新型組合桁架梁在鐵路現(xiàn)澆梁大跨度施工支架中的應(yīng)用

【摘要】在現(xiàn)澆橋梁施工中，當(dāng)受限于特殊地形條件或軟弱地基時，普通多跨式施工支架可能難以實(shí)施或成本過高。大跨度施工支架由于其強(qiáng)大的跨越能力，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景和重要的研究價(jià)值。文章以杭州至衢州鐵路建德至衢州段新建的32 m單線箱梁現(xiàn)澆支架設(shè)計(jì)為例，闡述了新型組合桁架梁在大跨度施工支架中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，現(xiàn)澆支架的強(qiáng)度和變形均滿足要求，施工過程中支架的變形控制在計(jì)算預(yù)測的范圍以內(nèi)。實(shí)踐證明，在特殊地形條件下采用新型組合桁架梁作為主梁的一跨式結(jié)構(gòu)，能夠滿足鐵路單線32 m簡支箱梁現(xiàn)澆支架的設(shè)計(jì)和施工要求，為同類工程的支架設(shè)計(jì)和施工提供了參考。

【關(guān)鍵詞】鐵路橋梁；現(xiàn)澆施工；臨時支架；新型組合桁架梁；大跨度

【中圖分類號】TU279.7 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-6028（2024）09-0167-03

0 引言

在現(xiàn)澆橋梁施工中，臨時支架通常采用貝雷梁作為承重主梁。當(dāng)支架結(jié)構(gòu)跨徑在12～15 m時，結(jié)構(gòu)受力較為合理，具有一定安全儲備，且支架工程量在經(jīng)濟(jì)上最優(yōu)。如果支架跨度超過18 m，支架撓度的控制將成為關(guān)鍵制約因素。當(dāng)橋梁現(xiàn)澆支架受限于特殊地形條件或軟弱地基處理難度大、成本高時，難以在支架跨中設(shè)置支墩，需要采用一跨式臨時支架時，若仍采用貝雷梁作為承重主梁，需要采用加強(qiáng)弦桿、豎桿或采用雙層貝雷梁布置，以符合設(shè)計(jì)施工要求，這會導(dǎo)致材料使用量增加，施工難度和風(fēng)險(xiǎn)也將加大[1-5]。

新型組合桁架梁是國內(nèi)橋梁施工中標(biāo)準(zhǔn)化組合桿件的一種，可廣泛應(yīng)用于施工便橋、纜索吊、架橋機(jī)、掛籃等場景，具有較高的承載力和較強(qiáng)的跨越能力。因此，可將其作為支架結(jié)構(gòu)承重主梁，實(shí)現(xiàn)大跨度臨時支架施工[6-7]。本文以杭州至衢州鐵路建德至衢州段新建的32 m單線箱梁現(xiàn)澆臨時支架為背景，闡述了新型組合桁架梁在大跨度施工支架中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

1 新型組合桁架梁

與貝雷梁類似，新型組合桁架梁由多個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段和調(diào)節(jié)節(jié)段組合拼接而成，可以根據(jù)工程需要組裝成不同跨度的桁架梁結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的尺寸為4 m×2 m，弦桿由槽鋼14 a背靠背組合，豎桿采用80 mm×80 mm×8 mm方鋼管，斜桿采用80 mm×80 mm

×5 mm方鋼管，單片桁架梁重量為640 kg。另外還有長度2、1.5 m的端承節(jié)段，豎桿壁厚適當(dāng)加厚用以提高抗剪能力。新型組合桁架梁結(jié)構(gòu)簡便、通用性強(qiáng)、拆裝迅速、安全可靠、便于運(yùn)輸，可作為支架承重主梁的優(yōu)選方案。新型組合桁架梁結(jié)構(gòu)見圖1。

2 支架設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

新建杭州至衢州鐵路建德至衢州段的橋梁為單線現(xiàn)澆有砟軌道，其中部分橋梁采用懸臂施工連續(xù)梁，其余為后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁。箱梁截面形式為單箱單室，梁長32.6 m，施工方法為原位現(xiàn)澆。標(biāo)準(zhǔn)斷面中心線處梁高2.52 m（梁頂最低點(diǎn)到梁底），箱梁頂板結(jié)構(gòu)寬度7.1 m、厚度22 cm，底板寬度3.2 m、厚度26 cm，腹板厚30 cm，混凝土用量150.9 m3，總重量377.3 t。

該段沿線包括梨樹塢2號大橋、唐家塢1號中橋、唐家塢2號中橋、梓溪塢大橋、右線梨樹塢大橋等大橋。現(xiàn)場地形起伏很大，最大高差達(dá)22 m，并且墩柱最大高度達(dá)30 m，全線其他大橋地形情況與之相似。

2.2 支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該現(xiàn)澆箱梁梁高2.52 m，計(jì)算跨度31.5 m。在現(xiàn)澆梁施工中，如果采用常規(guī)鋼管貝雷梁支架，對于單跨現(xiàn)澆梁，支架兩端靠近橋梁墩柱的兩排鋼管可以支撐在承臺上，中間需要設(shè)置兩排鋼管以滿足支架的承載力和側(cè)向穩(wěn)定的要求，這將導(dǎo)致地基處理成本和鋼材用量的增加，且中間兩排鋼管樁需要專門打樁設(shè)備進(jìn)行插打和拔出，可能會出現(xiàn)拔樁困難，造成鋼管樁一定量的損耗。針對以上問題，現(xiàn)澆梁臨時支架將采用新型組合桁架梁作為承重主梁，并采用一跨式支架結(jié)構(gòu)。

承臺施工時預(yù)埋鋼管立柱柱腳鋼板，其中鋼管立柱與柱腳預(yù)埋鋼板焊接。每側(cè)承臺設(shè)置1排φ 630mm×10 mm

鋼管立柱，其橫向間距2.3 m，最大高度26 m。鋼管立柱之間設(shè)置連接系以增強(qiáng)鋼管立柱的橫向穩(wěn)定。φ25 mm精軋螺紋鋼穿過墩柱預(yù)留孔洞與墩柱兩側(cè)16 b槽鋼對拉，鋼管立柱與槽鋼連接，形成穩(wěn)定的連墻結(jié)構(gòu)。鋼管立柱頂部加蓋板和勁板形成樁帽結(jié)構(gòu)，在樁帽上放置砂筒作為臨時支座，便于箱梁施工完成后支架結(jié)構(gòu)的拆除。砂筒頂部設(shè)置雙拼工56 b型鋼作為分配梁，分配梁長度8.1 m。順橋向承重主梁采用新型組合桁架梁，以銷軸連接桁架梁節(jié)段，節(jié)段組拼方式為（1.5+4×6+2+1.5）m，該一跨式支架結(jié)構(gòu)全長29 m。橫橋向設(shè)置18組桁架梁，組與組之間通過支撐構(gòu)架連接，橫向間距為（0.9+2×0.45+3×0.225+5×0.45+3×0.225+2×0.45+0.9）m，全寬7.2 m。主梁上方橫橋向放置Ⅰ16工字鋼橫梁，橫梁長8.1 m，順橋向間距1 m。方形木材和竹膠板垂直放置于橫梁上方?，F(xiàn)澆箱梁支架構(gòu)造見圖2。

3 支架結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 支架結(jié)構(gòu)建模

支架采用行業(yè)通用有限元程序Midas civil進(jìn)行建模計(jì)算。在模型中，支架的各個鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件均采用梁單元進(jìn)行模擬。鋼管立柱底邊界條件設(shè)置為固結(jié)，鋼管立柱間的多層連接系與鋼管立柱為共節(jié)點(diǎn)。鋼管立柱與承重梁之間、承重梁與新型組合桁架梁之間以及新型組合桁架梁與分配梁之間均采用彈性連接，約束其X、Y、Z三個方向的位移，考慮到防止構(gòu)件翻轉(zhuǎn)和繞上部構(gòu)件轉(zhuǎn)動，同時約束一個很小的力即SRy=0，SRx=100 kN .m，SRz=100 kN .m。分配梁上面方木轉(zhuǎn)換為荷載附加到恒荷載中。支架結(jié)構(gòu)模型見圖3。

計(jì)算中施加的荷載包括箱梁重量、支架自身重量、模板自重、施工人員和機(jī)具重量、振搗混凝土的振動荷載、澆筑混凝土的沖擊荷載、風(fēng)荷載。支架結(jié)構(gòu)的自重由程序自動考慮；箱梁橫橋向風(fēng)荷載等效簡化為點(diǎn)荷載加載于鋼管樁頂；鋼管樁所受風(fēng)荷載以線荷載形式加載于鋼管樁上；其余荷載以線性荷載的方式加載于橫梁。新型組合桁架梁的受力采用容許應(yīng)力法計(jì)算，而支架結(jié)構(gòu)的其他構(gòu)件采用極限狀態(tài)法進(jìn)行驗(yàn)算。

3.2 新型組合桿件桁架梁計(jì)算

新型組合桁架梁的弦桿、豎桿和斜桿內(nèi)力的最大值分別見圖4至圖7，位移計(jì)算最大值見圖8，計(jì)算結(jié)果對照表見表1。

計(jì)算結(jié)果顯示，新型組合桁架梁的弦桿、豎桿和斜桿在強(qiáng)度和變形方面均滿足設(shè)計(jì)要求。由于箱梁腹板混凝土厚度較大，通過將腹板下桁架梁橫向間距縮小至0.225 m，弦桿、豎桿和斜桿的內(nèi)力最大值出現(xiàn)在與頂?shù)装逑鄬?yīng)的位置。其中豎桿和斜桿的內(nèi)力計(jì)算值與理論容許承載力相比，安全余量較大。支架橫向布置間距的控制因素主要為弦桿內(nèi)力和變形。如果按照模數(shù)加大桁架梁的橫向間距，將無法滿足設(shè)計(jì)要求。因此本支架方案的布置是合理的。

3.3 支架其他構(gòu)件計(jì)算

荷載作用下，支架結(jié)構(gòu)的彈性穩(wěn)定系數(shù)為13.6，遠(yuǎn)大于容許值4，滿足要求。支架其他構(gòu)件計(jì)算結(jié)果見表2，強(qiáng)度和變形的計(jì)算結(jié)果均滿足要求。

除了驗(yàn)算強(qiáng)度以外，對于壓彎構(gòu)件鋼管立柱還需要驗(yàn)算截面穩(wěn)定性，由于多層橫向連接系和對應(yīng)連墻結(jié)構(gòu)的設(shè)置，鋼管立柱的計(jì)算長度較小，因此其截面穩(wěn)定應(yīng)力可以得到很好的控制。按照規(guī)范要求驗(yàn)算后穩(wěn)定應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果為172 MPa，與軟件計(jì)算的組合應(yīng)力值接近。

另外，連接系的主要作用是保持鋼管立柱在橫向作用下的穩(wěn)定，它主要是承受拉壓的構(gòu)件。從連接系的計(jì)算結(jié)果來看，剪應(yīng)力和位移的計(jì)算值很小，符合連接系的實(shí)際受力情況。在設(shè)計(jì)中，通常只要按照連接系構(gòu)件的長細(xì)比限值進(jìn)行控制，即可滿足受力要求。

4 施工應(yīng)用

4.1 支架搭設(shè)

采用80 t汽車吊對鋼管樁進(jìn)行吊裝作業(yè)，并用纜繩固定鋼管樁的位置。在墩身上利用墩身施工時設(shè)置的對穿拉桿固定16 b槽鋼，并利用16 b槽鋼連接鋼管樁和墩身。橫梁、縱梁和分配梁分別利用80 t汽車進(jìn)行吊裝作業(yè)，定位后進(jìn)行焊接作業(yè)。

4.2 支架預(yù)壓

預(yù)壓重量為設(shè)計(jì)荷載的110%，加載時按照設(shè)計(jì)荷載的60%、100%、110%分三級進(jìn)行，測量各測點(diǎn)加載前后的高程變化。當(dāng)加載至110%后，如果支架的日沉降量小于2.0 mm（不含測量誤差），表明支架的變形已基本穩(wěn)定，可以進(jìn)行卸載。卸載時也按加載級別逐級進(jìn)行，并分別測量每級荷載下各測點(diǎn)的高程值。觀測結(jié)束后，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)總沉降值和卸載后觀測值計(jì)算彈性變形量，用于設(shè)置預(yù)拱度。

4.3 支架拆除

當(dāng)梁體強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)要求時，進(jìn)行支架拆除作業(yè)。拆架程序應(yīng)基本遵循“由上而下，先搭后拆”的原則。支架拆除時，首先鑿破砂箱，取出部分砂子，使支架與梁體脫離，完成結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)換。然后再進(jìn)行支架的其他拆除作業(yè)。

4.4 支架應(yīng)用效果

新建杭州至衢州鐵路建德至衢州段現(xiàn)澆箱梁支架采用一跨式鋼管立柱結(jié)合新型組合桁架梁支架結(jié)構(gòu)，順利完成了箱梁混凝土澆筑。支架監(jiān)測結(jié)果顯示，支架的變形和應(yīng)力值都在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，現(xiàn)澆箱梁在支架拆除后的線形也符合設(shè)計(jì)要求，證明該支架設(shè)計(jì)是成功的，以新型組合桁架梁為主梁的一跨式現(xiàn)澆支架方案是可行的。

5 結(jié)語

以鐵路單線32 m簡支箱梁現(xiàn)澆支架為例，對以新型組合桁架梁為主梁的大跨度現(xiàn)澆支架進(jìn)行受力分析，得出以下主要結(jié)論。

1）在特殊地形條件下，采用新型組合桁架梁為主梁的一跨式結(jié)構(gòu)，能夠滿足鐵路單線32 m簡支箱梁現(xiàn)澆支架設(shè)計(jì)和施工的要求，在同類工程支架設(shè)計(jì)施工中具有參考價(jià)值。

2）現(xiàn)澆梁施工受到地形地貌或地基處理難度的限制時，采用新型組合桁架梁作為主梁的一跨式支架結(jié)構(gòu)顯示出較大的優(yōu)勢。

3）計(jì)算結(jié)果表明，該支架主要受跨中撓度的限制，對于鐵路40 m簡支箱梁施工，采用一跨式支架是否能夠滿足要求，需要進(jìn)一步研究和論證。

參考文獻(xiàn)

[1] 周偉明.XT300桁架梁在現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)施工臨時支架中的應(yīng)用[J].中國鐵路，2022，49（7）：49-55．

[2] 劉東海，楊健，方軍.復(fù)雜地形條件下滿堂支架法現(xiàn)澆箱梁的應(yīng)用[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2013，9（11）：362-365．

[3] 崔昌洪，韋健江.鋼管貝雷梁柱式支架在高墩大跨現(xiàn)澆箱梁施工中的運(yùn)用[J].公路，2005（10）：10-16.

[4] 王景元.軟土地基現(xiàn)澆連續(xù)箱梁支架設(shè)計(jì)與施工技術(shù)[J].中外公路，2008，28（2）：137-139．

[5] 魏勇剛.平行弦桁架與貝雷梁組合支架在大跨度現(xiàn)澆箱梁中的研究與應(yīng)用[J].鐵道建筑技術(shù)，2016，56（3）：95-98．

[6] 岳旭光.新型組合桁架梁與貝雷梁施工方案比選[J].鐵道建筑，2018，58（5）：34-38.

[7] 陳佛賜.一種新型桁架在現(xiàn)澆箱梁梁式支架中的應(yīng)用[J].世界橋梁，2016，44（6）：36-40．

[作者簡介]王浩（1991—），男，河北邢臺人，碩士研究生，工程師，研究方向：橋梁設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。