特大桥主桥托架与支架施工设计方案.docx
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特大桥主桥托架与支架施工设计方案
特大桥主桥托架及支架施工设计方案
一、主桥工程概况
梁济运河特大桥是济南至菏泽高速公路上的一座特大型桥梁，全长527m，位于半径R=9000m的平曲线内，曲线变化由主桥和引桥箱梁翼板长度变化形成。
主桥上部结构采用三跨60+100+60m预应力混凝土半刚构连续箱形梁，全长220m。
桥面纵坡分别为1.700％和-1.785％，变坡点位于主桥上的K122+098.00位置；桥面横坡为单向2％。
本桥按两幅分离设计，两幅间距为100cm，主桥箱梁为三向预应力结构，采用单箱单室截面，箱梁顶板宽13.5m，底板宽6.6m；梁高为2.5～5.0m不等（其中主墩墩顶梁高5.0m，跨中及边跨支点梁高2.5m，1＃～9＃块及0＃块部分梁高按二次抛物线变化，其余箱梁梁高为等高度）；翼板长度为3～4m之间不等；1＃～9＃块底板厚按二次抛物线变化，0＃块底板厚为分段线性变截面，10＃块底板为等厚；箱梁顶板设置成单向2％横坡。
箱梁除墩顶设置横隔板外，边孔、中孔合拢段各设一块横隔板。
箱梁0＃块长度10.0m，在托架或支架上现浇施工。
1＃块长度3.75m，考虑挂篮长度的原因，可采用两种施工方案，第一种方案是调整其中一副挂篮中的承重主构架的横向联结间距1m左右，使其在平面错开布置，实现1＃块的挂篮施工；第二种方案是采用在托架上现浇施工，建议采用第一种方案（挂篮施工方案）。
2#～10#梁段，每段长3.75m或4.5m，均采用挂篮悬臂浇筑施工，两个“T”构同步施工。
中孔合拢段长度3.0m，边孔合拢段长度1.5m；边孔支架现浇段长度9.93m。
梁济运河特大桥主桥除6号墩的墩梁采用刚性联结外，其余均采用盆式橡胶支座。
梁济运河特大桥主桥每座共用墩（5号、8号墩）为厚度1.6m单薄壁墩，基础为双排φ1.5m钻孔桩，桩顶设规格为10.6×6.5×2.5m的承台。
主墩（6号、7号墩）为厚度1.5m双薄壁墩，两薄壁中心距6.0m，墩高约为11.15m，基础为三排φ1.8m钻孔桩，桩顶设规格为11.9×11.9×3.0m的承台。
梁济运河特大桥主桥除8号墩位于Ⅱ级通航河道的梁济运河内（目前水深2m左右，属第四系孔隙潜水）外，其余墩（5号、6号、7号墩）均位于平坦的旱地上。
该特大桥主桥钻孔在70～90m之间，地质情况为表层0.5m左右耕植土层（对于水中为黑色的淤泥层），褐黄色、松散、稍密，以亚砂土，含植物根系；0.5～40.2m以亚砂土为主，局部地层夹杂姜石；40.2～90.4m为粘土和细砂、中砂、中粗砂及粗砂互层，平均每层2.0～3.0m厚，容许承载力最大达420kPa。
二、方案设计原则及方案的确定和选用
（一）方案设计原则
1、在确保安全质量的前提下，尽量经济的原则；
2、取材和安装方便的原则；
3、尽可能利用现有常备材料的原则；
4、尽可能利用既有结构物并尽量减少对既有结构强度影响的原则。
（二）方案的确定和选用
1、0号块
采用在墩身上设置托架方案（又分预埋式和装配式两种方案，但本设计只叙述装配式托架方案）和在承台顶面上架设碗扣式满堂支架方案，此二种方案可任选一种，但最好选择碗扣式满堂支架方案。
2、1号块
本桥现浇0号块较短，长10.0m，施工1号块时无法正常布置挂篮，可采用以下两种施工方案：
第一种方案是调整其中一副挂篮中的承重主构架的横向联结间距1m左右，使其在平面错开布置，实现1＃块的挂篮施工；第二种方案是采用在托架上现浇施工。
这两种方案中，第一种方案简单、经济；第二种方案费用高，托架加工及安装复杂，对墩身整体结构强度有一定的影响。
为此建议采用第一种方案（挂篮施工方案），第二种方案只作参考。
3、陆上边孔现浇段（5号～6号墩之间）
采用碗扣式满堂支架方案，但地基需作加固处理。
4、水中边孔现浇段（7号～8号墩之间）
采用临时墩梁式支架方案。
利用钢管桩、贝雷架、型钢等材料。
建造两个临时墩，其中一个在8号墩承台上设置钢管排架墩，另一个利用震动钢管桩作基础的水中墩。
三、0号块支架及托架方案
1、三角桁架型托架概述
根据梁济运河特大桥的特点，本桥0#块施工采用三角桁架型托架支撑。
托架的主承重架采用三角形桁架，桁架用热轧型钢组拼而成，结构受力明确，自重轻，刚度较大，变形稳定可以有效预防混凝土开裂。
托架顶面主要受力杆件采用贝雷架，连接采用J506焊条焊接，支撑端以直径32mm高强精轧螺纹钢贯通墩柱固定，装拆方便。
外模采用组合钢模，以槽钢焊接支架支撑；内模采用组合钢模，以槽钢焊接的内模支架及钢管支撑。
该托架由三角桁架、贝雷架、拉杆锚固三个基本受力系统组成，其基本结构布置图详见图1所示，节点具体布置图在后面计算检验说明书中有详细说明。
托架主承重的上桁梁采用2[28及斜撑采用2［22b槽钢焊接组成，材质为Q235钢，[σ]=215MPa，[τ]=125MPa。
次要受力杆件采用2［20a槽钢组成，横向系杆为2［20a及L125×14mm角钢焊接而成，均采用Q235钢材，E=210GPa，[σ]=215MPa，[τ]=125MPa。
托架锚固系统由直径32mm高强度精轧螺纹钢、L125×14、2cm钢垫板组成（具体尺寸见附图），钢材为40Si2Mov，屈服强度750MPa，容许拉（压）应力[σ]=0.7×750=525MPa,容许剪应力[τ]=0.5[σ]=0.58×525=304.5MPa。
2、托架结构详图（见下图）
3、托架检算
（1）、荷载分析：
托架所受荷载包括新浇砼梁体自重45t/m;内外模板及其框架重（1t/m）;支架自重（4t/m）；浇注混凝土、振捣混凝土、施工机具、冬季措施、人员等施工荷载（合计7.5KN/m2）托架结构所受静载作用图如下：
（2）、杆件内力计算：
由于杆件的弯距与剪力相对轴力来说很小，可忽略不计，各杆节点以铰节形式考虑，根据结构及荷载的对称性，取半结构进行计算，计算简图如下：
求出各杆轴向力：
N1=+19.17t；N3＝+75t；N2=-31.5t；N4＝-106.07t
（3）、构件选材及其截面特性：
（1）、（3）杆件选用2[28b组合结构，截面参数为：
A＝45.62cm2，g＝35.81Kg/m，Ix＝5118.4cm4，Wx=365.6cm3，ix＝10.59cm，Iy＝241.5cm4，iy＝2.3cm，Z0＝2.02cm，斜杆
（2）、（4）杆选用2[22b组合结构，截面特征为：
A=36.24cm2,g=28.45kg/m，IX=2571.3cm4，Wx=233.8cm3，ix＝8.42cm，Iy＝176.5cm4，iy＝2.21cm，Z0＝2.03cm。
（4）、强度检算：
①二力杆强度检算：
由于在所有杆件中（4）号杆件受力最大，且截面积最小，所以只需对（4）号杆件检算即可。
②对拉杆Ф32j高强精轧螺纹钢的检算：
单根拉杆承受的最大拉力等于N3＝18.75t，
单根拉杆承受的最大剪力为：
Qmax＝18.75t，
③对连接角钢的检算：
连接角钢采用L125×14，单块角钢承受的最大拉力为单根拉杆所受的最大剪力Qmax，
（5）、受压杆件长细比检算：
只需对（4）杆检算即可。
绕定轴x的长细比：
绕虚轴y的长细比：
按绕虚轴稳定确定分肢轴线间距C和杆截面高h按等稳定原则
λoy＝λx，可求λy和iy。
λx＝25.2分肢长细比λoy≤0.5λmax＝0.5×25.2＝12.6，取12
h＝c+2Z0＝182.32+20.3×2＝223mm，采用h＝230mm，实际c＝h-2Z0＝230-2×20.3＝189.4>100mm；由于λy＝22.6，ψ＝0.961，N/ψA＝106.07×104/0.961×72.48×102＝152.28N/mm2<215N/mm2
受压杆件缀尺寸确定：
A、构件的剪力
每个缀板面剪力为V1＝V/2＝18.33/2＝9.17KN;
B、初选缀板尺寸：
纵向高度hb≥2/3·C＝2/3×189.4＝126.27mm，厚度tb≥c/40＝4.375mm，取hb×tb＝70×6,相邻缀板中心距l1＝l01+hb，l01＝λoyXi1＝12×21.1＝253.2,l1＝253.2+70＝423.2mm;
缀板刚度和等分肢线刚度比值：
满足。
C、检算缀板强度：
弯距Mb1＝V1L1/2＝9.17×403.2/2＝1848.67KN
剪力Vb1＝V1L1/L＝9.17×403.2/189.4＝19.52KN
σ＝6Mb1/tbhb2＝6×1848.67×103/6×1702＝63.97τ＝1.5Vb1/tbhb＝1.5×19.52×103/（6×170）＝28.7N/mm2D、缀板焊缝计算：
采用三面周围角钢焊缝，计算时偏于安全地只取端部纵向焊缝，Lw200mm，焊脚尺寸hf
（焊条为E43）
hf＝2.9，用4mm。
（6）、结点焊缝强度检算
A、对于A结点即
（1）与
（2）号杆焊接为对接，焊厚t为9mm，焊长
Lw＝277.2-10＝267.2mm
B、对于B结点，
（2）号杆与角钢之间采用角焊形式，焊缝高度hf＝10mm
取
＝100mm。
（7）、A、D点竖向位移计算：
A点的竖向位移计算采用单位力法：
D点竖向位移的计算：
＝1，
＝
四、0#节段满堂支架施工方案
1、扣式脚手架概述：
根据梁济运河特大桥的特点，本桥0#节段大部分位于承台的正上方，只有极少部分翼板处在承台正上方以外，这样为使用脚手架提供了良好的支撑基础，因此采用满堂腕扣式脚手架支撑是一种交好的
方案。
腕扣式满堂支架受力明确，刚度较大，沉降量较小，拆装方便。
支架顶部采用方木满布承力，局部变形小，线形易于控制。
底模采用5cm厚平板钢模平装而成。
内、外模采用组合钢模，用角钢或槽钢焊接成支架支撑。
该支撑系统大部分直接架设在承台上，小部分支撑需地基硬化后架设在硬化层上，具体布置见附图。
支架材料采用Q235钢，[σ]=215Mpa，[τ]=0.58[σ]=125Mpa，E=2.1×105Mpa。
2、荷载分析：
支架所受荷载包括新浇混凝土梁体自重（45T/m）,内外模板及其筐架重（0.5T/m），支架自重（5T/m），计算荷载按区段内的1.5倍，所以支架所承受的总荷载为：
Nz=1.5（450×6.2+50×6.2+5×45+6.2×13.5×7.5=1785.98KN）。
3、立杆截面性质：
A=600mm2，I=240000mm4，r2=I/A，r=20mm，长细比λ=l/r=900/20=45，查表得ψ=0.929，考虑偏心影响取ψ=0.5，则杆件零界承载力Ncr=[σ]Aψ=215×600×0.5×10-3=64.5KN。
比较厂家提供其承载力为30KN，检验杆件合格，取单根杆件承载力30KN。
4、立杆承载力检算：
检算时，为了偏于安全，将总荷载全部分配腹板处的杆件中，即单根杆件所受的力为：
Nd=1785.98/174=10.26KN＜30KN,符合承载力要求。
5、补充说明：
由于支撑面小，支撑高度较高，必须加强稳定性，因此加密斜撑的间距以及使用钢管使其与墩柱连为一体；支撑承台以外的部分，先压实后浇注20cmC15混凝土。
具体布置情况见附图。
五、
主桥0#、1#节段拖架施工方案
1、三角桁架型托架概述
根据梁济运河特大桥的特点，本桥0#块施工采用三角桁架型托架支撑，又由于0#块总长度只有10米，少于安放挂篮的有效长度，因此采取0#块、1#块托架施工方案。
主承重架采用三角形桁架，桁架用热轧型钢组拼而成，结构受力明确，自重轻，刚度较大，变形稳定可以有效预防混凝土开裂。
托架顶面主要受力杆件采用贝雷架，连接采用J506焊条焊接，支撑端以直径32mm高强精轧螺纹钢贯通墩柱固定，装拆方便。
外模采用组合钢模，以槽钢焊接支架支撑；内模采用组合钢模，以槽钢焊接的内模支架及钢管支撑。
该托架由三角桁架、贝雷架、拉杆锚固三个基本受力系统组成，其基本结构布置图详见附图所示。
托架主承重的上桁梁及斜撑采用2［36a槽钢焊接组成，材质为Q235钢，[σ]=215MPa，[τ]=125MPa。
次要受力杆件采用2［20a槽钢组成，横向系杆为2［20a及L125×14mm角钢焊接而成，均采用Q235钢材，E=210GPa，[σ]=215MPa，[τ]=125MPa。
托架锚固系统由直径32mm高强度精轧螺纹钢、L200×20、2cm钢垫板、锚具组成，钢材为40Si2Mov，屈服强度750MPa，容许拉（压）应力[σ]=0.7×750=525MPa,容许剪应力[τ]=0.5[σ]=0.58×525=304.5MPa。
托架构造见附图。
2、结构检算:
A、结构各构件材料种类及其截面特性
材料种类⑴、⑵、⑶、⑷、⑸、（10）、（11）号杆件采用2[36a,截面参数如下:
A=60.89cm2,g=47.80kg/m,Ix=11874.1cm4,Wx=659.7cm3,ix=13.96cm,Iy=455cm4iy=2.73cm,E0=2.44cm;⑹、⑺、⑻、⑼号杆件采用2[20a,截面参数如下:
A=28.83cm2,g=22.63kg/m,Ix=1780.4cm4,Wx=178.0cm3,ix=128.0cm4,iy=2.11cm,E0=2.01cm。
B、结构计算图见（图1）
C、各杆件内力
将托架承受的荷载（包括静载、动载）全作用在结点上，按桁架进行计算，并考虑的安全系数为2.0，各结点作用荷载如图所示，各杆件内力计算如下：
N1=N2=+72T；N3=-108T；N4=-101.8T；N6=+76.36T；N5=N4+N3·cos45°=-101.8-76.36=-178.16T；N8=N7=N9=0；N10=+75T；N11=-106.5T
D、强度检算
①二力杆检算：
同种截面只需验算轴力最大者，困此只需检算⑸、⑹号杆件
②拉杆检算：
a.上端单根的拉杆的检算：
b.拉杆的削剪力检算：
上部单根拉杆承受的剪力:
下部单根拉杆承受的剪力为：
E、角钢检算：
选用的角钢型号为：
L200×20,A=76.505cm2;
F、受压杆件长细比检算：
根据结构受力只需对⑸号杆进行检算：
a.对实轴x的检算：
b.对虚轴y的检算：
首先按虚轴（即y轴）的等稳定性确定分肢间距c和柱截面高度h:
按等稳定原则
，可求
和
，
;分肢长细比：
取12。
精确验算虚轴稳定：
缀板间净距
采用330mm,
缀板尺寸确定及强度检算：
①杆的剪力
每缀板面剪力V1＝V/2＝15.4/2＝7.7KN。
②初选缀板尺寸：
纵向高度hb≥2/3×C＝2/3×291.2＝194.13mm，厚度tb≥c/40＝291.2/40＝7.28mm，取hb×tb＝200×8;
相邻缀板中心距l1＝l01+hb＝330+200＝530mm，具体布置如下图：
缀板刚度和等分肢线刚度比值：
满足。
③检算缀板强度：
弯距Mb1＝V1L1/2＝7.7×530/2＝2040.5KN
剪力Vb1＝V1L1/L＝7.7×530/291.2＝14.01KN
σ＝6Mb1/tbhb2＝6×204.5×103/8×2002＝38.26τ＝1.5Vb1/tbhb＝1.5×14.01×103/（8×200）＝13.13N/mm2④缀板焊缝计算：
采用三面周围角钢焊缝，计算时偏于安全地只取端部纵向焊缝，Lw200mm，焊脚尺寸hf
hf≥2.3，用6mm。
G、焊缝长度计算：
结点各构件焊接使用周围角焊，为了便于安全，只考虑恻角焊缝;计算Lw如下：
取
＝10mm
a
（1）杆与A点角焊长度:
单个焊缝的长度L1≥478.4/4＝119.6mm，取L1＝15cm；
b（3）号杆与
（1）、
（2）杆之间采用对接焊，焊长为槽钢高度，在竖向起支撑作用不必检算；
c
（1）、（6）号杆角焊的单条焊缝长度：
，取L6＝15cm；
d（7）、（8）、（9）不受力，焊接牢固即可;
e（10）号杆的单条焊缝长度：
，取L10＝15cm，（11）号杆与（10）之间采用对接焊，焊缝厚度tw为10mm，焊缝长度:
H、挠度计算：
计算B结点和C结点的挠度即可，方法采用单位荷载法。
计算简图如下：
a、B点的竖向位移计算：
在
b、C点的竖向位移计算：
在
六、5#墩现浇段满堂支架施工方案
1、碗扣式脚手架概述：
根据梁济运河特大桥的特点，本桥现浇段施工采用腕扣式脚手架支撑。
腕扣式满堂支架受力明确，刚度较大，沉降量较小，拆装方便。
支架顶部采用方木满布承力，局部变形小，线形易于控制。
底模采用5cm厚平板钢模平装而成。
内、外模采用组合钢模，用角钢或槽钢焊接成支架支撑。
该支撑系统由石灰稳定土硬化地基，混凝土条带，腕扣式脚手架几个主要受力部分组成。
其布置简图见图1所示。
支架材料采用Q235钢，[σ]=215Mpa，[τ]=0.58[σ]=125Mpa，E=2.1×105Mpa。
2、荷载设计值分析：
考虑下面两种受力情况，分配到每根杆件中，取荷载较大值进行支架设计布置。
a.荷载考虑支架预压重量Gy（取1.2倍梁自重），支架自重Gz（4.74Kg/m），模板自重Gm（0.6KN/m2），施工活荷载Gh（取5KN/m2），平均分配到每根杆件中。
G1=[1.2（Gy+Gz+Gm）+1.4Gh]/270=[1.2×（1.2×252.4+13.4×10×0.06+20）+1.4×9.93×13]/270=2.14T=21.4KN
b.考虑腹板处荷载局部集中影响，其局部受力情况如图2。
q1=2.6×2.566×0.6=4T/m，q2=2.6×0.65×0.6=1.01T/m，q3=0.06×0.6=0.036T/m，q4=0.5×0.6=0.3Tm，Q5=4.7×30÷1000=0.14T
G2=1.2×（0.3q1+0.45q2+0.75q3）+1.4×0.75q4+1.2×Q5=1.2×（0.3×4+0.45×1.01+0.75×0.036）+1.4×0.75×0.3+1.2×0.14=2.5T=25KN
取较大值作为单根立杆控制荷载G=25KN。
3、立杆截面性质：
A=600mm2，I=240000mm4，r2=I/A，r=20mm，长细比λ=l/r=900/20=45，查表得ψ=0.929，考虑偏心影响取ψ=0.5，则杆件零界承载力Ncr=[σ]Aψ=215×600×0.5×10-3=64.5KN。
比较厂家提供其承载力为30KN，检验杆件合格，取单根杆件承载力30KN。
4、立杆承载力检算：
考虑风荷载影响，取Wf=0.7KN/m2，F=0.7×9.93×2.566=17.8KN，形成对支架底部弯矩Mf=17.8×11.5=205KN.m，其对最外行杆件轴力影响值为Nf=4Mf/bn（b为支架布置宽度15.6m，n为单排杆件数量为15根），Nf=4×205÷15÷15.6=3.5KN。
N=G1+Nf=25+3.5=28.5KN〈30KN（满足承载力要求）。
5、支架底混凝土条带承载力检算：
支架底座尺寸为0.15m×0.15m，其受压应力σ=N/A=1.26Mpa〈[σ]=7.9Mpa（满足承载力要求）。
6、地基承载力检算：
由于本地区是粉沙性黏土，压缩性较大，通过加入8%石灰进行改良，改良深度为40cm，取[σ]=180KPa，混凝土条带尺寸宽度为30cm，深度为20cm，混凝土刚性角450，条带满足刚性角要求，以均布荷载考虑地基承载力。
a.石灰稳定土承载力检算：
σ=28.5÷0.3÷0.6=158〈180（满足承载力要求）.
b.40cm以下黏土承载力检算：
取单根杆件影响宽度为60cm，σ=28.5÷0.6÷0.6=79Kpa〈100KPa（由设计图纸中查得）（满足承载力要求）。
7、补充说明：
为减小承台边缘地基土不均匀沉降，满布87cm宽条带，并加密纵向斜撑；支架周围挖好排水沟，防止石灰稳定土受雨水浸泡降低承载力；墩身倒角处可先铺设塑料薄膜再浇注65cm宽度条带；现浇段底模合拢处可先向上调高20mm，，墩身处调高4mm，卸载后，根据实际预压测得数据调节。
具体布置情况见图1所示。
七、主桥边跨现浇段施工方案
1、方案概述
由于8号墩位于运河中，给边跨现浇段施工带来不便，无法使用满堂法施工，因此建议采用如下施工方案：
8号墩端采用五个钢筒支撑，钢筒底端与承台采用地脚螺栓连接，钢筒与钢筒之间通过槽钢或角钢交叉连接，使其成为一个稳定整体，另端位于水中，使用震动下沉钢筒桩，中间部分架设贝雷架，结构示意图如下：
2、打入桩数目及其布置，打入深度H的确定
①荷载分析：
钢筒所承受的荷载新浇混凝土自重25.42T/m；内外模及工字钢梁、贝雷架、筐架重5T/m；浇注振捣混凝土、施工机具堆放、人员等施工荷载（合计7.5KN/m2）。
②桩数的确定：
打入桩选用外径为50cm的钢护筒，纵向设两排，桩中心距均为200cm，横向设五排，桩中心距均为230cm，且关于桥中心线对称。
③单桩所受作用力：
④根据容许承载力确定钢筒的最小厚度dmin：
由
（
安全系数取1.5）
考虑施工及刚度、震动锤的冲击作用，取d＝5mm。
⑤打入桩深度h的确定：
主要根据桩周土的极限摩擦阻力fi及桩尖土的极限承载力R与桩承受的荷载的平衡确定。
由地质勘测报告可知地质分布极限摩擦阻力
和容许承载力R。
计算hmin时桩承受的荷载考虑1.6的安全系数即：
P＝20.145×1.5＝30.22T，计算式如下：
P：
桩的承载力（KN）;
U：
桩身截面周长（m；
li：
各土层厚度（m），见下表；
A：
桩底支撑面积（m2）；
ai，a：
震动沉桩对各土层周摩擦阻力和桩底承压力的影响系数，砂土取1.1，粘土取0.6；
：
桩周土的极限摩擦力（见下表）；
Ra：
容许承载力（见下表）
地质受力层特征表
层号
层厚（m）
岩性
状态密度
极限摩擦阻力
（KPa）
容许承载力
（KPa）
1
1.6
填筑土
2
0.4
亚砂土
稍密
20
100
3
2.5
粘土
软塑～可塑
25
120
4
4.40
亚粘土偶见小径姜石和贝壳碎片
可塑
30
140
5
2.40
亚粘土，粉粒含量高偶见小径姜石和贝壳碎片
可塑～硬塑
35
150
6
4.30
亚粘土，含姜石粒径0.5～2.0cm含量5～10％
可塑～硬塑
40
170
7
2.70
亚粘土、偶见姜石，有锈染
可塑～硬塑
40
180
8
4.30
亚粘土、见姜石径0.5～3.0cm含量5％，有锈染
可塑～硬塑
45
190
3、结构检算：
1支撑钢筒的检算：
a、钢筒厚度的确定：
该支撑使用5个外径为1m的钢筒，中间三个为主要承力部分，外边两个主要用在支撑侧模上，计算时设全部力作用在中间三个钢筒上；单个钢筒承受轴向力为：
为了安全取1.5的安全系数，
设钢的厚度为d，由
可得
考虑施工及其他构件的连接，取d＝6mm。
b、长细比检算：
本结构相当于两端绞支座l0＝L＝9.734m
类截面φb=0.92
＜
N/mm2。
②、震动钢桩的检算：
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