上跨既有橋梁現(xiàn)澆箱梁懸挑支架設(shè)計(jì)及施工

劉順波

（中鐵十四局集團(tuán)有限公司市政工程分公司，山東青島 266109）

城市立交橋建設(shè)對提升道路通行能力、解決大容量交通、加速城市綜合交通體系建設(shè)具有重要意義?，F(xiàn)澆連續(xù)箱梁整體性好、造型美、結(jié)構(gòu)剛度大，廣泛運(yùn)用于公路、市政橋梁。城市立交橋現(xiàn)澆箱梁多建設(shè)于既有道路、橋梁之上，不僅要保證上跨橋梁順利施工，還要確保既有結(jié)構(gòu)安全。受建設(shè)條件限制，支架搭設(shè)無法采用常規(guī)結(jié)構(gòu)形式，只能采用門洞支架或懸挑支架施工方法。懸挑支架結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，對支架搭設(shè)質(zhì)量、支架穩(wěn)定性要求高，所以提高地基承載能力和支架整體穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)、施工重點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)背景

雙元路與雙積路節(jié)點(diǎn)立交橋南北向主線橋沿白沙河橋東西兩側(cè)分幅布設(shè)，于白沙河橋尾合幅，局部上跨白沙河橋。南北向主線橋共9聯(lián)24孔，設(shè)計(jì)采用35 m跨預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁。第SN6聯(lián)設(shè)計(jì)為2孔35 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，箱梁斷面為單箱兩室、等截面連續(xù)箱梁形式。梁板寬度12.75 m，箱梁底板寬7.56 m，梁高2.2 m，支座中心至梁端0.56 m，橫斷面方向兩支座間距為4m。采用C50混凝土，每孔最大重量912 t[1]。白沙河大橋上部結(jié)構(gòu)采用簡支預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁，裝配式施工。左、右幅橫向各布置11片梁，單跨跨度16 m，單幅寬度15.7 m。下部結(jié)構(gòu)為雙柱式橋墩，柱式橋臺，樁基礎(chǔ)。上跨現(xiàn)澆箱梁主要位于白沙河橋蓋梁懸挑部位，通過橋梁博士軟件建立白沙河橋下部結(jié)構(gòu)整體模型，并對蓋梁進(jìn)行受力檢算。白沙河橋計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 白沙河橋計(jì)算模型

按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）規(guī)定，鋼筋混凝土構(gòu)件和B類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，在正常使用極限狀態(tài)下的裂縫寬度應(yīng)按作用頻遇組合，并考慮長期效應(yīng)影響進(jìn)行計(jì)算［2］。經(jīng)計(jì)算截面頂緣最大裂縫寬度0.212 mm＞容許值0.2 mm，不滿足規(guī)范要求。

SN6聯(lián)上跨白沙河橋，與白沙河橋斜交角為32°，局部腹板位于橋邊梁正上方。對白沙河橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，結(jié)果顯示，承載能力無法滿足滿堂支架現(xiàn)澆法上部荷載。且白沙河橋單幅寬度為15.7 m，采用門洞式支架跨越難度較大。為保證現(xiàn)澆連續(xù)箱梁施工質(zhì)量，采用懸挑式鋼管柱支架現(xiàn)澆法施工。

白沙河北岸橋梁建設(shè)位置沉積淤泥較厚，地下管線縱橫交錯(cuò)，無法采用沉入式樁基礎(chǔ)，需要對地基進(jìn)行清理換填。采用混凝土基礎(chǔ)搭設(shè)鋼管柱，支架搭設(shè)環(huán)境較差，保證地基承載能力和支架穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)、施工關(guān)鍵。

2 懸挑式支架設(shè)計(jì)方案及檢算

2.1 懸挑式支架風(fēng)險(xiǎn)分析

（1）SN6聯(lián)橋址淤泥層覆蓋較厚，地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜，地基處理困難，鋼管樁支架局部會受下沉影響產(chǎn)生應(yīng)力裂隙；（2）靠近懸挑位置鋼管柱受彎強(qiáng)度大，容易造成應(yīng)力集中，影響支架整體穩(wěn)定性；（3）懸挑支架斜撐焊接質(zhì)量直接影響承載能力。

2.2 懸挑式支架結(jié)構(gòu)形式

結(jié)合影響因素，采用鋼管、工字鋼支架搭設(shè)，條形基礎(chǔ)橫橋向通長布置，尺寸為寬度1 m，高度0.6 m，共6排，間距為5、7、7、4、4 m，立柱采用Φ529 mm×8 mm螺旋管，橫橋向每排布置4根，間距為3.6 m，靠近白沙河橋一側(cè)鋼管柱緊鄰橋梁邊緣設(shè)置，工字鋼懸挑并設(shè)置I45b工字鋼斜撐，斜撐分別與工字鋼、鋼管滿焊。因懸挑位置鋼管柱受彎拉力較大，鋼管內(nèi)灌注C20混凝土。立柱頂橫橋向布置雙拼I45b工字鋼，縱橋向采用I45b工字鋼，間距與盤扣支架搭設(shè)相同，搭設(shè)盤扣式滿堂支架調(diào)節(jié)橋梁縱橫向坡度。懸挑支架立面和斷面如圖2、圖3所示。

圖2 懸挑支架立面

圖3 懸挑支架斷面

2.3 懸挑支架的受力檢算

懸挑式現(xiàn)澆支架設(shè)計(jì)中，懸挑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及鋼管柱承載能力是最主要的驗(yàn)算指標(biāo)，模板支架系統(tǒng)為常規(guī)設(shè)計(jì)，因此主要對鋼管柱的承載能力及架體整體穩(wěn)定性進(jìn)行檢算。

通過對上部盤扣式滿堂支架受力進(jìn)行模擬分析，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算公式可得出立桿支座反力，依次作為懸挑支架的豎向荷載。

建立懸挑支架整體受力模型：根據(jù)《建筑施工臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》，鋼材的力學(xué)指標(biāo)取下值：σ=205 MPa，I45b 工字鋼設(shè)計(jì)受力參數(shù)為：W=150 200 mm3。

懸挑支架整體受力如圖4所示。

圖4 懸挑支架整體受力

2.3.1 懸挑支架抗彎驗(yàn)算

懸挑支架內(nèi)力如圖5所示。

圖5 懸挑支架內(nèi)力

彎應(yīng)力σ的公式參考《建筑施工臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（JGJ 300—2013）。

式中：M——水平桿彎矩設(shè)計(jì)值（N·mm）；W——桿件截面模量（mm3）；f——鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm2）。

根據(jù)受力模擬分析，經(jīng)計(jì)算可得懸挑支架鋼構(gòu)件最大彎矩M=360 336 805 N·mm。

最大彎應(yīng)力σmax=Mmax/W=360 336 805/300 400=119.95 N/mm2＜205 N/mm2。

2.3.2 懸挑支架體系撓度驗(yàn)算

最大撓度0.011＜l/250=1.60 mm，滿足要求。

懸挑支架位移如圖6所示。

圖6 懸挑支架位移

2.3.3 懸挑支架支座反力計(jì)算

懸挑支架支座反力如圖7所示。

圖7 懸挑支架支座反力

由受力軟件計(jì)算得出，最大支座反力為：923.8kN。每排螺旋焊管下設(shè)置14 mm×1.2 mm×0.6 mm的C30混凝土條形基礎(chǔ)。地基承載力必須滿足（考慮45°擴(kuò)散角）f=N/A=[(923.8+423.4+655.1+111)+(14×1.2×0.6×25.5))/(14×2.4)]=70.5 kPa。

2.3.4 鋼管柱強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值Wk的計(jì)算參考《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）。

Wk——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）；βz——高度z處的風(fēng)振系數(shù)；μs——風(fēng)荷載體型系數(shù)；μz——風(fēng)壓高度變化系數(shù)；w0——基本風(fēng)壓（kN/m2）。

懸挑支架的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：Wk1=1×1.3×1.52×0.6=1.19 kN/m2。

風(fēng)荷載對懸挑支架作用為：F總=Wk1×(A梁+A柱)=1.19×(3.5×24+0.45×32)=117.1 kN。

懸挑支架所受風(fēng)荷載作用在螺旋管立柱上，水平風(fēng)力對每根鋼管作用為：F均=F總/24=4.9 kN；鋼管立柱所受橫向彎矩為：M風(fēng)力=4.9×7=34.3 kN·m。

鋼管壁截面積：A=131.2 cm2；最小回轉(zhuǎn)半徑：ix=21.89，螺旋管的長細(xì)比：

Q235 鋼螺旋管材料，fy=235 MPa，所 以

查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2017）附錄表G-2，得到穩(wěn)定系數(shù)：φ=0.929。

所以，鋼管立柱強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算滿足規(guī)范要求。

3 懸挑式支架搭設(shè)

3.1 地基及基礎(chǔ)施工

原有地基承載力不能滿足要求，所以對地基采取清淤換填石渣的處理方式，回填厚度為1 m，經(jīng)重力觸探方案檢測地基承載力為113 kPa，滿足要求。為保證條形基礎(chǔ)穩(wěn)定性，換填后澆筑30 cm厚筏板基礎(chǔ)，在筏板基礎(chǔ)上布置混凝土條形基礎(chǔ)，條形基礎(chǔ)橫橋連續(xù)布置，條形基礎(chǔ)長度14 m，寬度1 m，高度0.6 m。

3.2 支架基礎(chǔ)預(yù)壓

條形基礎(chǔ)施工結(jié)束后，采用1.2倍的上部荷載對基礎(chǔ)進(jìn)行預(yù)壓，盡可能消除軟弱地基的不均勻沉降和非彈性變形[3]，檢驗(yàn)基礎(chǔ)處理效果。將搭設(shè)支架用的工字鋼按照事先布置好的荷載分布及數(shù)值吊裝至條形基礎(chǔ)并依次對稱疊放，布置沉降觀測點(diǎn)，并記錄初始讀數(shù)以及分級加載后的數(shù)值變化。基礎(chǔ)預(yù)壓合格后，搭設(shè)懸挑支架體系。

3.3 螺旋管安裝

（1）鋼管立柱采用Φ529 mm×8 mm螺旋鋼管，安裝前計(jì)算鋼管柱柱頂標(biāo)高，對鋼管材料完成預(yù)加工，當(dāng)鋼管柱高度存在誤差時(shí)采用切割或支墊鋼板形式調(diào)整標(biāo)高，確保鋼管標(biāo)高符合安裝要求。

（2）鋼管立柱和基礎(chǔ)的連接采用螺栓連接，保證連接的穩(wěn)定性，鋼管底部焊接鋼板，鋼板尺寸為800 mm×800 mm×20 mm，鋼管與預(yù)埋鋼板采用8塊（100 mm×100 mm×10 mm）厚三角形綴板進(jìn)行焊接，焊接厚度不小于8 mm。

（3）同一排鋼管立柱安裝完成后，橫向采用16#槽鋼，連接方式為剪刀撐。

（4）鋼管柱支架靠近現(xiàn)狀白沙河橋一側(cè)螺旋管灌注C20混凝土。

3.4 工字鋼分配梁安裝

（1）分配梁采用2I45b工字鋼，2根工字鋼上下面各貼一塊10 mm厚、30 cm寬的鋼板。鋼管立柱安裝完成后利用全站儀或水準(zhǔn)儀復(fù)核管頂標(biāo)高，檢查合格后，方可安裝上部結(jié)構(gòu)。工字鋼分配梁吊裝前應(yīng)按設(shè)計(jì)完成預(yù)加工。起吊時(shí)分配梁兩端套上繩索，人工拉住繩索控制分配梁朝向，分配梁與樁頂接觸部位以點(diǎn)焊方式臨時(shí)固定，之后松開吊鉤及繩索[4]。橫梁中心與立柱中心重合。采用三角鋼板（厚度10 mm）將工字鋼與鋼管立柱頂部焊接牢固。

（2）工字鋼斜撐焊接，提前計(jì)算斜撐角度，工字鋼與工字鋼支架加墊2 cm厚鋼板滿焊，工字鋼與螺旋焊管之間應(yīng)滿焊，上下各加一塊2 cm×20 cm×20 cm的綴板。

3.5 支架預(yù)壓

支架系統(tǒng)形成后，為保證箱梁砼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，懸挑支撐搭設(shè)結(jié)束及底模板鋪設(shè)后必須進(jìn)行預(yù)壓處理，以消除支架、支撐方木和模板的非彈性變形和地基的壓縮沉降影響，根據(jù)現(xiàn)場預(yù)壓情況，對支架系統(tǒng)進(jìn)行改良加固。同時(shí)取得支架彈性變形的實(shí)際數(shù)值，作為梁體立模的拋高預(yù)拱值數(shù)據(jù)設(shè)置的參考[5-6]。

4 結(jié)語

通過對既有白沙橋結(jié)構(gòu)受力性能驗(yàn)算，計(jì)算了既有橋梁的承載能力。在常規(guī)支架搭設(shè)受限條件下采用懸挑式鋼管支架施工雙元路與雙積路節(jié)點(diǎn)立交橋SN6聯(lián)現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，最終順利完成本聯(lián)箱梁施工，確保了雙元路與雙積路節(jié)點(diǎn)立交橋工程的工期目標(biāo)任務(wù)的完成，為類似橋梁施工提供經(jīng)驗(yàn)。