高墩柱現(xiàn)澆連續(xù)梁臨時支架方案比選及檢算分析

張 磊

（中鐵二十一局集團第六工程有限公司 北京 100000）

1 引言

隨著我國高速鐵路、高速公路、城市軌道等工程施工技術的不斷發(fā)展，支架現(xiàn)澆變截面連續(xù)梁技術在各類工程項目被廣泛采用。本文以黔張常鐵路所在的湘西北地區(qū)為例，分析了幾種傳統(tǒng)現(xiàn)澆連續(xù)梁臨時支架體系的優(yōu)劣，有針對性地提出了在淺山丘陵地貌洪積層地質條件下宜選用安全系數(shù)更高、工期更優(yōu)化、經(jīng)濟性最強的樁基礎+剛性冠梁+鋼管立柱+貝雷梁支架體系的現(xiàn)澆連續(xù)梁臨時支架形式，對于在地形地貌環(huán)境復雜、地下水豐富地區(qū)施工高墩柱現(xiàn)澆連續(xù)梁具有較強的借鑒意義。

2 工程概況

本橋橋址位于淺山丘陵地貌洪積層地帶，地質特征以表層為第四系全新統(tǒng)沖擊粉質黏土（Q4，軟塑-硬塑）為主、下層以白堊系上統(tǒng)上組砂巖夾泥巖（K22）為主。據(jù)氣象資料顯示，區(qū)域內屬中亞熱帶山地季風濕潤型氣候，氣候溫和，四季分明，常年雨水充沛。該橋7～13號墩跨為現(xiàn)澆連續(xù)梁，連續(xù)梁上設道岔，為變截面連續(xù)梁，跨度為6×32 m，最高墩身高度為29.5 m，梁體采用等高度變截面箱梁，總長193.2 m，箱梁截面采用單箱單室直腹板，箱梁中心處梁高為2.792 m，梁寬12 m，底寬6 m，懸臂長3 m，頂板厚0.38～0.68 m，底板厚0.3～0.6 m，腹板厚0.5～1 m。全聯(lián)在中支點和邊支點處設置七道橫隔板，連續(xù)梁原設計采用滿堂支架現(xiàn)澆法澆筑施工。

3 常用支架體系簡述

目前常用的現(xiàn)澆梁臨時支架體系根據(jù)材料及受力形式主要有以下幾種：

（1）碗扣式（盤扣式）滿堂支架結構。由上而下結構順序為現(xiàn)澆箱梁→竹膠板底模→橫向方木→縱向方木→頂托→碗扣式腳手架→底托→C20混凝土基礎→地基［1］。

（2）單層貝雷梁加中支墩鋼管立柱支架結構。由上而下結構順序為現(xiàn)澆箱梁→竹膠板底模→方木→ 22分配梁→單層貝雷梁→ 40橫梁→砂箱→鋼管立柱→承臺（臨時系梁）［2］。

（3）雙層貝雷梁鋼管立柱支架結構。由上而下結構順序為現(xiàn)澆箱梁→竹膠板底?！侥尽?22分配梁→雙層貝雷梁→ 40橫梁→砂箱→鋼管立柱→承臺。

4 常用支架體系適用范圍及特點

4．1 碗扣式（盤扣式）滿堂支架

碗扣式（盤扣式）滿堂支架法施工適用于無通航和通行要求的橋跨，墩高在15 m以內，地基條件較好、地勢平坦起伏不大的地區(qū)。其主要特點是支架受力狀況簡單、施工中搭設拆除簡易、周轉次數(shù)多、周轉時間短、使用輔助設備少，減少了人力物資的浪費，特別適用于多跨現(xiàn)澆梁施工，既保證了工程質量，又能加快施工進度，具有良好的經(jīng)濟效益。如圖1所示。

4．2 單層貝雷梁加中支墩鋼管立柱支架

單層貝雷梁加中支墩鋼管立柱支架較適用于地勢起伏小、場地較小、地質條件較差的區(qū)域場所。適用于墩身高度較小、橋梁跨徑小于35 m的箱梁施工。其主要特點是力的傳遞途徑清晰，受力分析較復雜；構件較大且數(shù)量較少，較容易保證施工安全；結構剛柔結合，抗沖擊性強；施工情況較復雜，構建拼裝、拆除難度系數(shù)較高；施工速度較快，支架總成本較低，循環(huán)利用次數(shù)高，經(jīng)濟性較高。如圖2所示。

圖1 碗扣式滿堂支架結構示意

圖2 單層貝雷梁中支墩結構示意

4．3 雙層貝雷梁鋼管立柱支架

雙層貝雷梁鋼管立柱支架較適合于地勢復雜、跨河跨溝、道路交叉、地質條件較差不能設中支墩且橋梁跨徑大于35 m的區(qū)域場所。力的傳遞途徑清晰，受力分析較復雜；避免了基底處理工作，克服了地基不均勻沉降對橋梁線形的影響；適用性強、占用施工場地小，受地形條件影響較??；搭設、拆除難度系數(shù)較高。雙層貝雷梁鋼管支架較單層貝雷梁鋼管立柱結構成本較高。如圖3所示。

圖3 雙層貝雷梁結構示意

5 淺山丘陵地貌洪積層地質條件下的支架體系選取

5．1 支架形式比選

5．1．1 碗扣式（盤扣式）滿堂支架形式

（1）地基處理方式

根據(jù)本橋設計資料，地面以下5.0 m深度范圍均為粉質黏土（淤泥）層，地基承載力較低，需要挖除粉質黏土層進行換填。用挖掘機挖除黏土露出原狀土后，用強夯機對地面進行強夯處理，將地面夯實，然后填鋪30 cm碎石墊層，壓平夯實后，澆筑20 cm的混凝土層，混凝土層采用C20混凝土。地基處理時需要設置橫坡和縱坡，以便于排水。處理過的地基四周挖設排水溝與線路自然排水溝連通，將地表水及雨水引進排水溝，防止雨水浸泡基坑產(chǎn)生不均勻沉降。完成地基處理后，對地基承載力進行現(xiàn)場測試，滿足設計要求后進行支架搭設［3］。

（2）經(jīng)濟效益

根據(jù)測算，地基處理需耗時25 d，作業(yè)時間較長。每跨梁段滿堂支架需要搭設8～10 d。并且根據(jù)環(huán)水保要求，需要將已挖泥土棄置于棄土場，運距較長，成本較高。此外挖掘機、自卸車、強夯機、裝載機租用時間較長，產(chǎn)生機械成本較高。綜合分析，搭設碗扣式（盤扣式）滿堂支架投入的人工、機械及設備成本較高，經(jīng)濟效益低。

（3）安全風險

工點臨近居民生活區(qū)，采用強夯機進行地基處理，噪聲干擾大，同時強夯機容易對附近民宅造成振動傷害。此外由于淤泥層過厚，地基處理后容易發(fā)生不均勻沉降，加上支架搭設高度過高（最高墩柱29.5 m），支架整體安全風險過大。

5．1．2 單層貝雷梁加中支墩鋼管立柱支架形式

（1）地基處理方式

邊墩支架基礎利用已施工完的承臺，中墩支架基礎采用樁基-臨時系梁結構。選用直徑為1.0 m的旋挖鉆孔樁基礎來提升支架基礎承載力。旋挖鉆孔樁鉆孔深度為7.0 m（深入巖層2 m）。支架承臺采用鋼筋混凝土結構，平面寬度5.0 m，長12.5 m，高度0.5 m，采用 C30砼澆筑，并鋪設 φ12鋼筋，按照8 cm×8 cm布置，頂面和底面各布置一層，和樁基鋼筋連接成一個整體，增加支架基礎的穩(wěn)定性，防止基礎產(chǎn)生不均勻沉降。

（2）經(jīng)濟效益

根據(jù)測算，地基處理共需進行20 d，每跨梁段支架搭設8 d，工期適中。單層貝雷梁加中支墩鋼管立柱結構投入機械、人工的成本低。綜合分析，搭設單層貝雷梁加中支墩鋼管立柱支架投入的人工、機械及設備成本較低，經(jīng)濟效益高。

（3）安全風險

單層貝雷梁加中支墩鋼管立柱結構利用已施工完的承臺、樁基-臨時系梁結構將支架基礎形成一個整體，基礎不均勻沉降量可忽略不計，并且單層貝雷梁加中支墩鋼管立柱支架結構受力復雜，力的傳遞途徑清晰、結構剛柔結合、抗沖擊性強、安全系數(shù)較高［4］。

5．1．3 雙層貝雷梁鋼管立柱支架形式

（1）地基處理方式

將鋼管立柱安裝于兩側承臺上，跨中不設支點，對不良地質的適用性較強。

（2）經(jīng)濟效益

雙層貝雷梁鋼管立柱結構地基處理所需時間最少，但雙層貝雷梁搭設速度較慢，高空作業(yè)難度較大，投入的機械、材料成本較高，高空作業(yè)安全防護費用較高。綜合分析，拼裝雙層貝雷梁鋼管立柱支架投入的機械、材料、人工成本較高，經(jīng)濟效益較低。

（3）安全風險

雙層貝雷梁鋼管立柱結構拼裝、拆除困難，高空作業(yè)危險系數(shù)高。雙層貝雷梁鋼管立柱結構強度和穩(wěn)定性較好。

5．2 比選結論

單層貝雷梁鋼管立柱中支墩結構地基處理簡單、工期適中、力的傳遞途徑清晰，結構安全系數(shù)高、穩(wěn)定性好，不易發(fā)生不均勻沉降，且施工投入的機械、人工、材料成本較小，經(jīng)濟效益較高。根據(jù)地形、工期、投入成本綜合分析，單層貝雷梁中支墩結構支架最適合該連續(xù)梁橋施工［5］。

6 鋼管立柱支架基礎檢算

6．1 鋼管柱應力計算

鋼管立柱最大荷載等于橫梁（工字鋼）支點最大支反力，經(jīng)計算橫梁工字鋼受到的傳遞荷載情況如表1所示，選取受力最大的情況進行橫向工字鋼的強度及剛度檢算，如圖4、圖5所示［6-7］。

表1 橫梁受到的傳遞荷載值

圖4 支架布置（單位：cm）

圖5 工字鋼橫梁計算模型數(shù)據(jù)（單位：kN）

由貝雷梁傳遞的最大豎向荷載為：翼緣板下246.01 kN、腹板下272.52 kN、底板下288.55 kN。

抗彎強度檢算，橫向工字鋼最大彎曲應力：

由應力計算得出橫梁（工字鋼）的支點最大反力為1 131.7 kN。由支反力得到橫向工字鋼傳給鋼管立柱的最大荷載為1 131.7 kN。制式鋼管柱及系桿每節(jié)4 m重量按照640 kg計算，共7節(jié)；每1／4節(jié)1 m重量按照160 kg計算，共1節(jié)。則最大鋼管柱底支反力為：

考慮堆載預壓按照計算應力的120%進行，由于鋼管柱與孔樁中心豎向對應，則支架基礎單樁最大荷載簡化計算為1 178.1×120% ＝1 413.7 kN［8］。

6．2 鉆孔樁受力檢算

按《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》取值［9］，單樁（包括管柱）的軸向容許承載力應分別按樁身材料強度和巖土的阻力進行計算，取其較小者［10-11］。

（1）按巖土阻力進行計算的容許承載力

其中，［P］為樁的容許承載力（kN）；U為樁（m）截面周長，按成孔樁徑計算，取值3.299 m；fi為各土層的極限摩阻力（kPa），按《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》取值，第一層換填土層25 kPa，第二層粉質黏土層35 kPa，第三層強風化層150 kPa，第四層弱風化層180 kPa；li為各土層的厚度（m），第一層換填土層1 m，第二層粉質黏土層4 m，第三層強風化層2 m；m0為樁底支承力折減系數(shù)。鉆孔灌注樁樁底支承力折減系數(shù)可按《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》采用，本計算取1.0；A為樁底支承面積（m2），按設計樁徑計算取值為0.785 4；［σ］為樁底地基土容許承載力（kPa），當4d＜h≤10d時：

其中，d為樁徑或樁的寬度（m）；k2為寬度修正系數(shù)，采用規(guī)范中的數(shù)值，本次計算取 k2＝5；k′2為深度修正系數(shù)，本次計算取 k′2＝2.5。

計算得：

（2）按樁身材料強度計算的容許承載力

φ為鋼筋混凝土軸心受壓構件的穩(wěn)定系數(shù)，本計算φ＝1.0；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值，采用C30混凝土，fc＝14.3 N／mm2；A為構件截面面積；f′y為鋼筋抗壓強度設計值，f′y＝270 N／mm2；A′s為截面全部受壓縱筋截面面積。采用18 mm的鋼筋，共12根，A′s＝10×254.5＝2 545 mm2＞0.002×3.14×5 002＝1 571 mm2，滿足最小配筋率。

計算得：

鉆孔樁基礎承載力滿足要求。

7 結束語

在低山丘陵地貌洪積層地質條件下進行高墩柱現(xiàn)澆連續(xù)梁施工時［12］，采用單層貝雷梁+中支墩鋼管立柱支架體系具有經(jīng)濟、安全、實用的特點。該支架體系具有強度高、受力傳遞途徑清晰、穩(wěn)定性好、施工方便、經(jīng)濟效益高等優(yōu)點。采用單層貝雷梁加中支墩鋼管立柱支架體系現(xiàn)澆施工，既縮短了工期，又穩(wěn)定可靠、安全實用，并能有效降低施工成本和施工對現(xiàn)場環(huán)境的影響。