浅析中小跨径悬臂浇筑箱梁与满堂支架箱梁的选择

浅析中小跨径悬臂浇筑箱梁与满堂支架箱梁的选择

廖然 李文治

（温州市交通规划设计研究院有限公司 325000）

摘要：变截面连续箱梁是目前我国公路上跨河流、山坳或公路及市政道路时比较常见的梁式桥型式，而挂篮悬臂法浇筑及支架法浇筑是该种桥梁上部结构比较常见的施工方法。本文结合温州某公路35+60+35m变截面连续箱梁为工程实例，利用桥梁博士V4.4.1有限元分析软件对桥梁结构进行分析技术，并结合设计难度、结构经济成本、施工成本、施工周期及施工影响等方面进行分析对比，为类似桥梁的设计提供经验。

关键词：变截面连续箱梁 挂篮悬臂浇筑 门洞式支架浇筑

0 引言

随着我国公路建设的投资不断增加，公路的线形指标要求亦越来越高，公路的桥隧比逐年升高，以桥梁跨越河流、山坳或道路情况也随之增加。在跨越中等河道或较宽的公路及市政道路时，变截面连续梁以结构体系具有变形小、结构刚度强、伸缩缝数量少、行车舒适等优点获得国内公路设计单位的青睐。

目前我国公路变截面连续梁多以挂篮悬臂浇筑法与支架法施工最为常见。本文从勘察设计的角度出发，对上述不同施工方案的变截面连续梁进行分析和探讨，可以为往后类似桥梁提供参考。

1 挂篮悬臂浇筑箱梁介绍

1.1 挂篮悬臂浇筑箱梁概况

挂篮悬臂法施工是在已完成施工的主墩上，延桥梁纵桥向按特定长度对称浇筑箱梁节段的施工方法。箱梁的0号块及边跨现浇段在支架或托架上进行减小施工，其余节段均采用挂篮浇筑。

1.2 挂篮悬臂浇筑箱梁施工介绍

主梁结构施工时主要的施工顺序为：1）墩顶0号块及边跨现浇段施工；2）施工主墩顶墩梁的临时固结体系；3）挂篮安装并进行调试；4）移动挂篮，依次对称浇筑各悬臂节段至最大悬臂浇筑状态；5）浇筑边跨和龙段；6）浇筑中跨合拢段、完成结构体系转换。

1.3 挂篮悬臂浇筑箱梁特点分析

挂篮悬臂浇筑法由于采用了挂篮施工，极大地减少对运营中的桥下道路的交通干扰和影响。同时该施工方法免去大量使用支架及施工机具，具有较高的经济性特点，可有效的节约施工成本。但是由于悬臂节段浇筑的特点，在每一节段施工时，需对浇筑的节段养生并保证砼的强度及28d龄期的弹模到达相关要求后，才可对箱梁的钢束进行张拉锚固；随着悬浇节段数量的增加，该施工方法需消耗大量施工工期，桥梁的施工周期较为长。

2 支架浇筑箱梁介绍

2.1 支架浇筑箱梁概况

支架法施工是指在施工现场搭设好的支架上铺设模板并现浇桥梁上部结构的施工方法，常见的有满堂式支架及钢管+贝雷梁式组合支架；其中由钢管+贝雷梁式组合支架可衍生出在贝雷梁上铺设盘扣式支架所形成门洞支架。

2.2 支架浇筑箱梁施工介绍

门洞式支架浇筑法施工的主要施工顺序为：1）地基处理并预压后施工混凝土基础及钢管立柱；2）安装贝雷梁及盘扣式支架；3）支架预压消除变形；4）安装箱梁模板并完成后续的上部结构施工。5）拆除支架。

2.3 支架浇筑箱梁特点分析

门洞式支架浇筑施工由于采用一体式浇筑，施工时虽然需进行分层依次对底板、腹板、顶板进行浇筑，但其不像悬臂浇筑法施工节段多，可有效节省工期；且施工过程中由于采用了门洞式结构，也可以保证桥下交通流、最小限度减小对通行的影响；同时由于支架顶部设置了可调结构，对于变截面箱梁的梁底线形可更加贴合设计要求。

但是由于该施工方案需大量采用钢管柱、贝雷梁及盘扣式支架，支架费用较高；同时由于搭设支架需要较大的施工场地，施工时现场管理难度极大。

3 工程案例

3.1 地质概况

桥址区域位于山前海积平原区及低山丘陵区，地势平坦。平原区表部分布填土，厚度薄，上部分布海积黏土、淤泥，软塑、流塑，厚约8.0～13.0m。丘陵斜坡表部分布含黏性土碎石土，厚度较小，局部强～中风化基岩出露；下伏基岩以晶屑凝灰岩为主，中风化层岩体较完整，岩质较硬，物理力学性质较好。

3.2 工程概况

浙江省温州市某公路上跨某地方市政道路，公路桥梁宽度为27.0m，下穿市政道路路基宽度为40.5m。为考虑远期市政道路交叉口渠化改造、并保证桥墩承台不侵入路基范围内，本桥考虑采用35+60+35m预应力混凝土变截面连续箱梁。

桥梁上部结构混凝土采用C50混凝土，采用单箱三室截面，箱梁整幅顶板宽度扣除护栏挂檐后为2680cm；箱梁挑臂长度为310cm，端部厚度为25cm，根部厚度为60cm，挑臂根部下设R=150cm圆倒角；箱梁梁底高程曲线采用1.8次方抛物线，箱梁跨中及边支点梁高为220cm，中支点梁高为380cm，底板厚度由30cm过渡至60cm。腹板为斜腹板，坡率按1.7:1设置，腹板标准段宽度为50cm。

图1 1/2箱梁标准截面

3.3 结构纵向构造对比

挂篮悬臂浇筑法箱梁：主梁墩顶段设置0号块，长度为800cm；纵桥向以0号块为基准两侧各对称设置1～7号悬浇节段，长度分别为2×300+2×350+3×400cm；边跨现浇段长度为392cm（扣除伸缩缝宽度），边跨及中跨合拢段长度均为200cm。

主梁纵桥向布置如图二所示。

图2 挂篮悬臂浇筑箱梁纵向构造

门洞式支架现浇箱梁：箱梁梁高变化情况与挂篮悬浇箱梁一致，均为由220cm按1.8次方抛物线过渡至380cm，纵桥向不分节段。

图3 门洞式支架现浇箱梁纵向构造

3.3 结构钢束设置对比

变截面连续箱梁采用纵、横、竖向的三向预应力体系，其中箱梁纵向及横向钢束采用公称直径为15.2mm的高强度低松弛预应力钢绞线，箱梁竖向采用JL32精轧螺纹钢。

挂篮悬臂浇筑法箱梁：由于该施工方式的特殊性，悬臂浇筑时箱梁为“T”形悬臂结构，承担负弯矩为主，故而在每个阶段处，需根据施工节段的应力，配置一定悬浇钢束（腹板束及顶板束）；同时根据合龙受力体系转换后的应力情况，也配置了一定的边、中跨合龙束（顶板束及底板束）通过齿块锚固于顶、底板。

图4 挂篮悬臂浇筑箱梁纵向钢束示意

门洞式支架现浇箱梁：该方式箱梁采用一次落架的方式成型，施工过程纵向无需分段实施并且未涉及体系转换。该施工方式的变截面连续箱梁与常规连续梁一致，在保证结构弯矩及应力满足规范的要求下，设置了顶、底及腹板束；同时相比于挂篮悬臂浇筑箱梁结构分节段的原因，可取消一定数量的顶、底板悬浇束及和龙束。

图5 支架浇筑箱梁纵向钢束示意

4 不同施工型式桥梁结构受力

4.1 计算模型情况

本文针对挂篮悬浇及支架现浇方案，分别采用桥博V4.4.1建立空间有限元模型并按现浇全预应力构件进行分析计算，分析单元采用梁单元模拟，结构离散图如图5-6所示。

图6 结构离散示意图

4.2 正截面抗弯计算

本文根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)第5.1.2条的规定，对挂篮悬臂浇筑箱梁及支架现浇箱梁的正截面抗弯承载力进行计算，结果如表1所示：

表1 承载能力极限状态正截面抗弯承载力(kN·m)

根据计算结果，上述施工方案的箱梁持久状况承载能力极限状态下的正截面承载能力均满足规范要求。

4.3 正截面抗裂计算

本文根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)第6.3.1条第1款规定，对挂篮悬臂浇筑箱梁及支架现浇箱梁的正截面拉应力进行计算，结果如表2所示：

表2 正常使用极限状态正截面应力(MPa)

根据计算结果，上述施工方案的箱梁持久状况正常使用极限状态下的正截面应力未出现拉应力，均满足规范有关全预应力构件要求。

4.4 斜截面抗裂计算

本文根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)第6.3.1条第2款规定，对挂篮悬臂浇筑箱梁及支架现浇箱梁的斜截面主拉应力进行计算，结果如表3所示：

表3 正常使用极限状态斜截面主应力(MPa)

根据计算结果，上述施工方案的箱梁持久状况正常使用极限状态下的斜截面主拉应力均＜0.4ftk=1.06MPa，均满足规范有关全预应力构件要求。

4.5 正截面及斜截面压应力计算

本文根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)第7.1.5条第1款及7.1.6规定，对挂篮悬臂浇筑箱梁及支架现浇箱梁的正截面发现压应力与斜截面主压应力进行计算，结果如表4-5所示：

表4 持久状况正截面压应力(MPa)

表5 持久状况主压应力(MPa)

根据计算结果，上述施工方案的箱梁持久状况下的正截面压应力及主压应力均满足规范要求。

5 方案比选

5.1 设计难度对比

挂篮悬臂浇筑箱梁，由于自身特性其节段数量较多，同时需考虑其施工过程中“T”型悬臂构件的受力特点，需要根据施工阶段的受力情况配置悬浇束，总体而言设计难点较大；

门洞式支架现浇箱梁，其施工过程不涉及结构体系转换，按一次落架的受力过程进行建模计算，设计难度较悬浇箱梁而言较为简单。

5.2 结构经济成本对比

挂篮悬臂浇筑箱梁由于需设置较多的悬浇束及合拢束，并且钢束锚固截面设置齿块数量偏多，总体自身结构建安费偏高；

门洞式支架现浇箱梁，按成桥阶段受力情况配置钢束，齿块数量相较而言也相应地少，自身结构建安费较悬浇箱梁略低。

5.3 施工成本对比

挂篮悬臂浇筑箱梁由于施工场地的要求较低，其施工成本主要投入主要在于挂篮的搭设、调试及租赁费用；同时由于挂篮悬臂施工周期一般较长导致其总体的施工成本相对较高。

门洞式支架现浇箱梁在支架及钢管柱的地基处理要求严格，一般来说其地基处理费用远

高于悬浇箱梁；另外由于大量采用了盘扣式支架及贝雷梁与钢管柱，其支架的安、拆费用及支架的租赁费用使得施工成本也大幅度地上升，总体施工成本高于悬浇箱梁。

5.4 施工效率及施工影响对比

挂篮悬臂浇筑箱梁由于节段现浇并考虑挂篮行走等原因，施工周期远高于支架现浇箱梁；但其施工过程中对桥下的交通通行扰动小，施工过程中噪音、震动均低于支架现浇箱梁。

门洞式支架现浇箱梁虽然采用了门洞式结构，但一般需在桥下道路处设置临时支墩，对桥下的交通通行有一定的影响；另外支架的安、拆及施工过程中，产生的噪音及震动较明显。

6 结论

本文以某工程35+60+35m变截面连续箱梁为例，在对挂篮悬臂浇筑箱梁及门洞式支架现浇箱梁采用桥梁博士V4.4.1建立有限元分析计算模型计算、并结合设计难度、结构经济成本、施工成本、施工周期及施工影响等方面进行分析对比，得出以下结论：

（1）门洞式支架现浇箱梁施工周期较短但施工成本高于挂篮悬臂浇筑箱梁，同时其施工时对桥下交通的影响、施工产生的噪音和震动对周边环境的影响高于挂篮悬臂浇筑箱梁。

（2）在跨越河流、山坳等地形地貌受限或跨越运营期间的高等级公路的路段，建议优先挂篮悬臂浇筑箱梁方案。

（3）在跨越未修建的规划路或在项目工期受限的特殊需求下，可采用支架现浇箱梁方案。