钢板梁桥面板现浇施工移动托架设计与分析

摘    要：在桥梁的建设过程中，虽然预制拼装工艺能够大幅度地提升施工效率，但建设规模小、分布零散的项目预制构件在城区运输成为难题，一般用移动模架现浇代替。文章以城区钢板组合梁桥面板现浇施工为背景，创新设计了针对钢板组合梁的钢结构托架和相关桥面板托架现浇施工工艺。通过对施工阶段的托架有限元仿真模拟，从整体和局部两个方面验证了托架结构设计的合理性和可靠性，为后续类似工程项目提供借鉴和参考。

关键词：结构设计;钢板组合梁;移动托架;现浇施工;有限元仿真;

0 引言

预制装配技术通过将桥梁分为一个个装配构件，在预制工厂内先一步进行装配构件的制作和检验，并将其运输到现场进行拼接吊装。预制装配技术的发展，大大提升了大型项目的施工效率，保障了城市交通的顺利通行，与现浇施工相比，对现场环境的影响几乎可以忽略不计，有利于我国推进绿色公路工业化建造[1,2,3]。但城市桥梁建设过程中，桥梁建设规模小，分布零散，城区老桥遍布，导致运输困难的问题不可忽视。预制装配施工面对小规模且运输困难的工程时，失去了预制结构大规模建设的成本分摊优点，还将面临由于道路运输困难不得不绕路的运输现状，工程经济性将大幅度地下降，因此在实际工程中通常将大规模、分布集中的项目通过预制装配的方式进行施工，针对小规模、分布离散的项目，则辅助以现浇施工的方式进行。

支架现浇是一种常规的结构现浇技术手段，技术研究和推广都相对成熟，但支架现浇侵占城市交通道路，且在混凝土形成初步强度前无法撤出，大大影响了城市居民的交通出行[4]。因此，近年来移动模架（托架）技术作为一种先进的工法被广泛应用于桥梁的现场浇筑施工。移动模架工法具备众多优点，如机械化程度高，作业周期短；不受地形影响，可用于跨江、跨河、跨海作业；以桥体自身结构做支撑，不需要搭设复杂的支架系统；设备循环利用率高，施工作业简单[5,6]；施工时不影响正常通行。

但目前对于移动模架的设计与工艺研发多是针对混凝土箱梁而言，由于钢板组合梁大规模建设时间较短，预制施工工艺较为成熟，因此对于钢板组合梁桥的桥面板移动模架涉及较少。该文探索设计一种适合于钢板组合梁桥桥面板现浇施工的移动模架，并进行了施工工艺和可行性的验证。

1 结构设计与工艺

1.1 工程背景

以安徽省高速公路建设采用的钢板组合梁桥结构为依托，工程中钢板组合梁跨径为40 m+(1～4）×40 m，桥面板宽12.5 m，承托处板厚0.4 m，悬臂处及跨中桥面板厚0.25 m。现浇桥面板采用C55混凝土。钢主梁采用直腹式双工字钢钢板组合梁。钢主梁标准间距6.7 m、梁高2.1 m，由上翼缘、下翼缘及腹板焊接组成。上翼缘宽0.8 m、下翼缘宽0.95 m。主梁跨中每8 m设置一道小横梁，支点位置4.0 m设置一道小横梁，小横梁高0.5 m。中支点和边支点分别设置中横梁与端横梁，梁高1.1 m。

其中LJ01标～LJ03标范围内的钢板组合梁桥的数量较少，分布较为分散，最有代表性的桥梁跨径为4×40 m连续钢板组合梁，桥面板运输难度相对较大，为了提高施工效率，降低施工周期，考虑对桥面板采用托架进行浇筑。

1.2 托架结构设计

翼缘板三脚架横杆、斜杆均采用I16号工字钢焊接而成。三脚架采用螺栓与钢梁腹板上焊接的钢板连接，螺栓采用M24螺栓。三脚架沿顺桥向每2 m布置一道（加劲对应位置），横杆上焊接Φ48钢管（或者带内螺纹钢管），采用顶托支撑纵向分配梁，纵向分配梁采用I10号工字钢，横向分配梁采用100 mm×50 mm方木，间距按30 cm布置，模板采用大块竹胶板。翼缘板端部设置宽度50 cm工作平台，防护栏杆高度要高出顶板不小于1.2 m，每0.6 m高设置一道横杆并挂密目网。

钢梁托架内部支架系统采用H300型钢放置在钢主梁下翼缘板上部（小横梁间距8 m），每2道小横梁之间设置2道H型钢（间距2.67 m），每边搭接长度30 cm,H型钢上方放置底托，底托上方采用Φ48×3.5 mm的钢管支架形式搭设，横向横杆间距90 cm，钢管之间采用十字扣连接。顶托上方纵向分配梁采用I10号工字钢，横向分配梁采用100 mm×50 mm方木间距按30 cm布置，模板采用大块竹胶板。为尽量减少破坏钢主梁的防腐涂层，在型钢与钢主梁接触位置垫5 mm厚橡胶垫块。

为确保支架整体稳定性，横向立杆和纵向立杆之间设置纵、横向剪刀撑和水平剪刀撑，纵、横向剪刀撑随支架同时搭设，横向剪刀撑每排设置两根，纵向剪刀撑间距和立杆间距同步分别为2.67 m和5.33 m，每根剪刀撑确保连接不少于3根钢管，并用旋转扣固定，将各道剪刀撑连接成整体。在第一排纵横向支架位置及支架顶部各设置一道水平剪刀撑。

横杆与腹板铰接处采用直径为12 cm的半圆钢板与钢梁腹板处由钢梁单位加工焊接而成，钢板厚度1 cm。斜杆与腹板铰接处采用直径40 cm的1/4圆形钢板与钢梁腹板和下翼缘拐点处由钢梁单位加工焊接而成，钢板厚度1 cm，均采用M24螺栓与横杆连接。在工字钢与钢梁直接接触不密贴部分采用两个木楔从工字钢两侧塞紧。搭建完成的钢板组合梁现浇托架结构如图1所示。

图1 钢板组合梁现浇托架结构（cm) 

2 托架系统整体受力分析

2.1 模型及荷载参数

采用Midas Civil有限元分析软件建立托架系统计算模型。各杆件的尺寸均按照方案中的型号进行建模。在立柱上下方按照铰接考虑。

根据现场施工过程，模型考虑结构自重、施工临时荷载（2.5 k N/m2）、施工临时堆放荷载（2 k N/m2）、混凝土湿重（26 k N/m3）、风荷载（0.32 k N/m2）。

2.2 托架整体应力水平

在结构自重、桥面板混凝土湿重的共同作用下，在荷载基本组合下支承托架的总体应力分布如表1所示。

表1 托架主要杆件整体受力水平

计算结果表明，该桥桥面板浇筑所用的托架结构形式较为合理，各杆件的正截面强度验算均满足要求，最大应力为外侧托架188.5 MPa，小于材料的设计强度190 MPa，安全系数为1.008。最大剪应力为梁底分配梁56.1 MPa，小于材料的抗剪设计强度110 MPa，安全系数为1.961。纵向采用I10工字钢作为分配梁，配置横向间距0.3 m的方木可满足承载能力的要求。现场加强纵向工字钢与外侧三角托架之间的连接，以提高三角托架的稳定性，避免三角托架出现纵向变位。

3 托架局部受力分析

3.1 外侧三角托架与内侧主梁连接受力分析

为了分析侧向托架与钢腹板的接头采用耳板形托架连接是否可满足局部承载的要求，建立空间有限元板单元模型对其局部受力进行分析。

外侧三角托架与钢梁腹板局部连接位置在模板自重、混凝土湿重及施工荷载作用下总体应力水平均较低，最大应力基本在53.2 MPa以内，加劲肋受到托架作用，加劲板上下位置的应力略大，耳板局部最大应力为53.2 MPa，总体应力水平较低。下耳板局部连接开孔位置出现110 MPa的最大Mises应力，应力均小于材料强度，可满足承载能力要求。

焊缝长度为100 mm，耳板厚度为20 mm，耳板承受的横桥向拉力值为120 k N，按照简化计算方法σ=F/l/t，计算得到焊缝的抗拉应力为60 MPa，小于角焊缝强度设计值。开孔板位置挤压应力按照简化计算方法进行计算σc=F/d/t，耳板厚度为20 mm，销轴直径为24 mm，单个销轴传递荷载为60 k N，计算得到局部挤压应力值为60 000/20/24=125 MPa，小于材料的端部承压强度280 MPa。

结合上述开孔板计算结果，每个螺栓孔采用一根M24螺栓进行连接。考虑两个螺杆受力的不均匀性和1.5倍的不均匀系数，则螺杆的剪应力为132 MPa，小于材料强度280 MPa，满足受力要求。

3.2 内侧支架与主梁下缘连接受力分析

为了分析在混凝土桥面板施工过程中混凝土湿重及连接局部对钢梁永久结构的影响，建立了钢梁全桥有限元模型进行分析。由于桥面板混凝土浇筑采用二次浇筑方式进行，在浇筑第一批混凝土时双主梁为开口截面，在浇筑第二批混凝土时，由于第一批混凝土参与受力，此时混凝土桥面板与双主梁可形成闭口框架结构。因此在计算中考虑混凝土的实际浇筑顺序，分为两种计算工况进行计算，计算工况1为跨中混凝土浇筑工况，此时所有荷载均施加在裸钢梁上。工况2为支点附件混凝土浇筑，浇筑第二批混凝土时第一批浇筑的混凝土参与受力。在建模计算中考虑结构的对称型，采用半桥（2跨）结构建立空间实体有限元分析模型。

3.2.1 工况1结构受力分析

浇筑第一批混凝土时由于双主梁为开口截面，截面的抗扭刚度较小，故在外侧托架作用下钢主梁会出现顶缘向外侧变形，下缘向内侧变形。在设置临时拉杆结构后钢梁的总体横向变形可控，最下横向变形为9 mm。

在浇筑第一批混凝土时，在混凝土湿重、支架自重及施工荷载作用下钢梁各截面受力水平如表2所示。

表2 钢梁各截面受力水平

可知，钢梁各截面的Mises应力均在可控范围内，最大应力出现在边跨跨中上缘位置，该位置的最大应力为230 MPa，小于钢梁的设计强度270 MPa，安全系数为1.174。在工况1受力水平下，主梁下翼缘H300型钢支撑位置应力均在100 MPa，满足局部支撑的要求。

3.2.2 工况2结构受力分析

在浇筑第二批混凝土时，由于第一批混凝土参与受力，此时混凝土桥面板与双主梁可形成闭口框架结构，截面的抗扭刚度可以有效提高，故在外侧托架作用下钢主梁会出现顶缘向外侧变形，下缘向内侧变形，但是变形的量值可以得到有效的控制。此时在混凝土浇筑时支点附件钢梁的总体横向变形可控，最下横向变形为3 mm。

在浇筑第二批混凝土时在混凝土湿重、支架自重及施工荷载作用下，第二批混凝土浇筑过程中局部应力增量均在80 MPa以内。在中间H300型钢横梁位置的应力为70 MPa左右，处于可控状态。在支点位置出现的最大应力均在80 MPa以内，与第一批混凝土浇筑时该区域的应力100 MPa相叠加，成桥时该区域的应力控制在180～190 MPa，应力水平合力，结构安全可靠。

4 结语

研究结果表明：针对整体结构而言，所设计的托架结构形式较为合理，主要承重杆件的型号选择合理，各杆件的正截面强度验算均满足要求，最大应力为189 MPa，小于材料的设计强度，最大剪应力为56.1 MPa，小于材料的抗剪设计强度110 MPa。对于局部节点而言，耳板的焊缝和打孔局部构造的受力状态较好，强度验算均满足要求，耳板的局部应力均可控制在80 MPa以下。

该文针对钢板组合梁桥面板现浇托架结构设计安全可靠，该类托架结构的设计方法可为今后同类型组合梁桥面板现浇托架设计提供参考依据。

参考文献

[1] 孙策.城市桥梁预制装配化绿色建造技术应用与发展[J].世界桥梁,2021(1):39-44．

[2] 夏元将.预制装配式桥梁在公路建设中的应用简述[J].居舍,2020(31):37-38.

[3] 徐童.混凝土桥梁全预制装配施工技术[J].科学技术创新,2020(12):118-119．

[4] 苏自祝.公路桥梁工程建设中的满堂支架现浇梁施工工艺[J].低碳世界,2022(9):175-177.

[5] 吴海涛.移动模架在小半径曲线箱梁施工中的运用研究[J].工程建设与设计,2023(1):192-194.

[6] 李建齐.移动模架顶推安装与整体吊装施工方法的对比分析[J].四川水泥,2022(11):140-142.

文章来源交通科技与管理 2023,4(12),27-29