高速公路跨既有线现浇连续箱梁门洞支架施工技术

张育绮

(中铁十八局集团第四工程有限公司，天津 300350)

1　工程实例概况

某高速公路立交工程跨既有公路，与该公路交叉部位有主线左右幅14#～15#墩位，跨度为24 m，为普通现浇箱梁，梁高1.5 m，与既有公路交叉里程为K43+750；Z1匝道与既有公路交叉区域为4#～5#墩位，跨度为33 m，为预应力现浇箱梁，梁高1.75 m，与既有公路路交叉里程为K43+900；Z2匝道与既有公路路交叉区域为7#～8#墩位，跨度为30 m，为预应力现浇箱梁，梁高1.75 m，与既有公路路交叉里程为既有K43+600。

2　门洞支架的设计与受力计算

2.1　门洞支架设计

既有公路作为客运、货运的重要通道，车流量很大，在施工时需要保持通行状态，连续梁过路部分采用混凝土条形基础上螺旋钢管支架工字钢的组合方式跨越既有公路。跨越既有公路现浇箱梁门洞设置原则是保证既有公路通行的顺畅性。经现场调查及工程本身的特点以及交管部门的要求，决定每个过路部位的门式支架设置两个门洞，每个门洞净宽为7 m，限高4.8 m。门洞基础采用混凝土条形基础，条形基础高宽均为1.0 m，采用C20混凝土进行浇筑。混凝土条形基础布置如图1所示。

图1　条形基础布置

支墩均采用φ600钢管柱，柱间距为2 m，钢管柱采用焊接的形式固定在预埋在混凝土基础内的钢板上。钢管柱顶设置40 cm高沙箱(由于梁底与现状路之间的净空较低，为保证限高要求，支架的横梁与箱梁底模之间只能铺设两层方木，为保证后续架子的拆除，此处设置沙箱用作拆除支架时调节高度)，沙箱顶设置I40b双拼工字钢，长度12 m，工字钢间采用焊接形式进行固定。I40b双拼工字钢顶设置I40b工字钢作为纵梁，工字钢长9 m。纵梁顶上两层方木，横向15 cm×15 cm，净间距为0.15 m；纵向10 cm×10 cm，净间距为0.2 m。方木顶上铺设箱梁底模板。

2.2　受力计算

2.2.1荷载计算

2.2.1.1梁体自重计算(按Z1匝道4#～5#跨计算)

选用靠墩柱处箱梁截面作为危险截面，该危险截面面积S=4.55 m2，在门洞上的桥梁荷载：

箱梁自重：G砼=4.55×2.6×10=118.3 kN/m

2.2.1.2模板计算

箱梁底模、翼缘板模板均采用1.5 cm厚木胶板，侧模采用定制钢模，平均质量为400 kg/延米。现浇箱梁顶宽为7.76 m，箱梁底宽3.52 m，主要受力范围为翼缘板下5.73 m范围内；箱梁腹板周长为6.15 m；箱梁木模外缘长为5.26 m；两个门洞净宽均为6 m。模板容重为7.5 kN/m3。则每延米：

G模板=(6.15+5.26)×0.015×0.75 t/m3×10+4=5.28(kN/m)

2.2.1.3方木计算(密度取7.5 kN/m3)

经计算纵梁顶上方木总重为：

G方木=[(1/0.3)×0.152×8+(8/0.3)×1×0.12]×7.5=6.5(kN/m)

2.2.1.4施工人员、施工料具运输、堆放荷载计算

由《路桥施工计算手册》[1]查得，以上荷载取2.5 kPa，则

q人、机、料=2.5×8=20 kN/m(q是指均布荷载)

2.2.1.5倾倒混凝土时产生的冲击荷载计算

由《路桥施工计算手册》查得，该均布荷载取2.0 kPa，每处作用面积按1.0 m2计，则：F1=1×2.0=2.0 kN

2.2.1.6振捣混凝土产生的荷载计算

由《路桥施工计算手册》查得，该均布荷载取2.0 kPa，振捣作用半径按0.5 m计，则：F2=π×0.52×2.0=1.6 kN。

2.2.1.7集中荷载计算

F=F1+F2=3.6 kN。

2.2.2纵梁验算

由于桥梁走向与既有路之间属于斜交，本着受力合理原则，工字钢在满足受力的情况下，尽量与桥的方向一致，所以净宽为7 m的门洞工字钢的净距为8 m，采用长度为12 m的I40b工字钢作为纵梁。

I40b工字钢自重q工字钢=73.8 kg/m，惯性矩IX=22 780 cm4，截面抵抗矩WX=1 140 cm3，腹板厚度δ=12.5 mm，IX/SX=33.6 cm。

2.2.2.1强度验算[2]

作用在工字钢上的线荷载：

q=[G砼+G模板+G方木+q人机料]×1.2+q工字钢=[118.3+5.28+6.5+20]×1.2+0.738=180.83 kN/m；

作用在工字钢上的集中荷载为：

F=F1+F2=3.6 kN；

最大弯矩：

M1=ql2/8=180.83×82÷8=1 446.67 kN·m，

M2=Fl/4=3.6×8÷4=7.2 kN·m，

Mmax=M1+M2=1 453.87 kN·m，

ó=M/W=1 453.87×106/1 140×103=1 275.3 MPa，

n=ó/[óW]=1 275.3 MPa/145 MPa=8.8根，

5.73/8.8=0.65 m。

因此，箱梁底板工字钢每0.6 m一根就能满足要求。

2.2.2.2刚度验算[2]

工字钢每0.6 m一根时，箱梁底板布置为11根。

f=5ql4/(11×384EIx)=5×180.83×103×84/(11×384×2.1×22 780)=18.3 mm<8 000÷400=20 mm。

满足要求。

2.2.2.3抗剪验算

Q=1/2×180.83×8+1/2×3.6=725.12 kN，

τ=QSx/Ixδ=(725.12×103)/(336×10×12.5)=17.26 MPa<85 MPa(已考虑1.2的安全系数)。

主线桥计算方式同上，经计算箱梁底板工字钢每1.2 m一根就能满足要求。

2.2.3分配梁受力检算

分配梁采用双拼I40b工字钢，长度12 m，工字钢顶上采用1 cm厚、30 cm宽、12 m长的钢板进行横向锁结。

I40b工字钢自重q工字钢=73.8 kg/m，惯性矩IX=22 780 cm4，截面抵抗矩WX=1 140 cm3，腹板厚度δ=12.5 mm，IX/SX=33.6 cm。

钢管柱间距为2 m，在梁底板5.73 m范围内计算工字钢受力情况即可。

2.2.3.1强度验算

作用在工字钢上的线荷载：

q自重=q工字钢×1.2×2=1.78 kN/m；

2 m范围内分配的荷载：

F=180.83×2/5.73×8+3.6/2×2/5.73 kN=505.56 kN；

最大弯矩：

M1=ql2/8=1.78×22÷8=0.89 kN·m，

M2=Fl/4=505.56×2÷4=252.78 kN·m，

Mmax=M1+M2=253.67 kN·m，

ó=M/W=253.67×106/1 140×2×103=111.25 MPa，

ó=111.25 MPa<[óW]=145 MPa，

满足要求。

2.2.3.2刚度验算

f=Fl3/(2×384EIx)=505.56×103×23/(2×384×2.1×22 780)=0.11 mm<2 000÷400=5 mm。

满足挠度要求。

2.2.3.3抗剪验算

Q=1/2×505.56+0.89×2/2=253.67 kN，

τ=(QSm/Imδ)/2=(253.67×103)/(336×12.5×2)=30.19 MPa<85 MPa。

满足要求。

主线计算方法同上，经计算，工字钢每0.7 m一根就能满足要求。

2.2.4钢管支墩结构受力检算

取中墩上钢管柱做检算：(因为两个门洞有一半的上部荷载均作用于中墩处)钢管柱高3 m，在容许长细比范围内。

此处只需验算匝道即可，中间钢管支墩承受上部传来的荷载为：

N=180.83×8+3.6×0.5=1 448.44 kN。

单根Φ600×10 mm钢管承受荷载为：N=1 448.44 kN÷4根=362.11 kN。

钢管稳定性计算模型为一端固结一端自由。经查询塘沽本地100 a内最大风力为0.6 kN/m2，钢管惯性矩Ix=80 675.313 cm4，截面面积A=185.354 cm2，l=350 cm，截面抵抗矩W=π(D4-d4)/32D=2 687.813 8 cm3，长细比λ=l0/i；i=(I/A)1/2；l0=ul；u=2(u为长度因数，一端固定一端自由的细长杆取2)，故λ=700/20.86=33.5<150(受压杆件的柱结构容许长细比为150)稳定性符合要求。

由λ查轴心受压杆件的稳定系数表，

Φ=0.909；MW=1/2ql2=0.36×3.52=4.41 kN·M，

σ=N/ΦA+MW/W=362.11 kN/0.909[π/4(R2-r2)]+4.41/2 687.813 8=21.45+0.001 6=21.452 MPa<140 MPa。

稳定性符合要求。

2.2.5基础检算

以2#混凝土基础为例。

采用钢筋混凝土条形基础，承受上部传来的荷载产生的压强为：

钢管自重：

G1=152 kg/m×3 m/根×11根=50.16 kN；

混凝土条形基础自重：

G2=25×1.0×1.2×25 kN/m3=750 kN，

P=(N+G1+G2)/S=(1 448.44+750+50.16)/(25×1)=89.94 kPa;

既有公路路面与地基基础能满足施工要求。

3　支架施工

3.1　条形基础地基处理

由于门洞宽度的需要，条形一部分要处在路肩部位，占用路肩部位宽约50 cm。需将路缘石拆除后清除路肩处表面素土，清除至路基结构层回填山皮土，为保证地基稳定性，回填区域以路面边缘为基准向外扩张2 m，回填区域分层逐级压实，每层25 cm，处理方式如图2。

图2　既有路路肩基础处理方式

为保证施工后钢管柱结构安全，门洞基础边缘与钢管柱边缘保证一定的安全距离，以防止车辆撞到钢管柱，条形基础端距第一根钢管柱距离为1 m。同时，在门洞基础两侧安置防撞砂桶，以保证门洞的安全性。

门洞基础定位采用坐标定位法，即门洞设计完成后，在桥梁平面布置图上标明门洞位置，并查出各点坐标，门洞施工前按照坐标定位基础，以保证门洞基础位置的准确性。

条形基础模板采用木胶板，采用10 cm×10 cm方木作竖向背肋，间距30 cm，采用普通钢管双拼设置上中下三道作为横向背肋，并设置上中下三道对拉丝，间距60 cm。浇筑混凝土前将钢筋骨架按配筋图绑扎完毕与钢管柱基础的预埋钢板(如图3～4)水平固定。混凝土浇筑时，采用插入式振捣棒进行振捣。

图3　预埋钢板平面图

图4　预埋钢板立面图

3.2　钢管柱安装

在条形基础施工完毕后即进行钢管柱的安装。利用吊车进行安装钢管柱，采用焊接形式，将钢管柱焊接到预埋钢板上，安装时为保证钢管柱的垂直度，安装过程要用水平尺进行控制(具体焊接方式如图5～6)。为保证钢管柱的稳定性，钢管柱之间采用10槽钢焊接剪刀撑进行加固连接。

图5　钢管柱与预埋钢板焊接平面图

图6　钢管柱与预埋钢板焊接立面图

在钢管柱安装完毕后，施工门洞上部的沙桶、双拼工字钢以及I40b工字钢等。沙桶与钢管柱之间以及双拼工字钢与沙桶之间均采用焊接形式固定(如图7)。

图7　沙桶及双拼工字钢结构图

3.3　安放工字钢

纵向工字钢采用I40b工字钢，工字钢与条形基础垂直放置。由于工字钢的搭设与桥梁走向有一定的夹角，所以在安装工字钢前统一按照计算书中的计算长度在工字钢中精确标出，并留有明显痕迹，工字钢的间距在双拼工字刚上由桥梁中点向桥梁边排布，用记号笔将间距标出。用25T吊车进行吊装，在安装时将I40b工字钢上的标记与双拼工字上的标记相对应，既保证了工字钢之间的间距，也保证了工字钢的有效工作长度。

3.4　支架预压

支架预压的目的：检查支架的安全性，确保施工安全。消除地基非弹性形变和支架非弹性形变的影响，有利于桥面线形控制。本工程拟按跨段分段预压法进行预压，预压方法依据箱梁砼重量分布情况，在搭好的支架上堆放砂袋，重量不小于箱梁自重的1.2倍。施工前，将每袋砂石按标准重进行分包准备好，然后用汽车吊进行吊装就位，并按箱梁结构形式合理布置砂袋数量。

1)加载顺序：分3级加载，第1、2次分别加载总重的30%，第3次加载总重40%。

2)预压观测：观测位置设在每跨的L/2，L/4处及墩部处，每组分左、中、右3个点。在点位处固定观测杆，以便于沉降观测。

采用水准仪进行沉降观测，布设好观测杆后，加载前测定出其杆顶标高。第1次加载后，每2 h观测1次，连续两次观测沉降量不超过3 mm，或沉降量为0时，进行第2次加载，按此步骤，直至第3次加载完毕。第3次加载沉降稳定后，可进行卸载。

支架日沉降量不得大于2.0 mm(不含测量误差)，一般梁跨预压时间为3 d。卸压完成后，要再次复测各控制点标高，以便得出支架和地基的弹性形变量(等于卸压后标高减去持荷后所测标高)，用总沉降量(即支架持荷后稳定沉降量)减去弹性形变量为支架和地基的非弹性形变(即塑性变形)量。预压完成后要根据预压成果通过可调顶托调整支架的标高。

3)卸载：人工配合吊车吊运砂袋均匀卸载，卸载的同时继续观测。卸载完成后记录好观测值以便计算支架及地基综合形变。根据观测记录，整理出预压沉降结果，调整箱梁底板及悬臂的预拱高度。

4　结语

本工程实例的跨线桥施工，采用钢管柱支架工字钢的支架形式，门洞支架的设计得当，力学计算比较普遍，施工也比较简单，安全可靠，成效比较明显，对类似工程的施工有借鉴意义。

[1] 周水兴，何兆益，邹毅松.路桥施工计算手册[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2] 江正荣，朱国梁.简明施工手册[M].4版.北京：中国建筑工业出版社，2016.