加6个高450 mm钢支墩，通过螺旋千斤顶升降精确调节支架高度。

图3 组合钢桁梁加高450 mm托架

3）如图4所示，当墩身高度大于2层组合钢桁梁托架总高度，托架高度不在螺旋千斤顶升降调节高度范围内的时候，需要在下层钢桁梁与上层钢桁梁之间增加钢支墩加高钢桁梁，且加高度在900 mm范围内，需要在下层钢桁梁托架与上层钢桁梁托架之间，桥墩单侧增加6个高900 mm钢支墩，通过螺旋千斤顶升降精确调节支架高度。

图4 可调高度组合钢桁梁加高900 mm托架

4）如图5所示，当墩身高度大于2层组合钢桁梁托架总高度，托架高度不在螺旋千斤顶升降调节高度范围内时，则需要在下层钢桁梁与上层钢桁梁之间增加钢支墩加高钢桁梁，且加高度在1 350 mm范围内，需要在下层钢桁梁托架与上层钢桁梁托架之间，桥墩单侧增加6个高1 350 mm钢支墩，通过螺旋千斤顶升降精确调节支架高度。

图5 可调高度组合钢桁梁加高1 350 mm托架

4 施工控制要点

4.1 承台顶面安装下层钢桁梁托架

安装下层钢桁梁托架前，将承台顶面杂物清除并清扫干净。测量定位出下层钢桁梁托架纵横中心线至墩身盖梁纵横中心线距离，按照测量放样的点位安装底层钢桁梁托架。确保下层钢桁梁托架安装的精度。下层钢桁梁托架安装偏差过大，导致墩身前后两侧的上、下层钢桁梁托架之间安装I18工字钢横向剪刀撑无法联接，同时，还会导致钢桁梁托架受力不均发生偏载。

4.2 上、下层钢桁梁托架之间安装I18工字钢横向剪刀撑

上、下层钢桁梁托架安装完成后，下层钢桁梁托架之间安装I18工字钢横向剪刀撑。各榀托架横向之间采用I18工字钢横向剪刀撑进行连接，并设置横向斜撑以加强整体性，以防止钢桁梁托架失稳，加强盖梁支架与桥墩之间的横向联系防止出现支架面外失稳，抵抗横向风力。

4.3 门字型钢框架、上部贝雷桁架梁、盖梁底模型钢分配梁安装

上层钢桁梁托架内侧设置的导向槽采用方形钢管，方形钢管导向槽是防止门字形钢框架受力发生偏移失稳。导向槽内的门字形钢框架与千斤顶螺旋丝杠对接，通过调整螺旋千斤顶高度实现导向槽内的门字形钢框架升降，达到组合钢桁梁托架高度的精确调整的目的。

门字型钢框架上设置横桥方向贝雷桁架梁，由2排间距600 mm的贝雷桁架梁组配而成。每排由12榀贝雷桁架梁拼接组成，底模I18工字钢分配梁，分配梁排列间距250 mm和400 mm，盖梁悬臂端最外侧4 m 范围 I18工字钢分配梁排列间距400 mm，悬臂端最外侧4 m范围至悬臂根部及盖梁中部I18工字钢分配梁排列间距250 mm。盖梁模板直接铺设在I18分配梁上。

4.4 型钢分配梁上铺设盖梁底模

大悬臂预应力混凝土盖梁采用定型组合，将盖梁底模铺设在型钢分配梁上并调整固定牢固，测量盖梁底模顶面高程，然后通过调整螺旋千斤顶升降，精确调整盖梁底模顶面高程直至符合施工设计和施工技术规范要求。在盖梁底模上绑扎钢筋，安装预应力钢束波纹管，安装预应力钢束，安装盖梁侧模板。

5 结 语

1）通过对大悬臂盖梁托架的研究，设计了一种组合模块式的倒梯形钢桁梁托架。该托架有效释放桥梁下部空间，减小了下层钢桁梁占用横向面积，单侧可释放横向面积2.31 m2，保证了桥梁下部道路施工进度，且托架可直接作用在承台上，无须对桥下软基进行处理，从而大大节约了成本和工期，保证了施工安全。其中模块式组合钢桁梁系统可机械化拆装，施工速度快，材料可重复利用，损耗量少。

2）托架标高控制中采用粗调和精调相结合的方式，其中粗调主要是在矩形钢桁梁和梯形钢桁梁之间加入钢支墩来实现托架整体加高，经过计算，钢支墩设计高度共有三种规格，分别为高450、900、1 350 mm，可满足项目施工要求；精调主要在贝雷梁托架和矩形钢桁梁之间设置螺旋千斤顶，通过调节千斤顶实现托架整体精调，从而保证大悬臂盖梁施工精度的控制。

3）在城市高架桥上下同时交叉立体作业，施工场地狭小，交通管理难度大，施工干扰大，深厚层淤泥软弱地基区域，该托架设计很好地解决了上述问题，在类似工程施工中具有广泛的应用前景。