高速公路跨既有線現(xiàn)澆連續(xù)箱梁門洞支架施工技術

張育綺

(中鐵十八局集團第四工程有限公司，天津 300350)

1　工程實例概況

某高速公路立交工程跨既有公路，與該公路交叉部位有主線左右幅14#～15#墩位，跨度為24 m，為普通現(xiàn)澆箱梁，梁高1.5 m，與既有公路交叉里程為K43+750；Z1匝道與既有公路交叉區(qū)域為4#～5#墩位，跨度為33 m，為預應力現(xiàn)澆箱梁，梁高1.75 m，與既有公路路交叉里程為K43+900；Z2匝道與既有公路路交叉區(qū)域為7#～8#墩位，跨度為30 m，為預應力現(xiàn)澆箱梁，梁高1.75 m，與既有公路路交叉里程為既有K43+600。

2　門洞支架的設計與受力計算

2.1　門洞支架設計

既有公路作為客運、貨運的重要通道，車流量很大，在施工時需要保持通行狀態(tài)，連續(xù)梁過路部分采用混凝土條形基礎上螺旋鋼管支架工字鋼的組合方式跨越既有公路?？缭郊扔泄番F(xiàn)澆箱梁門洞設置原則是保證既有公路通行的順暢性。經(jīng)現(xiàn)場調查及工程本身的特點以及交管部門的要求，決定每個過路部位的門式支架設置兩個門洞，每個門洞凈寬為7 m，限高4.8 m。門洞基礎采用混凝土條形基礎，條形基礎高寬均為1.0 m，采用C20混凝土進行澆筑。混凝土條形基礎布置如圖1所示。

圖1　條形基礎布置

支墩均采用φ600鋼管柱，柱間距為2 m，鋼管柱采用焊接的形式固定在預埋在混凝土基礎內的鋼板上。鋼管柱頂設置40 cm高沙箱(由于梁底與現(xiàn)狀路之間的凈空較低，為保證限高要求，支架的橫梁與箱梁底模之間只能鋪設兩層方木，為保證后續(xù)架子的拆除，此處設置沙箱用作拆除支架時調節(jié)高度)，沙箱頂設置I40b雙拼工字鋼，長度12 m，工字鋼間采用焊接形式進行固定。I40b雙拼工字鋼頂設置I40b工字鋼作為縱梁，工字鋼長9 m?？v梁頂上兩層方木，橫向15 cm×15 cm，凈間距為0.15 m；縱向10 cm×10 cm，凈間距為0.2 m。方木頂上鋪設箱梁底模板。

2.2　受力計算

2.2.1荷載計算

2.2.1.1梁體自重計算(按Z1匝道4#～5#跨計算)

選用靠墩柱處箱梁截面作為危險截面，該危險截面面積S=4.55 m2，在門洞上的橋梁荷載：

箱梁自重：G砼=4.55×2.6×10=118.3 kN/m

2.2.1.2模板計算

箱梁底模、翼緣板模板均采用1.5 cm厚木膠板，側模采用定制鋼模，平均質量為400 kg/延米?，F(xiàn)澆箱梁頂寬為7.76 m，箱梁底寬3.52 m，主要受力范圍為翼緣板下5.73 m范圍內；箱梁腹板周長為6.15 m；箱梁木模外緣長為5.26 m；兩個門洞凈寬均為6 m。模板容重為7.5 kN/m3。則每延米：

G模板=(6.15+5.26)×0.015×0.75 t/m3×10+4=5.28(kN/m)

2.2.1.3方木計算(密度取7.5 kN/m3)

經(jīng)計算縱梁頂上方木總重為：

G方木=[(1/0.3)×0.152×8+(8/0.3)×1×0.12]×7.5=6.5(kN/m)

2.2.1.4施工人員、施工料具運輸、堆放荷載計算

由《路橋施工計算手冊》[1]查得，以上荷載取2.5 kPa，則

q人、機、料=2.5×8=20 kN/m(q是指均布荷載)

2.2.1.5傾倒混凝土時產(chǎn)生的沖擊荷載計算

由《路橋施工計算手冊》查得，該均布荷載取2.0 kPa，每處作用面積按1.0 m2計，則：F1=1×2.0=2.0 kN

2.2.1.6振搗混凝土產(chǎn)生的荷載計算

由《路橋施工計算手冊》查得，該均布荷載取2.0 kPa，振搗作用半徑按0.5 m計，則：F2=π×0.52×2.0=1.6 kN。

2.2.1.7集中荷載計算

F=F1+F2=3.6 kN。

2.2.2縱梁驗算

由于橋梁走向與既有路之間屬于斜交，本著受力合理原則，工字鋼在滿足受力的情況下，盡量與橋的方向一致，所以凈寬為7 m的門洞工字鋼的凈距為8 m，采用長度為12 m的I40b工字鋼作為縱梁。

I40b工字鋼自重q工字鋼=73.8 kg/m，慣性矩IX=22 780 cm4，截面抵抗矩WX=1 140 cm3，腹板厚度δ=12.5 mm，IX/SX=33.6 cm。

2.2.2.1強度驗算[2]

作用在工字鋼上的線荷載：

q=[G砼+G模板+G方木+q人機料]×1.2+q工字鋼=[118.3+5.28+6.5+20]×1.2+0.738=180.83 kN/m；

作用在工字鋼上的集中荷載為：

F=F1+F2=3.6 kN；

最大彎矩：

M1=ql2/8=180.83×82÷8=1 446.67 kN·m，

M2=Fl/4=3.6×8÷4=7.2 kN·m，

Mmax=M1+M2=1 453.87 kN·m，

ó=M/W=1 453.87×106/1 140×103=1 275.3 MPa，

n=ó/[óW]=1 275.3 MPa/145 MPa=8.8根，

5.73/8.8=0.65 m。

因此，箱梁底板工字鋼每0.6 m一根就能滿足要求。

2.2.2.2剛度驗算[2]

工字鋼每0.6 m一根時，箱梁底板布置為11根。

f=5ql4/(11×384EIx)=5×180.83×103×84/(11×384×2.1×22 780)=18.3 mm<8 000÷400=20 mm。

滿足要求。

2.2.2.3抗剪驗算

Q=1/2×180.83×8+1/2×3.6=725.12 kN，

τ=QSx/Ixδ=(725.12×103)/(336×10×12.5)=17.26 MPa<85 MPa(已考慮1.2的安全系數(shù))。

主線橋計算方式同上，經(jīng)計算箱梁底板工字鋼每1.2 m一根就能滿足要求。

2.2.3分配梁受力檢算

分配梁采用雙拼I40b工字鋼，長度12 m，工字鋼頂上采用1 cm厚、30 cm寬、12 m長的鋼板進行橫向鎖結。

I40b工字鋼自重q工字鋼=73.8 kg/m，慣性矩IX=22 780 cm4，截面抵抗矩WX=1 140 cm3，腹板厚度δ=12.5 mm，IX/SX=33.6 cm。

鋼管柱間距為2 m，在梁底板5.73 m范圍內計算工字鋼受力情況即可。

2.2.3.1強度驗算

作用在工字鋼上的線荷載：

q自重=q工字鋼×1.2×2=1.78 kN/m；

2 m范圍內分配的荷載：

F=180.83×2/5.73×8+3.6/2×2/5.73 kN=505.56 kN；

最大彎矩：

M1=ql2/8=1.78×22÷8=0.89 kN·m，

M2=Fl/4=505.56×2÷4=252.78 kN·m，

Mmax=M1+M2=253.67 kN·m，

ó=M/W=253.67×106/1 140×2×103=111.25 MPa，

ó=111.25 MPa<[óW]=145 MPa，

滿足要求。

2.2.3.2剛度驗算

f=Fl3/(2×384EIx)=505.56×103×23/(2×384×2.1×22 780)=0.11 mm<2 000÷400=5 mm。

滿足撓度要求。

2.2.3.3抗剪驗算

Q=1/2×505.56+0.89×2/2=253.67 kN，

τ=(QSm/Imδ)/2=(253.67×103)/(336×12.5×2)=30.19 MPa<85 MPa。

滿足要求。

主線計算方法同上，經(jīng)計算，工字鋼每0.7 m一根就能滿足要求。

2.2.4鋼管支墩結構受力檢算

取中墩上鋼管柱做檢算：(因為兩個門洞有一半的上部荷載均作用于中墩處)鋼管柱高3 m，在容許長細比范圍內。

此處只需驗算匝道即可，中間鋼管支墩承受上部傳來的荷載為：

N=180.83×8+3.6×0.5=1 448.44 kN。

單根Φ600×10 mm鋼管承受荷載為：N=1 448.44 kN÷4根=362.11 kN。

鋼管穩(wěn)定性計算模型為一端固結一端自由。經(jīng)查詢塘沽本地100 a內最大風力為0.6 kN/m2，鋼管慣性矩Ix=80 675.313 cm4，截面面積A=185.354 cm2，l=350 cm，截面抵抗矩W=π(D4-d4)/32D=2 687.813 8 cm3，長細比λ=l0/i；i=(I/A)1/2；l0=ul；u=2(u為長度因數(shù)，一端固定一端自由的細長桿取2)，故λ=700/20.86=33.5<150(受壓桿件的柱結構容許長細比為150)穩(wěn)定性符合要求。

由λ查軸心受壓桿件的穩(wěn)定系數(shù)表，

Φ=0.909；MW=1/2ql2=0.36×3.52=4.41 kN·M，

σ=N/ΦA+MW/W=362.11 kN/0.909[π/4(R2-r2)]+4.41/2 687.813 8=21.45+0.001 6=21.452 MPa<140 MPa。

穩(wěn)定性符合要求。

2.2.5基礎檢算

以2#混凝土基礎為例。

采用鋼筋混凝土條形基礎，承受上部傳來的荷載產(chǎn)生的壓強為：

鋼管自重：

G1=152 kg/m×3 m/根×11根=50.16 kN；

混凝土條形基礎自重：

G2=25×1.0×1.2×25 kN/m3=750 kN，

P=(N+G1+G2)/S=(1 448.44+750+50.16)/(25×1)=89.94 kPa;

既有公路路面與地基基礎能滿足施工要求。

3　支架施工

3.1　條形基礎地基處理

由于門洞寬度的需要，條形一部分要處在路肩部位，占用路肩部位寬約50 cm。需將路緣石拆除后清除路肩處表面素土，清除至路基結構層回填山皮土，為保證地基穩(wěn)定性，回填區(qū)域以路面邊緣為基準向外擴張2 m，回填區(qū)域分層逐級壓實，每層25 cm，處理方式如圖2。

圖2　既有路路肩基礎處理方式

為保證施工后鋼管柱結構安全，門洞基礎邊緣與鋼管柱邊緣保證一定的安全距離，以防止車輛撞到鋼管柱，條形基礎端距第一根鋼管柱距離為1 m。同時，在門洞基礎兩側安置防撞砂桶，以保證門洞的安全性。

門洞基礎定位采用坐標定位法，即門洞設計完成后，在橋梁平面布置圖上標明門洞位置，并查出各點坐標，門洞施工前按照坐標定位基礎，以保證門洞基礎位置的準確性。

條形基礎模板采用木膠板，采用10 cm×10 cm方木作豎向背肋，間距30 cm，采用普通鋼管雙拼設置上中下三道作為橫向背肋，并設置上中下三道對拉絲，間距60 cm。澆筑混凝土前將鋼筋骨架按配筋圖綁扎完畢與鋼管柱基礎的預埋鋼板(如圖3～4)水平固定?；炷翝仓r，采用插入式振搗棒進行振搗。

圖3　預埋鋼板平面圖

圖4　預埋鋼板立面圖

3.2　鋼管柱安裝

在條形基礎施工完畢后即進行鋼管柱的安裝。利用吊車進行安裝鋼管柱，采用焊接形式，將鋼管柱焊接到預埋鋼板上，安裝時為保證鋼管柱的垂直度，安裝過程要用水平尺進行控制(具體焊接方式如圖5～6)。為保證鋼管柱的穩(wěn)定性，鋼管柱之間采用10槽鋼焊接剪刀撐進行加固連接。

圖5　鋼管柱與預埋鋼板焊接平面圖

圖6　鋼管柱與預埋鋼板焊接立面圖

在鋼管柱安裝完畢后，施工門洞上部的沙桶、雙拼工字鋼以及I40b工字鋼等。沙桶與鋼管柱之間以及雙拼工字鋼與沙桶之間均采用焊接形式固定(如圖7)。

圖7　沙桶及雙拼工字鋼結構圖

3.3　安放工字鋼

縱向工字鋼采用I40b工字鋼，工字鋼與條形基礎垂直放置。由于工字鋼的搭設與橋梁走向有一定的夾角，所以在安裝工字鋼前統(tǒng)一按照計算書中的計算長度在工字鋼中精確標出，并留有明顯痕跡，工字鋼的間距在雙拼工字剛上由橋梁中點向橋梁邊排布，用記號筆將間距標出。用25T吊車進行吊裝，在安裝時將I40b工字鋼上的標記與雙拼工字上的標記相對應，既保證了工字鋼之間的間距，也保證了工字鋼的有效工作長度。

3.4　支架預壓

支架預壓的目的：檢查支架的安全性，確保施工安全。消除地基非彈性形變和支架非彈性形變的影響，有利于橋面線形控制。本工程擬按跨段分段預壓法進行預壓，預壓方法依據(jù)箱梁砼重量分布情況，在搭好的支架上堆放砂袋，重量不小于箱梁自重的1.2倍。施工前，將每袋砂石按標準重進行分包準備好，然后用汽車吊進行吊裝就位，并按箱梁結構形式合理布置砂袋數(shù)量。

1)加載順序：分3級加載，第1、2次分別加載總重的30%，第3次加載總重40%。

2)預壓觀測：觀測位置設在每跨的L/2，L/4處及墩部處，每組分左、中、右3個點。在點位處固定觀測桿，以便于沉降觀測。

采用水準儀進行沉降觀測，布設好觀測桿后，加載前測定出其桿頂標高。第1次加載后，每2 h觀測1次，連續(xù)兩次觀測沉降量不超過3 mm，或沉降量為0時，進行第2次加載，按此步驟，直至第3次加載完畢。第3次加載沉降穩(wěn)定后，可進行卸載。

支架日沉降量不得大于2.0 mm(不含測量誤差)，一般梁跨預壓時間為3 d。卸壓完成后，要再次復測各控制點標高，以便得出支架和地基的彈性形變量(等于卸壓后標高減去持荷后所測標高)，用總沉降量(即支架持荷后穩(wěn)定沉降量)減去彈性形變量為支架和地基的非彈性形變(即塑性變形)量。預壓完成后要根據(jù)預壓成果通過可調頂托調整支架的標高。

3)卸載：人工配合吊車吊運砂袋均勻卸載，卸載的同時繼續(xù)觀測。卸載完成后記錄好觀測值以便計算支架及地基綜合形變。根據(jù)觀測記錄，整理出預壓沉降結果，調整箱梁底板及懸臂的預拱高度。

4　結語

本工程實例的跨線橋施工，采用鋼管柱支架工字鋼的支架形式，門洞支架的設計得當，力學計算比較普遍，施工也比較簡單，安全可靠，成效比較明顯，對類似工程的施工有借鑒意義。

[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] 江正榮，朱國梁.簡明施工手冊[M].4版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.