大跨度预应力现浇支架设计与施工

前言

针对大跨度预应力现浇支架，在具体的设计及其施工中，工作人员需结合其基本项目情况，确定基本的设计方案，并在此基础上以验算方式对各部分结构进行合理设计。然后根据设计标准，以合理的技术措施进行施工。如此方可确保此类结构的设计及其施工效果，以符合实际项目需求。

一、项目概况

此次所研究的是某高速公路跨线桥的设计与施工项目。该桥梁中的左幅 8# 和 9# 桥墩均属于预应力盖梁结构，8# 桥墩盖梁尺寸是 40.1*2.*m，9# 桥墩盖梁尺寸是 21*2.2m，盖梁中心最大间距是 19m，钢管柱最大间距是 15m。桥梁所在国道路基现状宽度是 10.5m，路面结构是混凝土。本文主要对该项目中左幅 8#、9# 大跨度预应力现浇盖梁施工中的支架结构具体设计及其施工进行分析。

二、大跨度预应力现浇支架设计

在该项目中，大跨度预应力现浇支架是为整体梁盖施工设置的安全支护结构，因此在实际施工中，预应力支架结构的合理设计至关重要 [1]。为有效确保该项目大跨度预应力现浇梁盖施工效果，防止不必要的安全事故发生，工作人员就需要结合实际情况，以合理的技术措施与验算方法等设计其支架结构。以下是对该支架结构具体设计所进行的分析。

（一）基本设计方案

根据该项目实际情况及其建设要求等，工作人员将其预应力现浇筑盖梁支架设计为钢管柱贝雷梁支架形式，其主要组成部分包括钢管柱基础、钢管、贝雷主横梁、砂箱、次横梁和110 分配梁等。其中的钢管柱基础为 C20 混凝土条形基础，其尺寸是 2*1.5*0.5m；钢管柱为Q235 型钢管，其直径为 Φ630mm ，厚度为 8mm。实际应用中主要借助 110 分配梁将混凝土重量传递给贝雷梁，再通过贝雷梁继续向钢管柱和钢管柱基础传递，以此来满足该项目大跨度预应力现浇支架的刚度与承载力需求。图 1 为该项目中的大跨度预应力现浇支架系统整体布局示意图：

（二）贝雷支架设计

在该项目大跨度预应力现浇支架系统中，贝雷支架是最关键的一个组成部分。因此在具体设计时，工作人员需进行合理的内应力与位移计算。

首先是荷载验算。因施工现场的风荷载比较小，所以在对贝雷支架实施内应力和位移计算时，工作人员只需要对结构恒荷载和施工中的活荷载做到充分考虑即可。其中的恒荷载主要包括盖梁自重、模板和附属构件自重、贝雷支架自重；施工活荷载主要包括混凝土振捣荷载、设备与人员荷载、其他零部件荷载 [2]。经验算可知，该项目中的盖梁自重是 2620.8kN，模板和附属构件自重是 201kN，贝雷支架自重是 211.42kN。而在施工过程中，混凝土振捣时的荷载为84kN，设备与人员荷载是42kN，其他零部件荷载是4.115kN。

其次是横梁计算。根据该项目实际建设需求，大跨度预应力现浇支架系统横梁为110 型钢，其间距控制为0.3m，长度设计为4.5m。经计算得出，横梁总数是70 根，通过工字钢制作而成，其间距是0.3m。其作用长度和盖梁底模宽度相同，是0.2m，均匀作用在单根横梁上的荷载（q）是21.06kN/m。根据结构受力情况分析可知，110 型钢横梁自身的弹性模量（E）是2.1*105MPa，抗弯模量（Wx）是 43cm3，惯性矩（I）是 245cm4。而通过进一步分析与计算得出，其弯矩最大值 是 6.32kN·m，允许应力值（即弯矩最大值与抗弯模量的比值）是 128.94MPa，与该项目设计要求（145MPa 及以下）相符。经计算得出，其最大挠度是 0.00035m，与本次项目设计要求（0.0045m 及以下）相符。说明该项目中的横梁设计满足实际工程要求。

最后是贝雷梁验算。该项目中的贝雷梁设计为单层三排结构，上下两层贝雷片为加强型，其标准规格是 3000*1500mm，加强弦杆高度是 100mm。通过贝雷片和加强弦杆连接到一起，便形成了纵梁结构，其长度是 25.5m。根据该项目实际应用情况，贝雷梁承受的荷载主要是盖梁结构混凝土自重经 110 型工字钢传递来的荷载，且其传递形式为集中传递。考虑到结构中的分配梁具有较小间距，所以在具体设计时，工作人员可假定贝雷梁承受荷载属于均匀荷载，其取值是124.05kN/m。根据上述情况，此次设计中，工作人员按图2 所示建立了纵梁计算模型：

图2- 该项目大跨度预应力现浇贝雷梁计算中的纵梁计算模型图

通过力学计算结构分析可知，其弯矩最大值是 2203kN·m。在此基础上，工作人员主要通过以下方法对其中的贝雷片内力值允许值、弯矩允许值以及剪应力允许值进行计算。（1）对于其中的贝雷片内力允许值，根据该项目设计要求，其弹性模量是 2.1*105MPa，只有在内应力值不超过弹性模量值时，结构设计才合格。截面抵抗弯矩值是 23097.4m3，设计时需考虑两个截面，所以其内力值允许值（弯矩最大值与两个截面抵抗弯矩值总和之比）是 47.69MPa，远小于其弹性模量。由此可判断，此次结构设计中应用的贝雷片内力允许值符合实际要求。（2）对于其中的贝雷片弯矩允许值，根据我国《装配式公路钢桥多用途使用手册》中的相关规定，三排单层贝雷梁结构的弯矩允许值应控制在4568.93kN·m。计算时将折减系数取值确定为0.9，只有在上下方加强型贝雷梁弯矩允许值低于这个计算值时，结构设计才合格 [3]。由该项目中的结构设计情况可知，其弯矩最大值为 2203kN，未超过 4568.93kN，因此可判断此次结构设计中应用的贝雷片弯矩允许值符合实际要求。（3）对于其中的贝雷片剪应力允许值，根据我国《装配式公路钢桥多用途使用手册》中的相关规定，三排单层贝雷梁结构的剪应力允许值应控制在698.9kN。而通过该项目中的结构计算情况可知，其剪应力允许最大值是 993.51/2=496.75kN，未超过698.9kN，因此可判断此次结构设计中应用的贝雷片剪应力允许值符合实际要求。

综合各方面内应力验算与分析结果可知，此次项目大跨度预应力现浇支架结构的内应力可满足实际工程需求。而通过有限元分析可知，该项目中的纵梁挠度最大值出现在纵梁中心处，其位移值是 10mm，未超过此次工程设计中规定的位移量（37.5mm）；两端挠度最部位的位移量是 1.3mm，同样未超过此次工程设计中规定的位移量（11mm），由此可判断其整体结构位移量也可满足实际工程需求。

（三）钢管柱设计

根据该项目设计方案，大跨度预应力现浇支架系统中应用的钢管柱为Q235 钢管，其直径是φ630mm，厚度是8mm，计算高度是9m。经计算可知，其截面轴力荷载是1732.83kN，设计中的不均匀系数取值是 1.2，因此每一根钢管柱承受的轴力荷载是 1039.7kN。根据钢管柱外径及其厚度，可计算出其内径是 φ614mm。由此可进一步计算出，钢管柱截面面积是 15632.1mm2，柱截面惯性矩是 7.561*108mm2，截面尺寸是 220mm。经进一步计算可得出，其长细比是 10.9。同时，因该项目中的钢管柱属于焊接形式的圆形截面，且其类型为b 类。根据《钢结构设计标准》GB 50017-2017 中的相关规定，设计时的轴心受压构件稳定系数（ φ_λ） 是0.79，由此可计算出，其应力值是 84.2MPa，较该项目设计要求（140MPa）低 [4]。由此可判断出，此次项目中设计的大跨度预应力现浇支架系统结构钢管柱截面轴心受压稳定性符合实际要求。根据欧拉压杆稳定公式，计算出的压杆临界力是18959.232kN，其稳定系数是压杆临界力和钢管应力之间的比值。经计算可知，其稳定系数是 18.2，已超过本次项目设计要求（4.0 以上），由此可判断该结构安全性良好。

三、大跨度预应力现浇支架施工

在完成大跨度预应力现浇支架设计后，为确保其支承防护效果，施工单位还需要结合设计标准与实际情况等，以合理的技术措施完成支架施工。此次项目中，施工单位针对该支架采取的施工技术与控制措施如下：

（一）地基处理

在该项目大跨度预应力现浇支架施工中，地基处理是一项首要内容。因为施工现场部分区域存在耕植土覆盖层，所以在支架系统地基施工前，施工单位需要先将地面淤泥、浮土和杂物等清除，然后按要求通过路基填料对其实施分层填筑处理，填筑至设计标高后通过挖机将填筑层铲平，最后通过压路机将其压实 [5]。此次项目地基处理中，压实之后的地基承载力设计值是 160kPa. 。经检测确认地基承载力符合设计标准后，施工单位需通过 C20 混凝土在其上部浇筑条形基础，按工程要求将其长宽控制为 2*1.5m，厚度控制为 50cm 。在此过程中，为避免雨水浸泡地基基础所导致的大跨度预应力现浇支架沉降情况，施工单位决定通过 C20 混凝土对条形基础 1m 内的区域实施防水浇筑，其浇筑厚度控制在 5cm，并在基础两边设置排水横坡，其坡度控制在2% 左右。

（二）施工流程

对于该项目中的大跨度预应力现浇支架结构，具体施工中，施工单位共实施了以下几项流程：（1）在条形地基基础设置好后，施工单位应按设计要求在其上做好钢板预埋工作。（2）将设计好的钢管柱焊接到预埋钢板上，使其形成一个整体结构。（3）将砂箱安装到钢管柱上，并将其焊接牢固。（4）将双拼形式的 145b 型工字钢合理安装到砂箱上，用作枕梁结构，同时将φ25mm 短钢筋焊接固定到工字钢上。（5）将三排单层上下部加强型贝雷梁安装到枕梁上部，通过 φ20mm 型对拉螺栓做好贝雷梁固定处理。（6）将 110 型工字钢安装到贝雷梁上，其间距控制为 30cm. 。（7）根据施工现场实际情况，在每一根贝雷梁上施加 50kN 的预应力，使钢管柱在预应力作用下承拉，工字钢承压，从而使整体支架向上部产生少量反拱，以消除支架自重对其整体承载力的不良影响，并有效降低支架挠度，确保支架跨度。（8）将钢模板用作底板，将定型钢模板用作侧板，严格按设计要求做好模板铺设。

（三）质量控制

为充分满足该项目对于大跨度预应力现浇支架的实际应用需求，具体施工中，严格的施工质量控制至关重要。基于此，本次项目中，施工的单位主要通过以下措施来控制该结构的施工质量：（1）所有钢管基础都应具备足够的稳定性，且排水措施一定要设置到位。（2）严格控制所有钢管柱结构垂直度，使其受力方向保持垂直，且需要严格控制其顶面高程，以确保钢管柱在整体机构中的支撑效果。（3）对于贝雷梁，施工中一定要使其大节点处在双拼形式的145b 型工字钢上，以确保整体结构受力的安全性[6]。（4）施工中的贝雷梁一定要和墩柱贴紧，以确保其结构的稳定受力。（6）在完成浇盖梁施工并达到拆除条件后，施工单位需严格按顺序将支架拆除。拆除时的顺序应刚好与安装时的顺序保持相反，即按照先装后拆、后装先拆的顺序进行拆除处理。

结束语

综上所述，在现代公路桥梁工程中，大跨度预应力现浇盖梁是一个重点和难点施工部分。且由于其施工条件复杂，施工难度较大，所以施工中需设置合理的预应力现浇支架结构作为支护，以实现结构与施工等荷载力的有效分担。基于此，工作人员应结合实际情况与项目需求等，做好此类支架结构的设计工作，并通过严格、详细的验算来确保其受力效果，以满足实际工程需求。同时，施工单位也应根据设计要求和施工现场实际情况等，以合理的技术和方法完成此类支架的设置和混凝土预应力施加等工作。如此方可充分发挥大跨度预应力现浇支架结构的应用优势，为大跨度预应力盖梁结构的高质、高效、安全施工提供有力支持。

参考文献

[1] 付斌 . 钢 - 混组合连续梁桥无支架施工技术 [J]. 工程建设与设计 ，2024（21）：157-159.

[2] 中国五冶集团有限公司 . 一种大跨度轮辐式索承屋面罩棚无支架施工方法 ：CN202410653461.2[P]. 2024-10-08.

[3] 候晓军 . 大跨度公路桥跨铁路预应力连续梁施工技术探讨 [J]. 江西建材 ，2023（9）：214-216.

[4] 郑贤鹏 . 大跨度预应力混凝土斜拉桥施工的关键技术分析 [J]. 低碳世界 ，2023（9）：139-141.

[5] 吕知鑫， 章江勇 . 大截面大跨度预应力梁支撑体系设计与施工 [J]. 长江工程职业技术学院学报 ，2023（1）：9-13.

[6] 龚永灿 . 分离式承台塔柱下横梁大跨度支架设计与施工 [J]. 黑龙江交通科技 ，2020（8）：113-114.