軟土地區(qū)現(xiàn)澆支架不同形式適用性研究

嚴赪強

（中國鐵路上海局集團有限公司 上海鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部，上海 200071）

0 引言

在鐵路橋梁建設(shè)中，中小跨度鐵路箱梁的主要施工方法有預(yù)制架設(shè)法、移動模架法、節(jié)段拼裝法和支架現(xiàn)澆法［1］。對于32 m 連續(xù)梁及道岔梁施工，主要采用支架現(xiàn)澆法施工［2］。相對于其他施工方法，支架現(xiàn)澆法具有操作靈活、適應(yīng)性強、無需大型設(shè)備和幾乎不另占土地等優(yōu)勢。常用的支架形式有滿堂支架和梁式支架，在實際施工中主要根據(jù)墩高、地質(zhì)和地形等條件進行選擇；若仍無法確定，則從結(jié)構(gòu)跨度、工程量和施工難易程度等方面進行比選。

在既有文獻中，趙成貴［3］以津秦高鐵為例進行研究，結(jié)果表明滿堂支架地基壓縮變形不確定因素較多；4支點貝雷梁方案結(jié)構(gòu)受力較好，但基礎(chǔ)處理工程量大于2支點雙層貝雷梁方案。其他文獻多從支架結(jié)構(gòu)受力進行分析，結(jié)合現(xiàn)場預(yù)壓結(jié)果進行綜合論述的研究較少［4?8］。

以滬蘇湖高鐵現(xiàn)澆連續(xù)梁支架形式為例，考慮其結(jié)構(gòu)受力、施工便利性，結(jié)合現(xiàn)場預(yù)壓后的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析不同支架形式的實際受力狀態(tài)以及地基、樁基變形，得出軟土地區(qū)不同支架形式的適用性。

1 施工方案

滬蘇湖高鐵起自上海市虹橋站，終至浙江省湖州市湖州站。滬蘇湖高鐵蘇湖特大橋南潯高架橋段項目（簡稱南潯高架橋段項目）位于湖積平原區(qū)，為6×32 m現(xiàn)澆連續(xù)梁，其斷面示意見圖1。橋梁采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)+柱式墩，橋址區(qū)地表為厚度3～15 m 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，該層土體抗剪強度低、承載力差，為支架形式設(shè)計主要控制因素。部分地表為厚度0.7～3.1 m粉質(zhì)黏土層，具有一定承載力。橋梁樁基根據(jù)地質(zhì)條件均按照摩擦樁設(shè)計。

圖1 6×32 m現(xiàn)澆連續(xù)梁斷面示意圖

在選擇支架設(shè)計方案時，應(yīng)考慮地質(zhì)條件，并通過結(jié)構(gòu)安全性、經(jīng)濟性比選，確定支架形式。根據(jù)6×32 m 連續(xù)梁相同斷面形式，在軟土地區(qū)不同工點設(shè)置不同支架形式，工點A為滿堂支架、工點B為單層貝雷梁支架、工點C為雙層貝雷梁支架，對不同支架形式的適用性進行對比分析。

1.1 滿堂支架

工點A地層情況：地表為厚度約2 m粉質(zhì)黏土層，承載力120 kPa；下部為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，承載力50 kPa。地基基礎(chǔ)采用天然地基，上覆厚度約0.8 m 建筑填料和0.2 m 素混凝土墊層。盤扣橫向間距為：腹板下0.6 m，頂?shù)装寮耙砭壪?.9 m，縱向間距0.9 m。其他支撐體系：橫梁工字鋼（12.6@900）、縱向方木（10 cm×10 cm，間距20 cm，腹板下加密間距15 cm）和竹膠板（厚度1.5 cm）。滿堂支架橫、縱斷面支架布置形式見圖2。

圖2 滿堂支架橫、縱斷面支架布置形式

1.2 單層貝雷梁支架

工點B地層情況：地表為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，承載力50 kPa。貝雷梁跨度組合為（10.5+9.0+9.0）m，共設(shè)置4 排鋼管立柱，每排5 根φ630×8 鋼管立柱，近橋墩側(cè)鋼管立柱支撐于承臺，跨中采用φ630×8鋼管樁基礎(chǔ)（樁長17 m）。其他支撐體系：分配梁工字鋼2 根45b、貝雷梁、橫梁工字鋼（12.6@900）、縱向方木（10 cm×10 cm，間距20 cm，腹板下加密間距15 cm）和竹膠板（厚度1.5 cm）。單層貝雷梁支架橫、縱斷面支架布置形式見圖3。

圖3 單層貝雷梁橫、縱斷面支架布置形式

1.3 雙層貝雷梁支架

工點C地層情況：地表為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，承載力為50 kPa。雙層貝雷梁結(jié)構(gòu)剛度大，經(jīng)過計算可實現(xiàn)一跨式支撐。貝雷梁跨度28.5 m，共設(shè)置2排鋼管立柱支撐，每排5根φ630×10鋼管立柱，立于承臺，貝雷梁兩端支撐點豎桿采用槽14a進行加強。其他支撐結(jié)構(gòu)與單層貝雷梁方案一致?？紤]雙層貝雷梁計算撓度較大，在貝雷梁頂設(shè)置1層2 m高盤扣架，用于調(diào)整預(yù)拱度。雙層貝雷梁支架橫、縱斷面支架布置形式見圖4。

圖4 雙層貝雷梁橫、縱斷面支架布置形式

2 適用性研究

2.1 結(jié)構(gòu)受力分析

2.1.1 滿堂支架

（1）地基承載力計算。計算應(yīng)考慮箱梁自重、盤扣架自重、工字鋼自重、施工荷載等支架計算荷載（見圖5）。建筑填料在鋪設(shè)后進行反復(fù)碾壓，考慮此時土體完成固結(jié)，荷載在混凝土基礎(chǔ)擴散角度為45°；另外，由于箱梁各區(qū)域荷載相互疊加，箱梁各區(qū)域地基承載力要求為：翼緣區(qū)域14.8 kPa/m2、腹板區(qū)域74.7 kPa/m2、頂?shù)装鍏^(qū)域29.3 kPa/m2。按照GB 5007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》，采用應(yīng)力擴散方式（粉質(zhì)黏土層擴散角度為23°），計算至淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層頂層應(yīng)力為49.8 kPa。經(jīng)深度修正后，軟弱下臥層地基承載力為87 kPa，承載力滿足規(guī)范要求。

圖5 支架計算荷載示意圖

（2）地基變形計算。盤扣架荷載作用面積較大，進行變形計算時不考慮荷載長寬影響。根據(jù)地質(zhì)勘查報告，粉質(zhì)黏土層壓縮模量Es（0.1?0.2）=5.41 MPa，淤泥質(zhì) 粉 質(zhì) 黏 土 層Es（0.1?0.2）=2.23 MPa。按 照GB 5007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》，當(dāng)計算深度為4 m時，附加應(yīng)力較小，計算深度滿足規(guī)范要求。變形經(jīng)驗值系數(shù)取為1.0：

在GB 5007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》、TB 10110—2011《鐵路混凝土梁支架法現(xiàn)澆施工技術(shù)規(guī)程》中，均未對地基變形限值提出相關(guān)要求［9?10］?，F(xiàn)場實際頂?shù)淄姓{(diào)整最大值為70 mm，變形值可接受。

（3）盤扣支架計算。滿堂腳手架單根立桿最大荷載約為39.5 kN，根據(jù)JGJ 231—2010《建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術(shù)規(guī)程》進行盤扣支架計算，得立桿最大應(yīng)力為116.3 N/mm2，小于鋼管立桿抗壓強度設(shè)計值270 N/mm2，支架強度滿足規(guī)范要求。

2.1.2 單層貝雷梁支架

（1）樁基計算。單層貝雷梁中間跨單根鋼管樁最大荷載約為1 400 kN，根據(jù)TB 10093—2017《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》進行設(shè)計［11］?，F(xiàn)場實際地質(zhì)參數(shù)：淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土fi=24.9 kPa；粉質(zhì)黏土fi1=74.36 kPa；粉土fi=77.16 kPa；粉質(zhì)黏土fi2=47.88 kPa，根據(jù)側(cè)摩阻和端摩阻得樁長為17 m。

按照JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》，淤泥質(zhì)粉質(zhì) 黏 土Es（0.1?0.2）=2.75 MPa、粉 質(zhì) 黏 土Es1（0.1?0.2）=7.36 MPa；粉土Es（0.1?0.2）=8.09 MPa；粉質(zhì)黏土Es2（0.1?0.2）=5.86 MPa。計算樁基最大沉降為4 cm。

（2）貝雷梁計算。采用有限元計算軟件，考慮樁基沉降因素，得到單層貝雷梁應(yīng)力及撓度圖（見圖6—圖7）。

圖6 單層貝雷梁應(yīng)力圖

圖7 單層貝雷梁撓度圖

經(jīng)計算，考慮樁基變形，單層貝雷梁最大應(yīng)力為167.6 MPa，不考慮樁基變形貝雷梁最大應(yīng)力為105.6 MPa，貝雷梁最大撓度為45.2 mm（包括樁沉降變形），單跨跨中撓度為4.86 mm（扣除支座變形）。

2.1.3 雙層貝雷梁支架

采用有限元計算軟件，得到雙層貝雷梁應(yīng)力及撓度圖（見圖8）。

圖8 雙層貝雷梁應(yīng)力及撓度圖

按照TB 10110—2011《鐵路混凝土梁支架法現(xiàn)澆施工技術(shù)規(guī)程》，變形控制L/400=71.25 mm。經(jīng)計算，雙層貝雷梁最大應(yīng)力為122.5 MPa，最大撓度為57.2 mm，滿足規(guī)范要求。

2.1.4 計算結(jié)果分析

（1）當(dāng)軟土地區(qū)硬土覆蓋層大于2 m時，滿堂支架滿足地基承載力要求。

（2）當(dāng)無地表硬土覆蓋層，可采用單層/雙層貝雷梁方式，若布置貝雷梁片數(shù)布置合理，2種方案均可在結(jié)構(gòu)受力及剛度變形2個方面滿足規(guī)范要求。單層貝雷梁方式考慮樁基變形，應(yīng)力增加約58.7%，結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)予以重視；若在設(shè)計中不考慮樁基變形，應(yīng)留有足夠富余度。單層貝雷梁中間2排鋼管立柱承擔(dān)了一孔梁2/3 的荷載，對鋼管樁承載力要求較高，樁基最大承載力要求為1 400 kN，如南潯高架橋段項目打入深度達17 m；承臺上2 排鋼管立柱僅承擔(dān)一孔梁1/3 的荷載，對承臺可靠支點利用率較低。

（3）雙層貝雷梁方案在貝雷梁頂增加1 層盤扣架，根據(jù)預(yù)壓變形調(diào)整預(yù)拱度，施工便利。

2.2 現(xiàn)場預(yù)壓結(jié)果

支架預(yù)壓主要為確保道岔連續(xù)梁澆注施工安全，以檢驗支架的承載能力和消除支架體系的非彈性變形，并觀測彈性變形量，為確定底模標(biāo)高提供參考資料。預(yù)壓荷載取施工總荷載的1.1 倍，并按照箱梁荷載分布形式，分區(qū)、分段堆載，南潯高架橋段項目加載采用了混凝土形式，加載方式為0→60%→100%→110%的三級加載。每級加載完成1 h 后，進行支架變形觀測，每隔6 h 記錄各測點位移量，當(dāng)相鄰2 次監(jiān)測位移平均值≤2 mm時，方可進行后續(xù)加載。

監(jiān)測點布設(shè)：每孔梁縱向布置5排，位置在距離梁端2.5 m、L/4 和L/2 處，每排布置5 個測點，分別位于箱梁兩側(cè)翼板邊緣、腹板及底板中央。監(jiān)測點布置示意見圖9。

圖9 監(jiān)測點布置示意圖

2.2.1 滿堂支架

經(jīng)過現(xiàn)場110%荷載預(yù)壓，滿堂支架實際變形示意見圖10。

圖10 滿堂支架實際變形示意圖

變形計算值65.50 mm，實測值19.00 mm，實測值小于計算值，約為計算值的0.3 倍。按照實測彈性變形進行預(yù)拱度設(shè)置，可滿足施工需要。

變形計算值與實測值相差較大，主要原因為現(xiàn)場建筑填料攤鋪過程中施工機械反復(fù)碾壓，地層已產(chǎn)生較大壓縮變形，地基承載力有所提高；另外，由于場地平整度較差，實際施工中建筑填料平均厚度約為1.5 m，可有效分攤上部荷載。

2.2.2 單層貝雷梁

經(jīng)過現(xiàn)場110%荷載預(yù)壓，單層貝雷梁實際變形示意見圖11。

圖11 單層貝雷梁實際變形示意圖

變形計算值45.23 mm，實測值114.00 mm，主要原因為跨中2排樁基沉降。計算考慮樁基變形，貝雷梁應(yīng)力接近控制值，在施工時通過墊高貝雷梁可滿足施工需要。

樁基變形計算值與實測值差距較大，主要原因為貝雷梁下沙桶變形約20 mm，且現(xiàn)場實際施工機械為振動下沉機械，淤泥質(zhì)土層在樁基施工完成后，握裹力雖有增加，但小于原狀土側(cè)摩阻力。另外，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，樁頭處有浸泡現(xiàn)象，進一步降低了側(cè)摩阻力，多方面因素導(dǎo)致樁基變形大于計算變形。

2.2.3 雙層貝雷梁

經(jīng)過現(xiàn)場110%荷載預(yù)壓后，雙層貝雷梁實際變形示意見圖12。

圖12 雙層貝雷梁實際變形示意圖

變形計算值57.20 mm，實測值64.00 mm，兩者數(shù)值接近。按照實際彈性變形進行預(yù)拱度設(shè)置，可滿足施工需要。

2.2.4 預(yù)壓變形對比分析

（1）滿堂支架。預(yù)壓后變形實測值19 mm，變形值較小，且實測值與計算值較接近。

（2）單層貝雷梁。單層貝雷梁中間樁基變形達114 mm，按照114 mm樁基沉降給貝雷梁強制位移，貝雷梁預(yù)壓后實測最大應(yīng)力達254.6 N/mm2（見圖13），樁基沉降引起內(nèi)力占比為132.5%，大于由于預(yù)壓荷載引起內(nèi)力。

圖13 單層貝雷梁預(yù)壓后實測應(yīng)力

（3）雙層貝雷梁。雙層貝雷梁方案預(yù)壓后最大變形為64.00 mm，其中彈性變形為46.50 mm，說明實際變形以彈性變形為主，變形實測值與計算值較接近。

2.3 經(jīng)濟性及施工工序分析

2.3.1 鋼結(jié)構(gòu)工程量對比

項目不同支架形式主要鋼結(jié)構(gòu)工程量對比見表1。

表1 不同支架形式主要鋼結(jié)構(gòu)工程量對比 t

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)工程量對比，得出以下結(jié)論：

（1）滿堂支架：盤扣支架78.60 t。

（2） 單層貝雷梁：貝雷梁39.10 t，質(zhì)量占比41.1%；鋼管56.00 t，質(zhì)量占比58.90%。

（3）雙層貝雷梁：貝雷梁144.74 t，質(zhì)量占比高達81.1%；鋼管11.26 t，質(zhì)量占比6.30%；盤扣支架22.45 t，質(zhì)量占比12.25%。

對于雙層貝雷梁，盤扣支架的使用是為施工時方便調(diào)節(jié)預(yù)拱度，非必要時可取消。雙層貝雷梁鋼結(jié)構(gòu)工程量是單層貝雷梁的3.7 倍，其中鋼管僅為單層貝雷梁的1/5?？傮w來看，滿堂支架工程量最小，雙層貝雷梁工程量是單層貝雷梁的2倍。

2.3.2 施工工序?qū)Ρ?/p>

相對于貝雷梁，滿堂支架省去了鋼管及樁基施工工序，僅需進行簡單地基處理即可架設(shè)盤扣支架，工序簡單、施工快，且可通過調(diào)節(jié)頂?shù)淄姓{(diào)整預(yù)壓變形，整體工序最快捷。

雙層貝雷梁省去了樁基施工工序，施工較快，雖然貝雷梁變形較大，但可通過盤扣調(diào)整。單層貝雷梁在施工中樁基沉降較大，為保證貝雷梁受力穩(wěn)定，需要在預(yù)壓后調(diào)高貝雷梁底標(biāo)高，相對費時費力。另外，預(yù)壓階段樁基沉降較大，需要密切關(guān)注變形速率，當(dāng)變形速率不能穩(wěn)定時，需要及時卸載。TB 10110—2011《鐵路混凝土梁支架法現(xiàn)澆施工技術(shù)規(guī)程》未對何時卸載進行規(guī)范，過大的樁基沉降可能引起貝雷梁附加應(yīng)力，設(shè)計、施工單位應(yīng)密切關(guān)注。

2.4 優(yōu)缺點對比

根據(jù)不同現(xiàn)澆支架形式的適用性分析（見表2），對其優(yōu)缺點進行對比。

表2 現(xiàn)澆支架形式適用性分析

3 結(jié)論

通過南潯高架橋段項目的不同支架形式分析可以得出：

（1）當(dāng)軟弱土層頂部覆蓋一定厚度硬殼土層時，推薦采用滿堂支架形式。滿堂支架的重點在于地基處理，可采用80 cm建筑填料進行場地找平，再覆蓋厚度20 cm 素混凝土墊層進行處理；難點在于變形估算，通過現(xiàn)場實測預(yù)壓變形與理論計算，所得項目地層變形經(jīng)驗修正系數(shù)約為0.3。

（2）多支點單層貝雷梁用鋼量較小，在設(shè)計階段具有優(yōu)越性，但樁基變形理論計算不準確，導(dǎo)致施工過程中不可控因素較多。雖然在直觀感受上多支點方式更安全，但在預(yù)壓過程中樁基變形過大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)趨于不安全，預(yù)壓時要特別關(guān)注支架安全狀態(tài)。另外，在施工完成后，打入樁拔出困難，造成經(jīng)濟浪費。

（3）2支點雙層貝雷梁用鋼量較大，但不可控因素較少，支架結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)與理論計算最接近，施工質(zhì)量控制方便、風(fēng)險較低。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件不滿足滿堂支架時，推薦雙層貝雷梁為首選方案。