深水高墩貝雷梁支架的設(shè)計(jì)及應(yīng)用案例

馮開利

（中鐵二十二局集團(tuán)有限公司，北京 100043）

0 引言

采用承臺上設(shè)鋼管支墩和在河床內(nèi)施工鉆孔樁并在其上搭設(shè)貝雷梁支架，可抵抗洪峰沖擊，避免了在水中搭設(shè)普通鋼管立柱穩(wěn)定性差的技術(shù)難題，尤其在重荷載、深水高墩、大跨度的情況時，承臺上設(shè)鋼管支墩和搭設(shè)貝雷梁支架，則為經(jīng)濟(jì)安全、穩(wěn)定性好的支架形式，本文結(jié)合金溫鐵路大溪大橋112m系梁支架設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 工程概況

本橋是全線重點(diǎn)控制性工程之一，也是全線技術(shù)難度最高的項(xiàng)目，同時也是麗水市景觀工程。為Ⅰ級鐵路雙線橋，設(shè)計(jì)速度200km/h；正線間距5.0m，有碴軌道，其橋跨布置為（17.8+29+17.8）m連續(xù)剛構(gòu)+5-32m簡支梁+1-112m提籃拱+2-32m簡支梁，橋梁全長424.36m。河道寬260m，遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)為Ⅳ級通航航道，歷史最大流量為7600m3/s，施工期間不通航。本橋6、7、8、9、10#共5個墩位于水中，水深16m，墩高21m和25m，屬深水基礎(chǔ)施工。上部結(jié)構(gòu)為112m尼爾森體系的下承式提籃拱橋，系梁按整體箱形梁布置（見圖1），采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面，截面寬17.8m，梁高2.5m，梁長116.0m，計(jì)算跨度112.0m。

圖1 系梁橫截面圖

根據(jù)鉆探情況，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料對比分析，橋址內(nèi)上層覆蓋有第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4ml）、第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4 al+pl）、第四系殘坡積層（Q4 el+dl）、下臥基巖為白堊系下統(tǒng)中戴組（K1z）含角礫凝灰?guī)r。地質(zhì)評價(jià)：橋址區(qū)域局部基巖裸露，河床覆蓋層為粒徑為5cm～20cm、厚1.5m的卵石層，大大增加了水中墩基礎(chǔ)施工難度。

2 系梁現(xiàn)澆支架的選定

在進(jìn)行水中現(xiàn)澆支架施工中，常規(guī)的施工方法有以下幾種：（1）滿布支架現(xiàn)澆施工；（2）鋼管式貝雷梁支架;（3）河床內(nèi)設(shè)臨時混凝土基礎(chǔ)，搭設(shè)鋼管支架;（4）鉆孔樁內(nèi)埋入鋼管樁支架。采用方法（1）和方法（2），支架在河道內(nèi)占用面積大、抗沖擊性差且基巖裸露，鋼管樁不能插打，支架穩(wěn)定性差；采用方法（3）需在水中施工鋼圍堰，方可澆筑混凝土基礎(chǔ)和安設(shè)鋼管立柱，本方法施工周期長、投入大不經(jīng)濟(jì)；而采用方法（4），利用既有鋼棧橋施打鉆孔樁，成孔后在孔內(nèi)安裝鋼管立柱，再灌注混凝土，使鋼管立柱被樁身混凝土包裹形成整體，此種方法支架基礎(chǔ)不受洪峰沖擊影響，支架穩(wěn)定性好，且占用河道面積小。

3 支架設(shè)計(jì)與驗(yàn)算

3.1 支墩設(shè)置

采用鋼管支墩，L1至L9共采用9個臨時橋墩。沿橋方向鋼管墩間距分別為（8.7+6×15.0+8.7）m。L1、L9采用1×4根Φ920mm×16mm鋼管的形式，跨橋間距為(5.5+5.0+5.5)m。底部直接支撐于拱腳兩端的承臺上，用鋼板焊接在拱的承臺表面，并放置在靠近橋墩的地方。為保證鋼管的穩(wěn)定性，在橋墩中央放置兩根連桿并與橋墩連接固定。系梁支架L2～L8中心墩設(shè)計(jì)采用1×4根Φ 920×16mm鋼管形狀，跨橋間距為（5.5+5.0+5.5）m。底部嵌入Φ 200cm鉆孔樁。每根鋼管的承載力為6500kN以上。鋼管之間的連接系統(tǒng)采用Φ325mm×6mm鋼管。

考慮到鋼管立柱與鉆孔灌注樁基礎(chǔ)有效錨固，增大鋼管與樁身混凝土接觸受力面積，避免鋼管立柱在灌注樁灌注完成后插入樁身過程中管樁壁環(huán)向切割樁身混凝土，在管樁底部采取加設(shè)環(huán)形鋼板及三角加勁肋板措施來改進(jìn)鋼管立柱管腳。邊墩設(shè)在8#、9#墩承臺上，各設(shè)7根Φ529mm的鋼管立柱，鋼管柱焊接在嵌入承臺表面的鋼板上。墩身裝有兩根連桿，用于連接和固定墩身，保證鋼管柱的穩(wěn)定性。鋼管樁連接系統(tǒng)采用Φ325mm鋼管，壁厚6mm。

3.2 支架梁部

支架梁由貝雷梁架設(shè)。由于拱橋荷載分布范圍大，所有貝雷梁均以45cm的間隔進(jìn)行桁架。沿橋方向跨度配置為曲線墩間距，水平墩方向采用38片19組，每組中心間距為（1.3+5×1.15+0.8+4×1.05+0.8+5×1.15+1.3)m。每個銷釘接頭位置必須安裝支撐架。

3.3 分配梁

貝雷梁上部采用工12.6工字鋼做為分配梁，順橋向間距50cm（兩端分別5m范圍）、100cm（中間范圍）。支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖見圖2。

圖2 支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3.4 支架檢算

支架為臨時結(jié)構(gòu)，采用許用應(yīng)力法進(jìn)行檢查。施工荷載系數(shù)為系梁、拱肋鋼管、鋼管內(nèi)混凝土重量的0.2倍。

3.4.1 材料強(qiáng)度

采用Q235B鋼材的鋼管材質(zhì),基本容許應(yīng)力[σ]=135N/mm2，彎曲容許應(yīng)力[σw]=140N/mm2，剪切容許應(yīng)力[τ]=80N/mm2，E=210000N/mm2。

3.4.2 荷載

現(xiàn)澆支架必須承受的載荷為系梁重量+拱肋重量+拱肋裝配支架重量+工程機(jī)械設(shè)備重量+鑄件重量。系梁兩端實(shí)心段總長16m，重量19552kN。另一部分長100m，重50172kN。拱肋重18973kN，拱肋裝配支架重1100kN，工程機(jī)械設(shè)備重1000kN。

3.4.3 貝雷梁檢算

橫梁有19組貝雷梁，標(biāo)準(zhǔn)間距為45cm，每組中心間距為（1.3+5×1.15+0.8+4×1.05+0.8+5×1.15+1.3）m。兩組均在箱梁范圍之外，17組視為在計(jì)算范圍內(nèi)。載荷計(jì)算見表1。貝雷梁計(jì)算模型見圖3所示，貝雷梁支點(diǎn)反力計(jì)算結(jié)果見圖4所示。用于鋼管頂部橫梁計(jì)算用，只計(jì)自重，不計(jì)系數(shù)。

圖3 貝雷梁計(jì)算模型

圖4 第1支點(diǎn)到第9支點(diǎn)反力計(jì)算結(jié)果

表1 單片貝雷梁縱向均布荷載計(jì)算表 kN/m

3.4.4 鋼管立柱檢算

立柱采用Φ920×16鋼管，重量為357.2kg/m，其橫截面面積為A=45417mm2，回轉(zhuǎn)半徑為ix=319.7mm，鋼管最大承載力為R=4577.9kN。

3.4.5 鋼管基礎(chǔ)承載力檢算

鋼管基礎(chǔ)采用立柱直接嵌固于Φ200cm鉆孔樁內(nèi)，橫橋向中間兩排樁每根樁的承載力不低于6500kN，橫橋向兩端兩排樁每根樁的承載力不低于4500kN。

3.4.6 鋼管混凝土柱計(jì)算

（1）荷載。主要荷載包括：結(jié)構(gòu)自重、流水壓力、風(fēng)荷載、上部結(jié)構(gòu)傳遞的豎向壓力作用。

①流水壓力。作用于臨時墩上的流水壓力可按下式計(jì)算:

式中：

P——流水壓力，kN；

A——墩阻水面積，m2，按照規(guī)范計(jì)算至一般沖刷線處；

γ——水的容重，一般采用10kN/m3；

gn——標(biāo)準(zhǔn)自由落體加速度，m/s；

v——計(jì)算時采用的流速，m/s；

K——墩形狀系數(shù)，圓形橋墩,0.73。

流水壓力的分布假定為倒三角形，其合力的著力點(diǎn)位于水位線以下1/3水深處。首排樁上水流壓力：

后面各排樁上水流壓力：

②橫向風(fēng)荷載。橫向風(fēng)力的受風(fēng)面積應(yīng)按橋跨結(jié)構(gòu)理論輪廓面積乘以相關(guān)系數(shù):

橋址處基本風(fēng)壓W0=700Pa。

風(fēng)荷載強(qiáng)度：

式中:

K1——風(fēng)載體形系數(shù)，取1.3；

K2——風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取1.0；

K3——地形地理?xiàng)l件系數(shù)，取1.3。

作用在水中鋼管柱頂橫向風(fēng)力F=1.18×364.24=429.8kN

③上部結(jié)構(gòu)傳遞的豎向荷載：豎向力橫橋向兩端兩根為2700kN，橫橋向中間兩根為4600kN。

（2）荷載計(jì)算。荷載組合：1.2×結(jié)構(gòu)自重＋1.4×水流壓力+1.4×風(fēng)荷載+1.2×上部結(jié)構(gòu)傳遞力。

4 貝雷梁支架體系施工

水中貝雷梁支架體系施工工藝流程：鋼圍堰內(nèi)施工承臺（預(yù)埋鋼板）、墩身，施工支架區(qū)域內(nèi)的鉆孔樁基礎(chǔ)（樁內(nèi)埋入鋼管立柱）→安裝承臺上的鋼管立柱→安裝砂箱→安裝工字鋼承重橫梁→拼裝、加固貝雷梁→調(diào)整、檢查及預(yù)壓→安裝支座→調(diào)整預(yù)拱度→分段綁扎梁體鋼筋及預(yù)應(yīng)力管道安裝→安裝拱腳→內(nèi)模安裝→頂板鋼筋及吊索預(yù)埋件安裝→檢查驗(yàn)收→分段澆筑混凝土至合攏→梁體養(yǎng)護(hù)→交錯張拉橫向預(yù)應(yīng)力索、第一批縱向預(yù)應(yīng)力索→系梁上搭設(shè)拱肋拼裝支架→拼裝拱肋及K撐和調(diào)整拱肋線性→泵送拱肋管內(nèi)混凝土和腹板內(nèi)混凝土→拆除拱肋支架→安裝吊桿并張拉→拆除系梁水中支架、水中鋼管采用潛水員水下切割。

5 結(jié)束語

根據(jù)金溫鐵路大溪大橋系梁支架處的水文、地質(zhì)、河床基巖面的高程位置關(guān)系，采用了鉆孔樁內(nèi)埋設(shè)鋼管立柱支架施工工法，解決了支架基礎(chǔ)不受洪峰沖擊及影響支架穩(wěn)定性等問題，具有占用河道面積小等優(yōu)勢。該施工技術(shù)措施的應(yīng)用為大溪大橋系梁施工和拱肋拼裝施工質(zhì)量提供了有力保障，為今后類似深水條件施工提供了一定的參考。