无水区钢箱梁钢管柱满堂支架设计与应用

摘要：本文以着重介绍了无水区域悬索桥钢箱梁采用满堂钢管柱施工的设计计算与应用，无水区采用满堂支架施工，降低了施工难度，降低了施工设备要求，有利于钢箱梁纵断面线形的控制，同时能够加快施工进度，可多个作业面同时进行钢箱梁的吊装及施焊作业，另外，满堂支架法施工可利于各种作业平台的实施，降低了高空作业的安全风险。

关键词：自锚式悬索桥无水区施工满堂钢管柱板单元吊装

一、结构简述

韩土公路2号桥为主跨230米跨径的正交异性板钢箱梁自锚式悬索桥，钢箱梁全长384m，桥面全宽50m，含风嘴总宽51.162m，梁高3.0m。主跨处于R=20000m的圆弧竖曲线上。钢箱梁底至地面平均高度为22.5m，最大高度为26.8m，主桥位置跨越昆独仑沟底，表层土为粉土。

全桥钢箱梁总重11219.32吨，分为6种类型43个梁段，分为标准梁段、端梁锚固段、合龙段及塔下梁段等，其中标准梁段共34个，长9m，其他梁段共9个，长从7.5m至10.4m不等。

二、支撑体系设计

因桥位处常年处于无水状态，为确保施工安全，加快施工进度，钢箱梁安装拟采用落地支架支撑系统，跨墩龙门板单元吊装方法安装。

1、支架方案的选定原则：支架体系应牢固可靠，杆件之间相连牢固，满足施工需要；必须要成本低施工速度快，组织协调灵活。通过对贝雷支撑系统与钢管柱支撑系统方案对比，选用钢管柱支撑系统更适合本桥施工。

2、钢管柱支架顶纵向采用工字钢作重力分配梁，横向采用工字钢作为支撑体系，钢管柱间隔采用槽钢剪刀撑连接系加固。

3、支架搭设的材料

自上而下：梁底支撑牙板、45b工字钢(横向)、50b工字钢（纵向）、φ500×8mm螺旋焊管钢管柱、柱间联系18a槽钢、混凝土扩大基础（预埋铁板）及一系列防护材料。

3.1 45b及50b工字钢，采用国标材料。

3.2 梁底支撑牙板采用1.2cm铁板。

3.3 φ500×8mm螺旋焊管钢管柱，钢管柱要求钢质、管径、壁厚均匀，螺旋焊缝牢固。

钢管对接要求：

3.3.1 焊接前，要加工一个胎架，胎架使用45a工字钢纵横向拼装而成，胎架使用经纬仪定为，顶面使用水准仪严格操平。

3.3.2 焊接时，钢管焊接端要进行坡口处理，焊接形式为坡口焊接。焊接时，两节钢管的中心线和圆周线要在同一轴线上。

3.3.3 焊接中无论是钢管对焊还是补强钢板的焊接，都要求焊透，焊完后使用探伤仪进行检查，不合格处要重新焊接。

3.3.4 焊接完成后，不可立即搬运，待自然冷却后，再从胎架上吊走。

3.4 柱间联系18a槽钢，采用国标材料，支架搭设前，对槽钢的尺寸进行计算，尽量采用定尺尺寸，减少切割量，避免浪费。

3.5 混凝土扩大基础（预埋铁板），见支架基础设计。

3.6 防护材料，安装时所用的缆风索、施工平台的防坠网等符合施工需要。

4、支架的总体布置

4.1 塔区段支架布置：中间部分在主塔下横梁上直接搭设支撑横梁和牙板，外形高程与梁底一致，塔柱外侧两根采用φ500×8mm螺旋焊管钢管柱用以支撑E梁段悬挑出塔柱外侧的部分，钢管柱中心间距为3.8m，两钢管柱分别与邻近的支柱14、16及53、55之间采用18a槽钢剪刀撑和剪刀上下横撑连接，剪刀撑相交处采用焊接方式连接成整体。

4.2 正常段支架布置：中间支架横向布置7排钢管柱，采用φ500×8mm螺旋焊管钢管柱，钢管柱中心间距6×7.5m，横向两钢管柱之间采用18a槽钢剪刀撑和剪刀上下横撑连接，剪刀撑相交处采用焊接方式连接成整体。每排钢管柱顶沿纵向布置50b工字钢作为重力分配梁，用以支撑横向工字钢

4.3 钢混结合段支架布置：由于钢混结合段钢箱梁重量大，钢箱梁完成后还要承受部分现浇混凝土的重量，横向钢管柱先按正常段间距布置，然后进行加密，并设置了悬挑梁支撑，断面共设置了15根钢管柱，所有钢管柱均采用φ500×8mm螺旋焊管。管柱中心间距为1.9m+3.75m×12+1.9m。

4.4 横桥向每排支架中部采用剪刀撑及横撑连接成整体后，顶部使用槽钢进行连接用做焊接及涂装用施工脚手架。纵桥向钢管柱设置原则为间隔一横隔板设置1根，正常段间距为6m，间隔设置剪刀。

三、满堂钢管柱支架受力演算

1、纵向分配梁、横梁的受力计算

纵梁、横梁材料材质为Q235，取安全系数为2.0，则允许应力为[σ]=117.5MPa，[τ]=68.15MPa.

横梁采用工45b，纵梁采用工50b。

工45b截面特性：Ix=3.376e8 mm4，Wx=1500400mm3；

工50b截面特性：Ix=4.856e8 mm4，Wx=1942240mm3；

参照《建筑钢结构设计规范》GB/T50017-2003进行验算。

1.1横梁工45b计算：

横梁承受钢箱梁及自重荷载共112193.2（钢箱梁重量）+10750（横梁自重）=122943.2吨，纵向每延米重

横隔板间距3米，每3米重320.2×3=960.6t，考虑人群和施工荷载70KN。

每条横梁上横向均布荷载

取其中一段按照简支、均布荷载计算：

强度计算：

，满足要求；

，满足要求

稳定计算：

，按照构造配置加劲肋。

，满足要求。

2）纵梁工50b计算：

纵梁承受钢箱梁及横纵梁等自身荷载，共112193.2（钢箱梁重量）+10750（横梁自重）+2900（纵梁自重）=125843.2KN；

纵向每3米重

横向共7个支撑点，每个支撑点承受荷载

其中柱处支撑点受力直接传给立柱，仅中间点承受P荷载。

强度计算：

，满足要求

,满足要求

整体稳定计算：自由长度L1=6m，查表

φb=0.68>0.6，则 。

,满足要求

局部稳定计算：

，按照构造配置加劲肋。

，满足要求。

2、钢管柱受力计算

本支架立柱最高为26.753m，进行立柱受力验算采用最不利条件计算，按照26.8m高度进行计算。本地时常有大风，计算考虑风荷载（东胜区30年一遇的风压为0.44KN/m2，见中国建筑工业出版社《钢管脚手架计算手册》）。

立杆计算力学模型：

钢管柱采用直径φ500mm（外径），壁厚8mm的钢管，钢管柱的长度为26.8m，下端支承在扩大的混凝土基础或承台上，上端支承在钢箱梁底板下面，在此条件下，钢管柱两端视同铰支；则

杆件计算长度 =杆件实际长度 =26.8m

单根钢管支架的截面回转半径:

,长细比 ，查《建筑钢结构设计规范》GB/T50017-2003， 属于b类截面杆件。查受压杆件纵向弯曲系数φ=0.294

钢管的受压截面毛面积:

钢管的截面模量:

钢管采用螺旋焊管，材质为Q235钢，弹性模量f=205N/mm2。

纵桥向按照每间隔1道横隔梁下设置一排钢管支点，然后采用50b工字钢将每根钢管纵向连接起来，每2道横隔梁有1道横隔梁支点设置在工字钢上，纵桥向共设置68排钢管柱，共计502根钢管桩。横桥向上部使用槽钢连系起来，可做人员施工平台。纵横向分别使用槽钢连接固定。如附件图所示。

本支架方案即相当于横向每排支架支撑纵桥向6m长的钢箱梁。

施工位置人员、机具等其他荷载70KN（一个横断面）

根据力学模型知：

四、支架基础设计

1、支架基础设计

根据当地的地质条件，清除表层30cm覆盖土。钢管支承柱下反开挖做扩大混凝土基础，基础厚度均为60cm，基础承压面尺寸为1.8m×1.8m布置，基础混凝土选用C25混凝土，中区1.5m×1.5m范围内铺设15cm×15cm的φ12一层钢筋网片，在基础顶面预埋0.7m×0.7m的2cm的铁板。基础如下图所示：

2、基础承载力验算

fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)

fa--修正后的地基承载力特征值；

fak--地基承载力特征值，查表，当地为200Kpa（见人民交通出版社《路桥施工计算手册》）；

ηb、ηd--基础宽度和埋深的地基承载力修正系数，分别为0和1；

γ--基础底面以下土的密度；

b--基础底面宽度(m)，当基宽小于3m按3m取值，大于6m按6m取值，本基础为1.8米宽，取值为3米；

γm--基础底面以上土密度，为1.5t/m3；

d--基础埋置深度(m)，本基础为0.6m。

fa=200+1×15×（0.6-0.5）=201.5KPa

[P]=201.5×1.8×1.8=652.86KN

每根钢管底部最大压力F1=286.70KN，

单个1.8m×1.8m基础最大支撑力

P工作=286.70+1.8×1.8×0.6×25=335.3KN,P工作＜[P]，地基承载力满足要求。

3、混凝土抗剪强度验算

混凝土顶预埋700×700×20mm钢板，钢管柱底直接焊在钢板上，钢管柱施加的压力=286700N/0.49m2=0.0.585MPa＜C25混凝土抗剪强度1.27MPa， 强度满足要求。

五、结语

采用满堂钢管柱法进行钢箱梁安装施工，可适用于各种无水区域的钢箱梁施工，对运输不便利，钢箱梁厂内无法加工成大体积钢箱梁节段梁的桥梁更为适合，采用板单元进行运输可大大降低运输成本；另外，采用满堂钢管柱支架施工，钢箱梁板单元运至桥位处后，因板单元重量较小，对其中设备要求较低，节省吊装成本的同时亦降低了大件吊装的安全风险。

如支架高度不高，工期不长的情况下也可标准贝雷满堂支架代替钢管柱满堂支架。但若工期长，本着节约成本的原则必须使用钢管柱支架，钢管柱采用自有的或采购的，不宜租赁。

采用此种施工方法，对地基处理要求较高，切要注意基础的排水。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。