挑梁、鋼管樁和軍用梁支架在一次性整體現(xiàn)澆梁施工中的應(yīng)用

張軍

（中鐵隧道一處有限公司，重慶 401321）

引言

鐵路橋梁施工中現(xiàn)澆梁施工比較普遍，支架現(xiàn)澆施工已成為橋梁施工中不可或缺的重要施工方法之一[1]。支架結(jié)構(gòu)形式多樣，需要對(duì)具體場(chǎng)地具體分析，因地制宜，選擇合適的施工方案。支架體系的受力驗(yàn)算，遵循自上而下的原則，保證安全系數(shù)，以確?，F(xiàn)澆梁的施工安全和梁體的線(xiàn)性控制[2]。

1 工程概況

新建鐵路重慶至利川線(xiàn)壇子洞雙線(xiàn)中橋?yàn)樽兘孛鎀型實(shí)體梁板，與墩柱鋼構(gòu)連接，一次性整體現(xiàn)澆。橋型跨徑布置為15.5m+18m+15.5m，曲線(xiàn)曲作。橋梁位于大梁隧道出口和胡家坡隧道進(jìn)口之間，地形狹窄，橫跨V形溝谷，兩岸地勢(shì)陡峭，自然坡度超過(guò)45o。

2 支架方案選擇

由于河溝兩岸坡度大，河流上游建一水庫(kù)不定時(shí)調(diào)節(jié)庫(kù)容，最大流量為522.1m3/s，不宜采用傳統(tǒng)的滿(mǎn)堂支架。擬用橋臺(tái)預(yù)埋I45工字鋼作挑梁和橋墩處架立鋼管樁配軍用梁施工，以充分適應(yīng)山區(qū)地形條件。該方案能很好地發(fā)揮復(fù)雜地形條件下挑梁及鋼管樁的“支”[3]和軍用梁的跨越能力。

3 支架體系設(shè)計(jì)

中跨采用墩梁式結(jié)構(gòu)[2]即鋼管樁配軍用梁支架體系，鋼管樁基礎(chǔ)為混凝土并預(yù)埋高強(qiáng)螺栓將鋼管底部錨固，邊跨采用軍用梁一端置于橋臺(tái)處承臺(tái)預(yù)埋I45工字鋼挑梁處、另一端橋墩側(cè)置于鋼管樁頂部形成支架體系。鋼管樁采用Φ609×14mm鋼管，軍用梁采用國(guó)產(chǎn)“321”型貝雷片組裝成雙排單層。支架體系具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 支架體系布置圖

臨時(shí)鋼管樁為主要承擔(dān)縱橫向分配梁、縱向軍用梁、底模系統(tǒng)、混凝土和施工荷載的重要受力結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)受力按照荷載的平均分配、以最不利荷載組合進(jìn)行計(jì)算。臨時(shí)鋼管樁設(shè)置于墩身兩側(cè)，每排設(shè)置4根鋼管，墩身單側(cè)設(shè)置兩排鋼管。鋼管橫向中心間距最大為1.89m，縱向中心間距1.121m，鋼管高17.771m。鋼管用10#槽鋼進(jìn)行水平、豎向進(jìn)行加固焊接。

用Φ560鋼管作為樁帽以方便控制樁頂標(biāo)高和支架拆卸。樁頂沿縱向每根鋼管頂固定三根箱型I28a工字鋼，工字鋼計(jì)算跨徑[4]為56.1cm。在縱向工字鋼上部橫向設(shè)5根箱型I20a工字鋼作為橫梁，工字鋼的計(jì)算跨徑為152cm。橫梁上采用20#槽鋼對(duì)接焊成的鋼箱梁支撐軍用梁的端頭。

在橋臺(tái)部位的承臺(tái)預(yù)埋10根I45a工字鋼以支撐橫梁。每根工字鋼長(zhǎng)度為4m，混凝土里埋設(shè)長(zhǎng)度2.8m，挑出長(zhǎng)度為1.2m，橫向間距為77.8cm。

中跨軍用梁縱向長(zhǎng)度15m，端頭距墩身外側(cè)75cm，超出鋼箱梁橫向中線(xiàn)37.5cm。軍用梁采用雙排單層為一跨布置，中間跨設(shè)12跨，跨與跨之間緊挨無(wú)間距。軍用梁橫向用10#槽鋼與U型卡進(jìn)行橫向加固成整體。

軍用梁上每隔1.5m橫向鋪設(shè)I28工字鋼橫梁，在其上沿著縱向鋪設(shè)15cm×15cm的方木，方木橫向中對(duì)中間距為30cm，方木上滿(mǎn)鋪4cm厚的木板，木板上根據(jù)預(yù)壓的彈性變形量設(shè)置預(yù)拱度。

4 荷載計(jì)算

4.1 現(xiàn)澆鋼筋混凝土自重F1

鋼筋混凝土自重26kN/m3，中間一跨體積為192.3577m3，F(xiàn)1=192.3577×26=5001.30kN

4.2 底模自重F2、F3

15mm厚竹膠板0.098kN/m2，底模面積116.76m2，則自重為：116.76×0.098=11.44kN

木板為7.35kN/m3計(jì)，4cm厚木板自重為：116.76×0.04×7.35=34.33kN

15×15 cm方木9.018m3，方木為7.35kN/m3，則方木自重為：9.018×7.35=66.28kN

底模系統(tǒng)自重：F2=11.44+34.33+66.28=112.05kN

I28工字鋼為0.4253kN/m， 橫梁自重：F3=0.4253×11×9=42.10kN

4.3 側(cè)模自重F4

側(cè)模采用自制鋼模板，自重為F4=60kN。

4.4 其它荷載F5

施工人員及機(jī)具荷載按2.5kPa計(jì)算，由施工情況取計(jì)算寬度為1.5m，則荷載為：2.5×9.4×1.5=35.25kN，振搗混凝土產(chǎn)生荷載按2.0kN/m2計(jì)算2×1.5×9.4=28.2kN，則其它荷載F5=35.25+28.2=63.45kN。

5 方木和貝雷片受力驗(yàn)算

5.1 方木受力驗(yàn)算

根據(jù)以上計(jì)算，方木的強(qiáng)度、剛度滿(mǎn)足施工要求。

5.2 貝雷片受力驗(yàn)算

中間跨共設(shè)12跨貝雷梁，由《裝配式公路剛橋——多用途使用手冊(cè)》知雙排單層加強(qiáng)型貝雷梁每跨重量為37.24kN，[Q]=490.5kN，[M]=3375.0kN·m。

貝雷片自重：F6=37.24×12=446.88kN，貝雷梁承受總荷載：N=F+F3+F6=5725.79kN。

（1）抗剪驗(yàn)算

單排貝雷梁均荷載為：q=5725.79/(12×15)=31.81kN/m

（2）抗彎驗(yàn)算

跨中彎矩最大：

（3）剛度驗(yàn)算

貝雷梁的跨度l=15m，貝雷片的彈性模量E=2.1×105MPa，貝雷片截面的慣性矩I=573300cm4。

根據(jù)以上計(jì)算貝雷片受力滿(mǎn)足要求。

6 縱梁和橫梁受力驗(yàn)算

6.1 橫梁受力驗(yàn)算

鋼箱梁自重F7=6kN，橫梁為I20a工字鋼，自重F8=8.52×5×27.9×9.8/1000=11.65kN，每根橫梁的均布荷載為：q=（5725.79/2+6+11.65）/(5×8.52)=67.62 kN/m。

I20a工字鋼抗彎截面模量：W=237cm3，截面慣性矩：I=2370cm4

（1）抗彎驗(yàn)算

（2）抗剪驗(yàn)算

6.2 縱梁受力驗(yàn)算

縱向長(zhǎng)度2m，跨度為56.1cm。共計(jì)12根。其質(zhì)量43.4kg/m，單根自重為0.85kN，總重F9=10.2kN。I28a工字鋼，W=508.15cm3。

（1）抗彎驗(yàn)算

每根工字鋼承受集中荷載G1=(5725.79/2+6+11.65+10.2)/(4×3)=240.90kN。

則單根工字鋼承受最大彎曲應(yīng)力為：

7 鋼管樁受力驗(yàn)算

鋼管自重:205.5×17.771×9.8/1000=35.79kN，由橫梁的分配作用，單根鋼管承受的最大壓力為：N=2890.75/8+35.79=397.13kN，Φ609×14mm鋼管受力截面積A=261.69cm2。

（1）強(qiáng)度驗(yàn)算

（2）鋼管樁的穩(wěn)定性驗(yàn)算

8 挑梁受力驗(yàn)算

邊跨挑梁承受總荷載：G=2248.82kN，I45a工字鋼W=1430cm3，I/S=38.6cm，d=1.15cm。

（1）挑梁抗彎受力驗(yàn)算

承臺(tái)側(cè)面預(yù)埋10根I45a工字鋼作為挑梁承載貝雷梁，橫向間距0.78m。

挑梁受力：G=2248.82/10+0.95=225.83kN

受力點(diǎn)距離固定點(diǎn)距離0.55m，固定端處承受彎矩：Mmax=225.83×0.55=124.21 kN·m

單根I45a工字鋼承受最大彎曲應(yīng)力為：

由計(jì)算可知，挑梁的強(qiáng)度和剛度滿(mǎn)足要求。

9 支架預(yù)壓和數(shù)據(jù)分析

9.1 支架體系預(yù)壓及變形觀測(cè)

支架預(yù)壓的目的，一是檢驗(yàn)支架強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性，確保支架在施工過(guò)程中的安全可靠[5]；二是減小和消除支架及地基的非彈性變形，得到支架的彈性變形值作為設(shè)置預(yù)拱度的依據(jù)[6]。中跨試壓設(shè)計(jì)荷載為470t，試壓的最大加載為設(shè)計(jì)荷載的1.2倍。預(yù)壓材料采用砂袋模擬梁體荷載進(jìn)行預(yù)壓，加載時(shí)按規(guī)范要求分級(jí)進(jìn)行，加載順序與混凝土施工順序一致，預(yù)壓期不小于7d。

為了準(zhǔn)確測(cè)出支架的變形情況，在靠近軍用梁端頭處、軍用梁的1/4和3/4處、跨中各布置一排觀測(cè)點(diǎn)，每跨合計(jì)5排觀測(cè)點(diǎn)，每排橫向布置5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，每跨梁布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)共25個(gè)。

加載分三次進(jìn)行，分別為設(shè)計(jì)荷載的50%、100%和120%。加載前對(duì)標(biāo)高進(jìn)行觀測(cè)一次，加載至50%、100%、120%時(shí)，每級(jí)加載完畢1h后進(jìn)行支架的變形觀測(cè)，加載完畢后每4h測(cè)量一次變形值，每級(jí)持荷時(shí)間以結(jié)構(gòu)沉降不大于2mm為止。

9.2 預(yù)壓數(shù)據(jù)及預(yù)拱度的設(shè)置

沉降穩(wěn)定后，測(cè)出觀測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高，根據(jù)測(cè)得的數(shù)值進(jìn)行列表，分別列出各級(jí)荷載下的數(shù)值并進(jìn)行分析，找出其規(guī)律，然后進(jìn)行卸載。卸載順序自上而下，分層對(duì)稱(chēng)卸載，全部卸載完后測(cè)出各點(diǎn)的標(biāo)高，計(jì)算出非彈性變形和彈性變形量，通過(guò)預(yù)壓數(shù)據(jù)分析確定梁體底模預(yù)拱度，預(yù)壓數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。預(yù)拱度設(shè)置為底模高程=設(shè)計(jì)梁底高程+設(shè)計(jì)預(yù)留拱度+支架彈性變形值[7]，跨中取最大值，梁的兩端為零，按二次拋物線(xiàn)進(jìn)行分配。

表1 預(yù)壓變形量統(tǒng)計(jì)表

10 結(jié)論

對(duì)于中小跨徑的現(xiàn)澆梁施工，挑梁、鋼管樁和軍用梁的支架搭設(shè)，其結(jié)構(gòu)形式可以依據(jù)地形靈活設(shè)計(jì)、充分優(yōu)化施工方案。在結(jié)構(gòu)受力驗(yàn)算時(shí)，需考慮各項(xiàng)指標(biāo)的安全系數(shù)不小于1.5[8]。由于鋼結(jié)構(gòu)形式的多樣性和良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，可以充分發(fā)揮山區(qū)復(fù)雜地形條件下快速施工的特長(zhǎng)。

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