新建張?zhí)畦F路太師莊特大橋54.5m簡支拱支架設(shè)計與施工

曾 濤

(中鐵六局集團北京鐵路建設(shè)有限公司，北京100036)

新建張?zhí)畦F路太師莊特大橋54.5m簡支拱支架設(shè)計與施工

曾 濤

(中鐵六局集團北京鐵路建設(shè)有限公司，北京100036)

以新建鐵路張家口到唐山鐵路太師莊特大橋54.5m簡支拱工程施工為例，對該簡支拱支架設(shè)計進行了詳細的闡述，并通過數(shù)值計算對支架結(jié)構(gòu)進行了檢算，對主梁的支架法施工進行了具體的講述，結(jié)合施工現(xiàn)場的實際施工情況，說明該支架設(shè)計和主梁施工方案滿足施工現(xiàn)場的要求，該計算成果滿足施工安全、穩(wěn)定的要求.

支架設(shè)計；簡支拱橋；施工技術(shù)

1 工程概況

圖1 太師莊特大橋54.5m簡支拱整體效果圖

太師莊特大橋是張?zhí)畦F路重點橋梁工程之一，位于河北省張家口市萬全縣境內(nèi)，為單線橋，全長1.39km，跨110國道簡支拱橋是太師莊特大橋右線部分.跨110國道采用1-54.5m簡支拱跨越，墩號為5#-6#，梁總寬10.6m.主梁結(jié)構(gòu)采用雙主縱梁的縱橫梁體系，跨度54.5m，支座中心線至梁端1.0m，梁全長56.5m.拱肋采用啞鈴型鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，計算跨度為54.5m，拱肋矢高12.0m，矢跨比為1：4.54，拱軸線為二次拋物線.兩榀拱肋中心距為9.2m，2拱肋截面高2.0m，鋼管直徑為0.8m，拱管內(nèi)灌注C50補償收縮混凝土，整體效果如圖1所示.

2 鋼管拱橋施工支架設(shè)計

2.1 設(shè)計說明

太師莊特大橋右線跨越110國道，設(shè)計立交要求為24.5×5.5m，上跨結(jié)構(gòu)形式采用1-54.5m簡支拱，在公路兩側(cè)設(shè)置5#和6#簡支拱主墩，5#、6#墩高為6.5m，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式采用鉆孔灌注樁加混凝土承臺，樁徑為1.25m，樁長分別為22m和26m，每墩均為12根樁基；承臺設(shè)計形式均為單級承臺，尺寸為14.3m×9.1m×2.5m，5#承臺距離110國道邊緣最近處約6m，6#承臺距離國道邊緣最近處約6.1m.系梁施工采用高位現(xiàn)澆-落梁施工方法，與公路路面最小凈距為5.0m，滿足凈空4.5m要求.

2.2 碗扣支架與門洞支架計算

(1)鋼管拱施工支架設(shè)計方案

鋼管拱橋主梁施工采用碗扣滿堂支架+門洞方案，其中跨110國道橋軸線方向約17m區(qū)域采用斜交門洞方案,門洞兩側(cè)采用碗扣滿堂支架方案.碗扣滿堂支架立桿間距0.6m，步距1.2m，在主縱梁區(qū)域橫向按0.3m布置，在非主縱梁區(qū)橫向按0.6m布置.門洞長33m,立柱采用609*10mm無縫鋼管，間距4m；門洞縱梁為雙I45b工字鋼；門洞橫梁采用I45b型鋼，中間21m區(qū)域按0.3m間距布置，兩側(cè)按0.5m間距布置.施工支架如圖2所示.

圖2 鋼管拱橋主梁施工支架立面圖(尺寸單位cm)

(2)碗扣支架計算

根據(jù)現(xiàn)場實際分析，主梁最不利截面尺寸如圖3所示.

圖3 主梁最不利截面(尺寸單位m)

荷載取值為：新澆混凝土容重26kN/m3；混凝土澆筑振搗沖擊荷載按2kN/m2考慮；人群、機具荷載2.5kN/m2；模板、方木及支架荷載取3kN/m2；新澆混凝土及模板荷載組合系數(shù)為1.2；施工人員、機具及混凝土振搗和沖擊荷載的組合系數(shù)為1.4.碗扣支架縱向間距為0.6m，則其計算結(jié)果如圖4所示.

圖4 支架立桿受組合荷載

從以上計算結(jié)果可知，頂托立桿最大軸力為N=27Kn<[N]=40kN，頂托滿足強度和穩(wěn)定性要求.

(3)門洞支架計算

以1-1位置處的橫梁(I45b工字鋼)計算為例，對計算進行說明，截面位置與受載區(qū)域如圖5所示.

圖5 1-1截面位置與橫梁受載區(qū)域尺寸

橫梁所受分布荷載取值為：新澆混凝土容重26kN/m3；混凝土澆筑振搗沖擊荷載按2kN/m2考慮；人群、機具荷載2.5kN/m2；模板、方木及支架荷載取3kN/m2；新澆混凝土及模板荷載組合系數(shù)為1.2；施工人員、機具及混凝土振搗和沖擊荷載的組合系數(shù)為1.4.門洞橫梁在主縱梁區(qū)所受的組合均布荷載為21.2kN/m；門洞橫梁在非主縱梁區(qū)所受的組合均布荷載為6.5kN/m.

1-1位置的橫梁最不利計算模型與分析結(jié)果如圖6-圖9所示.

圖6 橫梁計算模型(尺寸單位為m) 圖7 彎矩圖(kNm)和正應(yīng)力(MPa)

圖8 剪力圖(kN) 圖9 變形圖(mm)

計算結(jié)果最大正應(yīng)力σ=102MPa

(4)門洞縱梁計算

門洞縱梁采用雙I45b工字鋼布置，最不利門洞縱梁計算模型如圖10所示，計算結(jié)果如圖11-13所示.

圖10 最不利門洞縱梁計算模型(尺寸單位m) 圖11 彎矩圖(kNm)

圖12 剪力圖(kN) 圖13 變形圖(mm)

計算結(jié)果，門洞縱梁工字鋼的最大正應(yīng)力σ=124MPa

2.3 鋼管立柱及基礎(chǔ)計算

軸心壓力設(shè)計值=936kN；截面面積A=185.354cm2；繞X軸彎曲的計算長度Lx=900cm；繞Y軸方向計算長度Ly=900cm；繞X軸方向上截面慣性矩Ix=80675.314cm4；繞Y軸方向上截面慣性矩Iy=80675.314cm4；材料抗壓強度設(shè)計值f=205MPa；容許長細比[λ]=150.

λx=λy，根據(jù)λy查表得穩(wěn)定系數(shù)=0.886.

所有鋼管立柱基礎(chǔ)為C25混凝土條形基礎(chǔ)，基底寬度為1m，則一根鋼管立柱的基地應(yīng)力為：σ=936/1/4=234kPa,要求基底承載能力不小于[σ]=250kPa[2].

3 鋼管拱橋的施工技術(shù)

上部結(jié)構(gòu)采用先梁后拱施工，主梁為縱橫梁體系預(yù)應(yīng)力混凝土板梁，采用支架現(xiàn)澆法分段施工，共分為3個現(xiàn)澆段和2個合龍段.主梁施工完成后，安裝上部拱肋，拱肋鋼管在梁上搭設(shè)支架安裝，拱肋安裝完成后，進行混凝土頂升施工，達到設(shè)計強度，安裝、張拉完吊桿，最后拆除現(xiàn)澆梁底部模板及支架.

3.1 梁體現(xiàn)澆段支架搭設(shè)

本橋梁體分3段進行預(yù)制，中間現(xiàn)澆段長21m，兩端拱腳現(xiàn)澆段長16.25m.為保證施工期間110國道正常通行，梁體采用滿堂支架+門洞支架現(xiàn)澆，兩端采用碗扣滿堂支架搭設(shè)，中間用鋼管柱+工字鋼門洞搭設(shè)，門式支架凈寬凈高滿足110國道雙向車道通行凈空5m條件.梁體支架在拱肋及吊桿全部施工完畢后拆除.

(1)滿堂支架及鋼管柱基礎(chǔ)處理

碗扣架支架搭設(shè)前，先采用人工配合挖掘機將表層及排水溝中松土挖出，換填級配砂礫并分層回填用壓路機壓實.對于樁基承臺基坑周邊采取分層回填人工用小型夯機夯實，回填整平后進行釬探試驗，保證承載力滿足支架要求，最后在頂面澆筑15cm厚C25素混凝土墊層，作為支架基礎(chǔ).

(2)支架預(yù)壓

梁體砼采用大節(jié)段分階段澆筑施工，長度16.25m×21m×16.25m，其中兩個合攏段長度為1.5m，理論斷面重量如表1所示.

表1 理論斷面重量表

由于拱腳段長度為8.649m，寬度為1.4m，其箱室投影面大部分在5、6號墩身上，其中承臺和墩身為穩(wěn)定剛性基礎(chǔ)，此基礎(chǔ)不會出現(xiàn)非彈性變形，因此只需得到支架的變形值即可，預(yù)壓重量分布如表2所示.

表2 預(yù)壓重量分布表

3.2 主梁梁體施工

(1)模板制作和安裝

模板采用組合鋼模板和多層板，10cm×10cm的木方作為背楞，Φ48mm鋼管和可調(diào)頂托作支承.梁底設(shè)計為拋物線形狀，設(shè)計要求中間主梁最大預(yù)拱度1.31cm，兩側(cè)滿堂支架和中間門洞工字鋼彈性變形量通過支架預(yù)壓得到，最終預(yù)拱度由設(shè)計預(yù)拱度和支架變形量疊加確定立模標高，在底模安裝時確保底模頂標高滿足預(yù)拱度要求.

(2)鋼筋、波紋管的加工及安裝

系桿拱現(xiàn)澆梁鋼筋加工及安裝的特點是鋼筋密、預(yù)埋件多、彎曲鋼筋多，施工要求高.應(yīng)嚴格執(zhí)行規(guī)范，鋼筋綁扎時，用墨斗在底模邊標出位置，確保施工質(zhì)量.進場鋼筋應(yīng)提供質(zhì)量保證書，并按照規(guī)范要求進行原材料力學(xué)性能試驗，各項試驗合格后方可用于工程.鋼筋加工配料時，要按施工規(guī)范及圖紙要求正確計算鋼筋下料長度，減少焊接量和斷頭廢料.通常受力主筋的連接采用搭接焊.受力主筋焊接或構(gòu)造鋼筋的綁扎接頭應(yīng)設(shè)置在內(nèi)力較小處.梁鋼筋按設(shè)計圖紙在鋼筋加工場內(nèi)進行加工，梁鋼筋現(xiàn)場綁扎時,因縱橫梁內(nèi)有大量的預(yù)埋預(yù)應(yīng)力管道，焊接盡量在波紋管埋置前進行，這樣可以保證不使預(yù)應(yīng)力波紋管損壞，當普通鋼筋與波紋管位置發(fā)生矛盾時，對鋼筋的位置進行調(diào)整，確保預(yù)應(yīng)力筋管道位置準確.鋼筋綁扎前由測量人員復(fù)測模板的平面位置及高程，其中高程包括按支架的計算撓度所設(shè)的預(yù)拱度.

(3)混凝土澆筑與振搗

混凝土的配合比設(shè)計、拌和、運輸、澆注、養(yǎng)護，均按規(guī)范和監(jiān)理工程師的指示進行施工.混凝土澆筑前應(yīng)對模板和預(yù)埋件進行認真檢查，清除模板內(nèi)的雜物，并用清水對模板進行認真沖洗.澆注砼為C50泵送砼，澆筑過程中腹板用插入式振搗器振搗，梁砼澆筑時一次整體澆注，砼澆筑采用砼泵車泵送砼，砼的坍落度控制在180±20mm.

澆筑砼的總體順序為：由低處向高處方向斜向分層澆筑振搗，澆筑順序按照先澆注縱橫梁再澆注橋面板.每層澆注厚度控制在30cm，下層混凝土振搗密實后方可再澆筑上層混凝土.混凝土振搗以人工振搗為主.插入式振動器距鋼束錨墊板10cm，不得直接碰撞錨墊板，同時再注意不得損壞預(yù)應(yīng)力管道.鋼束靠近模板的地方和錨墊板處鋼筋密集，下料振搗困難時采取隨下料隨振搗的方法.每一插點振搗時間以20～30秒為宜，一般以混凝土表面呈水平并出現(xiàn)均勻的水泥漿和不再冒氣泡為止，不顯著下沉，表示已振實，即可停止振搗.

在混凝土澆筑完成后，應(yīng)在初凝后及時進行養(yǎng)護，養(yǎng)護采用土工布覆蓋混凝土表面，灑水養(yǎng)護，混凝土灑水養(yǎng)護的時間為7天，每次灑水養(yǎng)護以保持混凝土表面經(jīng)常處于濕潤狀態(tài)為準.

(4)預(yù)應(yīng)力張拉及合龍段施工

混凝土強度及彈性模量達到設(shè)計值的100%后，按設(shè)計要求張拉端橫梁及中橫梁的預(yù)應(yīng)力.預(yù)應(yīng)力分階段一次張拉完成，并兩端同步張拉，左右對稱進行，最大不平衡束不超過1束.張拉過程中采用雙控措施，預(yù)應(yīng)力值以油表計數(shù)為主，伸長值進行校核，張拉過程中應(yīng)保持兩端的伸長量基本一致.將現(xiàn)澆段與合龍段的接觸面進行鑿毛處理，然后在支架上綁扎梁部合龍段鋼筋，并澆筑混凝土.待合龍段混凝土強度和彈性模量均達到設(shè)計值的100%后，且保證張拉時梁體混凝土齡期不小于5天，按照圖紙張拉順序張拉剩余預(yù)應(yīng)力束.張拉完成后及時進行壓漿，壓漿水泥強度等級不低于M50，水泥漿攪拌結(jié)束至壓入管道的時間間隔不應(yīng)超過40min，壓入管道的水泥漿應(yīng)飽滿密實.壓漿完成后恢復(fù)錨槽位置梁體鋼筋，并澆筑封錨混凝土[3].

4 結(jié)語

以新建鐵路張家口到唐山鐵路太師莊特大橋54.5m簡支拱工程施工為例，對該簡支拱支架設(shè)計進行了詳細的闡述，并通過數(shù)值計算對支架結(jié)構(gòu)進行了檢算，對主梁的支架法施工進行了具體的說明.結(jié)合施工現(xiàn)場的實際施工情況，說明該支架設(shè)計和主梁施工方案滿足施工現(xiàn)場的要求，對類似工程在跨越既有道路臨時結(jié)構(gòu)設(shè)計上有很好的借鑒價值.

[1] 周水興，何兆益，鄒毅松.路橋施工計算手冊[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2] 滿洪高，李君君，趙方剛.橋梁施工臨時結(jié)構(gòu)工程技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2012.

[3] 向中富，鄒毅松，楊壽忠.新編橋梁施工工程師手冊[M].北京：人民交通出版社，2011.

[責(zé)任編輯：尤書才]

The Design and Construction of 54.5-metre Simply Supported Arch Framework in the Newly-built Taishizhuang Bridge of Zhangjiakou-Tangshan Railway

ZENG Tao

(Beijing Railway Engineering Corporation China Railway Sixth Group Ltd., Beijing 100036, China)

Taking the construction of 54.5-metre Simply Supported Arch Framework in the Newly-built Taishizhuang Bridge of Zhangjiakou-Tangshan Railway as an example, this paper expounds the design of simply supported arch framework, and checks the index of the framework with detailed numerical calculation. With reference to the actual situation of its construction, the design of arch framework and construction scheme of main girder meet the requirements of the construction site, and the results of calculation meet the requirements of construction safety and stability.

framework design; simply supported arch; construction technique

2017-03-20

曾 濤(1982-)，男，黑龍江黑河人，中鐵六局集團北京鐵路建設(shè)有限公司工程師.

U445.4

A

2095-2910(2017)02-0074-05