灘涂地段現(xiàn)澆連續(xù)箱梁支撐體系的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

焦衛(wèi)峰，冷平

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；2.中交一航局總承包工程分公司，天津 300461）

1 工程概況

海濱大道北段二期工程（疏港三線(xiàn)立交～蟶頭沽）位于天津市濱海新區(qū)境內(nèi)，是濱海新區(qū)“八橫四縱”高速路網(wǎng)的重要組成部分。本標(biāo)段工程南起自永定新河河口南側(cè)海濱大道疏港三線(xiàn)立交，向北先后跨越疏港四線(xiàn)和規(guī)劃的永定新河主河道，沿線(xiàn)以高架橋的形式在海灘灘涂地向北延伸，最終在蟶頭沽村東北側(cè)與海濱大道北段高速公路主線(xiàn)收費(fèi)站相接，路線(xiàn)全長(zhǎng)9.12 km，其中橋梁段長(zhǎng)8.6 km，道路長(zhǎng)0.52 km，工程全部位于海擋以外的沿海灘地之中，全線(xiàn)按照高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)行車(chē)速度80 km/h。

工程所處濱海新區(qū)灘涂地段，表層為吹填土層和灰褐色淤泥層，層厚4～10m，高含水量，呈流塑狀，地質(zhì)條件極差，施工受潮水影響大。

本工程現(xiàn)澆連續(xù)變截面箱梁共計(jì)1005m，墩位分別為 0～3號(hào)，31～42號(hào)，58～62 號(hào)，76～87號(hào)，每跨分左右2幅，每幅29垮合計(jì)58跨，兩幅橋間距為2m?，F(xiàn)澆箱梁?jiǎn)畏畲髮挾?2.239 m，最大厚度2.6m，單跨最大長(zhǎng)度66m。

2 支撐體系設(shè)計(jì)

2.1 總體思路

由于本工程現(xiàn)澆連續(xù)箱梁全部位于海擋外淺灘上，工程所處位置地基受潮水、吹填等因素影響大，現(xiàn)澆箱梁本身跨度大，高度高，重量大，因此對(duì)支撐體系設(shè)計(jì)提出了很高要求。支撐體系方案設(shè)計(jì)是否合理，直接關(guān)系到箱梁的施工安全和最終質(zhì)量。因此，為確保箱梁施工安全、質(zhì)量、進(jìn)度，綜合考慮各種因素，改變了傳統(tǒng)的用鋼管樁基礎(chǔ)+滿(mǎn)堂腳手現(xiàn)澆箱梁支撐結(jié)構(gòu)作為支撐體系的方案，利用了整體鋼桁架+永久系梁承臺(tái)支撐體系方案，該方案支撐體系由上至下分別為竹膠板、木方、腳手管、木方、工字鋼和薄壁圓管桁架結(jié)構(gòu)。每跨橋梁中最下面的支撐桁架結(jié)構(gòu)沿橋跨方向分片布置，每片桁架支撐于緊鄰橋墩柱兩側(cè)的系梁上，桁架結(jié)構(gòu)以上垂直于橋軸線(xiàn)方向均勻布設(shè)工字鋼梁，工字鋼梁上鋪設(shè)木方、腳手管、木方、竹膠板。支撐體系結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 支撐體系結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與驗(yàn)算

支撐結(jié)構(gòu)擬使用Q235材質(zhì)的40a工字鋼以及Q235（或Q345）薄壁圓管桁架（尺寸和材質(zhì)有待于計(jì)算確定）結(jié)構(gòu)。通過(guò)計(jì)算分析，得到每跨橋梁的箱梁施工中所需要的工字鋼最大擺放間距和數(shù)量，以及桁架結(jié)構(gòu)的基本尺寸。

2.2.1 支撐體系設(shè)計(jì)基本步驟

1）根據(jù)單跨橋梁的箱梁重量和上部支撐結(jié)構(gòu)傳遞下來(lái)的重量、及下部支撐桁架的間距，以工字鋼梁抗彎強(qiáng)度作為控制因素，確定各橋跨中工字鋼的布設(shè)間距及所需數(shù)量；

2）根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，得出各橋跨中單片桁架所承受的作用力，選出控制荷載，以桁架結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度、軸向強(qiáng)度、壓桿穩(wěn)定性和豎向位移等作為控制因素，得到桁架的最優(yōu)尺寸。

2.2.2 設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

1）工字鋼

工字鋼梁支撐于桁架結(jié)構(gòu)上，其支撐跨度由各片桁架之間的距離確定，桁架結(jié)構(gòu)布置在橋墩柱兩側(cè)。由于每跨橋幅跨度和寬度、單跨重量均不相同，因此需對(duì)每跨橋梁的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，本文僅選取Z83～Z84排架作為范例進(jìn)行介紹。該排架主要參數(shù)見(jiàn)表1。

作用在工字鋼梁的荷載，包括單跨箱梁自重和工字鋼梁、竹膠板、方木、箱梁側(cè)模板的自重。計(jì)算中，近似地將工字鋼梁、竹膠板、方木、箱梁側(cè)模板的自重按4倍的工字鋼梁的自重考慮。

工字鋼梁的跨中最大彎矩按鉸支連續(xù)梁計(jì)算，工字鋼梁上的荷載按均布線(xiàn)荷載計(jì)算，計(jì)算公式如下。

最大跨距的跨中彎矩：

作用工字鋼梁上線(xiàn)荷載：

以上兩式聯(lián)立求解可以得到單跨工字鋼梁所需最小數(shù)量：

進(jìn)而得到工字鋼梁鋪設(shè)的最大間距：

其中：Mmax為材料可以承受的最大彎矩；G總為單跨箱梁重量；G工為單根40a工字鋼梁重量；B為橋幅寬度；L為橋跨跨度；lmax為中間墩柱最大有效計(jì)算間距，lmax=中間墩柱最大間距-桁架鋼管直徑，桁架鋼管直徑取為0.8m；N工為單個(gè)橋跨內(nèi)所需40a工字鋼梁數(shù)量；d1為工字鋼梁鋪設(shè)的最大間距；fy為I級(jí)熱軋鋼強(qiáng)度，取為210N/mm2；K為結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，取1.5，該安全系數(shù)為綜合安全系數(shù)，包括結(jié)構(gòu)自重荷載系數(shù)、混凝土澆注振搗荷載系數(shù)、材料強(qiáng)度安全系數(shù)；Wz為工字鋼梁截面抗彎系數(shù)，40a工字鋼為1090 cm3。

根據(jù)上述公式可計(jì)算出所需40a工字鋼梁的數(shù)量。考慮到單根工字鋼梁的實(shí)際長(zhǎng)度小于橋幅寬度，工字鋼梁布置時(shí)需要搭接長(zhǎng)度，故單跨橋內(nèi)所需工字鋼重量按下式計(jì)算：

其中：[B]為實(shí)際所需工字鋼梁長(zhǎng)度，當(dāng)跨中橋幅長(zhǎng)度＜23.0m時(shí)，取24.0m，當(dāng)跨中橋幅長(zhǎng)度處于23.0～30.0m之間時(shí)，取30.0m；m工為40a工字鋼梁線(xiàn)質(zhì)量，為67.6 kg/m。

經(jīng)計(jì)算Z83～Z84排架工字鋼所需最小數(shù)量和最大間距見(jiàn)表2。

表2 Z83～Z84排架工字鋼所需最小數(shù)量和最大間距

2）桁架結(jié)構(gòu)

①桁架承受的荷載計(jì)算

桁架結(jié)構(gòu)作為下部支撐結(jié)構(gòu)，承受上部結(jié)構(gòu)傳遞下來(lái)的荷載。設(shè)計(jì)時(shí)各跨的桁架結(jié)構(gòu)尺寸按最不利情況考慮，即對(duì)每個(gè)橋跨中傳遞到單個(gè)桁架上的荷載均進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)比較得出桁架結(jié)構(gòu)承受的最大荷載，以此為控制荷載計(jì)算出桁架結(jié)構(gòu)的基本尺寸。

單片中間桁架所承受的最大線(xiàn)荷載：

單片邊桁架所承受的最大線(xiàn)荷載：

其中：q1max為單片中間桁架所承受的最大線(xiàn)荷載；B1為中間墩柱最大計(jì)算間距，B1=中間墩柱最大間距+墩柱直徑，墩柱直徑為1.8m；q2max為單片邊桁架所承受的最大線(xiàn)荷載；B2為橋幅邊緣最大計(jì)算間距，B2=橋幅邊緣最大間距+墩柱半徑，墩柱半徑為0.9m；

單純數(shù)詞兒化(如“零兒”)，或單純量詞兒化(如“分兒”)的現(xiàn)象非常少見(jiàn)，而數(shù)量短語(yǔ)兒化卻較為多見(jiàn)。數(shù)量短語(yǔ)兒化常常表示程度輕、數(shù)量少的意思。如：

經(jīng)計(jì)算Z83～Z84排架最大線(xiàn)荷載見(jiàn)表3。

表3 Z83～Z84排架最大線(xiàn)荷載

②桁架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

桁架所用材料為薄壁圓管，根據(jù)薄壁圓管抗彎要求，實(shí)際承受抗彎應(yīng)力不能超過(guò)材料許可應(yīng)力，將桁架結(jié)構(gòu)上部水平桁架桿作為等跨連續(xù)梁處理，其上面作用有均布荷載，根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)可以得到水平桁架桿受到的最大彎矩為：

水平桁架桿可以承受的最大彎矩為：

聯(lián)立上述兩式，可以求得桁架結(jié)構(gòu)中水平桿的最大跨距Lmax。其中：Lmax為桁架結(jié)構(gòu)中水平桿的最大跨距；q為作用于桁架上的最大線(xiàn)荷載，取為1.47×105N/m；fy為鋼管材料強(qiáng)度；K為結(jié)構(gòu)安全系數(shù)取1.5；Wz為鋼管截面抗彎系數(shù)，薄壁圓管；

根據(jù)上述公式，選擇最大線(xiàn)荷載作為控制荷載，可以計(jì)算各種管材所允許的水平桿的最大跨距如表4。

表4 管材所允許的水平桿最大跨距

基于上述計(jì)算，設(shè)計(jì)出三種桁架方案，用于桁架的優(yōu)化設(shè)計(jì)和比選。以各橋跨中的最大跨度36m作為桁架結(jié)構(gòu)下部水平桿的長(zhǎng)度（兩個(gè)48m跨度暫不予考慮），上部水平桿長(zhǎng)度為31m，桁架結(jié)構(gòu)的豎直高度取為11.2m（上下水平桿的中心間距）。桁架結(jié)構(gòu)的材料和尺度方案如表5。

表5 桁架結(jié)構(gòu)的材料和尺度方案

經(jīng)計(jì)算得出三種桁架結(jié)構(gòu)方案的桿件軸向應(yīng)力、壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)和結(jié)構(gòu)最大豎向位移，并計(jì)算出三種方案的鋼材用量，三種方案具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 三種方案具體計(jì)算結(jié)果

③計(jì)算結(jié)果

圖2 方案三具體結(jié)構(gòu)尺寸

3 支撐系統(tǒng)施工

3.1 鋼桁架加工

本工程鋼桁架設(shè)計(jì)完成后，全部委托專(zhuān)業(yè)廠家進(jìn)行加工制作，所有焊縫均采用E4303焊條焊接。各主要構(gòu)件的對(duì)接焊縫質(zhì)量要求達(dá)到二級(jí)焊縫標(biāo)準(zhǔn)。鋼結(jié)構(gòu)的制作和安裝嚴(yán)格按照GB 50205—2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

3.2 堆載試驗(yàn)

1）支架堆載試驗(yàn)?zāi)康?/p>

為檢驗(yàn)地基的彈性變形值，作為施工預(yù)留沉降量的一部分，同時(shí)為消除非彈性變形，并檢查地基和支架的穩(wěn)定性。本工程選擇了Z83～Z84排架進(jìn)行了堆載試驗(yàn)。

2）施工步驟

①加載：按荷載總重的0→25%→50%→120%→50%→25%→0進(jìn)行加載及卸載，并測(cè)得各級(jí)荷載下的觀測(cè)點(diǎn)變形值。

②觀測(cè)：壓載時(shí)在支架、基礎(chǔ)上設(shè)置若干沉降、變位觀測(cè)點(diǎn)以便對(duì)沉降、變位進(jìn)行觀測(cè)。荷載施加120%后，前4 h每小時(shí)觀測(cè)一次，以后每4 h觀測(cè)一次，并測(cè)量各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)；壓重24 h后，再次測(cè)量各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

③卸載：直至最后3 d的平均沉降值小于3mm時(shí)方可卸載。

3）堆載施工

為方便起見(jiàn)，選擇了鋼筋做為預(yù)壓材料，預(yù)壓荷載為箱梁自重的1.2倍。

第一次加載105捆鋼筋，在壓載區(qū)域均勻擺放一層鋼筋，總重246 t，為總荷載的22.6%。支架系統(tǒng)穩(wěn)定無(wú)異常情況，鋼桁架桿件應(yīng)力變化無(wú)異常。

第二次加載210捆鋼筋，在壓載區(qū)域均勻擺放兩層鋼筋，總重492 t，為總荷載的45.2%。支架系統(tǒng)穩(wěn)定無(wú)異常情況，無(wú)側(cè)向和軸向位移。鋼桁架桿件應(yīng)力變化無(wú)異常。

第三次加載590捆鋼筋，在壓載區(qū)域均勻擺放三層鋼筋，然后在腹板位置按照腹板荷載適當(dāng)增加預(yù)壓鋼筋。經(jīng)計(jì)算總重1339 t，為總荷載的123%。壓載后，按事先布置好的沉降觀測(cè)點(diǎn)對(duì)本次壓載后83～84號(hào)排架桁架的沉降情況進(jìn)行觀測(cè)，得出各點(diǎn)最終累計(jì)沉降結(jié)果見(jiàn)表7。

從堆載及觀測(cè)情況看，本排架地基和支架總沉降量最大值36mm，位于跨中。堆載完畢3 d后趨于穩(wěn)定。

表7 83～84號(hào)排架各點(diǎn)最終累計(jì)沉降mm

根據(jù)堆載試驗(yàn)取得的沉降數(shù)據(jù)，考慮到支架的壓縮變形，將跨中預(yù)拱度設(shè)置為55mm。同時(shí)，由于翼緣沉降量較小，而且橋面板橫向鋼束張拉對(duì)翼緣有上抬趨勢(shì)，因此，將兩側(cè)翼緣的跨中預(yù)拱度設(shè)定為10mm。1/4跨處預(yù)拱度設(shè)定為35mm。

3.3 支架搭設(shè)

鋼桁架加工制作完成并運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后開(kāi)始進(jìn)行支撐平臺(tái)搭設(shè)，施工采用吊機(jī)配合人工進(jìn)行。支撐平臺(tái)搭設(shè)按照預(yù)先設(shè)計(jì)的桁架數(shù)首先在承臺(tái)系梁上擺放鋼桁架，鋼桁架擺放完成后，在桁架頂面垂直橋向方向鋪設(shè)工字鋼，工字鋼與桁架采用點(diǎn)焊連接，型鋼鋪設(shè)完成，依次在型鋼上布設(shè)15×15木方、可調(diào)節(jié)腳手管、12×12木方、竹膠板底模。為施工方便，整個(gè)支架設(shè)計(jì)為可拆裝體系?，F(xiàn)場(chǎng)施工情況見(jiàn)圖3。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)施工情況

3.4 支架拆除

箱梁施工完成強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求值后方可拆除支撐體系，拆除由上至下依次進(jìn)行，即先拆除腳手管，然后底板模板，40a工字鋼，鋼桁架。由于箱梁施工完畢后，拆除作業(yè)空間變小，同時(shí)還要保證桁架在拆除過(guò)程中不能影響下次正常使用，所以桁架拆除難度很大，為便于拆除施工，采取以下步驟：

1）采用經(jīng)過(guò)改裝的三臺(tái)挖掘機(jī)配合進(jìn)行。具體做法為：在三臺(tái)中型挖掘機(jī)的挖斗上分別焊上吊點(diǎn)，然后穿上8.5 t的高強(qiáng)卡環(huán)。最后用25mm（1吋）的鋼絲繩將桁架上玄桿和卡環(huán)捆鎖在一起。其中兩臺(tái)挖掘機(jī)鎖在一片桁架上，另外一臺(tái)挖掘機(jī)鎖在另外一片桁架上。主要為了保證另外一片桁架的穩(wěn)定。三臺(tái)挖掘機(jī)同時(shí)向上將桁架頂起，以消除桁架法蘭處螺栓的受力，方便螺栓的拆除。

2）法蘭打開(kāi)后將吊起的一片桁架與另一片桁架錯(cuò)開(kāi)，然后兩臺(tái)挖掘機(jī)交替后退將桁架緩緩地拉出墩柱。

3）緩慢將桁架放倒。放倒穩(wěn)固后，解開(kāi)與挖掘機(jī)的連接。用挖掘機(jī)將桁架拖出箱梁范圍，然后裝車(chē)運(yùn)走。以此類(lèi)推，由外到內(nèi)逐片進(jìn)行拆除。

4 結(jié)語(yǔ)

本工程鋼桁架支撐系統(tǒng)工藝是在灘涂軟土地基上進(jìn)行現(xiàn)澆連續(xù)箱梁施工的一次有益嘗試。經(jīng)實(shí)踐，本支撐體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，施工過(guò)程具有整體性好，安全可靠等特點(diǎn)，達(dá)到了預(yù)期效果。通過(guò)采用整體鋼桁架作為支撐，有效解決了軟土地基支架基礎(chǔ)沉降過(guò)大的問(wèn)題，確保了支撐體系的安全，箱梁的線(xiàn)形和高程也得到了有效控制，箱梁施工質(zhì)量?jī)?yōu)良，觀感良好。由于該工程的多重特殊性，施工時(shí)引起各界關(guān)注，通過(guò)精心組織和安排，注重技術(shù)管理和過(guò)程控制，質(zhì)量、進(jìn)度、安全均取得了良好效果，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

[1] JTJ041—2000，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2] 周水興，何兆益，鄒毅松，等.路橋施工計(jì)算手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3] JTJ021—89，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[4] GB 50009—2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].