大跨度槽型梁現(xiàn)澆支架基礎(chǔ)加固處理技術(shù)研究

楊順東

（中鐵二十二局集團(tuán)第三工程有限公司，福建 廈門 361000）

0 前言

槽型簡(jiǎn)支梁一般應(yīng)用于凈空受限的跨線橋地段，常設(shè)計(jì)為直墻式、斜墻式或箱形U型結(jié)構(gòu)，在工程造價(jià)、養(yǎng)護(hù)、減噪和抗振性能等方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，但該結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，主梁厚度小、高度大，現(xiàn)澆支架施工設(shè)計(jì)時(shí)主梁部位荷載大且集中、底板部位荷載較小，因此對(duì)支架基礎(chǔ)的局部承載能力以及支架的整體穩(wěn)定性均要求很高。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

新建寧波港口鐵路設(shè)計(jì)的以1孔48m槽型簡(jiǎn)支梁跨越集裝箱車輛通行繁忙的公路寬28m，上跨夾角83°，梁底凈高6.1m。

槽型簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)為直墻式U型結(jié)構(gòu)，梁全長(zhǎng)48.6m，支點(diǎn)處梁高4.8m，跨中梁高4.7m，支座中心至梁端為0.605m?？缰薪孛娓拱搴?.6m、支點(diǎn)處厚1m，跨中截面底板厚0.6m、支點(diǎn)處厚0.7m。采用縱、橫向預(yù)應(yīng)力體系結(jié)構(gòu)和C50鋼筋混凝土。

1.2 水文地質(zhì)概況

施工圖揭示的橋址處存在淤泥質(zhì)黏土層，流塑，局部為淤泥，=50kPa。地表水較發(fā)育，主要為水塘和溝渠灌溉用水，其水位、流量受大氣降水影響較大。

1.3 現(xiàn)澆支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)工程地質(zhì)和現(xiàn)場(chǎng)施工條件，采用貝雷梁柱式支架結(jié)構(gòu)，支架縱向按（9.9+12+12+9.75）m四孔連續(xù)結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)。

跨中3排設(shè)C25鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)尺寸為12m×2m×0.6m，基礎(chǔ)底層設(shè)Φ16mm鋼筋網(wǎng)片（縱橫向間距150mm），分別坐落于公路中央分隔帶和路緣帶處。

鋼管立柱采用Φ630mm、壁厚10mm鋼管，每排5根，管底設(shè)（850×850×12）mm鋼板預(yù)埋于鋼筋混凝土基礎(chǔ)中，管頂設(shè)落架砂箱裝置。

砂箱頂部布置雙拼I56b工字鋼橫梁，橫梁在支點(diǎn)處1m范圍內(nèi)兩側(cè)焊接10mm厚加勁板。

采用3m×1.5m普通型貝雷片，橫橋向布置22排，貝雷片通過(guò)貝雷鋼銷連接。為提高貝雷架的整體穩(wěn)定性，采用［10槽鋼和U形螺栓，分別在端頭、1/4跨、1/2跨和3/4跨上下各設(shè)2排橫橋向與貝雷梁鎖定連接。

貝雷梁上方鋪設(shè)I18工字鋼分配梁，間距60cm。

在分配梁上鋪設(shè)8cm×8cm方木，方木頂鋪設(shè)15mm厚竹膠板。

2 支架基礎(chǔ)變形情況

2.1 堆載預(yù)壓試驗(yàn)

為確保支架施工安全，需要獲取支架的彈性變形值并消除支架及地基的非彈性變形，在支架驗(yàn)收合格后進(jìn)行堆載預(yù)壓試驗(yàn)。預(yù)壓試驗(yàn)按支架最大施工荷載的1.1倍分級(jí)進(jìn)行，采用砂袋模擬梁體結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行堆載，預(yù)壓過(guò)程按照規(guī)范要求的頻次進(jìn)行了沉降和變形觀測(cè)。

2.2 基礎(chǔ)變形情況

支架預(yù)壓加載至100%試驗(yàn)荷載后進(jìn)行沉降及變形觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)跨中鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)均出現(xiàn)了輕微裂紋，沿著基礎(chǔ)豎向分布于基礎(chǔ)的上半部分，最大裂紋長(zhǎng)20cm、寬0.2mm～0.4mm。繼續(xù)加載至最大試驗(yàn)荷載時(shí)觀測(cè)最大裂紋長(zhǎng)45cm、寬2mm，基礎(chǔ)沉降達(dá)148mm，且裂紋和沉降均有擴(kuò)大的趨勢(shì)。

2.3 基礎(chǔ)變形原因分析

支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求，彈性變形和非彈性變形均在合理范圍內(nèi)。經(jīng)分析研究認(rèn)為，條形基礎(chǔ)沉降及裂紋的主要原因是地基中存在的軟土地層在局部荷載作用下引起了基礎(chǔ)的不均勻沉降變形，導(dǎo)致鋼管樁立柱與基礎(chǔ)結(jié)合部位應(yīng)力集中而將混凝土拉裂。

3 基礎(chǔ)處理方案研究

3.1 處理方案選擇

為控制裂紋的無(wú)限發(fā)展，防止梁體混凝土澆筑施工時(shí)基礎(chǔ)沉降變形對(duì)混凝土澆筑質(zhì)量和梁體線形的影響，經(jīng)充分討論研究，必須對(duì)跨中P1、P2條形基礎(chǔ)進(jìn)行處理，擬定了3種方案，見(jiàn)表1。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件，在考慮施工成本、工期的基礎(chǔ)上最終選定方案三為實(shí)施方案，其主要措施是增大支架鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)平面尺寸，以分散或減小鋼管立柱的集中荷載，待支架加固完成后對(duì)條形基礎(chǔ)部位再進(jìn)行預(yù)壓以確保施工沉降穩(wěn)定。

表1 基礎(chǔ)處理方案對(duì)比表

3.2 處理方案

根據(jù)選定增大基礎(chǔ)受力面積方案的思路詳細(xì)確定支架處理方案，如圖1所示。

圖1 支架基礎(chǔ)加固示意圖（單位：cm）

加固施工方案如下。1） 在原基礎(chǔ)兩側(cè)各施做一條C25鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)長(zhǎng)12m、高50cm、寬100cm；基礎(chǔ)底部鋪設(shè)一層鋼筋網(wǎng)，鋼筋保護(hù)層厚度為5cm，鋼筋網(wǎng)沿基礎(chǔ)長(zhǎng)度方向采用Φ16@250mm，沿基礎(chǔ)寬度方向采用Φ16@150mm。2） 根據(jù)槽型梁支架鋼管立柱的位置測(cè)量定位基礎(chǔ)加固Φ529mm鋼管立柱軸線位置，于基礎(chǔ)混凝土澆筑前預(yù)埋10mm厚、0.65m×0.65m的鋼板；預(yù)埋鋼板采用鋼筋焊接固定，鋼板頂面與基礎(chǔ)混凝土頂面平齊。3） 待基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，根據(jù)要求安裝Φ529mm鋼管立柱，立柱高度不宜太大，一般為0.7m，在滿足施工作業(yè)的情況下可適當(dāng)調(diào)整。為保證鋼管受力均勻，鋼管頂部可采用10mm厚的鋼板進(jìn)行封口或?qū)摴馨纯v梁的結(jié)構(gòu)尺寸切割成U型。同一根支架鋼管立柱兩側(cè)加固鋼管頂面應(yīng)保證在同一水平面，防止受力不均。4） Φ529mm立柱安裝完成后，順橋向按要求放置一根雙拼I40a工字鋼。工字鋼長(zhǎng)3.65m，在工字鋼頂面，緊貼Φ630mm鋼管立柱與I40a工字鋼正交，在Φ630mm鋼管兩側(cè)各放置一根雙拼[25a槽鋼。5） 在I40a工字鋼、[25a槽鋼與Φ630mm鋼管相切處，通過(guò)鋼板將支架鋼管受力傳遞到工字鋼及槽鋼上。鋼板厚2cm，并與Φ630mm鋼管焊接牢固，焊縫高度為400mm，焊縫厚度為8.3mm，采用雙面焊。在鋼板受力過(guò)程中，為防止Φ630mm鋼管在鋼板焊接位置受彎矩發(fā)生變形，在加固基礎(chǔ)施工的同時(shí)，可于Φ630mm鋼管上適當(dāng)位置開(kāi)設(shè)5cm圓孔，對(duì)鋼管內(nèi)部填充細(xì)石混凝土或水泥砂漿，填充高度應(yīng)高出鋼板頂部10cm以上。

在條形基礎(chǔ)兩側(cè)各設(shè)尺寸為12m×1m×0.5m的C25鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底設(shè)一層Φ16mm鋼筋網(wǎng)（縱向間距150mm、橫向間距250mm），基礎(chǔ)頂面預(yù)埋（650×650×10）mm鋼墊板以支承鋼管柱。

采用Φ529mm鋼管，與基礎(chǔ)預(yù)埋鋼板滿焊連接。

采用雙拼I40a工字鋼，長(zhǎng)度為3.65m，密貼Φ630mm鋼管柱且與小橫梁正交布置，在I40a工字鋼上設(shè)雙拼[25a槽鋼小橫梁。

采用厚20mm、高40cm鋼綴板與Φ630mm鋼管焊接，焊縫厚度為8.3mm，采用雙面焊，在前后左右各布置4塊。

4 支架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

4.1 荷載確定

支架設(shè)計(jì)檢算時(shí)確定的單根鋼管最大荷載為1548kN，在Φ630mm鋼管柱四周采用4塊20mm厚鋼綴板貼角焊，焊縫長(zhǎng)為400mm，則每塊鋼板應(yīng)承受的剪切應(yīng)力=1548/4387kN。

4.2 綴板角焊縫計(jì)算

單塊綴板最大能承受387kN的剪切應(yīng)力，由于施焊時(shí)起弧或落弧處會(huì)形成弧坑，因此每條連續(xù)焊縫應(yīng)從實(shí)際長(zhǎng)度中減去10mm，單側(cè)焊縫長(zhǎng)度L=390mm，采用雙面焊則為L=580mm。

A3鋼容許剪應(yīng)力[]=85MPa，采用T422型焊條，由此可得焊縫厚度如式（1）所示。

式中：h為焊縫厚度，單位為mm；為單塊板承受剪切應(yīng)力，單位為kN；L為焊縫長(zhǎng)度，單位為mm；[]為A3鋼容許剪應(yīng)力，單位為MPa.

由式（1）計(jì)算可得h=8.3mm。

同時(shí)焊縫厚度不得大于較薄焊件厚度的1.2倍，此處鋼管厚度為10mm，相對(duì)來(lái)說(shuō)20mm厚的鋼板為較薄焊件，則焊縫厚度最大不超過(guò)1.2×10=12mm，因此，焊縫厚度8.3mm滿足要求。

4.3 小橫梁計(jì)算

[25a槽鋼小橫梁長(zhǎng)=91.3cm，承受荷載=387kN，最大彎矩如式（2）所示。

式中：為最大彎矩，單位為kN·m；為承受荷載，單位為kN；為小橫梁長(zhǎng)度，單位為m。

經(jīng)計(jì)算=88.3kN·m，最大剪力=193.5kN。

[25a槽鋼為Q235鋼材，其橫截面積=34.9cm，半截面慣性矩=157.78m，慣性矩=3370 cm，腰厚=7mm，平均腿厚=12mm，抗拉強(qiáng)度[]=215MPa，抗剪強(qiáng)度[f]=125MPa。

根據(jù)容許應(yīng)力法，彎曲應(yīng)力的計(jì)算如式（3）所示。

式中：為彎曲應(yīng)力，MPa；為梁橫截面上最外邊緣上的點(diǎn)到中性軸的距離，mm；為小橫梁根數(shù)。

由式（3）的計(jì)算可得≥1.4，取2根，滿足要求。

雙拼槽鋼最大剪應(yīng)力如式（4）所示。

式中：為最大剪應(yīng)力，MPa。

由式（4）計(jì)算可得＜125MPa，滿足要求。因此小橫梁采用2根[25a槽鋼。

當(dāng)小橫梁跨中作用集中荷載P=387kN時(shí)，則其作用下的撓度如式（5）所示。

由式（5）可知撓度＜/400=2.28mm，因此滿足要求。

雙拼槽鋼之間以及槽鋼和Φ630mm鋼管連接均采用不低于T422的焊條雙面滿焊，確?？煽窟B接。

4.4 I40a扁擔(dān)梁計(jì)算

計(jì)算I40a扁擔(dān)梁最大彎矩=504.3kN·m，最大剪力=387kN，扁擔(dān)梁采用I40a工字鋼，其橫截面積=67cm，半截面慣性矩=637m，慣性矩=21720 cm，腰厚=10.5mm，平均腿厚=16.5mm，抗拉強(qiáng)度[]=215MPa，抗剪強(qiáng)度[]=125MPa。

根據(jù)容許應(yīng)力法，彎曲應(yīng)力的計(jì)算如公式（6）所示。

式中：為彎曲應(yīng)力，MPa；為梁橫截面上最外邊緣上的點(diǎn)到中性軸的距離，mm；為扁擔(dān)梁根數(shù)。

由（6）計(jì)算可得梁根數(shù)n≥1.98，取2根，滿足要求。

雙拼工字鋼最大剪應(yīng)力如式（7）所示。

式中：為最大剪應(yīng)力，MPa。

由式（7）的計(jì)算可得＜125MPa，滿足要求。

故扁擔(dān)梁采用2根I40a工字鋼。

當(dāng)I40a扁擔(dān)梁跨中作用集中荷載=2×387=774kN時(shí)，則其作用下的撓度如式（8）所示。

由式（8）可知＜/400=7.5mm，因此滿足要求。

4.5 鋼管立柱計(jì)算

鋼管立柱采用直徑Φ529mm、壁厚10mm的鋼管，其橫截面積=163.05cm2，橫截面慣性矩I=54919.067cm，回轉(zhuǎn)半徑=18.352cm。

支撐架鋼管高度約為=0.78m，受壓桿長(zhǎng)細(xì)例如式（9）所示。

鋼管立柱按照兩端鉸支，取=1，屬于短壓桿，查表得縱向彎曲系數(shù)如式（10）所示。

支撐鋼管立柱允許承載能力如式（11）所示。

則如式（12）所示，滿足要求。

鋼管樁穩(wěn)定性驗(yàn)算如式（13）所示，穩(wěn)定性滿足要求。

4.6 配筋計(jì)算

根據(jù)基礎(chǔ)上單根鋼管柱承受最大荷載387kN進(jìn)行基礎(chǔ)平面尺寸確定和配筋計(jì)算，加固基礎(chǔ)采用C25鋼筋混凝土基礎(chǔ)，尺寸為12m×1m×0.6m，在基礎(chǔ)底部配一層鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)采用Φ16mm鋼筋，縱向間距為150mm，橫向間距為250mm，保護(hù)層厚度為50mm。

5 加固效果

支架加固后重新對(duì)沉降基礎(chǔ)部位進(jìn)行堆載預(yù)壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)支架條形基礎(chǔ)混凝土裂紋無(wú)再擴(kuò)大的趨勢(shì)，加固前后預(yù)壓試驗(yàn)沉降量對(duì)例如圖2所示，支架基礎(chǔ)沉降趨于穩(wěn)定，可滿足大跨度槽型梁混凝土澆筑時(shí)預(yù)拱度設(shè)置和梁底線形控制的要求，效果較好。

圖2 支架加固前后沉降量對(duì)比圖

6 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)澆梁支架基礎(chǔ)的穩(wěn)定性直接影響著梁體的標(biāo)高和線形控制，為此采用可靠的支架基礎(chǔ)是現(xiàn)澆支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，尤其是位于軟土地層上的支架基礎(chǔ)受地質(zhì)條件、地下水位和降水等影響，情況較為復(fù)雜。該文中所涉該工程通過(guò)對(duì)支架基礎(chǔ)沉降處理技術(shù)的研究得出以下結(jié)論：1） 地基條件較差地段的現(xiàn)澆梁支架優(yōu)先選擇滿堂式支架，具有施工方便且對(duì)地基承載力要求較低的優(yōu)點(diǎn)。2） 地基條件較差且有支架下通行要求的現(xiàn)澆梁支架可采用滿堂式支架和梁柱式支架相結(jié)合的形式，只需對(duì)局部地基加強(qiáng)處理即可，既施工方便，又可滿足通行。3） 采用增大基礎(chǔ)平面尺寸以減小基礎(chǔ)集中荷載的方法是支架基礎(chǔ)沉降處理的可靠措施，具有施工方便、節(jié)約成本和工期的優(yōu)勢(shì)。