浅析出站通道中板结构加固及施工措施

吴乐平

摘要：结构加固在施工过程中随处可见，本文结合工程实例，主要对施工措施加固进行阐述。介绍在大型铁路工程建设中，如何设计计算支撑体系和实施操作，对薄弱结构进行加固，保证结构及施工的安全可靠。

关键词：结构施工支撑加固 荷载传递

中图分类号：TU318文献标识码： A

一、工程概况

青岛北客站位于青岛市李沧区，为大型铁路客运车站，站房中心里程KDK15+598，站房总建筑面积68828m2，站场共8台18线。

主站房地上两层、地下两层，其中地下二层为地铁站台层，为三柱四跨结构，局部为两柱三跨结构，底板面标高为-17.59（标准段）～－19.154m（局部）；地下一层为国铁出站通道，为两柱三跨结构，地下一层底板面标高为-10.65m，上部为框架梁结构，框架梁标高为-3.8m。

承轨梁支撑在框架梁上分三跨跨越地铁A区，其跨径布置为（10.6＋19.9＋10.6）m，其中边跨采用LP＝10.6m钢筋混凝土简支整孔箱梁，中跨为LP＝19.9m预应力钢筋混凝土简支整孔箱梁，本桥与站房结构共用一个基础。青岛北客站承轨梁设计为单箱单室截面简支梁，梁端梁高1.35m，箱梁顶板全宽4.9m，梁顶板厚0.35m，底板厚0.35cm，腹板厚0.8m。跨中梁高1.65m，梁顶板厚0.24m，底板厚25cm，腹板厚0.25m。梁高从距梁端1.0m处开始渐变，渐变段长2.0m。地下结构标准段横剖面详见图-1：

图-1：A区地下结构标准段横剖面图

负一层国铁出站层框架梁柱上有高架候车层钢柱脚预埋件，但因站房钢结构优化方案迟迟未批复完成，负一层结构不具备施工条件，导致在地铁层顶板（即国铁出站层底板，以下统一称为中板）施工完成后，国铁出站层的框架梁与承轨梁结构无法连续进行施工。

因此现场调整施工安排，在中板砼强度达到规范要求后，拆除中板的模板支撑体系。再度进场施工时，考虑负一层框架结构以及上部承轨梁结构荷载，需要对600mm厚中板结构进行加固，利用加固支撑架将荷载传递至基础底板，避免上部结构施工对中板造成破坏。本文主要对结构加固架设计及施工措施做阐述。

二、参考资料

1、现场勘察和研究所获得的资料，以及相关补充资料。

2、参考规范《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ166-2008)、《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ130-2011)、《建筑施工模板安全技术规范》（JGJ162-2008）、《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）、《建筑施工手册》（第四版）、《简明施工计算手册》。

3、青岛北客站承轨梁设计施工图。

4、青岛北客站出站通道设计施工图。

5、出站通道出站层中板设计施工图。

三、材料选用

钢管：钢管选用外径为48mm、壁厚3.5mm（实际为2.75mm，也为设计计算取值）的无缝钢管，钢材强度等级Q235-A，钢管表面应平直光滑，不应有裂纹、分层、压痕、划道和硬弯，新用的钢管要有出厂合格证。脚手架施工前必须将入场钢管取样，送有相关国家资质的试验单位，进行钢管抗弯、抗拉等力学试验，试验结果满足设计要求后，方可在施工中使用。应符合国家标准《直缝电焊钢管》（GB/T13793）或《低压流体输送用焊接钢管》（GB/T3092）的相关规定，质量应符合现行国家标准《碳素结构钢》（GB/T700）中Q235-A级钢的规定。

扣件：本工程钢管脚手架的搭设使用可锻铸造扣件，应符合建设部《钢管脚手扣件标准》JGJ22-85的要求，扣件表面不得有裂纹、气孔、缩松、砂眼等锻造缺陷，扣件的规格应与钢管相匹配，贴和面应干整，活动部位灵活，夹紧钢管时开口处最小距离不小于5mm。钢管螺栓拧紧力矩达70N.m时不得破坏。

方木：100×100一等锯材，符合现行国家标准《木结构设计规范》GB50005的规定。

底座、顶托：采用直径38mm的调节螺杆，可调底座底板的钢板厚度不应小于6mm，可调托撑钢板厚度不应小于5mm。可调底座和可调托撑丝杆与调节螺母啮合长度不小于6扣，插入立杆的长度不得小于150mm。

四、中板加固计算

（一）、荷载计算

荷载计算时，按照最不利的计算原则，选取承轨梁的标准截面进行计算。

（1）恒载

①浇筑混凝土自重

混凝土自重选择26kN/m3，梁体标准截面面积为2.5m2。

P1=（26 kN/m3×2.5m2）÷3.0m=21.67 kN/m2

②梁体模板自重

梁体模板底模采用15mm厚的一类一等竹胶板，外模采用桥梁清水混凝土耐用型专用模板（2240×1220×10mm）。箱室内模采用9mm厚的木模板竹胶板下纵向设置5cm×7cm方木，间距为15cm，纵向方木外侧采用8cm×10cm的方木竖向加固，间距为100cm，利用方木骨架和钢管作为支撑连接成整体以满足刚度要求。根据一般的施工经验取值1.5kN/m2。

P2=1.5kN/m2

③方木自重

取方木容重最大值为7 kN/ m3

10cm×10cm方木 P3=7 kN/m3×0.01 m2=0.08 kN/ m2

15cm×15cm方木 P4=7 kN/m3×0.0225 m2=0.189 kN/ m2

④支架自重

中板上部承轨梁支架自重（按最大支撑高度h=6.65m计算，布置方式顺桥向×横桥向×横杆步距=0.6m×0.9m×1.2m），单根立杆采用选择1根LG-300，1根LG-180、1根LG-120，可调顶托KTZ-45、可调底座KTC-45组成。

单根立杆自重 P5=（16.48＋10.19＋7.05＋5.82＋7.01）kg =46.55kg=0.465kN

作用在单根立杆上横杆自重 P6=（6×2.47＋6×3.63）kg =36.6kg =0.37kN

承轨梁体支架立杆纵横间距按照0.6m×0.9m(横向×纵向)布置，则单位平方米面面积上最多设置4根立杆

则自支架自重P7=（0.465 kN＋0.37 kN）×4÷1m2=3.34 kN/ m2

（2）活载

①设备及人工荷载P8=2.5 kN/ m2

②混凝土浇筑冲击荷载P9=2 kN/ m2

③混凝土振捣活载P10=2 kN/ m2

（3）荷载组合

q＝1.2恒载＋1.4活载

＝1.2（P1＋P2＋P3＋P4＋P7）＋1.4（P8＋P9＋P10）

＝1.2（21.67＋1.5＋0.08＋0.189＋3.34）＋1.4（2.5＋2＋2）

＝41.23 kN/ m2

（二）、中板强度检算

（1）中板强度验算

①抗压强度：

上部结构施工时，因时间间隔较长，中板混凝土 (C40)已达到设计强度，取40MPa。

承轨梁底支撑间距0.6m×0.9m。

故单根立杆轴向力：N=41.23 kN/ m2×（0.6m×0.9m）=22.26kN

p＝N/A=22.26×103/1808.64＝12.31N/mm2≤fk＝40N/mm2

（A为钢管的全截面面积，即A=3.14×242=1808.64mm2）

施工时，每根立杆下设可调底托或支垫方木，故立杆底部面积取钢管全截面面积。

满足要求。

②抗剪强度：

取600mm板宽，按照不配置箍筋和弯起钢筋一般板类受弯构件计算斜截面受剪承载力：

＝0.7×1×1.71×600×575

=412.97 kN

当h0＜800mm时，取800mm；

中板混凝土强度C40，故其轴心抗拉强度设计值为1.71N/mm2；

中板板厚600mm，钢筋保护层厚度25mm，则截面有效高度h0为575mm。

在该种工况下，中板承受的最大剪力为加固架立反力，即V=31.1 kN＜Vc，满足要求。

③方木抗压强度验算

方木承受轴力N=41.23×（0.6×0.9）=22.26kN

根据顶托型号确定方木承压面积为A=100×100=10000mm2

故P=N/A=22.26×1000÷10000=2.23 N/mm2＜12 N/mm2

满足要求。

（三）、中板挠度验算

取板宽1m，在长跨方向按单跨简支梁计算跨中最大挠度。中板受拉区沿长跨方向钢筋为Φ16@150，受压区为Φ20@200。

长期刚度：

—按荷载效应的标准组合计算的弯矩：

1/8×26.78×0.92+1/8×6.5×0.92=3.36kN.m

—按荷载效应的准永久组合计算的弯矩：（查建筑结构荷载规范车站准永久值系数为0.5)

1/8×26.78×0.92+0.5×1/8×6.5×0.92=3.04 kN.m

—考虑荷载长期作用对挠度增大的影响系数：

，故取1.6。

短期刚度：

—钢筋弹性模量：

—裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数，按直接承受重复荷载作用构件取1.0；

钢筋的弹性模量与混凝土弹性模量的比值

—受压翼缘加强系数，

—纵向受拉钢筋配筋率，

故：

按0.9m单跨简支梁模型计算板的最大挠度：

查《混凝土结构设计规范》表3.3.2可知，楼板允许挠度限值为l/250=3.6mm，故F=0.006mm＜3.6mm，中板挠度验算满足要求。

（四）、中板最大裂缝宽度验算

—构件受力特征系数，查《混凝土结构设计规范》表8.1.2-1为2.1；

—裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数，按直接承受重复荷载作用构件取1.0；

—按荷载效应的标准组合计算的钢筋混凝土构件纵向受拉钢筋的应力，按《混凝土结构设计规范》第8.1.3条受弯构件计算为：

按照较大跨度0.9m，取1m宽的板带，按3跨连续梁计算：

—钢筋弹性模量：

—最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离，取25mm；

—受拉区纵向钢筋等效直径，

—按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率：

所以中板最大裂缝宽度满足要求。（最大裂缝宽度限值查《混凝土结构设计规范》表3.3.4。）

（五）、钢管支撑架体承载能力验算（按轴线受压考虑）

（1）单根立杆承载的轴向最大许可外力计算

中板支架立杆纵横间距按照0.6m×0.9m(横向×纵向)布置，中板上部荷载静内力组合后为41.23kN/ m2，则单根立杆上可承受的最大荷载为：

41.23kN/ m2×(0.6×0.9)=22.26kN。

（2）立杆强度

与承轨梁对应的出站通道中板下支撑立杆为φ48×2.75mm，钢管支架间距0.6m×0.9m，步距≤1.5m；

钢管截面的回转半径

钢管抗弯设计值为：；

150；

长细比满足要求。

查JGJ130-2001附表C，得稳定系数0.634。

σ＝N/(ψA)＝2.26×103/(0.634×390.733)＝89.86N/mm2≤[σ]＝205N/mm2

故立杆强度满足要求。

（六）、承轨梁与站房框架梁垂直投影重叠部分

由于承轨梁施工在站房框架梁施工完毕之后进行，承轨梁部分荷载（梁体模板和混凝土）直接由框架梁承担，利用MIDAS CIVIL 软件来做模拟分析，将站房框架梁（截面尺寸1000mm×1500mm）模拟成三跨连续梁，站房框架梁设计受拉区为双层受力钢筋，布置形式（25Φ329/16），受压区钢筋布置形式（10Φ32），抗扭钢筋（48Φ32），箍筋φ12@150mm。根据上部承轨梁施工荷载进行模拟分析，计算模型如图-2。

图-2：计算模型

利用MIDAS CIVIL 软件计算结果如下：

图-3：支座反力图（单位：kN）

支座反力：FMin=116.8KN，FMax=682.9kN

图-4：梁体剪力图（单位：kN）

最大剪力：ZMax=1.95300e+002 kN

图-5： 梁体弯矩图（单位：kN.m）

最大弯矩：M=3.91973e+002 kN.m

图-6： 梁体变形图（单位：m）

最大位移：2.95742e-003 m，满足梁体挠度设计要求。

（七）、加固支架地基承载力验算

加固支架基础为地铁层底板，底板厚度1.6m和2.3m，混凝土强度C45，下部为桩基础，故地基承载力完全能够满足要求。

五、站房框架梁和承轨梁下部出站通道中板加固方案

（一）、加固方案设计原则

1、承轨梁梁体支架设计，依据严谨受力验算分析，对承轨梁下部出站通道中板有选择性的局部进行加固。

2、选用材料时，力求做到常见通用、能保证施工需要。

3、结合本工程的实际情况，综合考虑了以往的施工经验，加固架搭设时保证上部碗扣式脚手架的立杆与下部扣件式钢管脚手架的立杆处于同一轴线上，使上部荷载直接通过钢管支撑传递给基础底板。

4、选择加固措施时，必须做到受力明确，构造措施到位，搭拆方便，便于检查验收。

5、尽量减少立杆接头的数量，防止支架受力变形。

（二）、加固区域

本次对中板加固采取有选择性的加固，不搭设满堂支撑。为了控制承轨梁下部出站通道中板结构在施工荷载作用下发生变形，加固部位为出站通道框架梁投影区域、承轨梁底板垂直投影区域、中板楼扶梯孔洞周边和后浇带。

（三）、加固方式及措施

（1）框架梁在中板上的投影区域

高度小于（包括）950mm，且宽度小于（包括）600mm的框架梁在中板投影区域不再进行加固，除此之外，其他框架梁投影区域均需对中板进行加固。加固架的宽度不应小于框架梁在中板上的投影宽度。

对中板的加固采用扣件式钢管架，要求立杆布置均匀，横平竖直。

对框架梁投影区域中板的加固按照下面的原则进行：

①框架梁高度不大于950mm，且宽度不大于600mm，其投影区域中板不进行加固；

②框架梁高度在1700mm及以下的，加固架立杆间距为900mm×900mm，横杆步距1500mm；

图-7：1800mm×1000mm梁投影区域中板加固支架横立面图

图-8：1800mm×1000mm梁投影区域中板加固支架侧立面图

③框架梁高度为2000mm和2200mm的，加固架立杆间距为600mm×900mm，其中沿梁横截面间距600mm，纵向间距900mm，横杆步距1500mm；且立杆应沿梁横截面方向按600mm间距设置3排；

图-9：2000mm×2000mm梁投影区域中板加固支架横立面图

图-10：2000mm×2000mm梁投影区域中板加固支架侧立面图

④框架梁高度为2400mm和2700mm的，加固架立杆间距为600mm×600mm，横杆步距1500mm；

图-11：750mm×2700mm梁投影区域中板加固支架横立面图